连续式石墨化炉结构热应力分析与优化设计

摘要

本文所研究的连续式石墨化电炉是一种新炉型，与传统的石墨化炉相比，连续式石墨化炉具有能耗低、生产周期短、生产效率高，生产成本低等优点。新型连续式石墨化炉最大的特点是冷却器的设计。由于冷却器需要对3000℃的物料进行强制冷却。因此，需要冷却器能够承受很高的热应力。冷却器的寿命直接关系到整个石墨化炉的寿命，本文主要分析影响石墨化炉失效的主要因素，并进行优化设计。
　　冷却器主要分三个区段，分别由三个独立的冷却系统组成，每个区段都包括多组冷却水管，实际生产中，连续式石墨化炉的破坏主要发生在第一区段即冷却器入口处。在这些区域冷却器内外壁温差最大，内外壁存在很高的温度梯度，难以避免要产生热应力。因此，本文主要分析冷却器入口处及第一区段冷却水管的温度场及应力场，并分析影响热应力的主要参数。分析结果对今后冷却器结构优化设计、制造、维修和提高使用寿命具有非常重要的意义。
　　根据冷却器结构具有轴对称性，建立简化二维有限元模型，结合试验与设计要求按照传热学理论计算冷却器内外壁温度，使用有限元分析软件ANSYS进行温度场及应力场的分析。分析过程中分别对比固定参数与变参数对分析结果的影响，保证分析数据更接近实际，具有更高的计算精度。
　　结合有限元分析结果，找到影响热应力最大的因素及热应力最大部位，并结合实际，提出了合理的优化设计方案，同时重新建立有限元模型进行分析对比，分析结果显示，优化结构很好的降低了上下拐角的热应力。本项目的研究成果对提高整个连续式石墨化炉的寿命、连续式石墨化炉冷却器的设计水平以及冷却器维修方案具有重要的借鉴意义和参考价值。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 石墨化炉结构简介

1．2．1 艾奇逊石墨化炉

1．2．2 内热串接石墨化炉

1．2．3 电煅烧炉

1．3 连续式石墨化炉

第2章 结构温度场、热应力的有限元法基本理论

2．1 有限单元法概述

2．2 传热学相关理论

2．2．1 热量传递的基本方式

2．2．2 传热分析中的能量守恒

2．2．3 导热理论的基本概念

2．2．4 导热基本定律

2．2．5 导热微分方程

2．2．6 导热过程的单值性条件

2．3 热应力有限元基本理论

2．3．1 轴对称温度作用下的冷却水管变形和应力

第3章 冷却器温度场的简化计算

3．1 冷却器入口处温度场的简化计算

3．2 冷却器冷却水管温度场的计算

第4章 连续式石墨化炉的结构优化设计

4．1 冷却器热应力分析

4．1．1 冷却水管热应力分析

4．1．2 冷却器入口处热应力分析

4．1．3 误差分析

4．2 冷却器的优化分析

4．2．1 拐角处采用圆角过渡的可行性分析

4．2．2 重力对结构应力的影响

4．2．3 壁厚对热应力的影响

4．2．4 结构优化设计

第5章 连续式石墨化炉实验

5．1 实验目的

5．2 实验方案

5．3 实验过程及结果分析

5．3．1 实验过程

5．3．2 实验结果及分析

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