大型轉爐爐液力矩的計算與分析_數(shù)值積分-論文網

1、大型轉爐爐液力矩的計算與分析_數(shù)值積分-論文網論文摘要：以180t轉爐為研究對象，運用混合重心計算和體積數(shù)值積分等方法，通過編制相應的計算收斂程序對轉爐傾動過程中的爐液力矩進行了計算。計算中，為明確反映先出鋼后出渣這一出鋼過程，將爐液分成渣液和鋼液兩部分進行計算，有效地模擬了傾動過程中爐液體積及重心的動態(tài)變化。計算結果表明：轉爐傾動過程中，爐液力矩呈波浪形非線性變化，且在一個搖爐周期內存在最大值和最小值。隨著爐液體積的變化，爐液混合重心的波動較大，傾動過程應該保持平緩，防止產生附加力矩。論文關鍵詞：轉爐,爐液力矩,重心,數(shù)值積分轉爐傾動力矩是轉爐系統(tǒng)各設備設計的基本參數(shù)，也是用以確定轉爐傾動機

2、構、爐殼、托圈等設備設計及選型的重要依據(jù)。轉爐傾動力矩一般由三部分組成：空爐力矩、爐液力矩和摩擦力矩。其中，空爐力矩是由爐體質量引起的力矩，摩擦力矩是由耳軸摩擦引起的力矩。在轉爐傾翻過程中，這些力矩與設備自身形狀、重量、傾動角度有關，其計算較為簡單，但爐液力矩的計算與傾動過程中爐液的形狀、重量、重心相關，這些又都隨著傾動角度變化發(fā)生變化，而且出鋼后這些變化尤為明顯，因而爐液力矩的計算相當復雜。其計算模型的精細程度直接關系到轉爐傾動力矩的準確度?，F(xiàn)在一些工程技術人員采用CAD軟件中的腳本程序計算爐液力矩。他們大都是利用三維軟件中的布爾運算完成此種功能，即用不同平面不斷遞減或遞增平面間距的方式對轉

3、爐內腔進行截取，通過設定收斂允差完成爐液力矩的計算。但是由于爐型中弧線與折線的連接不規(guī)則，計算中往往導致在特定位置時布爾運算失敗，需手動再次調節(jié)平面遞增或遞減的間距，十分不方便，而且受三維軟件自身運行速度的限制，整個計算速度較慢，程序也無法脫離三維軟件環(huán)境獨立運行，通用性不強。1爐液力矩計算的數(shù)學模型1.1爐液混合重心的計算爐液由兩部分組成：鋼液和渣液。由于密度不同，渣液浮于鋼液上方形成兩層，在計算時將爐液分為兩部分，一部分為全爐液體積，取渣密度進行計算，稱為合液，第二部分為鋼液占有的體積，密度取鋼液和渣密度之差，稱為分液。爐液混合重心的計算公式如下：（1）（2）式中：x混合渣液合成重心的x坐

4、標；z混合渣液合成重心的z坐標；G全液的重量；G分液的重量；x全液的重心的x坐標；z全液的重心的z坐標；x分液的重心的x坐標；z分液的重心的z坐標；鋼渣的密度；鋼水的密度；V全液的體積；V分液的體積；g重力加速度。1.2爐液體積數(shù)值積分參考文獻5詳細給出了爐液半徑及弓高等的計算公式，這里不再贅述。此處僅給出不同傾動角度下體積和重心坐標的計算公式，如下：（3）（4）（5）式中：V爐液體積；r截面半徑；弓形截面張角；z爐液液面與爐內壁接觸的最高點的z向坐標；z爐液重心的z向坐標；x爐液重心的x向坐標。由高等數(shù)學可知：對于積分式，采用Romberg積分法計算有：（6）（7）1.3計算收斂準則在每一個

5、傾動角度，爐液最高點z確定下來后，爐液的體積隨之確定。本計算中，采用二分法來完成爐液最高點位置的確定與驗算。設目標函數(shù)：（8）（9）式中：f(z)目標函數(shù)；G設計爐液總重量；G每次體積積分迭代計算得到的爐液重量；G鐵水裝入量；G渣量。給定初始最低點z和最高點z，本計算中取z為0，最高點z為爐口高度，顯然有：（10）按照二分法的原理，依次對z二分并進行迭代，直至滿足下式（11）即停止迭代：（11）式中：迭代收斂允差。2具體計算及結果分析2.1出鋼過程的處理在轉爐傾翻過程中，爐液上方的鋼渣始終浮在鋼液上方。出鋼時，轉爐傾動至一定角度，此時液面最高位置與出鋼口位置平齊，爐內鋼水從出鋼口傾倒出來，而鋼

6、渣通過擋渣棒一直留在爐內，直至爐內鋼水全部傾倒完成后，鋼渣才從爐口倒出。計算中，按式（12）來判斷是否出鋼。（12）式中：V積分得到的爐液體積；V初始爐液體積；收斂允差。當式（12）成立時，用二分法求解得到的液面最高位置，當式（12）不成立時，則說明發(fā)生了出鋼，此時，液面最高位置始終以出鋼口位置為計算基點，不再進行二分迭代。由于出鋼過程中，鋼液先出，鋼渣體積始終保持不變。則出鋼后爐內鋼水體積可用式（13）表示：(13)式中：V剩余爐內鋼液體積；V積分得到的爐液體積；V爐內鋼渣體積；鋼渣密度。2.2計算以某工程設計參數(shù)作為計算參數(shù)，主要參數(shù)如下表1所示。表1計算參數(shù) 名 稱 數(shù) 值 爐口高度 8.714m 出鋼口高度 6.75m 設計出鋼量 180t 鋼渣兌入量 150kg/t 傾動角度范圍 0-120 計算收斂精度 0.001 鋼渣密度 3000kg/m 鋼液密度 6900kg/m 根據(jù)上述各式，結合參考文獻5中給出的爐液半徑及弓高等計算公式進行計算。計算結果如圖1-圖3所示。從上圖1可以看到：隨著轉爐的傾動，爐液力矩并非呈線性增加趨勢，而是呈相當明顯的非線性變化及波動趨勢。在0時，由于轉爐處于垂直位置，爐液力矩為0N.m。隨著傾動角度的增加，爐液力臂和爐液力矩隨之增大。當傾動角度為約55時，爐液力矩達到最大值約1250000N.m。隨著轉爐傾動角度的增加