基于ANSYS的高铝质电炉盖预制块热应力分析

摘要

电炉盖是电弧炉炼钢的重要设备，其隔热保温性能及使用寿命直接影响到钢铁企业的经济效益。随着超高功率电弧炉炼钢技术的出现，高铝砖电炉盖已不能满足使用要求，在这种情况下，有学者提出了浇铸炉盖预制块拼装组合成炉盖的方案设想。而预制块炉盖能否取代高铝砖炉盖的关键在于预制块炉盖的温度、应力水平及分布。 本文以某钢厂30t电炉盖为研究对象，主要研究了以下内容： (1)考虑了预制块之间的接触，建立了高铝砖炉盖和预制块炉盖(浇铸三块、八块、十二块)的CAD/CAE模型，基于传热学理论应用有限元软件ANSYS分析了高铝砖电炉盖和预制块炉盖在熔化末了阶段的稳态温度场和应力场，这有利于分析炉盖温度、应力水平及分布规律； (2)计算表明预制炉盖和的整体温度、应力水平低于高铝砖炉盖，因而预制块炉盖具有更好的保温性能和更长的使用寿命，为预制块炉盖的制作和推广提供了理论支持；通过对不同浇铸方案下的预制块炉盖温度场和应力场的比较，得出了较为合理的浇铸方案，即浇铸三块炉盖预制块然后组装炉盖可获得较低的整体应力水平，为浇铸方案的选择提供了理论参考；针对预制块之间的接触应力会使预制块之间产生缝隙影响到炉盖的保温性能提出改变接合面形状的建议； (3)研究了浇铸料导热系数、热膨胀系数及弹性模量对预制块炉盖温度、应力水平的影响。研究表明，预制块炉盖应力水平同浇铸料的性能参数成同向变化趋势；炉盖的温度水平同浇铸料的导热系数成同向变化趋势； (4)结合浇铸工艺特点，应用ANSYS优化模块对浇铸料的物性参数进行了优化。研究表明，通过适当的技术手段合理配置浇铸料各组分的比例能获得较优的炉盖性能。在一定程度上，为浇铸料的研制提供了有益参考。 本文的研究工作对于了解电炉盖温度场和应力场分布、制作炉盖预制块、研制炉盖浇铸料起到一定的参考作用。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1课题的来源及研究意义

1.2电弧炉炼钢技术的国内外现状

1.3电炉盖的国内外研究现状

1.4本课题的研究内容

第2章电炉盖CAD/CAE模型的建立

2.1基本理论

2.2电炉盖CAD模型的建立

2.3电炉盖CAE模型的建立

2.4基于APDL的ANSYS模型

2.5小结

第3章电炉盖温度场分析

3.1材料物性参数的确定

3.2载荷及边界条件的确定

3.2.1电弧炉炼钢工艺特点

3.2.2热交换系数的确定

3.2.3载荷及边界条件的确定

3.3电炉盖温度场

3.4温度场分析

3.5小结

第4章电炉盖应力场分析

4.1应力分析数学模型

4.2载荷及边界条件的确定

4.3电炉盖应力场

4.4应力场分析

4.5小结

第5章炉盖温度场和应力场的影响因素

5.1炉盖温度场和应力场影响因素分析

5.2浇铸料物性参数对温度场和应力场的影响

5.2.1导热系数对温度场和应力场的影响

5.2.2热膨胀系数对应力场的影响

5.2.3弹性模量对应力场的影响

5.3小结

第6章浇铸料物性参数的优化

6.1基本理论及方法

6.1.1 ANSYS优化原理

6.1.2 ANSYS优化步骤

6.2优化模型的建立

6.2.1优化变量的选取

6.2.2优化模型的确定

6.3优化结果

6.4小结

第7章总结和展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间的研究工作

致谢