磚板襯里加壓反應釜力學性能的有限元分析

桑 園

(中國恩菲工程技術有限公司 稀有金屬及硅材料設計研究中心， 北京 100038)

磚板襯里加壓反應釜力學性能的有限元分析

桑 園

(中國恩菲工程技術有限公司 稀有金屬及硅材料設計研究中心， 北京 100038)

本文介紹了磚板襯里加壓釜的特點，分析了其工作狀態下承載情況。針對一臺濕法冶煉用加壓釜，利用Ansys軟件建立該設備筒體段的二維軸對稱模型，計算了承受內壓載荷與熱載荷的情況下，筒體段的三向應力分布情況及變形量，并分析了計算結果。

濕法冶金； 磚板襯里加壓釜； 有限元分析

0 引言

濕法冶金工藝可分為傳統的常壓浸出工藝和新興的加壓浸出工藝，隨著冶煉技術的不斷改良與發展，高壓(氧/氨)浸出工藝已被越來越多地應用到了有色金屬的冶煉。在現行的成熟高壓浸出工藝中，其關鍵技術在于生產設備，而加壓釜則是高壓浸出工藝的最關鍵設備之一。由于此類設備的內部工況環境比較惡劣，有：硫酸、純氧、固體顆粒及化學放熱反應。因此要求設備的結構上既能滿足防腐蝕的功能，還能承受較高的溫度和壓力。

目前常采用的釜體結構有兩種，一種形式為碳鋼內襯隔離層加耐酸耐溫磚，在此簡稱磚板襯里加壓釜。另外一種則是碳鋼內襯鈦材。前者在國內外應用很普遍，而后者則是進口設備改良國產化后的新結構。

磚板襯里加壓釜失效的原因基本分為兩類：一是襯磚層受內壓后，產生的環向拉伸應力大于磚的拉伸強度而導致磚層開裂。另外一種是由于磚的熱膨脹系數小于鋼殼，在相同的溫度下，磚的徑向變形量小于鋼殼的徑向變形量。如果設計不當，很可能導致磚層與鋼殼的分離，發生垮塌破壞。

解決上述問題的方法有兩種：一是采用固化后發生顯著膨脹的膨脹膠泥，使磚板始終承受壓應力，另外一種則是外壁不加保溫層，通過鋼殼不斷散熱，以減小鋼殼的熱膨脹量，保持其和磚層之間的緊密接觸。

1 問題的提出

JB4732《鋼制壓力容器—分析設計標準》對鋼殼設備的應力分析已經有了詳盡的規定，但是對于承壓磚板襯里設備的應力分析，國內還沒有相應的標準。到目前為止，所有設計都是依據BS5500對內襯容器的設計要求進行的，襯里不做承壓元件，并且除了對溫度梯度引起的應力需要進行計算校核外，更多地是依靠經驗來進行的。由于不能對磚層的應力和變形給出明確的計算結果，上述設計方法顯得非常粗糙，嚴重地制約了襯里容器的進一步應用。

有限元法是把一個大的結構劃分為有限個稱為單元的小區域，在每一個小區域里，假定結構的變形和應力都是簡單的，小區域內的變形和應力都容易通過計算機求解出來，進而可以獲得整個結構的變形和應力，其本質上是一種微分方程的數值求解方法。當劃分的區域足夠小，每個區域內的變形和應力總是趨于簡單，計算的結果也就越接近真實情況。理論上可以證明，當單元數目足夠多時，有限單元解將收斂于問題的精確解，但是計算量相應增大，由于近年來計算機的處理速度飛速發展，這就為有限元法應用帶來了便利。隨之而來出現了一些商用有限元軟件。目前，國際知名的有限元軟件產品主要有ANSYS，ABQUS，MSC等，這些產品可進行結構強度分析、溫度場分析、疲勞壽命設計等數值模擬及仿真，并能夠得到令人較滿意的計算效果。采用有限元計算軟件來分析磚板襯里設備的應力分布情況是完全可行的。

2 計算實例

本文針對一臺鎳冶煉用鋼襯鉛襯磚壓力容器的筒體段(外形尺寸見圖1)進行了有限元分析，利用Ansys軟件建立該設備筒體段的二維軸對稱模型，并計算了承受內壓載荷與熱載荷的情況下，筒體段的三向應力分布情況及變形量，以便此類設備的優化設計提供一些參考。

圖1 鋼襯鉛襯磚加壓釜外形簡圖

圖2 磚板襯里的安裝尺寸

加壓釜的工作條件：

介質：硫酸溶液(濃度30～40 g/L)；設計壓力：2.42 MPa。工作溫度：內壁220 ℃，鋼殼外壁溫度為：42 ℃。鋼殼材料：16MnR。容器內壁襯鉛襯磚。磚板的安裝尺寸圖2所示，靠近鋼殼的兩層磚均為200×113×60的標形磚，最內層為200×200×45的標形磚。

