包钢新1号高炉炉壳整体弹塑性有限元分析

　　现代钢结构包钢新1号高炉炉壳整体弹塑性有限元分析王志军陈曦田丰齐晓玉（重庆大学土木工程学院重庆400045）（包钢集团设计院包头014010）析的基础上，进一步对高炉炉壳进行了整体的弹塑性有限元分析，得到了结构的塑性区域产生、发展以及*终应力一应变分布规律，为高炉的设计和建设提供科学依据。

　　包钢1号高炉大修（容积由原来的1 513m3扩容到2215m3）是在1996年包头钢铁设计研宄院的施工图基础上进行修改设计的。为了获得扩容后高炉炉壳在事故荷载下的应力一应变分布规律，以及高炉炉壳上众多孔洞的局部应力、应变情况，需对该高炉进行弹塑性有限元分析。

　　在高炉炉壳上，开有风口、铁口等大孔，还有许多冷却板的安装孔及一些观察孔和测量孔。孔的存在削弱了炉壳强度，又加上高炉荷载作用复杂，炉壳在受自身（包括附属设备）和砌体的自重荷载外，还承受热应力和内部煤气压力，有时还要抵抗崩料、坐料等事故荷载作用，在孔边很容易出现局部高应力集中，因而在这些部位不可避免会产生塑性变形。因此，在弹性分析的基础上，必须研宄孔边塑性区发展过程，只有这样才能得出符合实际情况的计算结果。

　　正如文添1丨所指出的，我国的高炉设计正在由以经验为主的简单计算发展到在整体弹性计算的基础上考虑局部弹塑性发展的电算时代。*近几年，随着计算机技术的飞速发展和大型有限元程序的日益完善，使得对高炉炉壳整体进行弹塑性分析己逐渐成为可能。本文利用ANSYS的分析平台，结合APDL（ANSYS参数化设计语言）语言，完成了高炉炉壳的整体弹塑性有限元分析，研宄了高炉炉壳局部塑性区域的产生和发展过程，为高炉的设计和建设提供了科学依据。

　　1有限元建模及单元划分ANSYS程序的APDL语言是一种参数化设计语言，除具有类似一般编程语言的一些特性，如参数、变量、宏、if-therrelse分支、do循环、向量及矩阵操作等外，还具有建立复杂模型和控制非线性分析过程的强大功能。本次分析中有限元模型的建立（包括孔洞和孔边加劲肋约束的精确模拟等）就是利用APDL语言来完成的，不但提高了工作效率，而且在建立有限元模型时不需太多简化，可严格按设计院的实际施工图进行复杂建模。高炉炉体高40m，有效容积为2 215m3，高径比为231，米用50mm和70mm厚的钢材作炉壳。模型炉体分为24个板带，距炉底9. 08m处开2个铁口（方孔），距炉底13. 158m处开54个风口（圆形孔），炉顶有1个圆形顶孔、4个圆形煤气导出孔、1个方形换溜槽孔、2个温度探测孔（圆形孔）和4个打水孔（圆形孔）炉壳用Shell93壳单元。为了与实际情况接近，避免在**作者：王志军男1965年9月出生工学博士副教授炉壳整体模型弹塑性分析中出现虚假的应力集中现象，在模型上所有开有大孔的地方都施加了孔边约束。例如在顶部煤气导出孔处，就用Shell93壳单元模拟了一段煤气导出管，在其他孔边缘则是采用Beam189单元来模拟孔边加劲肋约束情况。另外，在温度探测孔和煤气导出孔外还附加了梁单元Beam4，以方便孔边荷载输入。整体模型如模型单元划分基于ANSYS的智能划分，并在炉底、炉腰开口处和炉顶开孔洞处分别进行加密划分。模型有23 242个节点和11018个单元模型划分如~11板带和12~20板带上的冷却设备均布荷载13kN/mb. 9、10板带衬砖重7000kN均布在面上。c21板带炉喉刚砖重200kN沿周长均布在面上。d.23板带炉顶保护板重100kN均布在面上。e. 24板带炉顶保护板100mm厚的铸钢件按重度70kN/m3均布在面上。炉顶测温孔按每孔10kN沿孔边缘加在孔上。g. 4个煤气导出孔边缘荷载按总重250kN加在孔边缘上。h.炉顶竖向荷载330kN沿孔边缘均布在孔上。2）水平荷载：液体渣铁荷载按三角形水平荷载加在铁口中心线下23m到上45m范围；横向炉料压力按梯形水平荷载加在12 ~20板带上。3）气体压力：炉体内部气体压力为035MPa按垂直炉壁方向加在炉壁上4）温度作用：高炉炉壳的平均温度为60C，考虑内外温差，内表面为65C，外表面为55U室温取205）约束：在炉底线上加约束约束住所有方向位移和转角。2高炉弹性分析结果为了解炉壳在事故荷载作用下总的应力情况和炉壳上可能的薄弱部位，首先对炉壳进行了弹性分析。弹性分析时所有荷载一次施加。表1列出了主要的分析结果。由表1可得出以下结论：1）应力*大值在炉顶部的矩形换溜槽孔的转角处。从弹性计算结果看，炉顶部的换溜槽孔、炉底部己进入塑性。2）从整体上看，炉壳大部分应力情况还是处在弹性阶段，塑性只是局部发生。炉壳有限元模型单元划分针对事故荷载条件进行分析，模型上施加了以下几类荷载1）竖向荷载：a.3~7板带上的冷却设备均布荷载10kN/m2，83高炉弹塑性分析参数取值及分析方法对于高炉炉壳用钢，采用VonMises屈服准则，以各向同性硬化弹塑性材料模式描述弹塑性行为。线性强化弹塑性模式可简化为双线性弹塑性模炉腹（铁口）（带）炉腰（风口）（8带）炉身炉顶部（2324带）*大值平均值累积应变**主拉应力*大值平均值累积应变注：表中累积应变是指与相应应力对应的累积应变*大值。

