桑 園

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 稀有金屬及硅材料設(shè)計(jì)研究中心， 北京 100038)

磚板襯里加壓反應(yīng)釜力學(xué)性能的有限元分析

桑 園

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 稀有金屬及硅材料設(shè)計(jì)研究中心， 北京 100038)

本文介紹了磚板襯里加壓釜的特點(diǎn)，分析了其工作狀態(tài)下承載情況。針對(duì)一臺(tái)濕法冶煉用加壓釜，利用Ansys軟件建立該設(shè)備筒體段的二維軸對(duì)稱模型，計(jì)算了承受內(nèi)壓載荷與熱載荷的情況下，筒體段的三向應(yīng)力分布情況及變形量，并分析了計(jì)算結(jié)果。

濕法冶金； 磚板襯里加壓釜； 有限元分析

0 引言

濕法冶金工藝可分為傳統(tǒng)的常壓浸出工藝和新興的加壓浸出工藝，隨著冶煉技術(shù)的不斷改良與發(fā)展，高壓(氧/氨)浸出工藝已被越來越多地應(yīng)用到了有色金屬的冶煉。在現(xiàn)行的成熟高壓浸出工藝中，其關(guān)鍵技術(shù)在于生產(chǎn)設(shè)備，而加壓釜?jiǎng)t是高壓浸出工藝的最關(guān)鍵設(shè)備之一。由于此類設(shè)備的內(nèi)部工況環(huán)境比較惡劣，有：硫酸、純氧、固體顆粒及化學(xué)放熱反應(yīng)。因此要求設(shè)備的結(jié)構(gòu)上既能滿足防腐蝕的功能，還能承受較高的溫度和壓力。

目前常采用的釜體結(jié)構(gòu)有兩種，一種形式為碳鋼內(nèi)襯隔離層加耐酸耐溫磚，在此簡(jiǎn)稱磚板襯里加壓釜。另外一種則是碳鋼內(nèi)襯鈦材。前者在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用很普遍，而后者則是進(jìn)口設(shè)備改良國(guó)產(chǎn)化后的新結(jié)構(gòu)。

磚板襯里加壓釜失效的原因基本分為兩類：一是襯磚層受內(nèi)壓后，產(chǎn)生的環(huán)向拉伸應(yīng)力大于磚的拉伸強(qiáng)度而導(dǎo)致磚層開裂。另外一種是由于磚的熱膨脹系數(shù)小于鋼殼，在相同的溫度下，磚的徑向變形量小于鋼殼的徑向變形量。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，很可能導(dǎo)致磚層與鋼殼的分離，發(fā)生垮塌破壞。

解決上述問題的方法有兩種：一是采用固化后發(fā)生顯著膨脹的膨脹膠泥，使磚板始終承受壓應(yīng)力，另外一種則是外壁不加保溫層，通過鋼殼不斷散熱，以減小鋼殼的熱膨脹量，保持其和磚層之間的緊密接觸。

1 問題的提出

JB4732《鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)鋼殼設(shè)備的應(yīng)力分析已經(jīng)有了詳盡的規(guī)定，但是對(duì)于承壓磚板襯里設(shè)備的應(yīng)力分析，國(guó)內(nèi)還沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。到目前為止，所有設(shè)計(jì)都是依據(jù)BS5500對(duì)內(nèi)襯容器的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的，襯里不做承壓元件，并且除了對(duì)溫度梯度引起的應(yīng)力需要進(jìn)行計(jì)算校核外，更多地是依靠經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的。由于不能對(duì)磚層的應(yīng)力和變形給出明確的計(jì)算結(jié)果，上述設(shè)計(jì)方法顯得非常粗糙，嚴(yán)重地制約了襯里容器的進(jìn)一步應(yīng)用。

