摘要：对某钢铁公司炼钢厂扩容后的2号转炉炉壳进行现场温度测试，由测试结果运用有限单元法对炉体进行温度场模拟以及三维热机耦合应力分析，分析炉壳的温度场及应力分布，为转炉炉体的扩容改造与安全性提供了数据参考。

关键词：转炉；扩容；热机耦合；安全性

    某公司炼钢厂原有转炉冶炼容量为30 t，为扩大产能及节约投资于2004年将其扩容为50t。实际冶炼过程中炉料最大装炉量高达70 t。由于炉体的改造主要是在原有炉壳上增加炉身长度，转炉直径未变。显然扩容后转炉炉壳的强度受到严峻的考验。为验证该转炉在今后生产中的安全及稳定性，文中对其承载能力进行校核分析。

1分析方法

转炉炉体是由炉壳与炉衬组成。炉壳应力水平直接影响转炉的使用寿命，因此，校核扩容后转炉炉体的工作可靠性主要是计算炉壳的应力。

  计算炉壳应力的传统数值理论算法不但计算过程繁琐，而且忽略过多的影响条件。因此现代研究人员采用有限单元法进行应力计算。文中运用有限元数值仿真技术，对某厂2号转炉炉体进行有限元三维热机耦合应力计算。计算炉体热应力，首先必须准确描述炉壳的温度场。为此，我校组织相关人员于2004年1月对该号炉体进行了现场温度实测。具体工作内容如下：(1)现场实测转炉炉体温度；(2)参考测温结果模拟炉体温度场；(3)计算炉体的三维热机耦合应力并分析计算结果。

2炉壳温度场的现场测试

 2．1  温度场测试条件

    温度场测试工具为便携式红外线热成像仪，其性能参数如下：温度测试范围一80～1 500℃；测试距离0．5～20 m。测试对象是该厂2号转炉炉壳。测试时该厂2号转炉的基本情况为：炉体进入稳态冶炼期，炉衬已有部分损耗；在每次出钢后，均进行溅渣护炉；炉料(包括铁水与废钢)吨位最高可达70 t；出渣与出钢侧上炉锥处无挡渣板，因此生产过程中附着有大量炉渣，且炉壳外表面未采用任何冷却措施。

2．2温度场测试结果

    为保证测试结果能充分体现炉壳的整体及局部的温度分布状况，分别测试炉壳的典型位置：炉口、上炉锥、托圈通风口、下炉锥以及炉底的温度场。炉壳典型位置温度测试结果如图1～图4(炉壳位置是以俯视炉体时顺时针角度计，例如出钢侧位置为90⁰)。

    炉壳温度曲线可知：2号转炉炉体整体温度水平较高。上炉锥两侧温度分布随位置的下移呈升高趋势，出钢侧(90⁰)温度较高，最高可达540℃，比之出渣侧略高；下炉锥温度分布较均匀，分布趋势如同上炉锥，但最高仅为：380℃；炉底温度较为均匀，且温度水平相对较低，均低于280℃，最低可达190℃。

    炉体内腔温度因为条件限制，无法通过实测手段获得。根据现场实际经验，炉液温度取为1 600℃，因此液面以下炉衬温度为1 600℃，液面以上炉衬内表面温度逐渐衰减。

3有限元仿真分析

3．1  炉体三维有限元模型的建立

    炉体属于复杂截面的环形结构件，且内部建有炉衬，外部支有筋板及3个支撑点。为模拟炉壳的实际受力，在3个支撑点上分别建立接触块，接触块几何尺寸与托圈上的球铰螺栓直径完全一致。在建立有限元模型时，采用三维块单元与三维壳单元相结合的方法，支撑筋板采用三维壳单元，其它部位均采用三维块单元。因为炉壳、炉衬以及支撑筋板的材料不尽相同，故采用不同的材料模型进行单元划分；对于炉体内盛装的炉液，考虑液面高度及重力对炉壳的温度场及受力的影响。图5为扩容后50 t转炉炉体的三维有限元模型，3个支撑点上分别建有接触块，考虑到炉衬砖之问的缝隙对炉壳应力的衰减作用，文中采用降低炉衬热膨胀系数的方法来实现。

