砖板衬里加压反应釜力学性能的有限元分析

桑 园

(中国恩菲工程技术有限公司 稀有金属及硅材料设计研究中心， 北京 100038)

砖板衬里加压反应釜力学性能的有限元分析

桑 园

(中国恩菲工程技术有限公司 稀有金属及硅材料设计研究中心， 北京 100038)

本文介绍了砖板衬里加压釜的特点，分析了其工作状态下承载情况。针对一台湿法冶炼用加压釜，利用Ansys软件建立该设备筒体段的二维轴对称模型，计算了承受内压载荷与热载荷的情况下，筒体段的三向应力分布情况及变形量，并分析了计算结果。

湿法冶金； 砖板衬里加压釜； 有限元分析

0 引言

湿法冶金工艺可分为传统的常压浸出工艺和新兴的加压浸出工艺，随着冶炼技术的不断改良与发展，高压(氧/氨)浸出工艺已被越来越多地应用到了有色金属的冶炼。在现行的成熟高压浸出工艺中，其关键技术在于生产设备，而加压釜则是高压浸出工艺的最关键设备之一。由于此类设备的内部工况环境比较恶劣，有：硫酸、纯氧、固体颗粒及化学放热反应。因此要求设备的结构上既能满足防腐蚀的功能，还能承受较高的温度和压力。

目前常采用的釜体结构有两种，一种形式为碳钢内衬隔离层加耐酸耐温砖，在此简称砖板衬里加压釜。另外一种则是碳钢内衬钛材。前者在国内外应用很普遍，而后者则是进口设备改良国产化后的新结构。

砖板衬里加压釜失效的原因基本分为两类：一是衬砖层受内压后，产生的环向拉伸应力大于砖的拉伸强度而导致砖层开裂。另外一种是由于砖的热膨胀系数小于钢壳，在相同的温度下，砖的径向变形量小于钢壳的径向变形量。如果设计不当，很可能导致砖层与钢壳的分离，发生垮塌破坏。

解决上述问题的方法有两种：一是采用固化后发生显著膨胀的膨胀胶泥，使砖板始终承受压应力，另外一种则是外壁不加保温层，通过钢壳不断散热，以减小钢壳的热膨胀量，保持其和砖层之间的紧密接触。

1 问题的提出

JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》对钢壳设备的应力分析已经有了详尽的规定，但是对于承压砖板衬里设备的应力分析，国内还没有相应的标准。到目前为止，所有设计都是依据BS5500对内衬容器的设计要求进行的，衬里不做承压元件，并且除了对温度梯度引起的应力需要进行计算校核外，更多地是依靠经验来进行的。由于不能对砖层的应力和变形给出明确的计算结果，上述设计方法显得非常粗糙，严重地制约了衬里容器的进一步应用。

有限元法是把一个大的结构划分为有限个称为单元的小区域，在每一个小区域里，假定结构的变形和应力都是简单的，小区域内的变形和应力都容易通过计算机求解出来，进而可以获得整个结构的变形和应力，其本质上是一种微分方程的数值求解方法。当划分的区域足够小，每个区域内的变形和应力总是趋于简单，计算的结果也就越接近真实情况。理论上可以证明，当单元数目足够多时，有限单元解将收敛于问题的精确解，但是计算量相应增大，由于近年来计算机的处理速度飞速发展，这就为有限元法应用带来了便利。随之而来出现了一些商用有限元软件。目前，国际知名的有限元软件产品主要有ANSYS，ABQUS，MSC等，这些产品可进行结构强度分析、温度场分析、疲劳寿命设计等数值模拟及仿真，并能够得到令人较满意的计算效果。采用有限元计算软件来分析砖板衬里设备的应力分布情况是完全可行的。

2 计算实例

本文针对一台镍冶炼用钢衬铅衬砖压力容器的筒体段(外形尺寸见图1)进行了有限元分析，利用Ansys软件建立该设备筒体段的二维轴对称模型，并计算了承受内压载荷与热载荷的情况下，筒体段的三向应力分布情况及变形量，以便此类设备的优化设计提供一些参考。

图1 钢衬铅衬砖加压釜外形简图

图2 砖板衬里的安装尺寸

加压釜的工作条件：

介质：硫酸溶液(浓度30～40 g/L)；设计压力：2.42 MPa。工作温度：内壁220 ℃，钢壳外壁温度为：42 ℃。钢壳材料：16MnR。容器内壁衬铅衬砖。砖板的安装尺寸图2所示，靠近钢壳的两层砖均为200×113×60的标形砖，最内层为200×200×45的标形砖。