有限元法是把一個(gè)大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)稱為單元的小區(qū)域，在每一個(gè)小區(qū)域里，假定結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力都是簡(jiǎn)單的，小區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力都容易通過計(jì)算機(jī)求解出來，進(jìn)而可以獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，其本質(zhì)上是一種微分方程的數(shù)值求解方法。當(dāng)劃分的區(qū)域足夠小，每個(gè)區(qū)域內(nèi)的變形和應(yīng)力總是趨于簡(jiǎn)單，計(jì)算的結(jié)果也就越接近真實(shí)情況。理論上可以證明，當(dāng)單元數(shù)目足夠多時(shí)，有限單元解將收斂于問題的精確解，但是計(jì)算量相應(yīng)增大，由于近年來計(jì)算機(jī)的處理速度飛速發(fā)展，這就為有限元法應(yīng)用帶來了便利。隨之而來出現(xiàn)了一些商用有限元軟件。目前，國(guó)際知名的有限元軟件產(chǎn)品主要有ANSYS，ABQUS，MSC等，這些產(chǎn)品可進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、溫度場(chǎng)分析、疲勞壽命設(shè)計(jì)等數(shù)值模擬及仿真，并能夠得到令人較滿意的計(jì)算效果。采用有限元計(jì)算軟件來分析磚板襯里設(shè)備的應(yīng)力分布情況是完全可行的。

2 計(jì)算實(shí)例

本文針對(duì)一臺(tái)鎳冶煉用鋼襯鉛襯磚壓力容器的筒體段(外形尺寸見圖1)進(jìn)行了有限元分析，利用Ansys軟件建立該設(shè)備筒體段的二維軸對(duì)稱模型，并計(jì)算了承受內(nèi)壓載荷與熱載荷的情況下，筒體段的三向應(yīng)力分布情況及變形量，以便此類設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一些參考。

圖1 鋼襯鉛襯磚加壓釜外形簡(jiǎn)圖

圖2 磚板襯里的安裝尺寸

加壓釜的工作條件：

介質(zhì)：硫酸溶液(濃度30～40 g/L)；設(shè)計(jì)壓力：2.42 MPa。工作溫度：內(nèi)壁220 ℃，鋼殼外壁溫度為：42 ℃。鋼殼材料：16MnR。容器內(nèi)壁襯鉛襯磚。磚板的安裝尺寸圖2所示，靠近鋼殼的兩層磚均為200×113×60的標(biāo)形磚，最內(nèi)層為200×200×45的標(biāo)形磚。

2.1 有限元模型

由于磚層屬于脆性材料，沒有塑性，因此在計(jì)算中不存在二次應(yīng)力問題，故本模型中只考慮一次應(yīng)力的影響。又因?yàn)橥搀w段結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱的特點(diǎn)，因此在建模過程中，采用二維軸對(duì)稱模型，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，減少了計(jì)算量。

(1)筒體：筒體內(nèi)徑4200 mm，壁厚42 mm，在本分析中，暫不考慮局部應(yīng)力集中對(duì)筒體的影響(即不考慮側(cè)壁開孔)，取筒體段長(zhǎng)1456 mm。

(2)襯鉛層為8 mm。

(3)磚板襯里層是由耐酸耐溫磚和膠泥共同組成的(材料特性在下面給出)。其尺寸與圖1所示相同。

2.2 單元類型

由于涉及到熱固耦合，因此，首先選用plane55單元，計(jì)算出溫度場(chǎng)分布；然后將plane55單元轉(zhuǎn)化為plane183單元，把溫度場(chǎng)作為載荷施加在模型上。

2.3 載荷和約束

載荷：設(shè)計(jì)內(nèi)壓為2.42 MPa。內(nèi)壁溫度220 ℃，外壁溫度為50 ℃。

約束條件：在筒體端部施加Y方向約束，不限制X方向的位移。

2.4 材料特性表

表1 材料特性表

網(wǎng)格的劃分如圖3所示，其中磚及鋼殼采用的網(wǎng)格大小為8 mm，膠泥和鉛網(wǎng)格大小為2 mm。邊界條件如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分情況

