（机械设计及理论专业论文）热风阀温度场和热应力场的有限元分析.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 热风阀承受着1 1 0 0 1 5 0 0 的热载荷，是炼铁阀门中热工况最恶劣 的阀门之一，需要强制水冷却。由于热风阀传热的多样性和结构的复杂性， 使得国内生产厂家对热风阀的传热、热应力计算仅凭经验，片面地强调可 靠性造成了冷却水量大、水速高、热量损失大、设备寿命低。国外热风阀 和我国同类型热风阀相比：耗水量是我国的l 3 、热风损失热量是我国的 1 5 、但寿命却是我国的2 倍。 针对我国现有热风阀存在的缺点，有必要对国内热风阀的热场和热应 力场进行定量分析。基于此，本文主要作了以下工作： 1 ) 根据某炼铁厂高炉热风阀实际设备的尺寸和真实工况，考虑材料参数 和辐射传热的非线性，进行了阀板轴对称和阀体三维模型的瞬态温度 场有限元分析。 2 ) 采用和温度场相同的模型，考虑材料参数的非线性，进行了热风阀热 应力场的有限元分析。 3 ) 根据传热学、热力学、流体力学等知识，对热风阀节约电能和热能进 行了探讨，并提出了节能方案。根据热疲劳理论提出了热风阀长寿化 措施。 4 ) 进行了阀板机械应力计算和铆接件温度的有限元模拟。 5 ) 进行了阀板的水温升测试，所得结果同有限元结果相吻合，验证了模 拟的正确性。 以上成果将为我国自主研制节能，长寿热风阀设备提供前期的理论依 据，对现有热风阀设备的设计和维护提供理论参考和技术支持。 关键词：热风阀，有限元，温度场，热应力场，节能长寿 辽宁科技大学硕士论文 a b s tr a c t h o tb l a s tv a l v ee n d u r e st h eh e a tl o a do f1 1 0 0 t o1 5 0 0 u c i ti so n eo f t h e w o r s th o tw o r kc o n d i t i o ni ni r o nm a n u f a c t u r ev a l v e s t h u si tn e e d sf o r e e d w a t e r c o o l i n g o w i n g t ov a r i e t yo fh e a tt r a n s m i s s i o na n dc o m p l i e a e yo f s t r u c t u r ef o rh o t b l a s tv a l v e ，i tg e t sm a n u f a c t u r ef a c t o r yt oc a l c u l a t eh e a t t r a n s m i s s i o na n dh o ts t r e s s o n l yb ye x p e r i e n c e a n dt h a tr e l i a b i l i t y i s u n i l a t e r a l l ye m p h a s i z e dc a u s e sb i gc o o l i n gw a t e rc a p a c i t y ，h i g hw a t e rs p e e d ， b i gh e a tl o s s e sa n dl o we q u i p m e n tl o n g e v i t y c o m p a r i n go v e r s e a sh o tb l a s t v a l v e sw i t hd o m e s t i ch o tb l a s tv a l v e sf o rt h es a m et y p e ，w a t e rc o n s u m p t i o ni s o n e - t h i r do fo u rc o u n t r yc o n s u m p t i o n ，h e a tl o s e si so n ef i f t ho fo u rc o u n t r y ， b u tl o n g e v i t yi st w ot i m e sa sl o n ga so u rc o u n t r y a i m e da t e x i s t i n gs h o r t c o m i n gf o re x i s t i n gh o tb l a s t v a l v e si no u r c o u n t r y ，i ti sn e c e s s a r yt h a tt h e r m a lf i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l df o rh o t - b l a s t v a l v eo fo u rc o u n t r yi sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d b a s e do nt h i s ，t h ef o l l o w i n g w o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o