　　长法自动确定。（弹性应变和塑性应变之和）应力率和节点*大位移等进行3.2结果分析分析。弹塑性分析结果见表2主要针对VonMises应力值、**主拉应力S，累积应变表2高炉弹塑性分析结果炉底部（卜3带）炉腹（铁口）（带）炉腰（风口）（8带）炉身炉顶部（2324带）*大值平均值累积应变应力率N*大值平均值**主拉应力*大值平均值累积应变注：表中累积应变是指与相应应力对应的累积应变*大值；应力率N=aR/ay，当NC1时，表示结构应力状态为弹性状态，当N>1时表示结构已经屈服，进入塑性状态；其中平均值按2 4计算，Ai是指单元的面积，是指该单元内部应力平均值u 321结构弹塑性发展过程加载初期在自重和温度的共同作用下，*大应力值出现在高炉顶部的换溜槽孔角部，局部应力集中，而炉壳上VonMises应力平均值不到20MPa气压荷载加完时，*大应力值转移到高炉底部，VonMises应力为261MPa局部屈服高炉底部应力率*大值为1. 006当铁水荷载和炉料压力加到总荷载的60%时，*大应力值从炉底转移到高炉腹部铁口处，VonMises值达到257MPa对应累积应变达到0 001618铁口局部屈服。在之后的加载过程中，屈服部位在铁口转角处发展，后面铁口局部也出现屈服。

　　322局部应力集中和塑性区域分析1）在高炉顶部的换溜槽孔四个角均己屈服，塑性区域*远发展到距角9.18cm处。除去四个转角之外，VonMises应力*大值（出现在炉顶孔边缘处）为179MPa，应力率为0.6877由于本次弹塑性分析时在煤气导出孔和顶孔四周均根据实际情况加了边缘约束构件（导出管和加劲肋），使得在这些孔边没有出现过大的应力集中现象，孔边缘*大VonMises应力值为171MPa.炉壳顶部VonMises应力如2）在高炉炉腹铁口处，两个铁口的四个转角均己屈服，塑性区高炉炉腹铁口处VonMises应力虽然开孔数量众多，但尚未进入屈服，应力分布较均匀。5）炉身是应力水平*低的部分，处于弹性阶段。

　　4结语1）通过对高炉炉壳的弹塑性有限元分析，得到了结构的塑性区域产生、发展以及*终应力一应变分布规律，为高炉的设计和建设提供了依据。2）从整体上看，高炉炉壳整体应力水平比较低，表明炉壳整体是安全的。3）高炉局部由于应力集中导致局部应力值超过屈服极限，产生了塑性变形。除底部塑性区域较大外，其余塑性变形区域较小。塑性变形由于相邻部分之间的约束，并受周围弹性材料所包围而得到缓和，累计应变*大值与极限值还有一定差距。4）塑性区域是结构的薄弱部位，在结构设计和施工中应当采取相应的措施缓解局部应力集中的现象。