宝钢3高炉炉壳孔洞应力弹性分析

　　2003中国钢铁年会论文集宝钢3高炉炉壳孔洞应力弹性分析李富帅刘兆宏（中冶集团北京冶金设备研究设计总院）（宝钢集团设备部）种数学模型，应用美国ALGOR计算软件中的SSAPO计算模块，对其进行有限元应力计算并进行孔洞弹性应力分析的讨论，*终判断高炉开孔的安全可靠性。

　　在高炉炉壳上，开有风口，铁口等大孔，又有许许多多的冷却壁的安装孔，还有一些观察和测量孔。孔的形状，大小以及分布状态等变化繁多，群孔汇集。高炉炉壳所受的载荷复杂，有炉壳自重和附属物重，内衬材料荷重；炉料产生的竖向力，内衬膨胀引起的竖向摩阻力，炉内煤气压力引起的向上推力，上升管内气压产生的反力等引起的作用于炉壳的竖向力。又有炉内煤气压力，内衬膨胀产生的侧压力，炉料的侧压力和铁水的侧压力以及炉壳内外温差引起的环向应力。因此，炉壳受到的是双向应力，且以环向应力为主。由于各类自重引起竖向压应力，因此炉壳中的竖向拉应力比环向应力的一半还小。并且在炉体的不同高度上，竖向和环向应力的比值是变化的。两个方向的比值不同，孔边的应力分布和应力集中程度也不同。孔洞的几何形状相同，而外加应力状态不同，应力集中系数是变化的。

　　应力集中对强度的影响是更有应用价值和理论意义的问题，它比求解弹性应力要复杂得多。弹性有限元法应力计算是发展比较早，技术比较成熟的一种计算方法，它解决了一些理论计算无法完成问题，已经在各个行业得到了广泛的应用。本文应用ALGOR计算软件进行3高炉孔洞应力的弹性分析。

　　2高炉孔洞应力的弹性计算模型弹性力学基本方程的特点是：几何方面的应变和位移关系是线性的，物理方面的应力和应变关系是线性的，建立于变形前状态的平衡方程也是线性的。本文以此作为炉壳的初始分析基础，对宝钢3高炉上B2，B3，S1段建立数学模型。

　　上是沿周向周期性分布，因此取一个周期单元作为我们进行有限元分析的模型。

　　个分析单元尺寸相对较小，且直径之大使得所取出的模型可以忽略曲率的影响，故为了计算方便将模型简化为平板模型。

　　表1BB503钢板机械性能要求板厚/mm屈服点抗拉强度延伸率心V形缺口akv冷弯丨80钢由于模型尺寸远远大于炉壳厚度，如忽略温度应力的影响，则可以认为整体应力沿厚度是均匀分布的，模型只受到所在平面内的环向应力和竖向应力作用，因此将模型简化成平面应力模型。

　　对于BB503钢板，按各向同性计算弹性以考虑上面作用在炉壳上的各种载荷所得出的整体应力作为模型分析的边界条件：环向应力为100.98MPa，竖向应力为屈服应力　　在板中每个周期单元沿周向新增两个必130mm的新孔。

　　在板中每个周期单元沿周向新增两个必130mm的新孔，同时竖向也增加两个0130mm的新孔。

　　在板中每个周期单元沿周向新增两个必110mm的新孔，同时竖向也增加两个4110的新孔。

　　模型计算网格采用SUPERGEN自动划分技术，各种模型的节点数及单元数见表2.表2宝钢3高炉炉壳有限元计算模型节点及单元数表模型名称无新增孔新增2大孔新增4大孔新增4小孔节点数单元数3高炉孔洞应力的弹性计算结果及应力评定在正常情况下，炉壳中的应力可分为一次薄膜应力和局部应力两类：一次薄膜应力是平衡外部机械载荷所必须的应力。它是维持结构各部分平衡直接需要的。由于内压及内衬膨胀等引起的薄膜应力，这类应力沿炉壳及壁厚方向都是相等的，并且构成炉壳自身的平衡体系，故为一次薄膜应力。一次薄膜应力不具有“自限性”，它所引起的塑性流动是非自限的。

　　这个力的大小可由整体应力及模型几何尺寸近似求出。

　　次薄膜应力（净截面应力）；一整体应力（毛截面应力）；一模型单元有效尺寸；一*长一排孔中各孔的尺寸。

　　一模型单元中扣除开孔截面后的有效面积。

　　对于4种情况下，根据前文得出的整体应力，计算求出的一次薄膜应力见表3.表3―次薄膜应力评定（MPa）项目无新增孔新增2大孔新增4大孔新增4小孔竖向整体应力环向整体应力竖向一次薄膜应力环向一次薄膜应力通过表3中竖向及环向膜应力的比较，我们可以得出，在炉壳钢板具有良好塑性的前提下，各种情况下的一次薄膜应力都是符合要求的。

　　（2）由于孔洞应力集中引起的应力是局部区域的应力，可被认为是峰值应力。根据上述力学模型假设，应用ALGOR计算软件进行3高炉孔洞应力的弹性分析，对于不新增孔，新增2大孔，新增4大孔，新增4小孔情况下模型分析结果如所示。其中应力集中比较严重的点如所示，各危险点的弹性计算结果值见表4.。528 2003中国钢铁年会论文集各种开孔模型的等应力线图及*大应力集中点位置图表43高炉孔洞应力的弹性分析各危险点二次应力评定（MPa）序尤孔2大孔4大孔4小孔容许值注：表中所列数值为应用ALGOR计算软件，根据Mises准则计算出的节点应力值。

　　从表4中可以看出，虽然各种情况应力集中现象都比较严重，但在整体应力作用下，*大应力值都没有超过峰值应力下的应力强度的容许值a综上所述，弹性分析结果表明，对于给定的各种开孔情况，根据有关压力容器的标准，炉壳强度都是符合要求的。

　　4高炉孔洞应力的弹性计算应力分析4.1不同开孔情况对一次薄膜应力的影响通过表3我们可以看出，由于增加了新孔，减小了炉壳的有效面积，因此不同开孔情况下环向及竖向的一次薄膜应力都有不同程度的增加。对于环向应力，开4大孔及2大孔情况相当，使*大一次薄膜应力提高了7.2%，而开4小孔后也使*大一次薄膜应力提高6%，但是都不超过炉壳一次薄膜应力的容许应力。对于竖向应力，由于开孔位置距整个周期单元的多孔区较远，因此各种开孔情况对竖向*大一次薄膜应力没有影响。由于炉壳本身整体竖向应力很小，因此开孔后的竖向*大一次薄膜应力远远低于炉壳一次薄膜应力的容许应力。

　　4.2不同开孔情况对局部应力的影响从的不同开孔情况模型等应力线图中可以看出，由于孔洞的边界效应引起的应力集中，无论对于哪种开孔情况，*大应力集中区域都是集中在炉壳原开孔位置上，如中点111，其中第五点为*大。新增加的孔只是改变了这些孔附近的应力分布，对于上述*大应力集中区域的应力分布可以说基本上没有影响。而对于上述*大应力集中区域的*大应力值，虽有不同程度的增加，但增加的幅度很小（如表4中所示均在1 %以下，且增加后的局部应力也都低于炉壳的许用值。

　　综上所述，弹性应力分析结果表明：新增孔后炉壳的一次薄膜应力及局部应力都有不同程度的增加，但对炉壳强度影响很小，增加后的应力值低于炉壳的许用应力值，不会因此造成炉壳的破坏。