转炉炉衬温度场的有限元分析关而坤，王春乔(内蒙古科技大学机械工程学院，内栽古包头014010)摘要：炉衬耐火材料的损坏与热负载引起的温度热应力有关，炉衬温度场是求解览热应力的慕础，由于结构上的原因，川实测的方法很难得到炉衬的温度场.应用有限元数值计算软件，对转炉炉衬的温度场进行『数值模拟，仿真结果对逬一步分析炉衬材料的热应力提供了坚实的理论基础.关键词：转炉炉衬；温度场；有限元中图分类号：TF71文献标识码：A文章编号:1002-1639(2004)06-0014-03FEMAnalysisofTemperatureFieldforBOFLiningGUANLi-kun,WANGChun-xiang(MechanicalEngineeringSchool,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)Abstract：Theruinofrefractoryofliningrelatestothermal-stressthatheatloadproduces.Obtainingliningtemperaturefieldisthefoundationforgettingthermal-stress.Thankstostructuralcause,gettingtemperaturefieldofliningisrelativelydifTicultywithusingmeasuredmethod.WithhelpofFEM,temperaturefieldofliningcanbeenobtainedthroughnumericalsimulation.Theresultsuppliessubstantialtheoreticalbasisforfurtheranalysisthermal-stressoflining・Keywords:BOFlining；temperaturefield；FEM1前言炉衬温度场是炉衬热应力求解的基础.要完成炉衬的强度分析，必须知道炉衬结构的温度分布，由于计算时所涉及的炉衬材料物性参数值是随着温度的变化而变化，加之炉体结构形状和求解边界条件的复杂性，依据解析方法确定其温度场是非常困难的，有时甚至是不可能的,有限单元分析法为解决这-问题提供了有效的工具.2转炉工作的状况2.1转炉结构简介转炉炉体由炉喘和炉衬组成，炉売由钢板焊接而成,而炉衬由工作层和永久层两部分组成.工作层直接和炉内液态金属、炉淹、炉气接触，在工作中逐渐被腐蚀；永久层紧贴炉壳，用以保护炉壳钢板.除了出钢口外，炉体结构是一个以中心线为轴的冋转对称结构.2.2转炉工作的热负荷特点由于炉体结构基本是一个以中心线为轴的回转对称结构，而且在其冶炼过程中，每一炉可分成空炉、装铁水及废钢、吹炼和出钢的四个工况，如图1所示.在每次钢水冶炼的约50min,前三个工况约占45min,转炉所受热负荷是轴对称的•仅在出钢时炉壳会受到钢包的热辐射，该侧温度会略有上升，但出钢时间一般仅5min左右.由于热负荷是轴对称的前三个工况占总时间的90%,因此在收稿日期：2004-08-30；修回日期：2004-09-30基金项目：内蒙古科技大学校内基金资助项目(02715)作者简介：关丽坤(1963-),女(满族)，硕士，副教授，从事机械接触问题及传热仿真研究.对炉体进行传热分析时，我们把它简化为轴对称体。新的炉衬砌筑完成后，在正常冶炼之前必须进行加热烘炉，使耐火砖之间紧密烧结后形成一个整体方可用于冶炼.烘炉是按照一定的加热升温制度进行的。由于炉体内部的温度不断上升变化，所以在加热烘炉过程中，转炉炉体的温度变化是一个瞬态传热过程.烘炉结束后，开始炼钢生产时，炉壳温度逐渐升高,约经过8()〜120h的生产，炉衬温度分布趋于稳定.冶炼时，加料、取样、出钢等操作都会引起炉内温度的变化，但由于这些操作持续时间短，炉体热惯性大，对于炉衬和炉壳的温度水平都不会造成太大影响，此时炉体所形成的温度场可看成稳态温度场.3数学模型的建立3.1数学模型温度控制方程的建立是根据Fourier热传导定律.在建立炉体热学物理模型时，按照上述的结构特点和热负荷状况，将炉体设为平面轴对称模型，并处于稳态温度场，所以整个炉体热传导控制方程如下⑴备仏疇)+备仗瞬(1)式中：匕、怠分别为材料沿「和z方向的导热系数，其随温度的变化而变化。图1转炉冶炼的作业工况根据炉体的实际工作状况，炉体的稳态温度场分布除由式（1）确定外，还要符合下列两类边界条件：（a）在炉体内部可取为第一类边界条件r|r,-K（2）（b）在炉壳外表面可取为第三类边界条件一吗壬h=⑶式中：口、「2为物体边界；心为炉衬内表面温度；7｝为炉壳外表面的温度丛为炉壳材料的导热系数M为换热系数.3・2有限元模型由于转炉是由炉壳和炉衬组成的整体结构，分析炉衬的温度场时，要按照...