na r em o s t l yd o n e 1 ) a c c o r d i n gt od i m e n s i o no fa c t u a le q u i p m e n ta n dr e a lw o r kc o n d i t i o n f o rh o t b l a s tv a l v eo fb l a s tf u r n a c ei nac e r t a i n i r o nm i l l ，n o n l i n e a r i t yo f m a t e r i a lp a r a m e t e ra n dr a d i a t i o nh e a tt r a n s f e rc o n s i d e r e d ，t h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da b o u tv a l v ep l a n ka x i s y m m e t r ya n d3 d m o d e lo fv a l v eb o d yi sc a r r i e do u t 2 ) m a k i n gu s eo fs a m em o d e l a s t e m p e r a t u r ef i e l d a n dc o n s i d e r i n g n o n l i n e a r i t yo fm a t e r i a lp a r a m e t e r ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h e r m a l s t r e s sf i e l df o rh o t b l a s tv a l v ei sc a r r i e do u t 3 ) o nt h e b a s i s o ft h e k n o w l e d g e o fh e a tt r a n s f e r s u b je c t a n d t h e r m o d y n a m i c sa n dh y d r o m e c h a n i c se t c ，s a v i n go fe l e c t r i c i t ye n e r g ya n d h e a te n e r g yf o rh o t b l a s tv a l v ei sd i s c u s s e da n ds a v i n ge n e r g ys c h e m ei sp u t f o r w a r d a n da c c o r d i n gt oh e a tf a t i g u et h e o r y , t h el o n gl i f em e a s u r ei s p r e s e n t e d 4 ) m e c h a n i c a ls t r e s so fv a l v ep l a n ki sc a l c u l a t e d a n dm a k i n gu s eo ft h e f i n i t ee l e m e n t ，t e m p e r a t u r ef i e l do fr i v e t i n gp a r ti ss i m u l a t e d i 辽宁科技大学硕士论文 5 1t e m p e r a t u r er i s ed a t ao fw a t e rf o rv a l v ep l a n ki st e s t e d a n di t sr e s u l t i si d e n t i c a lw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tr e s u l t a c c o r d i n g l y ，c o r r e c t n e s so f s i m u l a t i o ni st e s t e da n dv e r i f i e d a b o v em e n t i o n e dp r o d u c t i o n sp r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i so fp r o p h a s ef o r d e v e l o p i n gs a v i n ge n e r g yi n d e p e n d e n t l yi no u rc o u n t r ya n dl o n gl i f eh o t _ b l a s t v a l v ee q u i p m e n t a n di tp r o v i d e st h e o r e t i c a lr e f e r e n c ea n dt e c h n i c a ls u p p o r t f o rt h ed e s i g na n dm a i n t e n a n