臺灣博碩士論文加值系統

「熔融還原煉鐵法」為目前一新興之煉鐵法，因為其能夠降低煉鐵製程中所產生對環境污染的物質，如二氣化碳、氮氧化物、硫氧化物的排放，在原料成本上的花費可以大大的降低，亦可以節省能源，提昇經濟效益，它的優點是碳成份最終可以完全轉變為二氧化碳，理論上煤氣的利用率可以達到100%，故各鋼鐵工業之先進國家都積極的參與投入開發此一新的煉鐵技術，而為了要適應在不同區域所面臨到不同的物質與狀態，國外目前正著手於研究使用複合式爐襯材料的設計方式。
本研究試圖利用ABAQUS這套功能強大的有限元素套裝軟體，建立一個完整之三維熔融還原爐體模型，進行有限元素之模擬與計算，以了解熔融還原爐在受熱狀態下，其熱應力分佈之趨勢。
本研究經由循序漸進的步驟，首先建立二維平面模型與古典理論熱應力解比較，並由此延伸建立三維圓柱模型與三維多層圓柱模型，研究其邊界與接觸面之問題，最後建立完整之三維熔融還原爐體模型，探討造成最後熱應力之分佈情形之成因，以及由爐體結構形狀、材料常數等原因所造成之影響，所受期能經由此模型之模擬計算，評估真實熔融還原爐體之受力狀態與安全改進之建議。

Iron ore smelting reduction is one of new iron smelting processes. Because it emissions fewer pollution products, such as CO2, NOX, and SOX, etc. Besides it needs lower cost in raw material and economize the use of energy. The advantage of this process is that the constituents of carbon will all be transfer to carbon dioxide. The utility rate of coal can reach 100% in the theory. So all the advanced country of iron and steel industry are actively participate in exploiting the whole new iron smelting process. In order to adapt to the different region that bear to different substance and state. Foreign countries are starting to study the design of used of compound lining material.
Our research use the finite element analysis software ABAQUS to create a three dimension iron ore smelting vessel model. We try to carry out the simulating and calculating of finite element method. So that we can observe the thermal stress distribute under the steady state temperature field of the iron ore smelting vessel model.
The research followed a proper sequence to contribute the three dimensional iron ore smelting vessel model. After got the simulating result, we try to discuss the origin of the thermal stress distribution. And analyze the effect of the structure and material constant. Depend to the simulating result, we wish to estimate the real thermal stress condition of iron ore smelting vessel and offer safety improved suggestion.

摘要
目錄….………………………………………………………………………….I
表目錄………………………………………………………………………….II
圖目錄………………………………………………………………………...III
1導論………………………………………………………….…..……………1
