鑄鐵烘缸設計制造基本問題的探討

呂洪玉 張 弛，2 卞學詢

(1.天津科技大學機械學院，天津,300222；2.焦作崇義輕工機械公司，河南焦作,454550)

·鑄鐵烘缸·

鑄鐵烘缸設計制造基本問題的探討

呂洪玉1張 弛1，2卞學詢1

(1.天津科技大學機械學院，天津,300222；2.焦作崇義輕工機械公司，河南焦作,454550)

根據多年設計實踐和近年來的事故分析，討論了鑄鐵烘缸設計制造中的兩個最基本問題即強度理論應用問題和材料力學性能選取問題。提出在鑄鐵烘缸設計中應選用第一強度理論，不能選用Mises應力作為強度條件。在選用材料力學性能時，本體試棒抗拉強度不能用于強度的計算。

鑄鐵烘缸；設計；制造

(*E-mail: lhy1993@126.com)

造紙機用鑄鐵烘缸是造紙機干燥部的主要部件，是承受內壓的壓力容器，由脆性材料鑄鐵制造[1]，它的安全使用涉及到3個方面的問題，即設計、制造和正確使用。本文根據多年設計實踐和近年來的事故分析，僅就設計、制造中的最基本問題進行討論，以求為設計、制造中最基本的概念提供正確的方法。

1 關于鑄鐵烘缸應使用的強度理論問題

鑄鐵烘缸是由脆性材料鑄鐵制造的，灰鑄鐵的破壞沒有塑性變形而直接發生斷裂。因此，設計鑄鐵烘缸應使用第一強度理論，也就是最大主應力小于等于許用應力，見式(1)。

σ1≤[σ]

(1)

式中，σ1為最大主應力；[σ]為許用應力。

但實際設計當中，不少設計卻使用Mises應力[2]作為強度條件。Von Mises于1913年提出了一個屈服準則，該屈服準則被稱為Von Mises屈服準則。Mises應力就是一種當量應力，它是根據第四強度理論得到的當量應力，其內容為：形狀改變比能是引起材料流動破壞的主要原因，其強度條件由式(2)表示。

(2)

式中，σ1、σ2、σ3為復雜應力狀態下的3個主應力。

灰鑄鐵材料沒有塑性變形而直接發生斷裂破壞，因此不能使用第四強度理論的Mises應力作為強度條件。縱觀近年來的破壞案例，不少的計算報告均以Mises應力小于等于許用應力作為強度條件，這是極其錯誤的。Mises應力主要考慮韌性材料在外力作用下會出現屈服狀態，此時會產生晶間滑移，灰鑄鐵材料沒有塑性狀態，所以使用塑性材料的強度理論是不適宜的。

研究表明，在鑄鐵烘缸缸體部分最大主應力會大于Mises應力，而在法蘭附近應力較復雜的情況下，3個主應力會出現負值，此時有可能會使Mises應力大于最大主應力，但這也不能成為以Mises應力作為強度條件的理由。

其次，使用應力分類法也是不合適的。應力分類法基于材料的塑性條件。在應力分類法中，熱應力被認為是二次應力，但在鑄鐵烘缸設計中熱應力是一個主要應力，有報告稱熱應力要達到總應力的40%[3]，但隨著環境溫度的降低，熱應力會更大。因此，將鑄鐵烘缸設計中的熱應力作為二次應力處理是不恰當的。所以不能用應力分類法來處理鑄鐵烘缸的強度問題。

近年來，由于技術進步，高壓容器大多會使用高強度材料。這些高強度材料多表現出脆性性質，因此多采用斷裂力學的方法進行壓力容器的強度設計。而對于鑄鐵烘缸而言,采用斷裂力學的方法過于繁瑣，多年來的設計經驗表明，鑄鐵烘缸采用第一強度理論進行設計是科學、可靠的。

2 灰鑄鐵材料的力學性能與強度設計

灰鑄鐵材料應用于制造壓力容器，主要是在造紙、食品與紡織等行業中采用，其工作壓力要小于等于0.8MPa?；诣T鐵基體為鐵素體、珠光體、鐵素體-珠光體。灰鑄鐵可以看成鋼加片狀石墨結構，其性能取決于基體的性能和石墨的數量、大小和分布情況，其中未知因素太多，所以安全系數的取值較高。我國相關規范和美國、歐盟、德國AD等規范中安全系數的取值均為10。

按照壓力容器的《固定式壓力容器安全技術監察規程》[4]，對每個容器均要進行試件的拉力試驗以確定其力學性能，這方面國內規范[5]和國際規范[6]對于灰鑄鐵件的力學性能均有要求。對于鑄鐵烘缸的鑄件厚度，小型烘缸缸體厚度在20～40mm之間，而揚克烘缸缸體厚度在40～80mm之間?；诣T鐵件標準要求如表1所示。

表1 部分灰鑄鐵材料試棒抗拉強度

對試件強度要求來講，單鑄試棒的抗拉強度應與同牌號灰鑄鐵抗拉強度相同，附鑄試棒與灰鑄件本體試棒的抗拉強度要求均有所降低。

在鑄件生產加工時，冷卻速度對于鑄件的力學性能影響很大。對于鑄鐵烘缸這一大型鑄件，單鑄試棒要達到與鑄件本體相同的冷卻速度較困難，因此很難保證鑄件與單鑄試棒力學性能相同。多數鑄造廠不愿使用附鑄試棒，原因是怕破壞鑄造件。多數廠家樂于在冒口附近取試件，這就是表1中鑄件本體試棒。