c eo fe x i s t i n gh o t b l a s tv a l v ee q u i p m e n t k e yw o r d s ：h o tb l a s tv a l v e ，f i n i t ee l e m e n t ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t h e r m a l s t r e s sf i e l d ，s a v i n ge n e r g ya n dl o n gl i f e i i 独创性声明 本人声明所皇交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期：越墨圹 辽宁科技大学硕士论文 绪论 1 1 热风阀概述 第一章绪论 热风阀( 图1 1 ) 全称为热风调节阀或热风控制阀，是热风炉的煤气管 道、烟道、冷风管道、热风管道和混风管道中采用的各种阀类的一种。热 风炉是高炉炼铁生产的送风系统设备，起着连续不断地供应高炉大量的 高温空气的作用。高炉从炉下部近4 0 个风口吹入9 0 0 1 3 0 0 的热风，利 用焦炭燃烧产生的热量和还原气体来熔化还原铁矿石。 热风阀设置在热风炉出口的热风支管上，起切换作用。在热风炉送风 期阀门打开，所有的热空气都要经过热风阀送往高炉。在燃烧期，热风阀 关闭，将高炉和热风炉隔开，这时，热风阀面向热风炉的一侧承受很大的 热负荷。因此，用水有效地冷却阀的零件是它可靠工作的基本条件。 热风阀是整个热风炉系统中工作条件最严酷的设备之一。它在工作温 度9 0 0 1 3 0 0 、工作压力约o 5 m p a 的条件下工作。如果设备发生事故， 将产生严重的后果，所以，它是热风炉系统阀门中工况最恶劣的阀门。 图1 1 热风阀 目前国内外采用的热风阀的结构型式常用的是水冷垂直式闸板阀，其 辽宁科技大学硕士论文 传动形式主要有手动、电动、气动和液压传动。手动传动主要用在小高炉 上或大高炉上。当机械传动发生故障而设置的。电动传动是应用最广的传 动形式。气缸传动是日本常用的一种传动形式，国内在大型高炉上也已采 用。液压传动是近年来国内外开始在大型高炉上广泛采用的一种形式。根 据高炉炉容不同，其规格和阀板行程不同【1 1 叫3 1 。下面是国内其中两种炉容 用热风阀的系列特性见表1 1 。 表1 1 热风阀的系列特性 t a b l e1 1s e r i e sc h a r a c t e r i s t i co fh o tb l a s tv a l v e 序高炉炉阀门通工作压最高工阀门行程结构传动 号容径力作温度 ( m m )型式形式 ( m3 )( m m ) ( m p a )( ) 水冷 垂直 l1 2 0 0 中13 0 0 o 3 51 4 5 01 4 3 0 1 6 0 0液压 式闸 板阀 水冷 垂直 24 0 0 0巾1 8 0 0o 51 3 1 0 2 2 0 0 气动 式闸 板阀 1 1 2 热风阀的结构及组成 目前各铁厂的高炉使用的热风阀，结构和材质不尽相同，有铸钢的、 有钢板焊接的：使用寿命有长有短，有的很不理想，是铁厂停风率高的一 个重要原因。 2 辽宁科技大学硕士论文 ! ，! ；， 丽 l 一 ，爿! e ll di 蔽：制 ：融 一讦l 。 蠹量 硝f 。 i 蟒， l 变 。u 竹。4 1 7 船 口l 舷阚l 霪 量 弹 一 一 岁舻吨 二； 基 l 力罗2 鲁- ； 鬣黟耋 鬓 、 l 悯_ 8 望 图1 2 由1 8 0 0 热风阀 f i g 1 2t h eh o tb l a s tv a l v e18 0 0m m i nd i a m e t e r l 一上盖；2 一阀座；3 一阀板；4 一短管；5 - - 吊环螺丝 6 m 密封填片；7 - - 防蚀镀锌片； 8 一排水阁：9 一测水阀；l o 一弯管；1 l 一连接管：1 2 一阀杆：1 3 一金属密封填料； 1 4 一弯头：1 5 一标牌；1 6 一防蚀镀锌片；17 一连接软管；1 8 一阀箱用不定型耐火料； 1 9 一密封用堆焊合金；2 0 一阀体用水定型耐火料；2 l 一阀箱用挂桩；2 2 一阀体用挂桩 热风阀是处在高温高压的气流中工作的，特别是随着高炉的强化冶 炼，热风的温度越来越高，热风阀的工作条件越来越恶劣，已成为高炉设 备的薄弱环节之一，因此，必须采用循环水冷却。另外，由于热风氧化能 力强，若偶有间隙漏气，则漏气间隙就会因氧化而加速扩大，故热风阀应 特别注意密封。其密封形式一般采用全浮动密封。 热风阀由阀板、阀体、阀盖等组成，这些主要部件都做成中空的，内 通冷却水冷却。阀板内螺旋形隔板起水流导向作用，并很好地冷却阀板各 处。图1 2 所示为我国4 0 6 3 m3 高炉用的m1 8 0 0 热风阀1 4 j 。 阀板一般用钢板焊成焊接后退火，再加工，最后在表面喷涂一层薄 铝。为了防止阀体与阀板的金属表面直接与高温气流接触，在阀的非接触 。豁 ， 恐帅 辽宁科技大学硕士论文 绪论 工作表面喷涂不定形耐火材料，这样减少金属材料直接在高温下的工作表 面，同时也降低高温气流的热损失，从而提高热风阀的使用寿命。