1-1研究動機………………………………………………..…..……………1
1-2文獻回顧………………………………………………..…..……………6
1-2-1熔融還原法…………………………………………….……………6
1-2-2古典無限長中空圓柱熱彈性理論解…………………….………..10
1-3論文大綱………………………………………………………………..12
2軟體選用與研究方法………………………………………………….……13
2-1選擇有限元素軟體………………………………………………..……13
2-2研究方法…………………………………………………………..……15
3模型建立……………………………………………………………….……18
3-1無限長中空圓柱模型……………………………………………..……18
3-2有限長中空圓柱模型……………………………………………..……21
3-3多層中空圓柱模型………………………………………………..……23
3-4完整模型…………………………………………………………..……25
4結果與討論…………………………………………………………….……28
4-1理論解與無限長中空圓柱模型解之比較………………………..……28
4-2無限長中空圓柱模型與有限長中空圓柱模型之比較…………..……31
4-3有限長中空圓柱模型與多層中空圓柱模型之比較……………..……34
4-4完整模型問題之探討……………………………………………..……35
5結論與未來展望……………………………………………………….……44
5-1結果………………………………………………………………..……44
5-2未來展望…………………………………………………………..……45
參考書目
附錄A 古典平面應變圓盤熱應力理論解……………………………..…A-1
附錄B ABAQUS程式輸入檔……………………………………………B-1
附錄C 材料常數………………………………………………………..…C-1
表目錄
表1-2-1 新式煉鐵製程比較表………………………………………………46
表4-1-1 無限長中空圓柱模型與古典理論解之溫度比較…………………47
表4-1-2 無限長中空圓柱模型與古典理論解之應力比較…………………48
表4-2-1 二維古典理論(廣義平面應變)之應力………………………….…49
表4-2-2 三維中空圓柱模型(兩端固定)之應力……………………….……50
表4-2-3 二維古典理論(平面應變)之應力……………………………….…51
表4-3-1 三維中空圓柱模型(兩端自由)之應力………………………….…52
表4-3-2 三維多層中空圓柱模型之應力……………………………………52
表4-4-1 變更支架上位移限制之應力比較表………………………………53
表4-4-2 變更鎂鉻磚高溫時之揚氏係數之應力比較表……………………53
表4-4-3 變更鎂鉻磚膨脹係數之應力比較表………………………………53
圖目錄
圖1-1-1 高爐煉鐵製程流程圖………………………………………………54
圖1-2-1 熔融還原爐反應之區域與氣體底吹示意圖………………………54
圖1-2-2 熔融還原爐簡圖……………………………………………………55
圖1-2-3 爐體尺寸與材料分區示意圖………………………………………56
圖2-1-1 ABAQUS / CAE介面示意圖………………………………….……57
圖2-1-2 數值大小色階示意圖………………………………………………57
圖3-1-1 無限長中空圓柱模型………………………………………………58
圖3-1-2 DC2D4四邊形元素 …………………………………………..……58
圖3-1-3 無限長中空圓柱模型網格示意圖…………………………………59
圖3-1-4 無限長中空圓柱模型溫度場邊界條件示意圖……………………59
圖3-1-5 無限長中空圓柱模型位移邊界條件示意圖………………………60
圖3-2-1 有限長中空圓柱模型斷面分割示意圖……………………………60
圖3-2-2 DC3D8六面體元素………………………………………………....61
圖3-2-3 有限長中空圓柱模型網格示意圖…………………………………61
圖3-2-4 有限長中空圓柱模型溫度邊界條件示意圖………………………62
圖3-2-5 有限長中空圓柱模型位移邊界條件示意圖…………………...….62
圖3-3-1 有限長多層中空圓柱模型實體圖…………………………………63
圖3-4-1 完整熔融還原爐模型示意圖………………………………………63
圖3-4-2 完整熔融還原爐模型實體圖………………………………………64
圖3-4-3 DC3D4四面體元素…………………………………………………64
圖3-4-4 完整熔融還原爐模型網格示意圖…………………………………65