2.1 有限元模型

由于磚層屬于脆性材料，沒有塑性，因此在計算中不存在二次應力問題，故本模型中只考慮一次應力的影響。又因為筒體段結構具有軸對稱的特點，因此在建模過程中，采用二維軸對稱模型，在保證計算精度的同時，減少了計算量。

(1)筒體：筒體內徑4200 mm，壁厚42 mm，在本分析中，暫不考慮局部應力集中對筒體的影響(即不考慮側壁開孔)，取筒體段長1456 mm。

(2)襯鉛層為8 mm。

(3)磚板襯里層是由耐酸耐溫磚和膠泥共同組成的(材料特性在下面給出)。其尺寸與圖1所示相同。

2.2 單元類型

由于涉及到熱固耦合，因此，首先選用plane55單元，計算出溫度場分布；然后將plane55單元轉化為plane183單元，把溫度場作為載荷施加在模型上。

2.3 載荷和約束

載荷：設計內壓為2.42 MPa。內壁溫度220 ℃，外壁溫度為50 ℃。

約束條件：在筒體端部施加Y方向約束，不限制X方向的位移。

2.4 材料特性表

表1 材料特性表

網格的劃分如圖3所示，其中磚及鋼殼采用的網格大小為8 mm，膠泥和鉛網格大小為2 mm。邊界條件如圖4所示。

圖3 網格劃分情況

圖4 邊界條件

3 計算結果

3.1 熱載荷計算結果

圖5 溫度場分布(單位：℃)

圖6 環向熱應力分布情況(單位：MPa)

圖7 總體熱變形情況(單位：mm)

3.2 熱載荷及內壓共同作用下的計算結果

圖8 總體變形(單位：mm)

圖9 環向應力分布(單位：MPa)

圖10 路徑1環向應力分布(單位：MPa)

圖11 路徑1徑向應力分布(單位：MPa)

圖12 路徑2環向應力分布(單位：MPa)

圖13 路徑2徑向應力分布(單位：MPa)

圖14 路徑3環向應力分布(單位：MPa)

圖15 路徑3徑向應力分布(單位：MPa)

4 主要結論與分析

4.1 主要結論

本設備所采用的磚板襯里為宜興市同里非金屬設備有限公司生產的耐酸耐溫磚，其抗拉強度為6.57 MPa，而固化后膠泥的抗拉強度與磚的抗拉強度相差不大，為5 MPa。

從上文的計算結果可以看出，路徑1、2、3上的磚板襯里層的環向應力峰值為19.8 MPa，9.7 MPa，21.2 MPa，均超過了襯里層的抗拉強度，有可能導致襯里層的開裂。

4.2 分析與結論

在確定溫度邊界條件時，只輸入了磚層內壁220 ℃，鋼殼外壁42 ℃，單純靠這兩個條件有限元程序是不能進行準確的傳熱計算的，由于不知道介質真實反應熱焓，攪拌情況、外部通風等情況，因此無法得到真實的散熱量，導致無法計算出真實的溫度場分布，那么磚層和鋼殼之間的壓力就不能夠反映真實情況，最終本文計算中磚層應力分布的普遍趨勢是磚層內壁有很高的壓縮應力，而外壁有很高的拉伸應力。如果能夠更準確地確定工藝條件，則可以利用有限元中傳熱計算方法給出相對準確的溫度場分布及熱應力情況，則就可以得到更加接近實際情況的磚層應力分布。

鑒于有限元法理論上可以得到無限接近真實值的計算結果，利用此方法采用軸對稱模型為該類設備的優化設計及校核提供了一種新的思路。該方法適用于反應釜的筒體部分，原則上也適用于封頭部分，但是，對于筒體側壁的接管則不適用。由于側壁開孔會造成顯著的應力集中，為了得到精確的計算結果，必須利用三維模型對此部分進行分析，才能得到較為真實的結果。由于建模復雜，綜合考慮的因素較多，因此，這一部分有待進一步研究。

[1] 江理平，唐壽高，王俊民.工程彈性力學[M].上海：同濟大學出版社，2002.

[2] 潘永亮等.化工設備機械設計基礎[M].北京：科學出版社，2002.

FEM Analysis of Mechanical Properties of Lining Brick Autoclave

SANG Yuan

This paper introduces the characteristics of lining brick autoclave, analyzes its loads in working state, builds two-dimensional axisymmetric model of equipment cylinder section by ANSYS software, analyzes the three-dimensional stress distribution and deformation of the barrel sections and its results under the pressure load and thermal load bearing.

hydrometallurgy； lining brick autoclave； FEM analysis

2015-01-29

桑 園(1982-)，男，河北秦皇島人，工程師，碩士研究生，主要從事濕法冶金的設計與研究。

TG174

A

1003-8884(2015)02-0003-05