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        基于ANSYS Workbench的干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道靜態(tài)側(cè)壓力分析

        2020-04-14 08:30:48魏春滿馬銀華紀博文尹德剛
        鞍鋼技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:鲅魚圈側(cè)壓力焦?fàn)t

        魏春滿,馬銀華,紀博文,尹德剛

        (鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司,遼寧 營口115007)

        干熄焦?fàn)t從上而下結(jié)構(gòu)依次為預(yù)存室、環(huán)形風(fēng)道、斜道區(qū)、冷卻室。環(huán)形風(fēng)道的出口與一次除塵器連接,下部與斜道區(qū)相連。環(huán)形風(fēng)道主要用于存儲焦炭和再煉焦。存儲在預(yù)存段上部的焦炭(1 000℃左右)逐步下落到冷卻段中進行冷卻[1]。預(yù)存段能夠給鍋爐提供連續(xù)的熱源,穩(wěn)定鍋爐入口溫度,從而保證鍋爐蒸發(fā)和蒸汽參數(shù)的穩(wěn)定;同時,預(yù)存段存貯的焦炭還能保證焦炭溫度均勻,使部分由于干餾不足的焦炭在預(yù)存室內(nèi)進行再煉焦(燜爐),消除焦炭的不均勻性,達到改善焦炭質(zhì)量的目的[2]。環(huán)形風(fēng)道坍塌對干熄焦生產(chǎn)影響極大,必須停產(chǎn)才能進行處理。

        為了提高環(huán)形風(fēng)道強度,延長環(huán)形風(fēng)道使用壽命,鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司煉焦部(以下簡稱鲅魚圈)建立了鲅魚圈1#160 t/h干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道及整體結(jié)構(gòu)模型,并應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對環(huán)形風(fēng)道受到的焦炭堆積側(cè)壓力進行了有限元分析,從理論上定量分析了環(huán)形風(fēng)道的受力情況。

        1 干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞情況

        鲅魚圈1#160 t/h干熄焦?fàn)t是國內(nèi)首座具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的干熄焦?fàn)t,但由于1#干熄焦?fàn)t是引進、吸收項目,存在一定問題,自2008年開工運行以來,干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道內(nèi)環(huán)墻多次發(fā)生坍塌,給生產(chǎn)造成極大影響。自干熄焦修建以來鲅魚圈1#160 t/h干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞情況見表1。

        表1 鲅魚圈1#160 t/h干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞統(tǒng)計Table 1 Damaged Statistics of Annular Air Duct of No.1 160 t/h Dry Quenching Coke Oven in Bayuquan

        環(huán)形風(fēng)道損壞情況如圖1所示。

        圖1 干熄焦環(huán)形風(fēng)道損壞情況Table 1 Statistics for Damaged Annular Air Ducts to No.1 160 t/h Dry Quenching Coke Oven in Bayuquan

        2 干熄焦環(huán)形風(fēng)道受焦炭靜態(tài)側(cè)壓力分析

        2.1 ANSYS Workbench軟件應(yīng)用

        ANSYS Workbench是有限元分析中面向工程的一種,主要包括三個分析模塊:前處理模塊,計算分析模塊和后處理模塊。

        (1)前處理模塊就是對實體結(jié)構(gòu)進行三維建模、劃分網(wǎng)格以及定義材料屬性,施加載荷和邊界條件等對于實體結(jié)構(gòu)的前處理階段。

        (2)計算分析模塊就是對已經(jīng)進行前處理的有限元模型進行結(jié)果分析。

        (3)后處理模塊主要功能就是顯示計算分析模塊的結(jié)果。

        2.2 建立模型

        鲅魚圈1#干熄焦?fàn)t整體為一個桶型,焦炭從上部裝入,從下部排出。干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道為圓形,具體內(nèi)部尺寸為高度4 524 mm,直徑7 800 mm。環(huán)形風(fēng)道直墻段由350 mm厚的GAM3053磚砌筑為環(huán)形,砌筑時由A級莫來石與火泥結(jié)合,烘爐后達到結(jié)合強度。在環(huán)形風(fēng)道圓形內(nèi)部存貯焦炭,主要裝的是紅焦,溫度在800~900℃,密度470 kg/m3,內(nèi)摩擦角為35°[4]。生產(chǎn)中,焦炭從下部旋轉(zhuǎn)密封閥定量排出,上部焦炭逐步下落到冷卻區(qū)進行冷卻。環(huán)形風(fēng)道下部是牛腿部位,上部連接預(yù)存段。

        為方便計算,同時表達出環(huán)形風(fēng)道的整體受力情況,將環(huán)形風(fēng)道及其周邊相互關(guān)系簡化,干熄焦?fàn)t體模型簡化圖如圖2所示,環(huán)形風(fēng)道模型簡化圖如圖3所示。模擬時將環(huán)形風(fēng)道材料統(tǒng)一為均質(zhì)。

        圖2 干熄焦?fàn)t體模型簡化圖Fig.2 Simplified Model Diagram for Furnace Body of Dry Quenching Coke Oven

