文 献 综 述
最新的铁水冶炼采用高炉高温煤气加热，替代燃煤加热，热效率高，污染降低。1300℃的高温煤气由加热炉生成，然后通过热风管道送往高炉，进行冶炼生产。热风管道为高炉送风，长期受到周期性变化的高温影响，是关键且易损部位，可能会发生管道烧红、漏风甚至变形受损，严重影响送风的温度和稳定性。热风管为承受高温高速煤气，在内壁进行多层耐火防护，外管采用金属管，并采用膨胀节消除轴向变形。由于热风管较长，采用固定支座、滑动支座和弹簧支座复合支撑。正常工况下，外金属管温度不应高于90℃。如此大的内外壁温差将导致高炉风管产生很大的热变形。某厂2号高炉热风管经常发生三岔口管壁烧穿事故，引起严重的安全问题。因此，必须找到事故的原因。因此，需要对损伤状态下的热风管热机耦合变形进行分析，检验设计是否合理性，分析事故的原因。
高炉炼铁是目前世界范围内应用最广泛的炼铁方式，通常每座高炉都要匹配三到四座热风炉，热风炉的作用是为高炉冶炼储存和提供热风，高炉和热风炉之间由热风管道相连接。高炉热风管道包括：热风支管、热风主管、混风室或竖管、热风围管、送风支管等部分组成。热风管道的作用是将热风从热风炉输送和分配到高炉的各个风口装置。从热风炉出来的热风（1000℃～1280℃）先经过与每座热风炉相连接的热风支管汇入热风主管，再通过混风室或竖管进入环在高炉本体外的热风围管，在热风围管内热风将分配到高炉周围的送风支管装置进入高炉风口。热风管道受管道内高压气流对管道壁薄弱部位冲刷及管道受力不合理将导致出现管道烧红和漏风现象的出现，严重时会出现热风管道烧穿等大事故。针对管道出现的一系列问题通过对管道以及气体进行流场分析，找出高温高压的空气对管道的影响，尤其是应力的影响，从而确定管道薄弱部位，对其结构优化和内衬进行改进；其次进行管道的结构优化，主要是根据管道支座和波纹管的设计要求来对管道的整体结构进行设计，包括管道支座的布置，波纹管的选择以及内衬的改造；最后利用工程软件对管道进行热应力分析，验证研究的可行性并确定技术改造方案。
由于管系的运行温度可达1300℃左右，显然高温状态下的热应力和热变形是很大的，需要进行较精确地分析计算。由于该管系是复杂的空间结构，在内壁进行多层耐火防护，外管采用金属管，并采用膨胀节消除轴向变形，需要考虑管系热涨变形产生的热应力，气体流动产生的压应力，以及管系的重力作用，这就使得管系的弹性应力和应变计算变得十分复杂，使用解析法计算几乎是不可能的，并且此问题为一个非线性问题，比一般的静力计算要复杂的多。目前国内还没有进行过深入的分析计算。为此本课题采用有限元法对高炉热风管损伤状态下的热机耦合变形进行分析，采用的计算模型尽可能考虑更多外界条件，使力学模型更符合实际情况。通过计算机仿真与实验对比分析，推测高炉热风管损伤原因。通过改变某一影响因素，其他影响因素保持不变的方法，尝试分析得到解决问题的可行性更高的良好方案，尝试彻底解决三岔口管壁烧穿问题。
Hypermesh软件是美国Altair公司的产品，是世界领先的、功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具。在CAE工程技术领域, Hypermesh最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格划分前处理功能。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。HyperMesh支持很多不同的求解器输入输出格式，这样在利用Hypermesh划分好模型的有限元网格后，可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式，从而利用相应的求解器进行计算。Hypermesh所具有的非常良好的求解器接口功能，使得Hypermesh可以作为企业统一的CAE应用平台，即统一利用Hypermsh进行网格划分，然后对于不同的问题利用不同的求解器进行求解，这样CAE工程师也可以很方便的进行数据文件的管理，可以大大提高分析效率。
ANSYS软件是一个多用途的有限元法计算机设计程序，它既能够进行静态、动态问题的有限元分析，而且还能进行热传导、流体流动和电磁学等方面的有限元分析。当前的作为公司在年开发的新一代产品开发平台，不但继承了经典平台在有限元分析上的所有功能，而且包括了、等软件强大的几何建模功能、等优化设计软件的优化功能，真正实现了集产品设计、仿真、优化功能与一身，使设计人员在同一软件环境下就能完成所有工作，简化工作流程，加快产品的上市周期。进行热分析的基本原理是先将所处理的对象划分成有限个单元（包括若干节点），然后根据能量守恒定律求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程，由此计算出各节点温度，继而进一步求解出其它相关量。单元划分的越小，计算精度就越高，但不能盲目的追求单元划分精度，这样无形中会增加计算机的工作量，造成不必要的浪费。只要根据实际情况灵改变单元的尺寸，同样可以提高计算精度。
进行热机耦合分析的方法主要有理论解析法、实验测试分析法以及数值模拟计算法。随着计算机产业以及分析计算软件的发展，数值仿真模拟分析的方法被越来越多的科研工作者所运用。本课题旨在使用Pro/E建立高炉热风管破损状态下的三维结构模型后，采用HyperMesh进行有限元网格离散，将离散后的模型导入ANSYS进行力学建模并进行热机耦合变形计算，最后将与实验测试进行对比分析。
参考文献
[1]徐国涛,向武国,王希波,刘黎,陈晓红,张洪雷. 高炉及热风炉用热风管系耐火材料标准的研究[J]. 钢铁研究,2017,45(01):58-62.
[2]李华,刘洋,钟毅,夏江涛. 高炉热风管系的有限元模拟[J]. 装备维修技术,2014,(03):50-53.
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