阀体壳 和阀板上喷镀耐火材料时，为了增加耐火材料与钢板结合的牢固性，在钢 板上焊有许多y 形或u 形骨架，这些小骨架用小圆钢制成。 阀板结构如图1 3 所示。它的密封面设在阀板最外圈的扁形圆环端面 上，中间部分阀板较薄，在两面喷涂材料后，厚度仍小于最外圈5 m m 以 上。阀板内隔板的水道布置形式常用的有直立式、曲线式、迷宫式、螺旋 式等”1 ( 如图1 4 ) 。 图1 3 带有耐火涂料的阀板 f i g 1 3v a l v ep l a n kw i t hf i r e p r o o fl i n i n g 直立式 曲线式遴宫式 螺旋式 图1 4 热风阀阀体隔板形式 f i g 1 4c l a p b o a r ds h a p eo fv a l v ep l a n kf o rh o tb l a s tv a l v e 4 辽宁科技大学硕士论文 绪论 1 2 国内外热风阀的研究与发展现状 1 2 1 国外研究与发展现状 随着国外现代化大工业的迅速发展，阀门工业的生产发展十分迅速， 热风阀是阀门的一种，因此也不例外。7 0 年代初，前苏联首次提出长寿热 风阀的设计概念，指出热风阀的使用寿命对全苏联的铁生产和设备维修成 本的节约作用有着直接的影响，并将热风阀的寿命问题提上议事日程【6 j 。 1 9 7 3 年，随着热风阀蒸汽冷却的采用，前苏联分析了热风阀使用过程中易 腐蚀损坏的出口管等机械装置，再次研究了热风阀的服务寿命问题。1 9 7 6 年，前苏联对1 3 0 0 m m 直径热风阀的性能进行分析研究，指出热风和冷却 水的压力对热风阀的耐用性几乎没有影响。热风阀的耐用性主要取决于热 风阀密封面( 水冷圈) 的温度梯度，之后，又成功地研制了1 6 0 0 m m 和 2 0 0 0 m m 更大直径的热风阀【7 卜1 1 0 。1 9 7 8 年，英国提出鼓风炉厂的现代阀的 发展，指出当今传统的闸板阀被现代碟形阀取代，在热风炉的聚汽室中的 温度的增加逐渐导致现代化的闸门阀型式1 2 ”。 进入8 0 年代，世界各国对热风阀的研究有了更进一步的发展。1 9 8 1 年前苏联对热风阀进行了对流热交换研究。1 9 8 4 年，前苏联使用半导体和 集成电路，作为模拟非线性边界条件的类似装置，对于热风阀中的热传导 外加辐射的稳定状态和瞬变问题进行了热传导非线性问题的传热模拟。 1 9 8 7 年，在前苏联实现了1 18 2 的最高风温的高炉建设，提出延长1 1 0 0 m m 直径热风阀的寿命问题1 1 h 1 3 。1 9 9 1 年，俄罗斯的冶金计划设计工程协会 提出热风阀的新设计，新阀比旧阀结构简单，重量轻，消除了以前不可靠 的焊缝，同时，其内表面设置了一层高难熔混凝土保护。1 9 9 2 年，俄罗斯 对有衬热风阀进行了复杂热传导研究，并在1 9 9 3 年完成了1 3 0 0 m m 热风 阀的新设计。1 9 9 4 年，俄罗斯进行了热风阀的混凝土耐火衬的研究，提出 高氧化铝混凝土里衬的成分、加工和基本特性，说明混凝土里衬的使用导 致了热损失的降低，提高热风温度和热风阀的服务寿命。1 9 9 8 年，俄罗斯 研制了新1 3 0 0 m m 直径热风阀，其技术特性为热风温度不大于1 6 0 0 ，热空 气压力在o 5 m p a 以内 1 4 h ”j 。 1 9 8 5 年，日本根据热风阀的流速控制特性，研制了控制热风的陶瓷 阀随后又讨论了在热风阀中设置水沟及其深度问题，这对热风阀的结构 辽宁科技大学硕士论文 绪论 设计又推进了一步1 9 9 0 年，日本研制了能控制每一个鼓风口热风流速 的热风流量控制阀。1 9 9 7 年，日本在热风阀研究方面又有了新的突破，成 功研制出了控制高炉风口的热风流量陶瓷制动阀 2 0 1 【2 3 h 2 8 1 。 德国是世界最大的阀门出口国，其技术水平发展迅猛。1 9 8 9 年，德国 设计制作了空气冷却热风阀1 2 4 。 1 9 9 5 年，美国分析讨论了热风阀空气冷却特性，发现空气冷却比水冷却 更好一些。2 0 0 4 年，美国完成了对d c x 铸造热风阀的研究，使热风阀又有了 新发展【2 5 】【2 6 1 。 综上所述，虽然世界各国对热风阀的制造、长寿、结构、选材、冷却 方式等做了大量的工作，但对热风阀的传热机理的研究，温度载荷的定量 化，热应力分析显的不足，设计手段略显陈旧，对现代设计方法如有限元、 优化等重视不够，对热风阀的节能设计重视不足。 1 2 2 国内研究与发展现状 国内热风阀设计单位和生产厂家在探索研究热风阀新技术，改善热风 阀的结构及其性能方面做了不断的努力，使热风阀在满足高风温、长寿命 方面有了突破性进展。1 9 9 3 年，上海宝山钢铁公司从热风阀的设计构思、 制作工艺和操作维护要求等方面分析研究了热风阀的破损状况、破损原因 及长寿命问题，同年，莱芜钢铁公司也对热风阀及冷却系统作了改进。1 9 9 4 年山西临汾钢铁公司为有效防止热风阀串风和漏风现象，以提高热风炉的 使用效率，对热风阀的密封进行了改进。1 9 9 5 年，螺河冶金机械设备公司 研制生产了莎9 0 0 新型衬里热风阎，冶金新技术开发推广中心于1 9 9 7 年5 月在安阳组织召开了“高炉高风温送风设备现场技术交流会”。