氧气顶吹转炉的热流固耦合有限元分析

摘要

氧气顶吹转炉炼钢是我国目前钢铁行业主要的炼钢方法之一，由于成套转炉的成本较高，冶炼工艺比较复杂，转炉的使用寿命对产品质量、经济效益有重要的影响，延长转炉的使用寿命已经成为了钢铁企业技术革新的核心工作。在吹炼过程中，熔池内钢液长期地冲刷、喷溅及氧化炉衬表面，造成炉衬熔损;转炉由于热膨胀和温度不均引起的较高热应力导致炉体结构变形甚至断裂;同时，在倾动过程中，热应力大幅度地变化使炉体结构反复地收缩、膨胀，极容易出现疲劳裂纹。以上原因可能造成转炉变形、裂纹、过热及烧穿等破坏，直接缩短转炉的使用寿命、降低经济效益。
　　本文采用顺序耦合的方式，利用CFD和ANSYS软件进行转炉系统的热-流-固耦合分析计算，依次得到了转炉熔池的流场、转炉系统的温度场及综合应力场。研究方法和研究步骤基本合理，具有一定的研究价值，为其他领域的研究工作提供了一种可行方案。另外，本文仿真分析了不同倾动角下转炉系统的热-固耦合应力场，考察了转炉各组成部件的最大应力-倾动角变化规律以及动载冲击的影响。重点探讨了转炉托圈蚀损前后承载能力的分析研究，并提出合理的建议。
　　经研究发现，氧气吹炼时，造成了较大的液面扰动，且钢液飞溅，有少量钢液粘着在熔池内壁与氧枪外壁的较高位置上，这种较强烈的钢液喷溅会冲蚀炉衬耐火材料;在纯顶吹条件下熔池底部流速微弱，钢液流速小于0.06m/s，这种死区不利于熔池搅拌，脱碳能力较差;炉壳的热-流-固耦合最大应力值在下夹持块与炉壳连接处，可达198MPa，接近于炉壳材料的屈服极限，需要改进其局部结构，降低应力集中;倾动角60°是最具有风险的位置，转炉系统的大部分零部件都达到较大应力值，安全系数较低;在无损伤的情况下，内腹板的最大应力值为72.4MPa，在损伤的情况下，蚀损区域的最大应力值为111.1MPa，上升幅度达53％。在考虑动载的情况下，这个最大应力值还会增加。由此可见，内腹板的蚀损区域对托圈结构强度影响较大，不可忽视，需要及时地进行加固维护以提高托圈承载能力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 氧气项吹转炉简介

1．2．1 氧气项吹转炉的结构组成

1．2．2 氧气顶吹转炉工作原理及负荷特点

1．2．3 氧气项吹转炉毁损状况及原因分析

1．3 氧气顶吹转炉国内外研究现状

1．4 课题研究的意义、主要内容及方法

1．4．1 课题研究的来源、目的和意义

1．4．2 课题研究的主要内容

1．4．3 课题研究的方法

第二章 氧气顶吹转炉的CAD及CAE建模

2．1 氧气顶吹转炉CAD模型的建立

2．2 氧气顶吹转炉CAE模型的建立

2．2．1 氧气顶吹转炉网格模型的建立

2．2．2 CAE模型质量统计

2．2．3 材料的机械性能

2．2．4 材料的物性参数

第三章 转炉吹炼过程中的流场分析

3．1 熔池流场分析的数学模型描述

3．1．1 基本假设

3．1．2 控制方程

3．2 熔池流场分析CAE模型的建立

3．2．1 物理模型尺寸及工艺参数

3．2．2 流体材料的物性参数

3．2．3 流场分析的网格模型

3．2．4 流场分析的边界条件

3．3 熔池流场分析的仿真结果

3．3．1 氧气顶吹时液面扰动情况

3．3．2 氧气顶吹时流体速度场

3．3．3 氧气顶吹时壁面的压力场

3．4 本章小节

第四章 转炉系统的热分析

4．1 转炉系统热分析的数学模型描述

4．2 转炉系统热分析的CAE模型及边界条件

4．3 转炉系统热分析的仿真结果

4．4 转炉系统热分析的仿真结果验证

4．5 本章小结

第五章 转炉系统的热-流-固耦合应力分析

5．1 温度场和应变场的耦合

5．2 热-流-固耦合应力分析的边界条件及工作载荷

5．2．1 热-流-固耦合应力分析的边界条件

5．2．2 热-流-固耦合应力分析的工作载荷

5．3 结构评价准则

5．4 热-流-固耦合应力分析的仿真结果

5．5 本章小结

第六章 不同倾动角下转炉系统的热-固耦合应力分析

6．1 坐标系的确定

6．2 不同倾动角下钢液重心的计算

6．3 转炉倾动力矩的计算

6．4 热-固耦合应力分析的边界条件及工作载荷

6．5 典型倾动角下热-固耦合应力分析的仿真结果

6．5．1 0°位时热-固耦合应力分析的仿真结果

6．5．3 60°位时热-固耦合应力分析的仿真结果

6．6 不同倾动角下热-同耦合应力分析的仿真结果

6．7 考虑动载荷系数的应力分析

6．8 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