圖3-4-5 完整熔融還原爐網格透視圖………………………………………65
圖3-4-6 爐頂網格示意圖……………………………………………………66
圖4-1-1 無限長中空圓柱模型溫度分佈圖…………………………………67
圖4-1-2 無限長中空圓柱模型S11應力分佈圖……………………………67
圖4-1-3 無限長中空圓柱模型S22應力分佈圖……………………………68
圖4-1-4 無限長中空圓柱模型S33應力分佈圖……………………………68
圖4-1-5 無限長中空圓柱模型S12應力分佈圖…………………….………69
圖4-1-6 無限長中空圓柱模型E11應變分佈圖……………………………69
圖4-1-7 無限長中空圓柱模型E22應變分佈圖……………………………70
圖4-1-8 無限長中空圓柱模型Smax應力分佈圖………………..…………70
圖4-1-9 無限長中空圓柱模型Emin應變分佈圖……………..……………71
圖4-1-10 RADIAL-LINE S11應力分佈圖………………………………..…71
圖4-1-11 RADIAL-LINE E11應變分佈圖………………………………..…72
圖4-1-12 古典理論與二維圓盤模型之溫度比較圖…………………..……72
圖4-1-13 古典理論與二維圓盤模型之應力比較圖…………………..……73
圖4-1-14 無限長中空圓柱模型(平面應變)S11應力分佈圖………………73
圖4-1-15 無限長中空圓柱模型(平面應變)S22應力分佈圖…………….…74
圖4-1-16 無限長中空圓柱模型(平面應變)S33應力分佈圖………………74
圖4-2-1 有限長中空圓柱模型溫度分佈全視圖……………………………75
圖4-2-2 二維平面圓盤與三維中空圓柱之溫度比較圖……………………75
圖4-2-3 有限長中空圓柱模型橫切面S11應力圖………………….………76
圖4-2-4 有限長中空圓柱模型橫切面S22應力圖…………………………76
圖4-2-5 有限長中空圓柱模型橫切面S33應力圖…………………………77
圖4-2-6 有限長中空圓柱模型橫切面E11應變圖…………………………77
圖4-2-7 有限長中空圓柱模型橫切面E22應變圖…………………………78
圖4-2-8 有限長中空圓柱模型橫切面E33應變圖…………………………78
圖4-2-9 RADIAL-LINE S11應力分佈圖……………………………………79
圖4-2-10 有限長中空圓柱模型(兩端受限)橫切面S11應力分佈圖………79
圖4-2-11 有限長中空圓柱模型(兩端受限)橫切面S22應力分佈圖………80
圖4-2-12 有限長中空圓柱模型(兩端受限)橫切面S33應力分佈圖………80
圖4-2-13 有限長中空圓柱模型(兩端受限)橫切面E11應變分佈圖………81
圖4-2-14 有限長中空圓柱模型(兩端受限)橫切面E22應變分佈圖………81
圖4-2-15 有限長中空圓柱模型(兩端受限)橫切面E33應變分佈圖………82
圖4-2-16 二維平面圓盤與三維中空圓柱模型之應力比較圖(廣義平面應變)…………………………………………………………………82
圖4-2-17 二維平面圓盤與三維中空圓柱模型之應力比較圖(平面應變)...83
圖4-2-18 有限長中空圓柱模型(兩端受限)S22應力分佈全視圖…………83
圖4-2-19 有限長中空圓柱模型(兩端自由)S22應力分佈全視圖……….…84
圖4-3-1 有限長多層中空圓柱模型溫度分佈全視圖………………………85
圖4-3-2 有限長多層中空圓柱模型S11應力分佈全視圖…………………85
圖4-3-3 有限長多層中空圓柱模型橫切面S11應力分佈圖………….……86
圖4-3-4 有限長多層中空圓柱模型橫切面S22應力分佈圖………………86
圖4-3-5 有限長多層中空圓柱模型橫切面S33應力分佈圖………….……87
圖4-3-6 有限長多層中空圓柱模型橫切面E11應變分佈圖………….……87
圖4-3-7 有限長多層中空圓柱模型橫切面E22應變分佈圖………………88
圖4-3-8 有限長多層中空圓柱模型橫切面E33應變分佈圖………….……88
圖4-3-9 單層與多層中空圓柱模型溫度比較圖……………………………89
圖4-3-10 單層與多層中空圓柱模型應力S11與S33比較圖………..……89
圖4-3-11 單層與多層中空圓柱模型應力S22比較圖………………..……90
圖4-4-1 完整熔融還原爐溫度分佈全視圖…………………………………91
圖4-4-2 鐵浴區溫度分佈全視圖……………………………………………91
圖4-4-3 底層斷面溫度分佈圖………………………………………………92
圖4-4-4 爐頂燃燒區溫度分佈全視圖………………………………………92
