20世纪80年代以来，具有高度热传导性和热膨胀性的镁碳耐火材料在转炉上广泛使用，提高了钢的品质，延长了炉龄，但同时也带来了较高的炉壳温度，并产生了炉壳和炉衬热应力。如果这种热应力超过了材料的屈服极限，那么材料的变形会加剧甚至损坏、破裂，严重威胁到设备和生产安全。本文利用有限元分析方法来研究某钢厂实际运行转炉的热力学行为，具体包括转炉温度场的有限元模拟、弹塑性热应力行为的研究，以及膨胀间隙对转炉热应力影响的分析。
      首先根据某钢厂实际转炉，建立几何模型，以有限元为手段，模拟在空气自然对流和热辐射条件下转炉炉体温度场分布。
      温度场计算时涉及到的物性参数包括材料密度、材料比热和材料沿不同方向的热传导系数。1)材料密度的选取。在进行温度场计算时，材料密度参数一般选用体积密度，且不考虑密度随温度的变化。其中炉壳材料的密度为7.85e3kg/m3，永久层材料的密度为2.45×e3kg/m3，工作层材料的密度为2.91×e3kg/m3。2)材料热传导系数的选取。热传导性会影响整个内衬的温度分布，从而影响炉壳温度。在计算转炉温度场时，定义材料热性能参数是根据有关文献确定，炉壳耐火材料的导热系数λ按实际情况随温度变化进行设置。
      该转炉属于整体焊接结构。炉衬耐火材料大体分为工作层和永久层。工作层炉衬为镁碳砖，永久层为镁砖，紧贴炉壳，用以保护炉壳钢板。转炉在现场运行过程中，工作层内壁与钢水直接接触，在正常冶炼过程中温度会有所波动，但对两层耐火材料及炉壳温度分布的影响可忽略不计。转炉炉体的温度场时，按照整体结构进行分析。选择PLANE55，用于对二维热传导问题进行建模。
      为更直观地了解炉壳内外表面的温度分布情况，重新设置坐标系，以温度轴作为纵坐标，起始设定为炉底最低点，并沿着内外表面由低至高的距离设定为横坐标，得到炉壳内外表面的温度分布。
      以上温度场模拟得到的炉体温度场分布情况较能反映实际状况，为热—应力耦合场分析提供了温度分布结果。
      本文利用二维有限元模拟分析转炉炉体热弹塑性综合热应力分布及变化规律。
      炉体热应力的几何模型与上面分析炉体温度场的模型一致，只是在整个热分析过程中将PLANE55热单元转化为结构单元PLANE42。
      热应力计算时物性参数的选择主要包括转炉炉壳材料、炉衬耐火材料的热膨胀系数、弹性模量和泊松比，计算时根据有关文献确定。
      转炉分析模型为实际运行炉体的1/2，分析转炉热应力时，施加对称约束在对称面上，同时为了防止转炉在水平方向发生刚性位移，在对称轴线上施加水平方向位移约束，除了转炉炉壳外壁法兰圆盘为轴向完全固定，炉壳的其他各点均自由。炉体热应力分析节点温度由炉体温度场模拟结果提供。
      通过计算可知，炉身温度差应力仅占总等效应力的9.6%～14.9%，而热膨胀应力在总的等效应力中居首位，且总应力(320MPa～448MPa)超出了炉壳的屈服极限(245.56MPa～272.91MPa)，为控制热膨胀应力可在砌炉时设置膨胀间隙。
      在砌炉时设置膨胀间隙可以减小炉壳的热膨胀应力，从而导致炉壳总的热应力下降。下面从转炉内衬膨胀间隙设置的不同出发，分析在高温条件下转炉炉壳应力场分布的变化量，通过ANSYS接触应力分析方法确定出最佳的转炉内衬热膨胀缝隙。

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