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浅谈微水节能热风阀阀板的热应力分析

目前热风阀是炼钢生产中必不可少的设备,阀板是热风阀的主体构件,承受着900~1350℃的高温,必须通过冷却才能正常工作。在热风阀的各个构件中,常因阀板外水环出现裂纹而引起整个设备出现故障,制约了热风阀的产品质量提高和设备的使用寿命。

世林(漯河)冶金设备有限公司研制出一种新型微水节能热风阀,这种热风阀的节水、节能效果明显。工作原理是采用多种耐火材料、多层结构组成隔热保护层。经过设计、计算,冷却水道采用特殊的结构,以较小流量的冷却水满足冷却要求。

本文以DN1800微水节能热风阀(如图1所示)为例,利用有限元分析软件ANSYS对阀板的热应力场进行了分析。

1 阀板的热应力数学模型和边界条件

1.1 热应力数学模型

阀板的热应力数学模型如下:

(1)轴对称运动微分方程式:

图1 微水节能热风阀的结构简图

式中,τxyrx

(2)几何方程:

(3)物理方程:

热应力的广义虎克定律为

1.2 边界条件

图2所示是一个边界微元体MAB,它的内边MA和MB分别与内部微元体连接,而外边AB则受到边界条件的作用。n为AB边界的外法线。

图2 应力边界条件方程的推导

设AB面上作用有均布载荷面力Q0,它的2个分量为Qx和Qy。n在Ox和Oy轴上的方向余弦分别为

则有MA=mds,MB=lds

由平衡条件∑Fx=0和∑Fy=0,得

整理并略去高阶小项后,得应力边界条件

2 阀板的有限元分析

2.1 热应力场有限元模型

ANSYS提供了2种分析热应力的方法:直接法和间接法。本文采用间接法先进行热分析,有关热分析的过程见文献,然后将求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。阀板的几何模型和有限元模型如图3和图4所示。

图3 阀板的几何模型

图4 阀板的有限元模型

2.2 计算结果及分析

由于不定型耐火材料的导热系数的不确定性,分别分析了导热系数为0.1W/(m•℃)和0.5W/(m•℃)的情况。

2.2.1 关闭状态

在关闭状态下,阀板的热应力分布如图5和图6所示。

图5 导热系数为0.1W/(m.℃)时的热应力

图6 导热系数为0.5W/(m.℃)时的热应力

由图5、图6可以看出,外水环所受的热应力最大,并且随着耐火材料导热系数的增大而增大,最大值为203MPa,此应力值小于材料的屈服极限。

2.2.2 完全开启状态

在完全开启状态下,阀板的热应力分布如图7所示。

由图7可以看出,在调节阀完全开启时,外水环受热风扫掠出现最大应力,最大值为207MPa,此应力值小于材料的屈服极限。

图7 阀门完全开启时的热应力

3 结语

由以上分析可知,热风阀在关闭状态和完全开启状态下,外水环处出现最大应力,此应力值小于材料的屈服极限,说明裂纹是由热疲劳引起的,这与实际情况相符,验证了模拟的合理性。为了防止出现热疲劳,应该采用特殊复合材料,提高材料的热强度极限,或者对闸板下部进行局部热浸渗铝,以提高闸板的抗高温氧化性,从而提高闸板的寿命。

参考文献:

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