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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:高漢
研究生(外文):Han Kao
論文名稱:利用有限元素法針對高溫預熱熔煉用噴嘴模組進行熱結構耦合模擬解析
論文名稱(外文):The Thermal-Structural Analysis of Preheat Melting Nozzle using Finite Element Method
指導教授:林明澤林明澤引用關係
指導教授(外文):Ming-Tzer Lin
口試委員:潘建男黃德劭
口試委員(外文):Te-Shao Huang
口試日期:2014-06-20
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:精密工程學系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:熔煉用噴嘴熱應力有限元素法
外文關鍵詞:Melting Nozzlethermal stressFinite Element Method
相關次數:
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由於高科技產品日新月累的進步,對於產品重量的要求,趨近於 輕薄短小以利方便於攜帶,所以高品質之薄型鋼板需求量急速增加; 噴嘴是製造薄型鋼板煉鋼後段製程中鋼液、熔渣、添加物以及添加氣 體等高溫流體,於添加至坩堝或轉爐過程中所必須的工具,也是保證 冶煉順利進行的基礎。 為了延長噴嘴壽命達到降低生產成本 提高經濟效益原則而努力,中國鋼鐵公司(CSC)所製造之熔煉用噴嘴於預熱過程中,因噴嘴材料特 性受熱而過度膨脹,導致噴嘴無法承受1300℃之高溫而破裂,對於其 壽命降低之因素急需進行探討研究。 因此本研究以有限元素分析方法針對高溫預熱熔煉用噴嘴及其支 撐架與斷熱材料進行熱應力應變模擬解析,獲得熔煉用噴嘴於高溫預熱狀態下,噴嘴與噴嘴支撐架及內部斷熱材料承受高溫應力應變之情況,加以探討作用於熔煉用噴嘴之原因,選擇出較佳的熔煉用噴嘴材料,進而改善熔煉用噴嘴的使用壽命。

Due to high-tech products day by day tired progress requirements for product weight, close to compact size to facilitate easy to carry, so thin demand for high-quality steel increased rapidly. Nozzle is a thin plate steel manufacturing segment after the manufacturing process high-temperature fluid liquid steel, slag, and add gas additive, in the crucible or converter add to the tools necessary process, but also to ensure the smooth progress of the foundation smelting.

To prolong the life of the Melting Nozzle to reduce production costs, improve economic efficiency principles efforts. China Steel Corporation (CSC) are manufactured in the preheating process the Melting Nozzle, that material properties due to heat and excessive expansion, leading to the Melting Nozzle cannot afford to 1300℃ High temperature and cracked the urgent need for research to explore the factors that reduce its life.

Therefore, this study using the finite element analysis method for high temperature preheat the Melting Nozzle and support with thermal insulation materials simulate the stress-strain analysis. Obtained the preheat Melting Nozzle, and the nozzle support whit internal insulation materials to withstand high temperature stress and strain of the situation. To explore the role of reason in the preheat Melting Nozzle, and select the preferred nozzle material, thereby improving the Melting Nozzle life.

