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摘要：本文利用MSC.NASTRAN软件，在机械荷载（炉体自重和钢水重力），温度荷载及热膨胀压力等联合作用下对宝钢300t转炉新炉型炉体进行了有限元结构分析，对其应力及变形进行了验证。
关键词：有限元分析 转炉
一、概 述
宝钢的三个300t转炉，自从1985年从国外引进并投产以来，迄今都已经过了设计炉龄，除了二号转炉已于1997年从日本引进炉体予以更换外，1号及3号转炉炉壳也损坏严重，急需用新的炉壳更换它们。为了节约外汇，宝钢自己设计了转炉新炉型炉壳。
为给300t转炉新炉型炉壳的设计提供必需的科学依据，也为今后转炉的改进及完善提供可靠的参考资料，我们采用有限元方法对新炉型炉壳进行了结构分析，具体地说，我们用有限元法计算了转炉炉壳在机械荷载（炉体自重和钢水重力）、温度荷载及热膨胀压力等联合作用下的应力及变形；还用有限元法对由炉衬耐火材料和炉壳构成的炉体进行了温度场分析，计算其炉体的温度分布。
二、宝钢300t转炉新炉型炉壳几何尺寸及材料参数
宝钢300t转炉新炉型炉壳由炉顶上锥段，炉身圆柱直线段，下锥段及球形底部等四段组成，为减少应力集中，中间还有园弧段过渡。炉壳高为11.5米，炉壳中间的直线段的外径为8.67米。炉壳钢板材料为新研制成功的SM400ZL钢，炉顶上锥段钢板厚75mm，中间炉身直线段厚85mm，炉底球形段厚90mm。转炉三点成120度夹角支撑于托圈上，炉壳外壁在支撑部位处都有加强筋板结构，以提高其支撑强度。
图2-1 转炉炉壳的外形结构图
图2-2 转炉炉体（炉壳和炉衬）剖面图
宝钢转炉新炉型的炉衬耐火材料由耐磨衬（工作层）和永久衬（永久层）组成。工作层和钢水接触，是由具有抗化学侵蚀和炉料的机械冲击的镁碳砖（MgO-C）耐火材料组成，厚度约900mm；永久层由隔热性能高的镁砖（MgO）耐火材料构成，厚度约114mm。
宝钢300t转炉新炉型炉壳的外形结构如图2-1所示；炉体结构的剖面图可参见图2-2。
三、宝钢300t转炉新炉型炉体有限元温度场分析
转炉炉体是在高温下工作的一个筒状的容器，正常的工作状态下，炉内的钢水温度约在1750°C左右，因此，如此高的炉体温度对炉壳的变形、强度和使用寿命影响很大。实践和理论分析表明，温度是引起炉壳变形和内应力的主要因素，所以，对转炉炉体温度场的分析研究，就具有十分重要的指导意义，它可以为转炉炉壳的强度分析，转炉的设计及设备维护提供理论依据。
我们取转炉炉体的整体进行三维有限元分析，采用三维四面体单元进行有限元网格划分，其对应的有限元网格划分图见图3-1，共22195个节点，103936个单元。
转炉炉体的有限元温度场计算的约束条件为炉壳外壁的法兰盘中的三个圆孔轴向完全固定；炉壳底部中心点只有轴向z自由，其余方向完全约束；炉体其它各节点自由。
转炉炉体的有限元温度场计算的边界条件：我们取炉体的内外壁指定温度值作为有限元温度场计算的边界条件，即炉体内壁（工作层）的钢水液面以下至炉底取1750°C；钢水液面以上至炉顶取1600°C；炉体外壁（炉壳外侧）取实测的温度分布作为计算时的指定温度值。
由于时间紧促，本次只作了稳态的温度场有限元分析。
图3-1 转炉炉体有限元网格划分图
图3-2 炉体温度场总体分布云图
图3-2所示为转炉炉体的总体温度分布云图。炉体各主要区域的温度变化范围如下：
炉顶区域：工作层的温度在720~1600°C之间，永久层的温度在320~720°C之间，炉壳的温度在280~320°C之间；炉身区域：工作层的温度在620~1600°C之间，永久层的温度在380~620°C之间，炉壳的温度在360~380°C之间；
炉底区域：工作层的温度在850~1750°C之间，永久层的温度在250~850°C之间，炉壳的温度在170~250°C之间；由此可以看出：炉壳的温度在炉身处较高，外壁达到360°C，而在炉底处较低，外壁仅170°C，差别较大，其原因在炉底处工作层和永久层的厚度均较厚，永久层达342mm，是炉身处永久层厚度114mm的三倍；工作层达1140mm，而炉身处工作层厚度为900mm。
四、转炉新炉型炉体（炉衬+炉壳）整体三维有限元强度分析
转炉的实际工作状态是炉衬与炉壳联合在一起进行炼钢、出钢运行的。因此，对转炉炉壳进行有限元强度分析应该考虑炉衬对炉壳的相互耦合作用，这样的计算结果可能更合理一些，精度更高一些。但马上产生的实际问题是有限元分析计算必须的很多参数却无法测定和给出，例如：炉衬是由工作层的镁碳砖（MgO-C）和永久层的镁砖（MgO）组成，砌砖时砖与砖之间的环向间隙多少？砖层与砖层之间径向间隙多少？砖之间摩擦系数是多大？耐火砖与炉壳是不同材料构成，它们之间的间隙是多少？它们之间摩擦系数是多大？这些都需经过大量实验测定，而且这涉及到了一系列的接触问题，用有限元方法来处理，难度较大。若不考虑这些间隙，不作为热接触问题来处理，计算的精度会受到较大的影响。