2.1 有限元模型

由于砖层属于脆性材料，没有塑性，因此在计算中不存在二次应力问题，故本模型中只考虑一次应力的影响。又因为筒体段结构具有轴对称的特点，因此在建模过程中，采用二维轴对称模型，在保证计算精度的同时，减少了计算量。

(1)筒体：筒体内径4200 mm，壁厚42 mm，在本分析中，暂不考虑局部应力集中对筒体的影响(即不考虑侧壁开孔)，取筒体段长1456 mm。

(2)衬铅层为8 mm。

(3)砖板衬里层是由耐酸耐温砖和胶泥共同组成的(材料特性在下面给出)。其尺寸与图1所示相同。

2.2 单元类型

由于涉及到热固耦合，因此，首先选用plane55单元，计算出温度场分布；然后将plane55单元转化为plane183单元，把温度场作为载荷施加在模型上。

2.3 载荷和约束

载荷：设计内压为2.42 MPa。内壁温度220 ℃，外壁温度为50 ℃。

约束条件：在筒体端部施加Y方向约束，不限制X方向的位移。

2.4 材料特性表

表1 材料特性表

网格的划分如图3所示，其中砖及钢壳采用的网格大小为8 mm，胶泥和铅网格大小为2 mm。边界条件如图4所示。

图3 网格划分情况

图4 边界条件

3 计算结果

3.1 热载荷计算结果

图5 温度场分布(单位：℃)

图6 环向热应力分布情况(单位：MPa)

图7 总体热变形情况(单位：mm)

3.2 热载荷及内压共同作用下的计算结果

图8 总体变形(单位：mm)

图9 环向应力分布(单位：MPa)

图10 路径1环向应力分布(单位：MPa)

图11 路径1径向应力分布(单位：MPa)

图12 路径2环向应力分布(单位：MPa)

图13 路径2径向应力分布(单位：MPa)

图14 路径3环向应力分布(单位：MPa)

图15 路径3径向应力分布(单位：MPa)

4 主要结论与分析

4.1 主要结论

本设备所采用的砖板衬里为宜兴市同里非金属设备有限公司生产的耐酸耐温砖，其抗拉强度为6.57 MPa，而固化后胶泥的抗拉强度与砖的抗拉强度相差不大，为5 MPa。

从上文的计算结果可以看出，路径1、2、3上的砖板衬里层的环向应力峰值为19.8 MPa，9.7 MPa，21.2 MPa，均超过了衬里层的抗拉强度，有可能导致衬里层的开裂。

4.2 分析与结论

在确定温度边界条件时，只输入了砖层内壁220 ℃，钢壳外壁42 ℃，单纯靠这两个条件有限元程序是不能进行准确的传热计算的，由于不知道介质真实反应热焓，搅拌情况、外部通风等情况，因此无法得到真实的散热量，导致无法计算出真实的温度场分布，那么砖层和钢壳之间的压力就不能够反映真实情况，最终本文计算中砖层应力分布的普遍趋势是砖层内壁有很高的压缩应力，而外壁有很高的拉伸应力。如果能够更准确地确定工艺条件，则可以利用有限元中传热计算方法给出相对准确的温度场分布及热应力情况，则就可以得到更加接近实际情况的砖层应力分布。

鉴于有限元法理论上可以得到无限接近真实值的计算结果，利用此方法采用轴对称模型为该类设备的优化设计及校核提供了一种新的思路。该方法适用于反应釜的筒体部分，原则上也适用于封头部分，但是，对于筒体侧壁的接管则不适用。由于侧壁开孔会造成显著的应力集中，为了得到精确的计算结果，必须利用三维模型对此部分进行分析，才能得到较为真实的结果。由于建模复杂，综合考虑的因素较多，因此，这一部分有待进一步研究。

[1] 江理平，唐寿高，王俊民.工程弹性力学[M].上海：同济大学出版社，2002.

[2] 潘永亮等.化工设备机械设计基础[M].北京：科学出版社，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 园(1982-)，男，河北秦皇岛人，工程师，硕士研究生，主要从事湿法冶金的设计与研究。

TG174

A

1003-8884(2015)02-0003-05