轉爐托圈結構應力的有限元分析

雷麗萍

(太原城市職業技術學院，山西 太原 030027)

轉爐托圈結構應力的有限元分析

雷麗萍

(太原城市職業技術學院，山西 太原 030027)

采用ANSYS有限元軟件對轉爐托圈結構進行了分析。首先，利用三維CAD軟件對轉爐托圈進行建模；其次，構建了托圈有限元模型，在翻轉60°工況下施加了約束和載荷；最后，基于ANSYS有限元分析平臺，通過對托圏進行有限元分析，得到托圈的變形及應力分布圖，為托圈的優化設計提供方法和依據。

轉爐托圈；有限元法；結構應力

0 引言

轉爐是用于吹煉鋼的冶金爐，而轉爐托圈是轉爐非常關鍵的傳動和承載部件，在實際工作中不僅要承受自重、爐體、爐殼，爐襯、鋼液等靜負荷，而且還承受操作過程所引起的沖擊負荷和由于頻繁啟、制動所產生的動負荷，以及由于轉爐爐體、承鋼桶等的熱輻射作用而引起的轉爐托圈在軸向、徑向和圓周方向的溫度梯度而產生的熱負荷。為了保證轉爐的正常生產，轉爐托圈必須具有足夠的強度和剛度。

1 建立托圈的整體模型

轉爐托圈由托圈本體和托圈耳軸組成。托圈本體由外殼、筋板、排渣口、鋼板、出水口、吊耳組成。托圈耳軸是在托圈的兩側各裝一個耳軸，即傳動側耳軸和非傳動側耳軸，用于吊運托圈。托圈耳軸位置一般在托圈高度的中間部位，這樣可使托圈在吊運、澆注過程中保持穩定。本文選擇的托圈外殼材料是16Mn，內部鋼板選擇Q235，托圈耳軸為35鋼。轉爐托圈本體結構較為簡單，但托圈耳軸的設計有一定的難度。為了增加耳軸傳動能力，將耳軸與托圈本體連接處設計成實體柱體。傳動側耳軸的鍵槽是相互呈120°的切向鍵鍵槽，便于傳動。在不影響后續結構分析的基礎上，建模時對托圈進行簡化處理：忽略軸端的倒角；忽略托圈上、下蓋板圓角；內外腹板內部的8個孔距邊緣留有一定尺寸余量；忽略進水孔以及焊縫處的影響，將焊縫處按同材質處理。托圈模型如圖1所示。

2 轉爐托圈結構有限元分析

2.1 構建轉爐托圈有限元模型

將采用三維繪圖軟件Pro/E繪制的托圈三維模型以x-t的格式導入到有限元分析軟件ANSYS中。經過簡化之后的托圈模型并不復雜，這里單元類型定義為Solid 45，可以滿足有限元分析要求。托圈的材料為16Mn，各特性參數如下：彈性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服極限為345 MPa。選用E50的焊條，這種焊條的最小抗拉強度為500 MPa，因此在選用E50焊條的情況下，取接頭處屈服極限和抗拉強度為345 MPa。

圖1 托圈模型

采用三維實體Solid 45對實體模型進行單元劃分，在設置“Smart Size”的數值時，值設置的不易過小，否則會在模型應力相對集中部位網格劃分得非常細小，精度相應很高；而精度太高，會導致運算速度太慢，故數值設置適當就可，這里設置“Smart Size”的值為6。另外考慮到本體和鋼板處有焊接，如按兩個單元來劃分會比較粗糙，對后面的分析會產生較大影響，因此將二者合并為一體，用一個單元來劃分[1]。在單元劃分時把各個單元邊的長度設置為0.03 m，共得到112 389個單元和31 744個節點。得到有限元模型如圖2所示。

2.2 施加約束

考慮轉爐托圈的實際工況，在轉爐托圈的非傳動側耳軸上表面處采用完全約束，也就是對3個移動自由度和3個旋轉自由度都進行約束，主要目的為模擬驅動力偶的作用。在傳動側耳軸一側約束加在鍵槽的兩個表面，大面加Y約束，小面加Z約束，其目的也是模擬驅動力矩的作用。

圖2 托圈的有限元模型

2.3 施加載荷

托圈所受外載荷來自爐體、托圈和鋼水的自重。本工況是爐體傾動60°，轉爐自重160 000 kg，鋼水重140 000 kg。轉爐在裝滿鋼水后，托圈除了受到鋼水的重力作用，托圈還受到轉爐爐體自重，而托圈的6個耳轂兩兩均勻分布在托圈下蓋板，相鄰兩組耳轂間隔角度為120°，由于轉爐是通過6個耳轂與托圈連接的，因此轉爐爐體自重應該加在6個耳轂的根部內表面上，耳轂的矩形面積為0.037 5 m2，則托圈與耳轂接觸面所受壓力p1=4 877 160 Pa，p2=p3=7 361 427 Pa。施加完載荷的有限元模型[2]如圖3所示。

圖3 施加載荷后的有限元模型

2.4 求解并查看結果

有限元分析結果如圖4～圖6所示。由圖4～圖6可以看出，托圈最大應力為32.3 MPa，最小應力為67 875 Pa，最大變形量為0.461 mm；最大應力發生在傳動側耳軸上鍵槽處，最大變形則發生在托圈前側中間部位。

3 結論

以上分析反映了轉爐托圈在翻轉60°時的應力和變形情況，從圖4中可以看出托圈所受最大應力為32.3 MPa，最大應力發生在傳動側耳軸上靠近吊耳的鍵槽處，而轉爐托圈所用的材料是16Mn，屬于塑性材

圖4 在傾角60°時托圈應力云圖(整體圖)

圖5 在傾角60°時托圈應力云圖(應力最大處)

圖6 在傾角60°時托圈變形圖

[1] 劉武.基于萬向聯軸器的ANSYS有限元分析[J].輕工科技,2012(11):54-55.

[2] 王慶五，左昉，胡仁喜.機械設計高級應用實例[M].第2版.北京：機械工業出版社，2007.

[3] 陳精一.ANSYS工程分析實例教程[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

Finite Element Analysis of Converter Trunnion Ring

LEI Li-ping

( Taiyuan City Vocational College，Taiyuan 030027, China)

This paper analyzes the structure of the converter trunnion ring with ANSYS finite element software. Firstly, the model of the converter trunnion ring is set up by use of 3-dimension CAD software; Then, the finite element model of the ring is built, and the constraints and load is imposed under the working condition with the rotation angle of 60°; Finally, on the basis of finite element analysis platform, the deformation and stress nephograms of the trunnion ring are got. The analysis results may lay the foundation for the optimum design of trunnion rings.

converter trunnion ring; finite element method; structure stress

1672- 6413(2015)06- 0070- 02

2015- 05- 21；

2015- 10- 10

雷麗萍(1976-)，女，山西晉中人，講師，碩士，主要從事教學工作。

TP391.7∶TF748.2

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