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基于ANSYS Workbench的干熄焦炉环形风道静态侧压力分析

2020-04-14魏春满马银华纪博文尹德刚

鞍钢技术 2020年2期
关键词:焦炉焦炭风道

魏春满,马银华,纪博文,尹德刚

(鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司,辽宁 营口115007)

干熄焦炉从上而下结构依次为预存室、环形风道、斜道区、冷却室。环形风道的出口与一次除尘器连接,下部与斜道区相连。环形风道主要用于存储焦炭和再炼焦。存储在预存段上部的焦炭(1 000℃左右)逐步下落到冷却段中进行冷却[1]。预存段能够给锅炉提供连续的热源,稳定锅炉入口温度,从而保证锅炉蒸发和蒸汽参数的稳定;同时,预存段存贮的焦炭还能保证焦炭温度均匀,使部分由于干馏不足的焦炭在预存室内进行再炼焦(焖炉),消除焦炭的不均匀性,达到改善焦炭质量的目的[2]。环形风道坍塌对干熄焦生产影响极大,必须停产才能进行处理。

为了提高环形风道强度,延长环形风道使用寿命,鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司炼焦部(以下简称鲅鱼圈)建立了鲅鱼圈1#160 t/h干熄焦炉环形风道及整体结构模型,并应用ANSYS Workbench软件对环形风道受到的焦炭堆积侧压力进行了有限元分析,从理论上定量分析了环形风道的受力情况。

1 干熄焦环形风道损坏情况

鲅鱼圈1#160 t/h干熄焦炉是国内首座具有完全自主知识产权的干熄焦炉,但由于1#干熄焦炉是引进、吸收项目,存在一定问题,自2008年开工运行以来,干熄焦炉环形风道内环墙多次发生坍塌,给生产造成极大影响。自干熄焦修建以来鲅鱼圈1#160 t/h干熄焦环形风道损坏情况见表1。

表1 鲅鱼圈1#160 t/h干熄焦环形风道损坏统计Table 1 Damaged Statistics of Annular Air Duct of No.1 160 t/h Dry Quenching Coke Oven in Bayuquan

环形风道损坏情况如图1所示。

图1 干熄焦环形风道损坏情况Table 1 Statistics for Damaged Annular Air Ducts to No.1 160 t/h Dry Quenching Coke Oven in Bayuquan

2 干熄焦环形风道受焦炭静态侧压力分析

2.1 ANSYS Workbench软件应用

ANSYS Workbench是有限元分析中面向工程的一种,主要包括三个分析模块:前处理模块,计算分析模块和后处理模块。

(1)前处理模块就是对实体结构进行三维建模、划分网格以及定义材料属性,施加载荷和边界条件等对于实体结构的前处理阶段。

(2)计算分析模块就是对已经进行前处理的有限元模型进行结果分析。

(3)后处理模块主要功能就是显示计算分析模块的结果。

2.2 建立模型

鲅鱼圈1#干熄焦炉整体为一个桶型,焦炭从上部装入,从下部排出。干熄焦炉环形风道为圆形,具体内部尺寸为高度4 524 mm,直径7 800 mm。环形风道直墙段由350 mm厚的GAM3053砖砌筑为环形,砌筑时由A级莫来石与火泥结合,烘炉后达到结合强度。在环形风道圆形内部存贮焦炭,主要装的是红焦,温度在800~900℃,密度470 kg/m3,内摩擦角为35°[4]。生产中,焦炭从下部旋转密封阀定量排出,上部焦炭逐步下落到冷却区进行冷却。环形风道下部是牛腿部位,上部连接预存段。

为方便计算,同时表达出环形风道的整体受力情况,将环形风道及其周边相互关系简化,干熄焦炉体模型简化图如图2所示,环形风道模型简化图如图3所示。模拟时将环形风道材料统一为均质。

图2 干熄焦炉体模型简化图Fig.2 Simplified Model Diagram for Furnace Body of Dry Quenching Coke Oven

