基于ANSYS炉缸侵蚀模型的开发_文恒教育

2017-10-28 15:40:16 whchedu 4

高炉炉缸状况是决定高炉寿命的主要因素之一,炉缸炉底侵蚀曲线的监测是高炉操作中一个很重要的过程,为达到该目的,不少炼铁工作者都做出了很多 努力,但最后的结果都不是很令人满意,主要是高炉内的工况比较复杂,目前还没有一种有效的手段监测其变化情况,并且导致炉衬侵蚀的因素也比较多,炉衬的侵 蚀规律不容易把握,所以要比较准确的计算炉缸炉底侵蚀曲线是比较困难的,目前只能从传热分析的角度来推算炉缸炉底渣铁凝固线的位置。目前国内外主要是根据 热电偶的温度来推算炉缸炉底侵蚀线。本文主要介绍利用有限元和设计优化技术开发的炉缸侵蚀模型。

理论依据与计算流程


有限元分析


有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成 的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的,因此被称为有限元。由实际的物理模型中推导出来得平衡方程式被使用到每个点上,由此产生了一个方程 组。这个方程组可以用线性代数的方法来求解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有 限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。而该模型主要利用有限元方法解炉缸区域内二维柱坐标传热微分方程。


图片关键词

式(1)λ(T)中—温度为T(℃)时的导热系数,w/m·℃


设计优化技术


有限元分析过程中几乎所有的设计量,如厚度、长度、半径、几何尺寸、材料特性、载荷位置与大小等都可以用变量参数表示,只要改变这些变量参数的 赋值就能获得不同设计方案的分析过程。ANSYS基于有限元分析的优化设计技术就是在满足设计要求的条件下搜索最优设计方案。在工程应用中,经常需要使重 量、面积、体积、应力、费用、误差等达到极小化,同时必须保证材料在许用工作范围内工作,结构的强度和刚度也必须达到足够安全标准,以及结构不会发生失 稳,振动幅值、速度或加速度等动力响应指标、几何坐标值不能超过许用范围等,也就是说,最优设计方案就是一个满足所有设计要求的最经济、高效率的可行设计 方案。本模型主要是在搜索满足曲线上点的几何坐标在一定范围内,测量点处的计算温度值与测量值误差最小的曲线即为侵蚀曲线。


计算流程


该炉缸侵蚀模型实现了参数化建模,有限元分析过程中侵蚀曲线上的特征点坐标用变量参数表示,只要改变这些变量参数的赋值就能获得多个可能的侵蚀 曲线序列,对这些可能的侵蚀曲线序列利用有限元方法进行热分析求解,比较这些计算结果,找到最优的曲线即为侵蚀曲线,其流程如图1,前处理程序主要实现参 数化建模,热分析求解器主要是利用有限元方法进行温度场计算,设计优化主要是产生多个可能的侵蚀曲线序列。


前处理程序热分析求解器

图片关键词

图1 侵蚀模型的计算流程


结果与讨论


为了验证该侵蚀模型算法的可靠性,根据某高炉炉缸耐材的配置和热电偶温度测量值,编制了侵蚀模型软件,计算出了该高炉的炉缸的侵蚀曲线(渣铁凝 固线和残砖曲线)和温度场见图2,炉缸残砖厚度和渣铁+残砖厚度见图3,某一标高处渣铁和残砖截面见图4,圆周上的三维侵蚀图见图 5,从计算结果来看,该模型的算法是可行的,根据高炉操作者的判断,计算的结果与高炉实际侵蚀情况基本相符。说明该模型的计算精度是可靠的。


图2 炉缸的侵蚀曲线和温度场

图片关键词

图3 炉缸残砖厚度和渣铁+残砖厚度

图片关键词

图4 某一标高处渣铁和残砖截面

图片关键词

图5 圆周上的三维侵蚀图

图片关键词

结语


(1)侵蚀曲线随热电偶温度变化进行自动推移的设计优化技术是该模型的核心。由于侵蚀曲线比较复杂,因此其对热电偶温度的变化精度也是本模型的一个关键问题,本模型采用分区优化来提高精度。


(2)该侵蚀模型是一般有限元问题的反问题,计算过程相当复杂,特别是对几何的处理是该模型的一个难点。


(3)炉缸侵蚀离线监测模型在误差范围内是成熟可靠的,炉缸在线监测模型还有待于在生产实践中进一步验证。