德國AD 2000標準[7]中特別推薦對于烘缸的試件選取應在缸體鑄件的上下側，也就說明了對于烘缸來講試件選取的特殊性。

但從表1中可以看到，單鑄試棒的最小抗拉強度與材料標號要求相同，而附鑄試棒和鑄件本體試棒均降低了拉伸強度要求。其原因是對于較厚的鑄件不太容易保證鑄件的高質量。但這樣就出現其他的問題，降低了附鑄試棒與鑄件本體試棒抗拉強度要求，就很難保證加工好的壓力容器強度要求，因為原始設計是按照規定牌號鑄鐵力學性能設計的。下面采用一個具體的破壞案例來說明。

某材料為HT300的鑄鐵烘缸爆破后，取本體加工試件，拉伸強度為210 MPa，按照灰鑄鐵件的規范要求，已達到標準，但其原始設計卻按照HT300，安全系數取n=10，最大許用應力按[σ]=30 MPa進行的設計。這就產生一個矛盾，即試件抗拉強度為210 MPa，其許用應力應為21 MPa。在事故責任認定時，不能認定其材料的選用為破壞主要因素，也不能認為其強度設計有問題。

作為壓力容器用鑄鐵件完全按照灰鑄鐵件規范要求達到規定強度要求，顯然不適用。工程實踐的經驗表明，經過改進工藝條件，添加合金元素，精心冶煉，可以使鑄件本體試棒接近或達到規定鑄鐵牌號的力學性能，這就是鑄鐵壓力容器不同于其他灰鑄鐵件要求之處。

目前國內尚沒有對于壓力容器用灰鑄鐵件做出規定，國際上ASME規范[8]以及歐洲規范[9]對于壓力容器使用的灰鑄鐵件沒做出特殊規定，而我國不少烘缸制造廠家已經意識到這一問題，他們強調在鑄鐵烘缸鑄造中除要達到灰鑄鐵件[5]規范要求下，應盡可能提高加厚鑄件的力學性能，以滿足設計要求。

3 結 論

本文討論了鑄鐵烘缸設計、制造中的兩個基本問題，這是當前鑄鐵烘缸生產中亟待解決的問題，也是提高我國鑄鐵烘缸設計與制造水平的關鍵問題。由此得到以下結論。

3.1 在設計時，強度理論應選擇第一強度理論，這樣既符合脆性材料的性質又符合鑄鐵烘缸的實際受載荷狀況。

3.2 對于材料的抗拉強度，部分灰鑄鐵材料的本體試棒拉伸強度值不能滿足造紙用鑄鐵烘缸的強度要求。應使材料的本體試棒接近或達到規定鑄鐵牌號的力學性能，以保證烘缸的安全使用。

[1] ZHANG Wei-min， CHEN Qiao-hua， LI Feng， et al. Properties of Spheroidal Graphite Cast Ion Required for the Dryers of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(5): 36. 張衛民, 陳巧花, 李 峰, 等. 造紙機械烘缸用球墨鑄鐵材料的性能及要求[J]. 中國造紙， 2013， 32(5)： 36.

[2] LIU Hongwen. Mechanics of Materi[M]. Beijing: Higher Education Press, 1993. 劉鴻文.材料力學[M]. 北京： 高等教育出版社，1993.

[3] Unneberg B. Hydrostatic Testing of Yankee Dryers [J]. Tappi Journal, 1995, 78(9): 97.

[4] AQSIQ. TSG R0004—2009 Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel[S]. Beijing: Xinhua Publishing House， 2009. 國家質檢總局. TSG R0004—2009. 固定式壓力容器安全技術監察規程[S]. 北京: 新華出版社， 2009.

[5] AQSIQ. GB/T 9430—2010.Gray Iron Castings[S]. Beijing: Standards Press of China, 2010. 國家質檢總局. GB/T 9430—2010. 灰鑄鐵件[S]. 北京： 標準出版社， 2010.

[6] ISO 185—2005.Grey Cast Iron-Classification[S]. 2005.

[7] AD 2000 CODE. Technical Rules for Pressure Vessel[S]. Carl Heymans Verlag, 2003.

[8] ASME. Boiler and Pressure Vessel Code[S]. Beijing:China Petrochemical Press. 2011. ASME. 鍋爐及壓力容器規范[S].VIII卷. 北京： 中國石化出版社， 2011.

(責任編輯：馬 忻)

Basic Problems in the Design and Construction of Cast Iron Dryer Cylinder

LV Hong-yu1,*ZHANG Chi1,2BIAN Xue-xun1

(1.TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222;2.JiaozuoChongyiLightIndustrialMachineryCo.,Ltd.,Jiaozuo,He’nanProvince, 454550)

The dryer cylinders are main part of drying section of paper machine. It is pressure vessel withstanding inner pressure, and made of brittle material cast iron. Its safe operation is guaranted from the aspects of design, fabrication and correct operation. In this article, on basis of years design practice and accident analysis, a correct fundamental concept in the design and construction of the cast iron dryer cylinder was proposed.

cast iron dryer; design; construction

呂洪玉先生，副教授，在讀博士研究生；研究方向：創新設計與壓力容器設計原理。

2013- 09- 14(修改稿)

TS73

A

0254- 508X(2014)02- 0060- 03