張正憲臺灣大學:應用力學研究所劉上瑋Liu, Shang-WeiShang-WeiLiu2010-05-182018-06-292010-05-182018-06-292009U0001-1208200916050200http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/183577本文主要是先以CAD繪圖軟體建立三維高爐出鐵口處實體模型，再利用CAE有限元素分析軟體COMSOL Multiphysics進行模擬計算，來分析高爐出鐵口處碳磚經過出鐵前鐵水累積受熱穩定狀態後，在出鐵水階段出鐵口處碳磚不同時間點的暫態熱傳與熱應力數值解。用循序漸進的方式，一開始先模擬彈性力學中二維圓盤平面應變問題，將理論解與數值解作比較。並由此延伸作三維圓柱模型與三維多層圓柱模型討論。建立完整三維高爐出鐵口處實體模型，匯入分析軟體當中進行模擬，並討論熱應力分佈情形的成因。並針對未確定材料參數做靈敏度分析，再來使用其它的真實碳磚材料來替換原先材料性質，來討論不同的材料造成熱應力的差異性。此外，由於高爐爐襯厚度隨時間而慢慢減少，因此必須針對不同爐襯厚度來做同樣的熱傳與熱應力分析，以便研判裂縫的產生是在什麼時候。期望藉由此模型的模擬計算來評估真實高爐出鐵口處的受力情形，並做為以後高爐碳磚選用的參考與安全改進之建議。The objective of this thesis is to create a 3D model of the tap hole of a blast furnace by means of the CAD software and then import it into the Finite Element Method software " COMSOL Multiphysics" to simulate the problem of transient heat transfer and thermal stresses of carbon bricks on the tap hole during the tapping process.irst, numerical solutions for a 2D circular disk of a single-layer material will be simulated, which compare with analytic solutions obtained by the theory of elasticity. Second, geometry will be extruded from the 2D circular disk to a 3D cylinder. Moreover, the single-layer material is replaced to multi-layer materials in the 3D simulation. Then, the 3D geometry on the tap hole of a blast furnace followed by the physical model is constructed. Distribution of temperature and thermal stresses at carbon bricks on the tap hole of a blast furnace will be evaluated and further discussed. Next, sensitivity analysis is performed for undetermined material parameters. In order to investigate the variation of materials, different carbon bricks will be applied for comparison with the original material. As a matter of fact, with time passing by, the hearth carbon bricks of a blast furnace will be worn gradually. Hence, the thickness of hearth carbon bricks is reduced to a half and a quarter case contrasted with original thickness of them.his paper looks forward to evaluating the real stress state on a tap hole of a blast furnace by the results of simulation, and it can be the suggestion for choosing the carbon bricks of a blast furnace in the future.誌謝 I要 IIIbstract IV錄 V目錄 VIII目錄 XIII號目錄 XIV一章 導論 1.1 背景 1.2 動機 2.3 文獻回顧 5.4 論文架構 7二章 基本理論 8.1 前言 8.2 熱傳理論 8.3 熱彈性理論 10.4 推導平面應變之熱應力理論解 13三章 模擬目標與方式 16.1 研究策略 16.2 模擬操作步驟說明 17.3 模擬進度 19四章 各進度模擬結果討論 20.1 進度一：2D理論解與數值解比較 20.1.1 研究方式與目的 20.1.2 數值模擬結果比較 20.1.3 環向應力分佈討論 23.2 進度二：2D與3D數值解比較 25.2.1 研究方式與目的 25.2.2 數值模擬結果比較 26.3 進度三：3D多層與單層差異性比較 32.3.1 研究方式與目的 32.3.2 三模型建構 32.3.3 數值模擬結果比較 34.3.4 模型2與模型3改變內壁半徑比較 42.4 進度四：模型建構 45.4.1 研究方式與目的 45.4.2 建構部分與方式 45.4.3 修模 47.5 進度五：原始爐襯厚度模擬 48.5.1 模擬出鐵過程說明 48.5.2 參數與條件設定 50.5.2.1 材料參數 50.5.2.2 邊界條件 52.5.3 數值模擬結果 53.6 進度六：材料參數靈敏度分析與幾何模型變動 57.6.1 材料參數靈敏度分析 57.6.2 幾何模型變動 67.6.3 新模型數值結果與理論比對 74.7 進度七：不同爐襯材料在相同幾何模型受力模擬 79.7.1 材料參數 79.7.2 數值模擬結果 82.8 進度八：不同爐襯厚度模擬 86.8.1 改變爐襯厚度 86.8.2 數值結果 87五章 結論與未來展望 91.1 結論 91.2 未來展望 93考文獻 94application/pdf10163053 bytesapplication/pdfen-US高爐出鐵口熱應力有限元素法出鐵暫態Blast Furnace, Tap HoleThermal StressFEMTapping ProcessTransientthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/183577/1/ntu-98-R96543065-1.pdf