内衬对高炉炉壳受力影响的参数化分析

郑 蕾 （中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 243005）

0 前 言

高炉结构是一种特殊的冶金设备，其构造形式复杂，受力形式多种多样，各部分的承载也较为复杂，很多问题尚没有一个很好的结论。高炉的组成主要是由高炉内衬和高炉钢炉壳组成；高炉内衬一般由粘土砖或高铝砖等微膨胀或零膨胀保温材料和构成。在设计过程中，工程师往往根据高炉内部的荷载工况，计算高炉钢炉壳的受力、变形情况，从而确定炉壳的形状和厚度，而不考虑保温材料对炉壳受力和变形的影响。在大量关于高炉的内衬的研究中，也重点是研究内衬的侵蚀[1,2]。本文结合实际设计工程，参照相关的参考文献[3,10]，对高炉结构进行系统的分析研究，采用大型有限元软件模型进行有限元分析，得出一些有价值的结论，为工程设计提供参考。

1 建 摸

图1 结构模型图

在高炉结构中，分析内衬对炉壳影响最佳的部位为炉缸位置，炉缸的铁水产生的侧向荷载主要是通过炉壁内的炉缸陶瓷杯传递给高炉内衬，再传给外面的炉壳的。在传力的过程中，保温砖也承受了部分的荷载，对这部分力产生了削弱的效应。内衬材料属性不尽相同，而不同的材料属性对这种传力产生什么样的效应尚不可而知，而分析采用参数化的方式，分析不同材料参数的材料对炉壳受力的影响，从而分析组合体的受力特性。

为节省计算空间，增加计算精度，模型只分析炉缸和炉底部分。建摸时取炉缸高度4.394m,炉底高度3.743m,铁水深度3m。炉壳的炉缸部位钢板厚度为36mm，炉底钢板厚度为30mm，炉缸顶部的保温层厚度为794mm,炉缸坡度为7∶1。

结构材料参数炉壳为Q345钢，而保温材料的参数由于相关的计算资料较少，分析时取弹性模量为0～30GPa区间进行参数化分析（弹性模量取值参照砌体和混凝土的相关参数）。

有限元模型基本属性 表1

2 加 载

在分析时简化结构的受力性能，只选取一种作用力（重力采用加载加速度方式）。铁水的侧向作用力主要为向外的压应力，根据液体压强公式P=ρgh可知，这种力为一沿侧壁的三角形荷载，如图2所示，在大型有限元软件里，其主要由不同的颜色来区分的，如图3所示。

图2 结构受力简图

图3 加载面加载示意图

3 结果分析

分析上述模型的计算结果，主要针对2个参数来分析：炉壳的最大位移（Smax）和炉壳单元的最大Von mises应力。下面就围绕这2个参数进行分析。

3.1 最大位移（Smax）

最大位移分析主要考虑中间内衬对炉壳位移的减小规律，由于在炉壳的设计中大都不考虑中部分砌体的影响，故定量的分析其对结构最大位移的减小规律还是很有必要的。在分析时先分析通过结构最大位移随弹性模量参数的变化规律。

如图4所示，在铁水压力作用下，在炉缸的中下部是最大位移的发生位置，而往上和往下递减，呈纺锤形，所以在对高炉进行设计的时候，要特别注意这个部位的位移值是否控制在规定的范围内。

几种模型的最大位移（mm） 表2

由表2表示可知，当弹性模量值达30GPa时，炉壳的最大位移非常小，几乎可以忽略不计，但是随着砌体刚度的减小，炉壳的最大位移大幅增加，当不考虑砌体的刚度时，炉壳在钢水的作用下的最大位移达0.682mm，且弹性模量对位移的影响基本分2个阶段：当弹性模量小于1GPa时，弹性模量的参数变化对炉壳最大位移的影响非常明显，而当弹性模量大于1GPa时，随着弹性模量的增加，炉壳最大位移的减小趋势减缓，如图5所示。

图4 结构位移变化图

图6 别为单元Von mises应力示意图

综上所述，对炉缸部位的炉壳来说，若考虑30GPa的弹性模量情况下的最大位移是不考虑内衬受力情况下最大位移的3.4%，实际工程中的内衬肯定不会大于30GPa，但哪怕很小的弹性模量也会对炉壳的位移产生极大的影响，所以在实际工程设计在位移设计中应根据内衬材料情况适当考虑内衬和炉壳组合受力的情况。

