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寶鋼從日本新日鐵引進的三座300噸氧氣頂吹轉爐巳先后投入生產(chǎn)。為了提高我國轉爐煉鋼的生產(chǎn)效益，現(xiàn)準備將其改造成頂?shù)讖秃洗禑掁D爐。根據(jù)工藝的要求，需在轉爐爐底開若干個直徑為小500(mm)的孔，以安裝一套底部供氣系統(tǒng)及滿足底部透氣磚的自由折裝的需要。
顯然，爐底開孔以后，會使原來的爐底應力場發(fā)生變化，產(chǎn)生厲害的應力集中。只有了解清楚爐底開孔后應力場的情況，才能為轉爐開孔的設計及補強措施提供科學的依據(jù)。
此外，對這樣大型的300噸轉爐進行強度分析，也具有很大的經(jīng)濟價值。目前國內(nèi)對之進行有限元分析，本文尚屬首次。本文的分析結果為國內(nèi)冶金部門自己設計、制造大型轉爐作了強度FEA分析的準備。
本文采用二次分析方法對300噸轉爐進行有限元分析，即先利用轉爐是回轉對稱結構的特性，采用回轉體單元對其進行整體分析，然后再利用它的計算結果，把爐底開孔部分單獨取出來，進行三維實體分析，這樣既能保證計算精度，又不使計算規(guī)模很大，易于在微型計算機上實現(xiàn)。轉爐的爐體剖面圖內(nèi)側是爐襯工作層，中間是永久層，外側由鋼殼組成。其妒殼特點是爐帽、爐身、11500(mm)，爐底球面半徑為對稱體。爐底為整體型。7000(mm)爐殼內(nèi)徑為小8500(mm)，爐身全高為H整個爐殼結構可以看作以中心線為軸的回轉。
轉爐爐殼的結構和載荷是軸對稱的，故用回轉對稱單元將支承筋板與爐殼一起進行應力分析，對其整體用粗網(wǎng)格單元分析，局部地方用精細網(wǎng)格分析。
在強度計算時將載荷分為部分：
(1)爐殼機械載荷：由爐殼、爐襯、鋼液和渣液的重量等組成。并認為爐襯的重量只均勻地作用在爐底上。鋼水和渣液對爐底球殼作用的靜壓力也假設是均勻的，其值P=H/Y，H液面高度，比重。
(2)爐殼溫度梯度：轉爐長期在高溫下工作，由于爐殼結構特點、磚襯厚度變化及導熱系數(shù)不均等因素，使爐殼各部分熱傳導差別較大，從而導致爐殼沿軸向和徑向產(chǎn)生溫度梯度，形成很大的溫度應力。因此，在對轉爐爐體的溫度場分析的基礎上，我們對爐殼還進行了溫度應力的計算。
(3)爐襯熱膨脹壓力：從爐體結構可知爐體內(nèi)側是較厚的耐火磚，其外側是鋼殼，轉爐在高溫下工作，爐壁內(nèi)外溫差較大，不同t時刻轉爐沿壁厚方向的溫度分布曲線。由于爐襯的平均溫度遠大于鋼殼的平均溫度，它們的熱膨脹系數(shù)也不相同，因而爐襯的熱膨脹要比爐殼大得多，其結果是爐殼受到爐襯的內(nèi)壓力。根據(jù)對寶鋼300噸轉爐的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)的溫度場分析，可計算得到爐體各部分的熱膨脹壓力。
(4)爐殼的工況分析：寶鋼300噸轉爐爐殼在作業(yè)過程中，承受了機械載荷、溫度梯度和熱膨脹壓力的同時作用，由于工況變化頻繁、爐體溫度不斷地在發(fā)生變化，這三者產(chǎn)生的綜合應力是時間才的函數(shù)。顯然，要反映爐殼的真實應力，為設丁計認員提供可靠的依據(jù)，應選擇一個三種應力之和為最大值的工況，計算其綜合應力。依據(jù)文獻進行計算表明，在煉鋼第37小時時候，其溫度應力和熱膨脹應力都較大，因而就以該時刻下的綜合應力來分析爐底開孔后的應力場變化。
頂吹轉爐改為頂?shù)讖秃洗禑掁D爐，須在爐底開孔以安裝透氣元件。根據(jù)工藝的要求在爐底有二種開孔方案，需分別分析其強度情況。
由于開孔后的爐殼巳不再是回轉對稱結構，所以，我們把開孔的爐底單獨取出來，用三維八節(jié)點塊單元對之進行空間實體應力分析，在遠離開孔的切出邊界處，加入整體分析得到的指定位移。又利用其結構和載荷的對稱性，分別取八分之一和四分之一進行有限元分析。兩種開孔方案在微型計算機上。
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