95t轉爐擴容后托圈及其聯接裝置有限元分析

李權璽 潘紫微 方付宏

(安徽工業大學機械工程學院 安徽馬鞍山243002)

·技術分析·

95t轉爐擴容后托圈及其聯接裝置有限元分析

李權璽①潘紫微 方付宏

(安徽工業大學機械工程學院 安徽馬鞍山243002)

某鋼廠根據生產需要，對轉爐進行升級改造，由95t擴容至120t，托圈及聯接裝置不變，傳動系統不變。現在需要運用非線性有限元法研究托圈及其聯接裝置熱—機耦合應力，分析現有托圈及其聯接裝置是否滿足轉爐擴容后的使用要求，以確保轉爐擴容后的安全運行，為企業技術改造提供科學依據。

轉爐托圈 自調螺栓 非線性有限元 熱—機耦合

1 前言

轉爐煉鋼是當今鋼鐵冶煉工業中最主要的煉鋼方法之一，我國約有80%的鋼是通過轉爐冶煉生產的。轉爐托圈支承爐體，是轉爐設備中的重要部件。爐體和托圈之間通過自調螺栓進行連接。在高溫冶煉的過程中，爐體與托圈受熱產生膨脹變形后，上下球面墊和球面座之間會產生相對運動，自動補償爐體和托圈的膨脹變形，保證爐體和托圈受熱膨脹時，徑向和軸向相對運動不受限制[1-2]。自調螺栓是轉爐支撐裝置的關鍵設備，它在長期使用后，可能出現卡死或支柱螺栓斷裂、螺母脫落和轉爐傾動時球面墊圈發出巨大的異常聲響等一系列問題。

某鋼廠根據生產需要，對轉爐進行升級改造，由95t擴容至120t。托圈及聯接裝置不變，傳動系統不變。現在需要研究托圈及其聯接裝置螺栓熱—機耦合應力，分析現有托圈及其聯接裝置是否滿足轉爐擴容后的使用要求，以確保轉爐擴容后的安全運行，為企業技術改造提供科學依據。

2 托圈及其聯接裝置模型

2.1 實體模型

轉爐托圈及其聯接裝置實體模型(圖1)包括爐體、托圈、上止動塊、下止動塊、自調螺栓聯接裝置。其中自調螺栓聯接裝置(圖2)是分析重點，它由上下球面墊、上下球面座、支柱螺栓、螺母、波形墊圈和銷軸組成，自調螺栓力學性能見表1。由于自調螺栓螺紋部分是一個空間螺旋面且受力情況復雜，通常的有限元計算都只考察光桿螺栓[3]。所以，在不影響自調螺栓強度的前提下對其結構做了適當的簡化，將螺母與自調螺栓建為一體，波形墊圈與上部球面墊圈建為一體，銷軸和支柱螺栓建為一體。

圖1 托圈及其聯接裝置實體模型

2.2 有限元模型建立

采用Solid186單元進行網格劃分，Solid186單元用于構造三維實體結構。通過20個節點來定義單元，可以更好地模擬形狀不規則的單元。Solid186是六面體單元，在網格劃分中使用六面體進行劃分，可以減少網格數量，同時六面體單元網格整齊，可以避免網格劃分中出現尖角等情況，提高局部結構有限元分析的精度。并且Solid186單元與ANSYS熱分析中的Solid90對應，可以為下文中自調螺栓熱—機耦合應力分析做好鋪墊。

圖2 自調螺栓聯接裝置

有限元模型共劃分305153個單元(圖3)，其中托圈部分單元數247472，占81.09%，爐體部分單元數25481，占8.35%，托圈聯接部分單元數24855，占8.14%，止動塊部分占2.42%。為了提高自調螺栓應力和應變的分析精度，自調螺栓主體結構采用六面體網格。接觸位置需要進行網格優化，保證各個節點能相互對應，從而提高非線性計算速度。

表1 自調螺栓力學性能[4]

托圈材料為16MnR，其屈服強度為275MPa，定義其密度為7800kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；爐體部分定義密度為0，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。

圖3 托圈及爐體網格劃分

自調螺栓各部件材料不同，對其材料屬性按一般鋼材處理，定義其密度為7800kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。

2.3 加載和約束

ANSYS中提供多種方法給螺栓施加預緊力，常用的有預緊力單元法、滲透接觸法和降溫法[5]。降溫法和滲透接觸法計算結果誤差較大，并且利用降溫法時，螺栓不僅在軸向產生壓縮應力，還在徑向產生壓縮應力，這樣勢必增大螺栓的整體應力[6]，而預緊力單元法具有操作簡便，不易出錯的特點，模擬結果符合實際情況，在實際工程中得到廣泛應用。

在ANSYS中可以利用預緊力單元PRETS179，生成預拉伸剖面網格的方式來模擬螺栓的預緊力狀態。首先建立螺栓的三維有限元模型，劃分網格，然后通過輸入PSMESH命令，在螺栓模型中模擬一個預拉伸截面。操作過程中，通過在螺栓模型單元邊界的節點位置切割網格，插入PRETS179單元，生成一個垂直于預拉伸載荷的預拉伸截面，并將已劃分網格的螺栓模型切為上下兩部分，模擬的方法是在預拉伸截面的單元上直接加載預緊力。在預拉伸單元上通過SLOAD命令施加擴容后的螺栓預緊力F0=4.8×106N。