1 9 9 6 年， 济源钢铁公司对热风阀联接装置由原来的螺栓联接改为丝杆联接。安徽马 鞍山钢铁公司针对热风阀的闸板使用寿命短、铁厂休风率高等现象，对热 风阀阀板结构与制造工艺进行改进。北京科技大学、石家庄市阀门三厂、 冶金部钢铁研究总院联合研制了一种新型热风阀，该新型热风阀可满足高 风温的使用要求，其结构性能达到国内外先进水平。1 9 9 9 年，螺河冶金机 械总厂分析了闸板密封问题，并制造出了新一代热风阀阀杆密封装置 【2 9 】 【3 7 1 。 进入二十世纪以后，我国的热风阀的研究又有进步。2 0 0 0 年，秦皇岛 冶金机械有限公司对热风阀的阀板进行了改进，延长了热风阀的使用寿 6 辽宁科技大学硕士论文 命。2 0 0 1 年，鞍钢设计研究院通过计算分析和工业实践，研究讨论了与长 寿热风阀有关的水冷却、耐火衬、密封及阀板结构等问题，提出了长寿命 热风阀的设计要领。2 0 0 2 年，秦皇岛冶金机械有限公司对热风阀阀座冷却 腔结构进行分析。目前，在国内采用的冷却腔主要有方型腔、s 型腔和圆 型腔三种形式。方型腔最早应用在德国铸焊混合结构的热风阀上。s 型腔 是日本在引进德国热风阀技术的基础上，经过多次改进形成的。圆型腔是 采用耐热厚壁圆管辊压成形，冷却水从腔内高速流过，对阀密封面进行强 化冷却，在国内新建和修建高炉中得到广泛使用。同年，福建三钢闽光炼 铁厂也就热风阀长期存在漏风、法兰烧红、影响风温和风量稳定问题，将 热风阀法兰改为水冷式法兰。2 0 0 3 年，本溪钢铁公司对全液压双缸驱动热 风阀的液压控制系统拉杆提升梁等作了改进。秦皇岛冶金机械公司对 d n l 5 0 0 m m 热风阀也进行了改进。2 0 0 4 年，螺河冶金机械设备公司采用 q 2 3 5 钢化学镀镍磷制作高炉热风阀阀杆，提高抗磨损性和抗擦伤性，防 止漏风失效。马鞍山钢铁公司也对热风阀阀杆密封作了改进。2 0 0 5 年，螺 河职业技术学院采用a n s y s 软件对热风阀阀体进行了模态分析和研究， 为消除阀体的焊接残余应力振动时效工艺提供理论依据。又在2 0 0 6 年1 月，螺河冶金设备有限公司研制的新型衬里热风阀和微水节能热风阀得到 了河南省科技厅和教育厅的科技成果鉴定，此项科技成果达到国际先进水 平，具有很好的推广应用前景【3 8 卜 4 8 】。 随着钢铁工业的发展，我国对热风阀的长寿化、密封、结构等作了不 少工作，更难能可贵的是提出了节能的新理念，但也存在以下问题，设计 多为经验性，缺乏现代设计理念，对影响阀的寿命，节能的重要技术参数 如阎体的温度，热流，冷却水对温度影响等定量化分析显得不足，进而影 响了阀门的设计和维护。 1 2 3 热风阀主要失效形式及原因 热风阀是高炉冶炼所使用的各种阀门中工作条件最为恶劣的一种阀 门，其工作温度为9 0 0 13 5 0 ，工作压力为0 2 5 0 8 m p a 由于热风阀 在工作时承受着很大的热负荷，工作过程中，经常会出现烧损、热裂、氧 化锈蚀等问题。热风阀的故障和失效主要体现在以下几个方面： 1 ) 阀板是热风冲刷最严重，温度变化最剧烈的地方，特别是阀板的下部 长期受热风的高温辐射和冲刷作用，是热风阀中最薄弱的环节。热风 7 辽宁科技大学硕士论文 阀的故障约有9 0 为阀板损坏引起的。 2 ) 在热风炉燃烧和送风时，热风阀关闭和开启过程中，水冷圈外表面的 温度波动很大，水冷圈内壁有低于4 0 的冷却水进行冷却，内外壁有 较大的温差，由此产生了循环热应力。由于这种交变应力的长期作用， 使热风阀的阀板和阀体的水冷圈外壁产生疲劳裂缝。 3 ) 因阀体和阀板的密封面裸露在外部，存在很大的热风扫掠和风道的热 辐射，阀体中的滑道和密封面的边缘承受很大的热应力，从而致使热 风阀损坏。 1 3 论文研究的背景 1 3 1 本课题的来源及选题意义 本课题是国内某钢铁公司正在使用的1 8 热风阀( 见图1 1 ) ，是高 炉冶炼生产中的一套关键设备。 随着改革开放步伐不断的迈进，我国的工业迅猛发展，而作为国家重 要行业的钢铁行业也在不断的前进。近年来，钢铁行业的设备在不断的更 新，技术在不断的进步，设备的技术含量也在迅速的提高。随着生产规模 的不断扩大，对高炉冶炼设备的长寿化及其能源节约方面提出更高的要 求。 如前所述，热风阀为高炉冶炼所使用的一种重要设备，用来在热风炉 燃烧期将热风主管与热风炉隔开。其工作温度高，工作压力大，开启频繁， 是高炉冶炼所使用的各种阀门中工作条件最为恶劣的一种阀门。由于热风 阀在工作时承受着很大的热负荷，工作过程中，经常会出现开焊、变形、 导致渗漏，特别是烧损、热裂、氧化锈蚀等问题，用户有时反映只能使用 3 5 个月，就得被迫休风检修，严重影响了铁厂的正常生产。所以有必要 进行长寿化研究。 为满足热风阀的高风温和长寿命的要求，近3 0 年来各国都在探索热 风阀的合理结构，并且各国的设计模式不尽相同。但从各国的有关资料来 看，由于流体物性的复杂性，固体材料的热物性参数随温度变化的非线性， 阀体、阀板几何形状的复杂性和阀体、阀板复合换热的多样性，以及载荷 工况的多变性，给热风阀的热分析计算带来了很大的困难。目前，国际上 8 辽宁科技大学硕士论文绪论 仅有少数几家对热风阀进行传热分析和讨论，但没有精确的热载荷的计 算。