拦焦车导焦栅热态力学分析研究*
樊海莲
【摘 要】摘要：通过有限元分析研究，得到了导焦栅温度分布情况及其温度随时间的变化情况、导焦栅的热变形量和热应力分布情况，能够精确地认识导焦栅各主体结构的性能好坏，并对其强度和刚度做出定量评价，为提高导焦栅钢结构的安全性、可靠性提供有力的保证。 【期刊名称】机械工程与自动化 【年(卷),期】2017(000)006 【总页数】3
【关键词】拦焦车；导焦栅；热态力学分析
0 引言
拦焦车工作于焦炉焦侧，运行在焦炉焦侧的拦焦车轨道上，其作用是开闭焦侧炉门，将焦炭导入熄焦车厢或焦罐内，对焦侧炉门、炉门框进行清扫，对头尾焦进行处理，并将出焦过程中产生的烟尘导入固定的除尘管道中。拦焦车工作环境恶劣，导焦栅内通过约1 000 ℃的红焦，集尘罩内通过约700 ℃的烟尘，炉前操作台部分气流温度最高达到200 ℃。
导焦装置是拦焦车的关键部件之一，焦炭穿过导焦栅时，对导焦栅瞬间传热，会引起导焦栅变形和强度变弱，利用传统的数学模型和力学方法很难对其结构进行准确的校核。本文以太原重工股份有限公司研发的用于某焦化厂的6.25 m拦焦车导焦栅为研究对象，以传热学理论为基础，对导焦栅进行热—结构耦合分析，并根据导焦栅工作时的温度分布及变形情况, 加强了导焦栅因受热后强度变弱的部分，避免了由于导焦栅受到高温变形而出现一系列问题，提高了导焦
栅的使用寿命、安全系数和工作效率。
1 导焦栅传热数学模型
在热传导理论中，傅里叶定律揭示了温度场中任意位置处的热流密度与该处温度梯度之间的关系。温度场分为两大类：一类是稳态工作条件下的温度场，此时物体中各点的温度不随时间而变，称为稳态温度场；另一类是工作条件变动时的温度场，温度分布随时间而变，这种温度场称为瞬态温度场。
导焦栅导焦过程中，导焦栅的传热问题是一个复杂的热力问题，一方面导焦栅与红焦接触传热，红焦的热量传递给导焦栅，促使导焦栅强烈升温；另一方面导焦栅通过其自由表面以对流和辐射的方式与外界环境进行热量交换；此外由于导焦栅与红焦接触摩擦产生摩擦热促使导焦栅有一定的温升。本文不考虑红焦与导焦栅间的摩擦生热，所以导焦栅温度场的传热问题属于不含内热源的瞬态热传导问题。 1.1 导热微分方程
假定材料导热各向同性，则导焦栅工作过程中控制温度分布和热流传导的热传导方程为： (1)
其中：λ为材料的导热系数；ρ为材料的密度；c为材料的比热容；τ为时间；T为材料温度。
导热微分方程揭示了温度分布的空间不均匀性与它随时间而改变的非稳态性之间的内在联系，是求解一切导热问题的依据和出发点。 1.2 导热过程定解条件
通过数学方法可获得导热微分方程的通解，然而，就解答实际工程问题而言，
需要得出既满足导热微分方程又满足根据实际问题给出的一些附加条件的特解即定解条件。一般来说，非稳态导热问题的定解条件包括描述初始时刻温度分布的初始条件和描述边界上的温度或换热情况的边界条件。导热微分方程连同初始条件和边界条件才能够完整地描述一个具体的导热问题。
导热问题常见的边界条件有以下三类；①规定了边界上的温度值，称为第一类边界条件；②规定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件；③规定了边界上物体与周围流体间的表面传热系数及周围流体的温度，称为第三类边界条件。
对于导焦栅的导焦过程，初始条件为红焦和导焦栅的初始温度分布，边界条件主要有导焦栅与红焦接触表面的热传导，所以导焦栅与周围介质的对流和热辐射属于第三类边界条件。 1.2.1 自由表面
导焦栅自由表面以对流和辐射两种方式向环境放热。根据传热学理论，对流换热时的热流密度qc可表示为： qc=hc(T-T∞). (2)
其中：hc为对流换热系数；T∞为环境温度。 辐射换热遵循斯蒂芬-波尔兹曼定律，即： (3)
其中：σ为斯蒂芬—波尔兹曼常数；ε为物体表面黑度。 式(3)稍加变换，则辐射换热时的热流密度qr可写成： qr=hr(T-T∞).
拦焦车导焦栅热态力学分析研究