按照轉爐的實際工作情況施加模型的約束條件。在轉爐托圈耳軸軸線部位，建立局部柱坐標系[7]，對游動側耳軸和驅動側耳軸的軸頸外表面節點，限制其徑向位移，但允許轉動和軸向移動，對驅動側耳軸端面節點，限制其轉動；驅動側耳軸軸頸端面施加，限制其軸向位移，與前面限制的徑向位移一起，完全限制了托圈的剛體位移。

2.4 接觸設置

接觸問題是一種復雜的非線性行為，托圈三維有限元模型一共在53處設置了接觸單元，采用的接觸類型是柔體—柔體的面—面接觸，目標面選用TARGE170單元，接觸面選用CONTA174單元。

3 溫度場計算

根據紅外測溫現場測試結果，模擬托圈溫度場。在溫度場的模擬過程中，采用對爐體表面施加溫度，在托圈表面施加溫度和對流系數，其中在托圈內表面施加溫度和對流系數,模擬爐體對托圈輻射和冷卻水的冷卻作用，在托圈外表面施加溫度和對流系,數模擬空氣對流和爐體對托圈輻射。由于轉爐托圈是復雜的焊接件，托圈不同部位與空氣接觸情況不同，因此所加對流系數也不同，最終調試后托圈各部位加載的對流系數見表2，轉爐托圈主體溫度分布見圖4。

表2 轉爐托圈加載數據

由圖4可知，轉爐主體最高溫度為186℃，最低溫度為30.6℃。爐體通過輻射作用把溫度輻射到托圈和自調螺栓上。溫度從托圈內側向外側逐漸過渡，圓周方向上呈現中間溫度高，兩側溫度低。冷卻水從驅動側耳軸流入，經過爐口、爐帽后在托圈內部循環一周，從游動側耳軸流出。托圈外腹板表面由于冷卻水和空氣對流，溫度較低。對比轉爐托圈的溫度分布與實測溫度相差不大，因此溫度場計算結果比較準確。

圖4 轉爐托圈主體溫度分布

4 托圈及自調螺栓熱—機耦合應力分析

將溫度場結果以熱載荷的形式讀入結構分析中，利用間接耦合法得出自調螺栓在0o、52o和96o三個典型角度下的熱—機耦合應力，其中0o表示轉爐處于吹煉狀態，52o表示轉爐處于最大傾動力矩狀態，96o表示出鋼結束，計算結果見表3。

表3 各傾動角度托圈及自調螺栓最大米塞斯應力 /MPa

圖5 驅動側下部球面熱應力

由表3可知：

1)轉爐傾動角度為0o時，托圈圈體最大米塞斯應力為342MPa，出現在內腹板與圓筒連接處，這個位置存在焊縫，易出現應力集中, 使用過程中需要對焊縫位置重點關注。驅動側下部球面墊的最大米塞斯應力為694MPa，出現在下部球面墊與下部球面座接觸位置(圖5)。驅動側下部球面座的最大米塞斯應力為600MPa，驅動側自調螺栓下部球面墊和下部球面座局部熱—機耦合應力水平較高，超過材料屈服極限，可能會產生局部結構失效，使用過程中需要對此位置重點關注。

2)轉爐傾動角度為52o時，托圈圈體最大米塞斯應力為379MPa，出現在下蓋板和立板連接處，這個位置存在焊縫，易出現應力集中。使用過程中，需要對焊縫位置重點關注。驅動側自調螺栓強度滿足擴容后的使用要求。

3)轉爐傾動角度為96o時，托圈圈體最大米塞斯應力為390MPa，出現在托圈游動側耳軸塊與外腹板連接處，這個位置存在焊縫，易出現應力集中，使用過程中需要對焊縫位置重點關注。自調螺栓的最大米塞斯應力為349MPa，位于支柱螺栓根部。加料側自調螺栓強度滿足擴容后的使用要求。

5 結論

1)在三個典型傾動角度下，托圈圈體最大米塞斯應力出現在焊縫位置，最大應力值超過材料屈服極限，使用過程中需要對焊縫位置重點關注，必要時可以增加筋板來提高托圈強度。

2)自調螺栓下部球面墊和下部球面座局部熱—機耦合應力水平較高，超過材料屈服極限，使用過程中需要對此位置重點關注，必要時可以選用更好的材料。

[1]趙孝峰. 轉爐爐體與托圈連接裝置形式分析與研究[J]. 裝備制造技術, 2011 (4): 50-51.

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Finite Element Analysis for Converter Ring and Linkage of 95t Converter after Expansion

Li Quanxi Pan Ziwei Fang Fuhong

(Mechanical Engineering College, Anhui University of Technology, Maanshan 243002)

According to the production needs of a steel mill, the converter is upgraded from 95tons to 120tons. Converter ring, connection device and drive system remain unchanged. Studied thermal-mechanical coupling of converter ring and linkage by non-linear finite element, judged whether the existing converter ring and linkage are meet the requirements of the converter after expansion to ensure the safe operation , provided a scientific basis of technological transformation to enterprise.

Converter ring Self-adjusting bolt Non-linear FEM Thermal-mechanical coupling

李權璽，男，1988年出生，安徽工業大學在讀研究生，從事機械設備運行性能與狀態研究

TF748.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.007

2015-04-24)