[科普中国]-闪速炉钢结构

简介

闪速炉钢结构大都采用梁柱结构，其载荷类型大致分为三种：静荷载、动荷载和地震荷载。对于闪速炉钢结构，其主要负载为反应塔和上升烟道，其结构形式分为吊挂式和支撑式。随着物料处理量和建设场地分布的不同，反应塔尺寸规格和钢结构载荷也随之改变，这就需要在进行合理的受力分析后，才能确定钢结构立柱和支撑梁的尺寸。以某冶炼厂闪速熔炼炉的炉体框架为例，利用ANSYS 分析软件对其进行受力分析，得到静力载荷分析结果及地震力分析结果，为炉体钢结构的优化提供指导1。

分析软件介绍ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界著名的有限元分析软件公司美国ANSYS 开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer， SOLIDWORKS，AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级CAE (Computer Aided Engineering)工具之一。

软件主要包括3 个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了强大的实体建模及网格划分工具；分析计算模块包括结构分析、流体分析、电磁场、声场以及多物理场的耦合分析；后处理模块可将计算结果以等值线、矢量显示、梯度显示、切片显示，也可将计算结构以图表、曲线形式显示或输出2。

闪速炉钢结构受力分析利用ANSYS 软件，分别进行静力分析、模态分析和谱分析，得到炉体框架的静力结果和地震力分析结果。

炉体框架模型本例分析的闪速炉反应塔规格为Ф7 m×7.9 m。闪速炉简化模型（不包括沉淀池）反应塔和上升烟道均吊挂于炉体框架之上，反应塔和上升烟道的重量通过吊挂梁作用于炉体框架上。

炉体框架受力分析1 结构简化

为了提高建模效率，针对板梁结构可以忽略一些筋板来建模；同时将反应塔与上升烟道等效为质量点，将力传递到框架上的作用点上，其中反应塔和上升烟道的吊挂点均为8 个。

本钢结构框架外形尺寸为：长28.9 m，宽15 m，高19.7 m，钢结构所用材质为Q345B。ANSYS 建模时选择国标单位制：m、s、kg，并定义钢材属性：密度为7 850 kg/m3、热膨胀系数为1.2e-005℃-1、弹性模量为2e11 Pa、泊松比为0.3。采用BEAM188 单元和MASS21 单元建模。

2 框架钢结构主要载荷

炉体框架主要受力包括自身重力、上升烟道和反应塔的载荷、上升烟道壁和反应塔壁挂渣的载荷、平台载荷和地震力载荷。框架自身重力载荷通过施加重力加速度实现，上升烟道壁和反应塔壁挂渣的载荷等效成反应塔与上升烟道的部分重量通过质量点施加（注意由于上升烟道和反应塔非均质结构，将其等效为质量点后，应设置重心位置），平台载荷则均匀分布到框架顶部各支梁上。

3 确定频谱分析参数

反应谱法是一种频域分析方法，基本思路是将频域离散化，针对每个小频段内的动力问题运用频域传递函数求解，然后迭加得到总体反应。在反应谱法中重要的一个参数就是频谱曲线，其计算参考国标GB 50011-2008。在本例中，该地域抗震烈度为7度，地震影响系数最大值αmax=0.5，阻尼比0.05，特征周期T=0.35，反应谱函数的周期折减系数为0.73。

结果分析在求解完成后，ANSYS 的后处理器提供了多种途径来提取结果，一般步骤如下：1)指定并读入结果文件和结果数据；2) 浏览结果文件包含的结果；3)设置结果输出方式控制选项。

项目建成后，既可回收中、低温烟气的热量，变废为宝，又能降低了进入后续收尘设备的烟气温度和含尘浓度，使粉尘排放更容易达标。

按照2011 年全国6 000 kW 以上电厂平均供电标准煤耗333 g /(kW·h) [6]进行计算，回转窑废气余热所发电量相当于每年节省标准煤约15 528 t，每年减少二氧化碳排放量约383 00 t，每年可减少二氧化硫排放量约506 t，每年减少NOx 排放量约117 t。这将对减少温室效应、保护生态环境起到积极的促进作用2。

总结综上所述，可以得到以下结论：

1）由于干燥窑烟气温度较低，现阶段余热利用的性价比不高。矿热电炉的余热利用方式，需结合烟气特点、项目投资、运行成本综合考虑。

2）回转窑的中温烟气采用余热锅炉进行回收，产生的蒸汽用于发电，不但可以降低镍铁冶炼的生产成本，提高企业的经济效益，节约能源，也减少了环境污染，符合国家产业政策。因此中温余热发电技术具有广阔的推广应用前景3。