在国内，无论热风阀的设计单位，还是生产厂家，对热风阀的热分析 仅限于简单的手算和凭经验估算，严重制约了热风阀的产品质量的提高。 基于以上原因，有必要采用现代设计方法进行定量化设计，而采用有限元 方法是通向成功的必由之路。 热风阀所受的温度载荷很大，由于长期采用经验设计，造成了当前国 内热风阀的体积大、耗水量多、寿命短等缺点，因此，有必要以有限元为 手段对热风阀进行理论热分析，通过对热风阀温度场及热应力的分析计 算，可为热风阀及冷却系统的结构设计改进提供理论依据和参考，从而使 热风阀达到体积小、重量轻、节能、节水、提高热风阀的使用寿命的目的。 1 3 2 现有研究方法及存在的不足 热风阀的工作状况是一个非线性瞬态传热问题，研究方法主要有以下 几种： ( 1 ) 温度场分析的方法 解析法一利用传热学公式进行求解，此法适合处理具有规则形状的 几何体和材料物性参数为常量的情况。对于阀体、阀板在几何上的复杂结 构，材料的物性参数随温度变化的情况，对于温度场的瞬态分析，热辐射的 非线性，使用此法尤为困难。但此法对于热风阀局部分析，稳态分析，物性 参数是常数的情况，有一定优势。 有限元法一近年来，随着数值模拟技术的进步和发展，象a n s y s 、 m a r c 等大型有限元软件的出现，在高温下工作的冶金和炼钢设备等的有限 元温度场分析显示了巨大的优越性和取得了良好的效果。对热风阀的分析 大致可分为阀体和阀板的温度场分析；这样分析的好处是能充分对特定目 标进行分析。 热风阀温度场的分布是复杂的，其原因如下： 1 ) 它的传热包含热量传递过程的三种基本形式，即热传导、热对流、热 辐射。属于复合传热。 2 ) 热风阀几何形状比较复杂，由水腔、圆柱体及其周围筋板、肋板组成。 所有的这些都对温度场有影响。 3 ) 材料的布置复杂，材料的种类众多，既有非金属材料又有金属材料， 而且材料的物性参数值( 如导热系数、热容等) 随温度变化。要准确 辽宁科技大学硕士论文 得出温度场，必须充分考虑材料物性随温度变化的因素。 4 1 冷却的边界条件是复杂的，强制水冷却、热风扫掠和风道辐射等都必 须考虑。但有限元技术可以解决上述问题。 ( 2 ) 求解热应力的方法 求解热应力不外乎解析法和有限元法。解析法计算烦琐，必须对解 题参数做大量的假定，要求模型具有规则几何形状，计算的局限性很大， 结果往往失真。对于物性参数如比热容、导热系数、热膨胀系数、弹性 模量等随温度变化和热风阀的几何模型的复杂性及热风阀冷却时温度和 应力的瞬态性，使用有限元法显示了其巨大的优越性。国内外对热应力的 分析大多采用此法。以有限元温度场为基础，构造同一有限元模型、充分 利用a n s y s 软件功能，可进行阀体、阀板的热一应力耦合分析。 1 4 论文的主要研究内容及要解决的关键问题 1 4 1 论文研究的主要内容 为延长热风阀的寿命和热风阀的节水、节能，有必要对热风阀温度和 热应力进行定量化研究，而冷却时间长短、单位时间冷却水流大小、耐火 材料的布置和新型耐火材料的使用等参数直接影响冷却效果，充分地考虑 这些因素的变化，合理地搭配这些参数，对热风阀冷却时阀体、阀板的温 度场和热应力场模拟，可以充分考虑这些参数对热风阀冷却的影响，是新 型节水、节能、长寿热风阀技术开发及研制的前提。综上所述，拟进行如 下工作： ( 1 ) 温度场模拟 以a n s y s 为手段，采用2 d 轴对称模型和三维立体造型建模，充分考虑 热风阀材料的导热系数，比热容等随温度变化的性质，热辐射的非线 性，对热风阀冷却时的阀体和阀板的稳态和瞬态温度场进行非线性有 限元模拟。 对阀板铆接件温度场进行讨论，依据蠕变准则，判断铆接件是否失效。 依据温度场对热风阀节能、省水进行讨论，以便为新型热风阀设计提 供理论依据。 ( 2 ) 热应力场模拟 1 0 辽宁科技大学硕士论文 采用和温度场相同的模型，充分考虑热风阀材料的弹性模量、热膨胀 系数等随温度变化的性质，以温度场为整体载荷，对阀体、阀板的钢 材进行热应力的非线性有限元分析。 对阀板进行工作水压下的机械静应力计算。 依据疲劳理论提出延长热风阀寿命的措施。 根据传热学、热力学、流体力学以及热强度理论并结合热场和热应力 场模拟，对热风阀的节约电能和节约热能进行探讨，并提出具体的节 能措施。 ( 3 ) 温度测定 用现场实际水升温数据来验证有限元计算结果的正确性和合理性。 1 4 2 论文研究需解决的关键问题 温度场模拟时，热风阀开启、关闭时型腔各个面之间的热辐射处理。 温度场模拟时，材料参数、边界条件随温度非线性变化，以及热辐射 的非线性描述。 1 5 本章小结 本章对热风阀的总体情况作了概述，进行的主要工作如下： 在大量查阅国内外文献的基础上，详细总结和归纳了国内外热风阀的 研究状况、发展趋势、主要的失效形式及原因。 介绍了课题研究的背景，论文研究的主要意义，现有研究方法及存在 的不足。 对论文研究的主要内容和要解决的关键问题进行了简介，并提出了论 文研究的思路和方法。 辽宁科技大学硕士论文 热风阀温度场的有限元分析 2 1 概述 第二章热风阀温度场的有限元分析 ( 1 ) 温度场分析的必要性 热风阀在工作时，在关闭和开启状态下受到1 2 0 0 1 4 5 0 的风道和热 风炉炉壁的烘烤，开启时还会受到热风的强制对流的扫掠，热风阀是高炉 冶炼所使用的各种阀门中工作条件最为恶劣的一种阀门，必须在水的强制 冷却下才能保证正常工作。 