3.2 最大Von mises应力分析

对高炉结构来说，对结构的强度控制是十分敏感的，所以对应力的分析是十分必要的。在分析应力变化规律时本文选用Von mises应力作为衡量指标，通过比较不同内衬弹性模量的Von mises应力变化规律来研究其对炉壳受力的影响规律。

图6 单元Von mises应力示意图

图6 别为单元Von mises应力示意图。结构的单元最大Von mises应力发生在炉缸的中下部（盛铁水部分），往上和往下均减小，最上和最下端由于没有铁水作用，应力最小，和图4变形情况一致。

几种模型的单元Von mises应力值 表3

表3别列出了几种材料模型下单元最大Von mises应力值，由表可知，当内衬的刚度较大时，炉内铁水对炉壳几乎不会产生多少应力，单元最大Von mises应力是1MPa，这个值对炉壳的受力来说几乎可以忽略不计，但是随着内衬的刚度不断增加，铁水对炉壳产生的应力也越来越大，当不考虑内衬的刚度时铁水对炉壳产生的最大Von mises应力已达到30MPa以上。

图7 刚度变化其对结构Von mises应力的影响规律

图7 所示为最大Von mises应力随刚度变化其对炉壳产生的最大应力变化规律。由图可知，对刚度变化来说，当砌体的刚度小于1GPa时，炉壳的最大Von mises应力随砌体刚度的变化急剧增大，所以对炉壳的应力来说，当砌体的刚度较小时，炉壳的应力对砌体刚度的变化是十分敏感的。

综上所述，可知内衬对炉壳应力的影响是十分明显的。当对高炉内衬的弹性模量达30GPa时，铁水的荷载基本上都是由内衬承担，炉壳所承担的应力均不大于1.5MPa，若炉壳按照Q345钢设计时，这部分应力只占炉壳材料承载能力的0.45%不到，可以完全不考虑；当这部分内衬的刚度按照《砌体结构设计规范》（内衬可适当参照《砌体结构设计规范》）规定的值计算时（1GPa～10GPa）,炉缸内铁水给炉壳产生的应力最大的值不到7MPa，只占炉壳材料承载能力的2%不到，虽然刚度小于1GPa时，铁水对炉壳的应力产生较大的影响，但是这部分的值只能作为研究用，实际工程中，砌体的刚度均不会小于1GPa，所以铁水对炉壳的影响很小，但是在设计中，采用的把铁水的荷载直接加到炉壳上的方式对炉壳产生的应力为34.2MPa，占炉壳材料承载能力的10%，这样就造成材料的极大浪费。

4 结 论

通过对炉缸部位内衬对炉壳的参数化分析，内衬材料对炉壳的受力有着较大的影响，特别是弹性模量在1GPa以上时，其承担了大部分的荷载，当前关于内衬材料的材料属性特别是力学属性并没有很好的研究，其砌筑方式、材料成分等影响因素非常多，而随着研究的继续，一种内衬和炉壳组合受力的设计方法必将出现，这将大大节省投资。

[1]杨剑.基于有限元的高炉炉衬侵蚀的分析方法[D].武汉:武汉科技大学，2011.

[2]沈磊.高炉侵蚀监测系统研究与实现[D].武汉:武汉科技大学，2010.

[3]陶修.大型高炉炉壳整体弹塑性分析[D].重庆:重庆大学，2008.

[4]郭志强,任学平,邹家祥.转炉炉壳热膨胀应力和温度差应力的分析[J].钢铁研究学报，2003(4).

[5]姜德进.关于高炉结构设计的若干问题探讨[J].工业建筑，2003(6).

[6]郭志强,任学平.转炉炉衬膨胀间隙对炉衬与炉壳间接触压力的影响[J].钢铁钒钛，2003(3).

[7]高峰，唐贵士，刘军.转炉炉壳变形及处理措施的浅析[J].包钢科技，2004(2).

[8]马学东,高兴岐,于晓光,李玲玲.BOF炉体热膨胀应力的有限元分析[J].重型机械，2005(1).

[9]郭志强,任学平.转炉炉衬膨胀间隙对炉衬与炉壳间接触压力的影响[J].钢铁钒钛，2003(3).

[10]任学平,樊巍川,郭志强,傅照峰.转炉炉壳热弹塑性有限元分析[J].包头钢铁学院学报，2004(1).