图3 环形风道模型简化图Fig.3 Simplified Model Diagram for Annular Air Duct

2.3 计算环形风道焦炭侧压力

对环形风道受焦炭静态侧压力进行计算。为保证计算的准确性,做以下几个假设:

(1)焦炭下落为均匀下落,未发生偏心下料等情况;

(2)焦炭对侧面的受压力为静态压力,不考虑动态卸料情况;

(3)焦炭在环形风道内密度等是均匀的,不考虑焦炭差异;

(4)环形风道为圆形,不考虑因工况变化造成环形风道变形等情况。

由于干熄焦炉环形风道符合筒仓外形,因此,采用筒仓方式进行侧压力计算。

式中,A为筒仓高径比;H为干熄焦炉排焦高度,mm;D为干熄焦炉环形风道直径,mm。已知干熄焦炉自装焦到排焦高度差为30 250 mm,根据式(1)计算得A=3.88,大于1.5,因此按深仓计算。

焦炭对环形风道的侧压力为

式中,P为焦炭对环形风道侧压力,kPa;Ch为深仓储料水平压力修正系数,取值1.1;γ为焦炭的重力密度,kN/m3;ρ为净截面的水力半径,m;μ为焦炭与仓壁的摩擦系数;k为侧压力系数;s为焦炭顶面距计算截面的距离,m;φ为焦炭内摩擦角,°;e为自然常数。

2.4 建立载荷面及坐标原点

由于焦炭对环形风道的侧压力会随着装焦高度的变化而变化,并不是一个固定数值,需用公式计算。将干熄焦环形风道下平面,环形风道与牛腿接触部位定义为坐标原点,向上方向为正方向,即y方向为正方向,如图4所示。将干熄焦环形风道内侧面定义为载荷面B,如图5所示。

结合式(2)、(3),取向上距离为 s,可得焦炭对环形风道s处侧压力值为P=50.407(1-e-0.027 8s)。

2.5 采用ANSYS Workbench计算结果

图4 建立原点Fig.4 Origin Establishment

图5 建立环形风道载荷面Fig.5 Establishment of Load Surface of Annular Air Duct

ANSYS Workbench软件简化了网格的划分,由于模型巨大,采用默认网格划分模式。载荷采用APDL导入到ANSYS Workbench中,最终形成环形风道侧压力应力云图和变形云图,分别如图6、图7所示。可以看出,焦炭装焦高度对干熄焦炉环形风道侧压力最大值约为0.62 MPa,环形风道受力最大部位在1/3到2/3位置,焦炭装焦高度对环形风道侧压力有一定的影响。因此,为保证干熄焦环形风道使用寿命,应对装焦高度进行调整。

图7 环形风道变形云图Fig.7 Deformation Nephogram for Annular Air Duct

3 采取的措施

基于以上模拟分析结果,为提高鲅鱼圈1#干熄焦炉环形风道使用寿命,对干熄焦炉进行了一系列改造,其中一项是对干熄焦装焦高度进行规定,将装焦料位操作范围降低到伽马射线以下2 m处,即在环形风道上部约2 m处;同时,为了将焦炭对环形风道的影响降到最低,且部分保证预存段的作用,在兼顾了环形风道寿命和降低料位对生产影响的基础上,结合料位降低情况对部分生产参数进行了调整。改造后,鲅鱼圈1#干熄焦炉环形风道没有再发生倒塌情况,干熄焦炉环形风道寿命大幅度提高。

4 结语

鞍钢股份有限公司鲅鱼圈钢铁分公司1#160 t/h干熄焦炉开工后多次发生环形风道坍塌情况,给生产造成极大影响,应用ANSYS Workbench进行受力分析,得出环形风道受焦炭侧压力最大值约为0.62 MPa,装焦高度对环形风道侧压力有一定影响。通过采取改造措施,调整装焦高度,将装焦料位操作范围降低到伽马射线以下2 m处,即环形风道上部约2 m处,干熄焦炉环形风道没有再发生倒塌情况,有效延长了干熄焦炉环形风道的使用寿命。

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