3．2温度场仿真分析

    温度场的计算具体分以下两步：

    (1)施加热分析边界条件

    根据转炉炉体的实际工况，施加相应的边界条件如下：1)炉衬内壁施加温度载荷，以模拟实际炉体内腔温度分布；2)炉口采用恒定低温载荷，以模拟实际炉口的水冷作用；3)炉壳外壁施加相应的换热系数，以模拟炉壳换热。炉壳换热系数由下公式确定：

  式中，α为换热系数；L为定型尺寸；λm为导热系数；Pr为普朗特常数；g为重力加速度；tw、Tw为热面的摄氏温度和绝对温度；tf、Tf为环境介质的摄氏温度与绝对温度；风为空气容积膨胀系数；Re为雷诺数；ε为系统黑度；C为黑体辐射系数。

  (2)调试温度仿真模型的计算结果

  热应力计算结果的准确与否完全取决于温度场模拟结果的真实性。根据现场实试结果，不断调试热分析模型的边界条件，使炉体整体和局部温度与实测结果一致，尤其是典型位置的温度场。具体调试对象如下：1)炉壳外壁的对流换热系数；2)炉体的环境空气温度。

3．3热机耦合应力分析

  为精确计算炉体的应力分布，计算模型需涵盖炉体的最大载荷工况。文中通过分析炉体的典型工况来获取炉体最高应力分布，计算时取以下工况：炉体满载(70t)，炉衬工作层有一定的损耗。

  对炉体进行热机耦合计算的步骤如下：

  (1)转换热分析模型为结构分析模型。将模型的热分析单元转换成热力学分析单元，所有热分析单元用相应的耦合应力分析单元替换；

  (2)施加热机耦合边界条件。对炉体进行热机耦合分析，施加的边界条件主要有位移、外力及自重。具体如下：在3个支撑块底面上施加垂直方向约束；对炉底中心轴线上的两点施加平面约束，以保证炉体不发生刚性位移；施加炉体的重力加速度；施加温度载荷，将温度场的计算结果施加到耦合计算的分析模型上，以计算热应力。同时需注意以下两点：炉内装有炉料时(最高峰载炉料为70 t)，为模拟炉液重力，改变炉衬密度为4．4×10⁶kg／m³，作为危险工况；因为在垂直方向上仅约束了3个支撑块的下表面，故炉体下坠以此面为坐标零点。

3．4  耦合应力计算结果分析

    两座转炉炉壳的等效应力分布变化是文中分析的要点。对支撑处炉壳上垂直节点的结果数值采样，并将其Mise等效应力结果对比分析，具体如图6、图7所示。

    由图6、图7可知，炉壳的整体综合应力水平较高，主要应力集中部位分布在出钢与出渣侧上炉锥、炉口内沿及炉底焊接处，其中尤以炉口内沿的应力水平最高，可达250 MPa，上炉锥与炉底应力水平基本保持在200MPa以上，上炉锥部炉壳长期受高温炉渣覆盖，易发生高温蠕变以致炉壳变形。

4结语

    文中对扩容改造后的炉体采用三维机耦合应力分析，能够更加全面、准确的掌握炉体的整体和局部温度场及耦合应力的分布情况，这相对于二维有限元分析有很多明显优势。通过对扩容改造后的50 t转炉炉体的现场温度实测，利用有限单元法的数值仿真技术，对2号转炉炉体分别进行了三维温度场与热机耦合应力分析，研究了炉体处于冶炼峰载时炉壳的综合应力水平及分布状况。通过研究发现：炉壳整体应力水平较高，且炉口、出渣与出钢侧上炉锥下部以及炉底焊接处应力水平均高达200MPa以上，为炉体的长期安全使用提供了数据参考。