热风阀温度场分析可以对热风阀温度定量化，可以比较真实反映热风 阀温度分布，温度场分析可以解决和回答如下问题：材料使用条件，热 风阀钢材温度超过自身的蠕变温度时，钢板将会发生显著的蠕变变形，耐 火材料衬超过自身的耐火温度时，将使耐火材料蚀损速度迅速增大；显 著的高温载荷影响热风阀的应力、变形和阀壳的寿命；过高的温度使热 风阀材料导热系数和比热容等物性参数变小，影响整个热风阀的工作状 态。在不同水速和水量冷却下，温度载荷的大小和温度分布是不同的， 控制阀体和阀板温度，提高热风阀的使用寿命，已经成为世界各国关注的 问题。采用导热系数小的耐火材料可抑制热能的损失，减小水的单位时 间的流量可降低水泵电机的功率，而热风阀温度场分析可以使热能损失和 水量消耗定量化。 ( 2 ) 温度场分析的目的 采用水强制冷却热风阀是控制热风阀温度的主要冷却方式。冷却时间 长短、单位时间冷却水量大小、耐火水泥的热阻等参数直接影响热风阀冷 却的效果和节能降耗。充分地考虑这些因素的变化，合理地搭配这些参数 是成功实现热风阀冷却的关键和决定节能降耗的数值；通过对热风阀的温 度场的模拟可以充分考虑这些参数对热风阀工作的影响，是新型节能长寿 热风阀开发、研制的前提。可为热风阀维护技术提供参考。同时，温度场 分析也是热应力场分析的基础。 ( 3 ) 本章的研究内容 1 ) 对热风阀阀板和阀体的瞬态温度场进行有限元模拟； 辽宁科技大学硕士论文热风阀温度场的有限元分析 2 ) 讨论铆接件对冷却效果的影响； 3 ) 对热风阀阀板的结构进行改进和对节能进行探讨。 2 2 热传导的基本方程 换热是自然界和工程中极其普遍的一种能量转移过程。按热力学第二 定律，热量系自发地从高温物体传到低温物体。有温差出现的地方就有热 量传递。换热有三种不同的基本形式：热传导、热对流、热辐射。本节概 述了热传导的基本方程，即能量平衡方程和速率方程。 2 2 1 能量平衡方程 在本文的热传导分析中，由于能量守恒，必须满足下列能量平衡方程 4 9 1 ： 瓦= 或。+ 或 ( 2 1 ) 其中，符号上的圆点表示时间速率；e 加为流入系统的能量；e o 。，为流出 系统的能量；e n 为系统的内能变化。 2 2 2 速率方程 描述能量流动快慢的速率方程由下列方程给出。 ( 1 ) 传导 定义：传导是当物体内部存在温差，即存在温度梯度时，热量从物体 高温部分传递到低温部分或者不同温度的物体相互接触时，热量会从高温 物体传递到低温物体。沿x 方向上传导的热流速率勺j 为 q ：一触丝 ( 2 2 ) 出 其中，k 是材料的导热系数或热导率；彳是垂直于x 方向热流通过的面积： r 是温度：x 是长度参数。 ( 2 ) 对流 定义：对流是固体表面与它周围接触的流体之问进行热能传递的过 程。对流的热流速率向) 可表示为 q = 削( 丁一疋) ( 2 3 ) 辽宁科技大学硕士论文热风阀温度场的有限元分析 其中，k 是对流换热系数：4 是与流体直接接触的壁面面积；t 是固体表面 的温度；t 是周围流体的温度。 ( 3 ) 辐射 定义：辐射热传导是在服从电磁学定律的两个表面之间的热能交换过 程。 辐射热流速率向) 由下述关系决定5 0 】 q = 硎6 r 4 一贮) ( 2 4 ) 其中，口是斯特芬一波尔兹曼( s t e f a n - b o l z m a n n ) 常数；是表面的发 射率( 或称黑度) ；a 是热流通过的物体表面面积；，是物体表面的绝对温 度；咒是环境的绝对温度。 ( 4 ) 固体中存储的能量 当固体中的温度增加时，热能将会储存在固体内，描述这种现象的方 程为 毫：, o c v 芸 ( 2 5 ) 叫 其中，左。是固体中能量存储的速率；p 是材料的密度；c 是材料的比热容； v 是物体的体积；r 是物体的温度；t 是时间参数。 2 2 3 三维热传导的控制微分方程 图2 i 笛卡尔坐标系中的微元 f i g 2 1m i c r o e l e m e n ti nd e s c a r t e sc o o r d i n a t e ss y s t e m 如图2 。1 所示的固体材料微元。单元是边为出，咖，出的矩形平行六 面体。能量平衡方程( 2 1 ) n 7 - 以重写为如下： 时间d f 内热流入量= 时问d 内热流出量+ 时间d f 内内能的变化 ( 2 6 ) 1 4 里童! 堕望登翌堕垫一 垫垦堕墨壁鱼塑查里蒌坌堑 借助于速率方程，方程( 2 6 ) 可表示为 ( b + g y + g ：) a t = ( g 舯出+ 彤+ 方+ q z + d z ) a t + p c d t d x d y d z ( 2 7 ) 其中，吼是热流a x 表面处的速率 铲k 。a ，o 彘v t 罢抛 ( 2 8 ) g 。是从x + d x 表面处流出的速率 2 9 k 鸭+ 票诉划；面o t 一知o 缸t ，d x 一后。警舭一款争蝴 ， 疋是x 方向上材料的热传导率。