圖4-4-5 完整熔融還原爐Smax應力分佈全視圖…………………….……93
圖4-4-6 完整熔融還原爐Smin應力分佈全視圖……………………...……93
圖4-4-7 完整熔融還原爐U3位移分佈全視圖……………………….……94
圖4-4-8 完整熔融還原爐Emax應變分佈全視圖…………………….……94
圖4-4-9 完整熔融還原爐Smax應力分佈全視圖…………………….……95
圖4-4-10 完整熔融還原爐Smin應力分佈全視圖…………………….……95
圖4-4-11 完整熔融還原爐S11應力分佈全視圖……………………..……96
圖4-4-12 完整熔融還原爐S22應力分佈全視圖……………………..……96
圖4-4-13 完整熔融還原爐S33應力分佈全視圖……………………..……97
圖4-4-14 完整熔融還原爐Emax應變分佈全視圖…………………………97
圖4-4-15 完整熔融還原爐平均位移分佈全視圖…………………..………98
圖4-4-16 完整熔融還原爐U1位移分佈全視圖……………………………98
圖4-4-17 完整熔融還原爐U2位移分佈全視圖……………………………99
圖4-4-18 完整熔融還原爐U3位移分佈全視圖……………………………99
圖4-4-19 完整熔融還原爐U1位移分佈正視圖………………………….100
圖4-4-20 鐵殼層Smax應力分佈全視圖………………………………….100
圖4-4-21 渣浴區鎂碳磚Smax應力分佈仰視圖………………………….101
圖4-4-22 渣浴區鎂碳磚Smax應力分佈俯視圖………………………….101
圖4-4-23 渣浴區鎂碳磚Smin應力分佈仰視圖…………………………..102
圖4-4-24 渣浴區SMGO-96鎂磚Smax應力分佈全視圖………………..102
圖4-4-25 渣浴區SMGO-96鎂磚Smin應力分佈全視圖…………….…..103
圖4-4-26 鎂鉻磚Smax應力分佈全視圖…………………………………..103
圖4-4-27 鎂鉻磚Smin應力分佈俯視圖……………………………….…..104
圖4-4-28 MB-10鎂磚Smax應力分佈仰視圖……………………………..104
圖4-4-29 MB-10鎂磚Smin應力分佈仰視圖……………………………..105
圖4-4-30 ISOMAG-70 Smax應力分佈全視圖………………………...…..105
圖4-4-31 ISOMAG-70 Smin應力分佈全視圖……………………………..106
圖4-4-32 LCA高鋁磚Smax應力分佈全視圖……………………………..106
圖4-4-33 LCA高鋁磚Smin應力分佈全視圖……………………………..107
圖4-4-34 CA高鋁磚Smax應力分佈全視圖…………………………..…..107
圖4-4-35 CA高鋁磚Smin應力分佈正視圖………………………………108
圖4-4-36 CA高鋁磚Smin應力分佈仰視圖………………………………108

[1] http://www.gcc.ntu.edu.tw/ 國立台灣大學全球變遷研究中心網頁
[2] http://sd.erl.itri.org.tw/ 工業技術研究院能源與資源研究所網頁
[3] http://www.csc.com.tw/ 中國鋼鐵公司網頁
[4]中鋼科專計劃, “熔融還原煉鐵爐”計劃報告書
[5] http://140.92.88.16/ 經濟部技術處業界開發產業技術計劃網頁
[6]吳秀佳, “熔融還原煉鐵爐中鐵浴的流場模擬與水模實驗”, 成功大學86年碩士論文
[7]蔡映麟, “熔融還原煉鐵製程中氣體底吹現象之形學模擬研究”, 成功大學87碩士論文,
[8]曾文宏, “以低溫水模探討熔融還原煉鐵爐內固凝物之形成” , 成功大學87碩士論文
[9] S. P. Timoshenko & J. N. Goodier, “Theory of Elasticity”, McGraw-Hill Book Company
[10]黃文雄編著, “熱傳學”, 中央圖書, 初版, 1985
[11] S. P. Timoshenko & J. N. Goodier,原著, 丁觀海 譯, “彈性力學理論” 復興發行, 國立編譯館出版, 初版, 1973
[12] ABAQUS/Standard User’s Manual
[13] ABAQUS/CAE User’s Manual
[14] http://www.itnet.org.tw/sinet/pub22/22-5.html 經濟部軟體產業服務團網頁
[15] http://www.moea.gov.tw/~meco/tech/ 經濟部技術處網頁
[16] J. P. HOLEMAN, “HEAT TRANSFER”, McGraw-Hill Book Company, c1989