基于ANSYS Workbench的干熄焦炉环形风道静态侧压力分析

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。