把方程( 2 8 ) 和( 2 9 ) 以及类似的 钞，b + 毋，q z 和们+ d z 表达式代入( 2 7 ) ，并用出咖如西除每一项，得 昙( 屯- 卯i f ) + 0q 万o t ) + 毫( t 豢) = 百o t ( 2 1 0 ) 方程( 2 1 0 ) 是控制正交各向异性中热传导的微分方程。如果假设x ， y 和z 方向的热传导率相同，即k x = 屯= t = 后= 常数，则方程( 2 1 0 ) 可写 为傅立叶方程【5 i j a 2 ta 2 ，a 27 1 1l ；，7 1 0 x 2 + 矿+ 萨2 ：百 ( 2 1 1 ) 其中，常数a = ( k p c ) 称为放热系数。 2 2 4 边界条件和初始条件 由于微分方程( 2 1 0 ) 或( 2 1 1 ) 是二阶的( 因方程中出现的对z ，y 和z 的二阶导数是最高的) ，所以需要规定两个边界条件。可能的边界条件 是5 0 j 5 1 j 在曲上当t o 时 r ，y ，z ，t ) = 瓦( 2 1 2 ) 在岛上当t o 时 2 o = g + 己 竺出 t + ， 堑妙 0 + 塑知埘 k 护 当上&在 辽宁科技大学硕士论文热风阀温度场的有限元分析 七，瓦0 t ，+ 七y 面0 t l r + k z - i 0 t - f ：+ 矗( 丁一瓦) = o ( 2 1 4 ) 其中，q 是边界上的热流；h 是对流换热系数；圪是环境温度；，z ：是 垂直于边界向外的方向余弦；s 。是温度值规定为t o ( t ) 的边界；s ：是热流量 规定为q 的边界；是是对流热损耗规定为h ( t t o ) 的边界。 此外，由于微分方程( 2 1 0 ) 或( 2 1 1 ) 在时间r 内是一阶的，因而要 求一个初始条件，通常所用的初始条件为 在矿内 t ( x ，弘z ，f = o ) = f o ( x ，y ，z ) ( 2 15 ) 其中，v 表示固体的区域( 或体积) ；t o 表示在时间为零时所规定的温度分 布。 2 3 有限元分析软件a n s y s 简介 2 3 1 有限元分析软件的发展。”。2 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛应用。考虑到有限元 法的实用性和重要性，世界各国都加强了对大型有限元分析软件的开发和 研制，到2 0 世纪8 0 年代初期，世界各国开发研制出面向工程的有限元通用 程序达到几百种，其中著名的有：a n s y s ，n a s t r a n ，a s k a ，a d i n a ，s a p 等。 它们多采用f o r t r a n 语言编写，规模达几万甚至几十万条语句，其功能越 来越完善，不仅包括多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前 处理和后处理程序。自1 9 9 0 年以来，随着计算机硬件领域在内存、外存、 速度、图象显示方面的突破性发展，又有一些大规模、功能全、应用广的 通用有限元软件相继问世，如a n a l y s i s ，a l g o r ，r a s n a 等。 a n s y s 有限元软件是美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析软件， 自1 9 7 1 年的2 o 版本至2 0 0 5 年的8 o 版本，已有3 0 多年的发展历史。它不断 融入新技术，从而使程序不断向前发展：不断加入越来越多的单元类型， 考虑了非线性、子结构等新技术，分析的学科日益广泛。2 0 世纪7 0 年代末， a n s y s 弓i 入了交互式的概念，大大提高了用户对程序的使用功能：其前处理 器和后处理器的强大功能，使得用户在建模和结果处理上都非常方便。在 跟踪有限元学科及其应用发展的同时，a n s y s 紧跟计算机技术的发展，能 够在多种工作平台、多个操作系统上完全兼容，其并行处理技术大大提高 1 6 辽宁科技大学硕士论文热风阀温度场的有限元分析 了分析效率。由于它是一个多用途的有限元计算机设计程序软件，自2 0 世 纪9 0 年代开始在我国的机械制造、冶金、航空航天、汽车交通和能源等领 域得到较广泛的应用。多年来，它一直在有限元分析软件排名中名列第一， 它是第一个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的分析设计类软件，也是通过美国机械 工程师协会( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 等2 0 种专业协会认证的标准分析 软件。 2 3 2a n s y s 的功能m m q 目前，a n s y s 己经发展到了8 0 版，增强了在结构和耦合场方面的应用。 a n s y s 可以完成的功能有：( 1 ) 建立计算模型或者输入结构、产品、组件及 系统的c a d 模型：( 2 ) 应用施加载荷或者其他设计条件：( 3 ) 研究模型的物理 响应，如应力水平、温度分布或者电磁场等：( 4 ) 做数值模拟实验。a n s y s 包括1 0 0 多个单元类型，提供了对各种物理场量的分析功能，可以将其应 用到如下学科：结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力学分析 ( a