        圖3 環(huán)形風(fēng)道模型簡化圖Fig.3 Simplified Model Diagram for Annular Air Duct

        2.3 計算環(huán)形風(fēng)道焦炭側(cè)壓力

        對環(huán)形風(fēng)道受焦炭靜態(tài)側(cè)壓力進行計算。為保證計算的準(zhǔn)確性,做以下幾個假設(shè):

        (1)焦炭下落為均勻下落,未發(fā)生偏心下料等情況;

        (2)焦炭對側(cè)面的受壓力為靜態(tài)壓力,不考慮動態(tài)卸料情況;

        (3)焦炭在環(huán)形風(fēng)道內(nèi)密度等是均勻的,不考慮焦炭差異;

        (4)環(huán)形風(fēng)道為圓形,不考慮因工況變化造成環(huán)形風(fēng)道變形等情況。

        由于干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道符合筒倉外形,因此,采用筒倉方式進行側(cè)壓力計算。

        式中,A為筒倉高徑比;H為干熄焦?fàn)t排焦高度,mm;D為干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道直徑,mm。已知干熄焦?fàn)t自裝焦到排焦高度差為30 250 mm,根據(jù)式(1)計算得A=3.88,大于1.5,因此按深倉計算。

        焦炭對環(huán)形風(fēng)道的側(cè)壓力為

        式中,P為焦炭對環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力,kPa;Ch為深倉儲料水平壓力修正系數(shù),取值1.1;γ為焦炭的重力密度,kN/m3;ρ為凈截面的水力半徑,m;μ為焦炭與倉壁的摩擦系數(shù);k為側(cè)壓力系數(shù);s為焦炭頂面距計算截面的距離,m;φ為焦炭內(nèi)摩擦角,°;e為自然常數(shù)。

        2.4 建立載荷面及坐標(biāo)原點

        由于焦炭對環(huán)形風(fēng)道的側(cè)壓力會隨著裝焦高度的變化而變化,并不是一個固定數(shù)值,需用公式計算。將干熄焦環(huán)形風(fēng)道下平面,環(huán)形風(fēng)道與牛腿接觸部位定義為坐標(biāo)原點,向上方向為正方向,即y方向為正方向,如圖4所示。將干熄焦環(huán)形風(fēng)道內(nèi)側(cè)面定義為載荷面B,如圖5所示。

        結(jié)合式(2)、(3),取向上距離為 s,可得焦炭對環(huán)形風(fēng)道s處側(cè)壓力值為P=50.407(1-e-0.027 8s)。

        2.5 采用ANSYS Workbench計算結(jié)果

        圖4 建立原點Fig.4 Origin Establishment

        圖5 建立環(huán)形風(fēng)道載荷面Fig.5 Establishment of Load Surface of Annular Air Duct

        ANSYS Workbench軟件簡化了網(wǎng)格的劃分,由于模型巨大,采用默認網(wǎng)格劃分模式。載荷采用APDL導(dǎo)入到ANSYS Workbench中,最終形成環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力應(yīng)力云圖和變形云圖,分別如圖6、圖7所示。可以看出,焦炭裝焦高度對干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力最大值約為0.62 MPa,環(huán)形風(fēng)道受力最大部位在1/3到2/3位置,焦炭裝焦高度對環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力有一定的影響。因此,為保證干熄焦環(huán)形風(fēng)道使用壽命,應(yīng)對裝焦高度進行調(diào)整。

        圖7 環(huán)形風(fēng)道變形云圖Fig.7 Deformation Nephogram for Annular Air Duct

        3 采取的措施

        基于以上模擬分析結(jié)果,為提高鲅魚圈1#干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道使用壽命,對干熄焦?fàn)t進行了一系列改造,其中一項是對干熄焦裝焦高度進行規(guī)定,將裝焦料位操作范圍降低到伽馬射線以下2 m處,即在環(huán)形風(fēng)道上部約2 m處;同時,為了將焦炭對環(huán)形風(fēng)道的影響降到最低,且部分保證預(yù)存段的作用,在兼顧了環(huán)形風(fēng)道壽命和降低料位對生產(chǎn)影響的基礎(chǔ)上,結(jié)合料位降低情況對部分生產(chǎn)參數(shù)進行了調(diào)整。改造后,鲅魚圈1#干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道沒有再發(fā)生倒塌情況,干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道壽命大幅度提高。

        4 結(jié)語

        鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司1#160 t/h干熄焦?fàn)t開工后多次發(fā)生環(huán)形風(fēng)道坍塌情況,給生產(chǎn)造成極大影響,應(yīng)用ANSYS Workbench進行受力分析,得出環(huán)形風(fēng)道受焦炭側(cè)壓力最大值約為0.62 MPa,裝焦高度對環(huán)形風(fēng)道側(cè)壓力有一定影響。通過采取改造措施,調(diào)整裝焦高度,將裝焦料位操作范圍降低到伽馬射線以下2 m處,即環(huán)形風(fēng)道上部約2 m處,干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道沒有再發(fā)生倒塌情況,有效延長了干熄焦?fàn)t環(huán)形風(fēng)道的使用壽命。

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