نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر

بررسی تحلیلی-عددی رفتار مکانیکی غلاف ترموکوپل مرکزی در کوره احیای مستقیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه حکیم سبزواری، سبزوار، ایران
چکیده
در این پژوهش، مسئله خرابی غلاف محافظ ترموکوپل مرکزی به‌عنوان ابزار اصلی پایش دما در کوره‌های احیای مستقیم، مورد بررسی قرار گرفته است. خرابی این قطعه حیاتی موجب اختلال در فرآیند تولید و افزایش هزینه‌های نگهداری می‌شود. هدف این پژوهش، شناسایی مکانیزم‌های مؤثر بر خرابی و ارائه چارچوبی علمی برای بهینه‌سازی طراحی و افزایش عمر غلاف است. بدین منظور، با استفاده از روش اجزای محدود و رویکرد کوپل اویلری–لاگرانژی در نرم‌افزار آباکوس، جریان دینامیکی مواد دانه‌ای و توزیع فشار در امتداد محور مرکزی کوره، محل قرارگیری غلاف ترموکوپل، شبیه‌سازی گردید. مدل عددی توسعه‌یافته با نتایج مدل‌های تحلیلی متداول از جمله مدل جانسن و استاندارد طراحی یوروکد مقایسه و صحت‌سنجی شد. سپس، مکانیزم‌های مختلف خرابی شامل تسلیم، خستگی، خزش و اثر ترکیبی آن‌ها بررسی گردید. نتایج نشان داد که در دمای کاری 800 درجه سانتیگراد، مکانیزم خزش عامل اصلی کاهش دوام و عمر غلاف است. همچنین هندسه و جنس غلاف نقش تعیین‌کننده‌ای در رفتار تنشی و عمر کاری آن دارند. مدل ارائه‌شده با ترکیب تحلیل‌های عددی و روابط کلاسیک، چارچوبی معتبر برای پیش‌بینی عمر و طراحی بهینه غلاف فراهم کرده است که می‌تواند موجب افزایش قابلیت اطمینان و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در کوره‌های احیای مستقیم شود.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Analytical–Numerical Analysis of the Mechanical Behavior of the Central Thermocouple Protection Tube in a Direct Reduction Furnace.

نویسندگان English

hasan Rahimzadeh Moghaddam
yadolah Alinia
Mohsen Taghizadeh
Department of Mechanical Engineering, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran.
چکیده English

In this study, the failure of the central thermocouple protection tube, as the main temperature-monitoring instrument in direct-reduction furnaces, has been investigated. The failure of this critical component causes disturbances in the production process and increases maintenance costs. The aim of this research is to identify the mechanisms affecting failure and to present a scientific framework for optimizing the design and increasing the service life of the tube. For this purpose, using the finite element method and the coupled Eulerian–Lagrangian approach in the ABAQUS software, the dynamic flow of granular materials and the pressure distribution along the central axis of the furnace, at the location of the thermocouple protection tube, were simulated. The developed numerical model was compared and validated with conventional analytical models, including the Janssen model and the Eurocode design standard. Then, different failure mechanisms, including yielding, fatigue, creep, and their combined effect, were examined. The results showed that at the operating temperature of 800 °C, the creep mechanism is the main factor reducing the durability and service life of the tube. In addition, the geometry and material of the tube play a decisive role in its stress behavior and operational life. The proposed model, by combining numerical analyses and classical relations, provides a reliable framework for predicting the service life and optimal design of the tube, which can increase reliability

کلیدواژه‌ها English

Finite Element Method, Coupled Eulerian&ndash
Lagrangian Method, Granular Materials, Thermocouple Protection Tube, Failure Analysis
[1] C. González-Montellano, E. Gallego, Á. Ramírez-Gómez, F. Ayuga, Three dimensional discrete element models for simulating the filling and emptying of silos: Analysis of numerical results, Computers & chemical engineering, 40 (2012) 22-32.
[2] F.O. Boechat, R.M. de Carvalho, L.M. Tavares, Simulation of mechanical degradation of iron ore pellets in a direct reduction furnace, KONA Powder and Particle Journal, 35 (2018) 216-225.
[3] Y. Wang, Y. Lu, J.Y. Ooi, Numerical modelling of dynamic pressure and flow in hopper discharge using the Arbitrary Lagrangian–Eulerian formulation, Engineering Structures, 56 (2013) 1308-1320.
[4] Y. Wang, Y. Lu, J.Y. Ooi, A numerical study of wall pressure and granular flow in a flat-bottomed silo, Powder Technology, 282 (2015) 43-54.
[5] G. Qiu, S. Henke, J. Grabe, Application of a Coupled Eulerian–Lagrangian approach on geomechanical problems involving large deformations, Computers and Geotechnics, 38(1) (2011) 30-39.
[6] C.-H. Lin, C. Hung, T.-Y. Hsu, Investigations of granular material behaviors using coupled Eulerian-Lagrangian technique: From granular collapse to fluid-structure interaction, Computers and Geotechnics, 121 (2020) 103485.
[7] J.H. Rhee, S.I. Kim, Y.M. Lim, M.K. Kim, Finite element investigation of load acting on the hotspot detector located inside the silo caused by material discharge, Applied Sciences, 10(17) (2020) 5916.
[8] R.M. Nedderman, Statics and kinematics of granular materials, (No Title),  (1992).
[9] D. Schulze, Powders and bulk solids: behavior, characterization, storage and flow, Springer, 2008.
[10] B. EN, 4: 2006 “Eurocode 1–Actions on structures–Part 4: Silos and Tanks”, British Standard,  (2006).
[11] H. Janssen, Versuche uber getreidedruck in silozellen, Z. ver. deut. Ing., 39 (1895) 1045.
[12] T. Belytschko, W.K. Liu, B. Moran, K. Elkhodary, Nonlinear finite elements for continua and structures, John wiley & sons, 2014.
[13] J. Donea, A. Huerta, J.P. Ponthot, A. Rodríguez‐Ferran, Arbitrary L agrangian–E ulerian Methods, Encyclopedia of computational mechanics,  (2004).
[14] Z. Qian, T. Yang, M. Liu, An overview of coupled Lagrangian–Eulerian methods for ocean engineering, Journal of Marine Science and Application, 23(2) (2024) 366-397.
[15] J. Brown, Numerical analysis of silo discharge,  (2008).
[16] Incoloy Alloys 800H & 800HT, SMC-047, Special Metals Corporation, New Hartford, NY, 2004, in.
[17] R. Wolwowicz, Creep-rupture properties of Incoloy 800H, 2-1/4 Cr-1 Mo, and Hastelloy X alloys in simulated HTGR environment, General Atomic Co., San Diego, Calif.(USA), 1976.
[18] M. Booker, Analytical representation of the creep and creep-rupture behavior of Alloy 800h, Oak Ridge National Lab., TN (USA), 1978.