摘要 ...............I
ABSTRACT ...............II
目錄 ...............III
表目錄 ...............VI
圖目錄 ...............VII
符號說明 ...............XI
第一章
緒論...............1
1.1 前言 ...............1
1.2 研究動機與目的 ...............1
1.3 文獻回顧 ...............3
1.4 論文架構 ...............5
第二章
相關基礎理論介紹...............6
2.1 基本物理系統...............6
2.2 熱傳分析理論[7] ...............7
2.2.1 熱傳導...............7
2.2.2 熱對流...............9
2.3 熱應力分析理論...............10
2.4 耦合場分析概論 ...............12
2.4.1 耦合場的定義 ...............12
2.4.2 耦合場分析的類型...............13
2.4.3 耦合場分析流程...............14
第三章 有限元素數值計算方法與計算軟體 ...............15
3.1 有限元素法之溫度場分析 ...............15
3.1.1 有限體積法(Finite Volume Method, FVM) ...............15
3.2 有限元素法之熱傳分析 ...............16
3.2.1 有限元素熱傳方程式 ...............16
3.2.2 有限元素熱應力與應變分析 ...............20
3.3 有限元素分析軟體 ANSYS 介紹 ...............22
3.3.1 熱傳計算模組 ...............22
3.3.2 結構計算模組...............23
3.4 有限元素軟體分析流程...............23
3.4.1 前處理(Pre-process...............23
3.4.2 計算求解(Solver) ...............24
3.4.3 後處理(Post-process) ...............24
3.5
熱傳模擬分析流程...............24
第四章 噴嘴預熱系統模型建構與數值分析...............28
4.1 噴嘴預熱系統模型與建構 ...............28
4.2 網格劃分...............29
4.2.1 網格化元素...............29
4.3 熱傳模擬分析參數與邊界條件設定 ...............32
4.4 材料參數設定 ...............35
第五章
數值模擬分析結果與討論...............40
5.1 噴嘴預熱系統溫度場模擬計算分析結果 ...............40
5.1.1 噴嘴溫度模擬數據探討比較 ...............53
5.2 噴嘴預熱系統熱傳與熱變形模擬計算分析結果 ...............54
5.3 噴嘴預熱系統耐火材料選材測試 ...............58
5.4 不同熱傳導係數噴嘴溫度與應力分析 ...............59
第六章 結論與未來展望 ...............64
6.1 結論...............64
6.2.未來展望...............66
參考文獻...............67

[1] Finite Element Analysis: Theory and Application with ANSYS, Moaveni, S.,Prentice Hail. [2] 有限元素分析-ANSYS 理論與應用,電子工業出版社,2004 年 5 月。 [3] 林彥廷,煉鋼脫硫製程中 KR 溫差條件下之結構應力應變解析與最 佳化設計研究,中興大學精密所碩士論文,2011。 [4] 鄭輝煌,高爐爐腹以下爐襯應力解析,中興大學精密工程所碩士論 文,2002。 [5] 劉上緯,高爐出鐵口處耐火磚在出鐵前後的熱傳與熱應力之數值分 析,台灣大學應用力學研究所碩士論文,2009。 [6] Wolfshtein, M. W., “The Velocity and Temperature Distribution and Pressure Gradient”, Int J. Heat and Mass Transfer, vol. 12, pp.301,1969. [7] Frank P.Incropera,David P. Dewitt 著;張國標編譯,熱傳學。 [8] Thermodynamics: An Engineering Approach Sixth Edition, Yunus A. Cengel and Michael A. Boles, 2007. [9] 分鋼槽鎂質與鎂鈣質噴附材對 Al2O3 與 SiO2 介在物吸附能力比較, 冶乙,2010 年。 [10] 轉爐煉鋼爐渣黏度與成份及固態相之關係,冶乙,2010 年。 67 [11] 黃昱斌,高溫冶煉底吹製程管口上方固凝物形成之物理模型及數 值模擬研究,成功大學材料工程所博士論文,2008。 [12] ANSYS, Inc. Theory Reference Release 12.1. [13] Spalding, D. B., “ Momograph on Turbulent Boundary Layer” , Imperical College, Mechanical Engineering, Depart. Rep. TWF/TN/33,1967. [14] ANSYS 13.0 熱力學有限元素分析從入門到精通 機械工業出版社,, 2011 年 9 月。 [15] Djilai, N., Gartshore, I., and Salcudean, M., “Calculation of Convective Heat Transfer Reirculation Turbulent Flow Using Various Near-Wall Turbulence Models,” Numerical Heat Transfer An Int. Journal of Computation and Methodelogy, Vol. 16, No. 2, 1989. [16] Jayatilleke, C.L., “The Influence of Prandtl Number and Surface Roughness on the Resistance of the Laminar Sublayer to Momentum And Heat Transfer”, Prog.Heat MassTransfer,vol.1,pp.193-329,1969. [17] Holman, J.P., Heat Transfer, McGraw Hill, New York (2001). [18] Moaveni,S.,FiniteElement Analysis:Theory and Application with ANSYS , Prentice Hall, New Jersey (2002) [19] http://www.nature.com/nmat/index.html [20] http://www.huansuanqi.com/Specific-Heat-Capacity.htm

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