本文作为一种计算尝试，把砖之间的环向间隙和径向间隙以膨胀吸收系数来简化处理，参照文献[3]取0.58；也不考虑由于受热膨胀而产生的耐火砖之间各方向的错动，忽略永久层砖块与炉壳的轴向错动等，用连续的模型代替带摩擦的温度接触模型，作一次炉衬与炉壳连在一起的整体的有限元强度分析，求得其变形和内力分布，以作转炉设计的参考。
计算模型和有限元温度场分析相同；转炉炉体整体承受的荷载主要有机械荷载和温度荷载，机械荷载由耐火材料的重量、炉壳自重及钢水重力等构成，温度荷载为有限元计算得到的炉体各节点的温度。
图4-1为转炉炉壳位移分布云图，图4-2a为转炉炉壳外壁Von Mises应力分布云图，图4-2b为转炉炉壳内壁Von
Mises应力分布云图。
在转炉炉体综合荷载作用下，我们取出炉壳0°和60°截面的炉壳，画出其位移及应力曲线：
图4-3所示为炉壳0°截面的径向位移u的位移曲线，图4-4所示为炉壳0°截面的轴向位移w的位移曲线，图4-5所示为炉壳60°截面的径向位移u的位移曲线，图4-6所示为60°截面的轴向位移w的位移曲线；图4-7所示为0°
截面炉壳Von Mises应力分布曲线，图4-8所示为60° 截面炉壳Von
Mises应力分布曲线。
图4-1 转炉炉壳位移分布云图
图4-2a 转炉炉壳外壁应力分布云图
图4-2b 转炉炉壳内壁应力分布云图
图4-3 炉壳0° 截面径向位移曲线
图4-4 炉壳0°截面轴向位移曲线
图4-5 炉壳60°截面径向位移曲线
图4-6 炉壳 60°截面轴向位移曲线
图4-7 0°截面炉壳内壁应力分布曲线
图4-8 60°截面炉壳内壁应力分布曲线
五、转炉炉体整体三维有限元计算结果的分析和结论
转炉炉体整体三维有限元分析，在机械，温度（包括热膨胀压力）等荷载综合作用下炉壳的变形和内应力分布，可以从图4－1～图4－8看出。
综合荷载作用下炉体中炉壳产生的变形，其有效位移的变化范围为：u0＝0.0158~0.0365m；在0°
截面炉体中炉壳的径向位移变化范围：u＝0.0~0.0225m；在0°
截面处的轴向位移w变化范围：w＝0.014~－0.034m；其变形曲线的形状和前面单独取出炉壳，进行综合荷载作用下有限元分析产生的变形大致相同；
综合荷载作用下炉体中炉壳的大部分区域有效应力为：s
vm＝130MPa以下；0°
截面炉壳的有效应力变化范围为：s
vm＝115～325Mpa；炉顶的最大有效应力达325MPa；炉身的最大有效应力达195MPa以下；炉底中心处的最大有效应力达456MPa；而且炉底和炉顶处的应力变化较激烈，炉身处的应力变化平缓。炉底中心处应力值大的原因是在该处的半径为0，应力计算畸变，其值不对，如作平滑处理后计算值会降低，符合实际的值。炉顶处的应力值大，是因为本文的整体分析计算模型中，炉顶处炉衬内壁和炉壳的外壁作完全一体连结，实际上该处两种材料有间隙，并且在轴向有相对错动，其应力实际上不会很大，这是整体计算模型不得已的简化所造成的误差。
转炉新炉型炉体整体三维有限元分析计算结果的主要结论可概括如下：
- 炉体整体三维有限元分析和单独取出炉壳进行综合荷载作用下有限元分析相比，产生的变形和内应力大部分区域比较大，因此，其计算结果仅作为设计参考；
- 在个别区域，例如，炉顶和炉底中心区域及园孔约束等区域，炉体整体三维有限元分析和单独取出炉壳进行有限元分析相比，其应力值有较大差别，造成的原因归结为：
- 这些区域应力变化复杂，有应力集中现象；
- 这些区域的计算半径为0或接近于0，应力计算畸变；
- 整体分析计算模型中，这些区域作完全一体连结，忽略了间隙和轴向有相对错动，造成应力计算值增大。
- 整体分析中应力计算值偏大，说明了炉衬中砖与砖之间的间隙，耐火砖与炉壳之间的间隙及相互之间的轴向相对错动，其影响是不能不考虑的，比较好的分析计算模型是采用热接触问题来处理，计算的精度会提高，但限于时间紧促及实验测定不完善，这只好留待以后的科研课题进行分析研究。
参考文献
- 黄纲华，汪顺兴，何穷. 宝钢300吨转炉的有限元强度分析，计算结构力学及其应用，Vol.6，No.1，1989.2
- 汪顺兴，黄纲华. 300吨转炉炉体温度场分析研究，宝钢技术，1988（2）
- 宝钢300吨转炉炉壳变形及寿命判断研究, 科研报告,北京科学技术大学, 1996.8
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