圖4 邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 熱載荷計(jì)算結(jié)果

圖5 溫度場(chǎng)分布(單位：℃)

圖6 環(huán)向熱應(yīng)力分布情況(單位：MPa)

圖7 總體熱變形情況(單位：mm)

3.2 熱載荷及內(nèi)壓共同作用下的計(jì)算結(jié)果

圖8 總體變形(單位：mm)

圖9 環(huán)向應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖10 路徑1環(huán)向應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖11 路徑1徑向應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖12 路徑2環(huán)向應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖13 路徑2徑向應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖14 路徑3環(huán)向應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖15 路徑3徑向應(yīng)力分布(單位：MPa)

4 主要結(jié)論與分析

4.1 主要結(jié)論

本設(shè)備所采用的磚板襯里為宜興市同里非金屬設(shè)備有限公司生產(chǎn)的耐酸耐溫磚，其抗拉強(qiáng)度為6.57 MPa，而固化后膠泥的抗拉強(qiáng)度與磚的抗拉強(qiáng)度相差不大，為5 MPa。

從上文的計(jì)算結(jié)果可以看出，路徑1、2、3上的磚板襯里層的環(huán)向應(yīng)力峰值為19.8 MPa，9.7 MPa，21.2 MPa，均超過了襯里層的抗拉強(qiáng)度，有可能導(dǎo)致襯里層的開裂。

4.2 分析與結(jié)論

在確定溫度邊界條件時(shí)，只輸入了磚層內(nèi)壁220 ℃，鋼殼外壁42 ℃，單純靠這兩個(gè)條件有限元程序是不能進(jìn)行準(zhǔn)確的傳熱計(jì)算的，由于不知道介質(zhì)真實(shí)反應(yīng)熱焓，攪拌情況、外部通風(fēng)等情況，因此無法得到真實(shí)的散熱量，導(dǎo)致無法計(jì)算出真實(shí)的溫度場(chǎng)分布，那么磚層和鋼殼之間的壓力就不能夠反映真實(shí)情況，最終本文計(jì)算中磚層應(yīng)力分布的普遍趨勢(shì)是磚層內(nèi)壁有很高的壓縮應(yīng)力，而外壁有很高的拉伸應(yīng)力。如果能夠更準(zhǔn)確地確定工藝條件，則可以利用有限元中傳熱計(jì)算方法給出相對(duì)準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)分布及熱應(yīng)力情況，則就可以得到更加接近實(shí)際情況的磚層應(yīng)力分布。

鑒于有限元法理論上可以得到無限接近真實(shí)值的計(jì)算結(jié)果，利用此方法采用軸對(duì)稱模型為該類設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)及校核提供了一種新的思路。該方法適用于反應(yīng)釜的筒體部分，原則上也適用于封頭部分，但是，對(duì)于筒體側(cè)壁的接管則不適用。由于側(cè)壁開孔會(huì)造成顯著的應(yīng)力集中，為了得到精確的計(jì)算結(jié)果，必須利用三維模型對(duì)此部分進(jìn)行分析，才能得到較為真實(shí)的結(jié)果。由于建模復(fù)雜，綜合考慮的因素較多，因此，這一部分有待進(jìn)一步研究。

[1] 江理平，唐壽高，王俊民.工程彈性力學(xué)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

[2] 潘永亮等.化工設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

FEM Analysis of Mechanical Properties of Lining Brick Autoclave

SANG Yuan

This paper introduces the characteristics of lining brick autoclave, analyzes its loads in working state, builds two-dimensional axisymmetric model of equipment cylinder section by ANSYS software, analyzes the three-dimensional stress distribution and deformation of the barrel sections and its results under the pressure load and thermal load bearing.

hydrometallurgy； lining brick autoclave； FEM analysis

2015-01-29

桑 園(1982-)，男，河北秦皇島人，工程師，碩士研究生，主要從事濕法冶金的設(shè)計(jì)與研究。

TG174

A

1003-8884(2015)02-0003-05