罐式煅燒爐爐底板換熱器強(qiáng)度的有限元分析

王佐任，劉永啟，孫　鵬，陳家光（.　濰坊聯(lián)興新材料科技股份有限公司，山東　濰坊　6737；.　山東理工大學(xué)　交通與車輛工程學(xué)院，山東　淄博　55049）

罐式煅燒爐爐底板換熱器強(qiáng)度的有限元分析

王佐任1，劉永啟2*，孫鵬2，陳家光1
（1.濰坊聯(lián)興新材料科技股份有限公司，山東濰坊262737；2.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博255049）

爐底板換熱器可以有效地回收罐式煅燒爐中石油焦余熱，防止?fàn)t底板開裂，改善勞動(dòng)環(huán)境。本文采用有限元法對(duì)爐底板換熱器的強(qiáng)度性能進(jìn)行模擬，通過分析，其等效應(yīng)力的最大點(diǎn)出現(xiàn)在加強(qiáng)筋的上部，最大值為3.5MPa；合位移的最大值僅為0.382×10-4mm，因此爐底板換熱器的強(qiáng)度可靠，可以在保證支撐強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)其換熱性能。

爐底板；換熱器；有限元分析；強(qiáng)度性能

1　引言

我國煅后焦產(chǎn)量世界第一，2014年總產(chǎn)量約為2000萬噸，其中70%以上采用罐式煅燒爐生產(chǎn)［1］。罐式煅燒爐的爐底板在爐體的中心部位，既起到支撐爐體的作用，又具有煅燒罐排料口的作用，因而其穩(wěn)定可靠的工作對(duì)煅燒爐的使用性能、壽命和可靠性具有重要的意義［2］。爐底板工作溫度高也造成了較為嚴(yán)重的散熱損失，勞動(dòng)環(huán)境十分惡劣。

鄭斌［3］等人開發(fā)了爐底板換熱器，有效地回收了爐底板散熱損失，保證了爐底板可靠地工作，同時(shí)改善了運(yùn)行人員的勞動(dòng)環(huán)境。本文基于有限元分析法，對(duì)新型罐式煅燒爐爐底板換熱器的強(qiáng)度進(jìn)行模擬，通過研究得到新結(jié)構(gòu)設(shè)備在工作條件載荷下的應(yīng)力應(yīng)變特性，為新型爐底板換熱器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)基礎(chǔ)。

2　爐底板換熱器結(jié)構(gòu)及其模型建設(shè)

爐底板換熱器采用整體鑄造結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為HT250，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。爐底板換熱器的中心有一個(gè)長(zhǎng)方形的流動(dòng)通道，罐式煅燒爐內(nèi)的高溫煅后焦經(jīng)過該流動(dòng)通道進(jìn)入下部的換熱器或水冷夾套。在爐底板換熱器煅后焦流動(dòng)通道內(nèi)壁上有50mm厚的保溫層，以減少煅后焦對(duì)爐底板的傳熱。為了減少爐底板換熱器流動(dòng)通道內(nèi)蘭炭向外傳遞的熱量，在爐底板換熱器煅后焦流動(dòng)通道側(cè)壁上設(shè)置有一個(gè)環(huán)形的水腔。水腔內(nèi)的循環(huán)水吸收爐底板的熱量，可以降低了爐底板上平板、下法蘭板、水腔外側(cè)的爐底板表面溫度，從而降低了其輻射換熱。

圖1　爐底板換熱器主視圖與左視圖

本文基于下述假設(shè)建立爐底板實(shí)體模型：（1）忽略了底板上尺寸很小的倒角和過渡圓角；（2）將底板做成了對(duì)稱結(jié)構(gòu)，模型只需建設(shè)實(shí)際模型的一半；（3）忽略了底板上的制造工藝孔。最終建立的模型如圖1所示。材料設(shè)為均質(zhì)各項(xiàng)同性，選擇的材料特性是彈性模量和泊松比，分別為1.2×1011Pa和0.3。采用步長(zhǎng)smart為8進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到381638個(gè)節(jié)點(diǎn)和277219個(gè)單元，如圖3所示。

（1）機(jī)械負(fù)荷下的約束條件。想要對(duì)底板施加載荷，首先要對(duì)底板進(jìn)行約束。在底板的對(duì)稱面上要施加相應(yīng)的位移約束。在底板上部的小凸臺(tái)施加了全位移約束，使底板的軸向位移為0。

（2）機(jī)械載荷的施加。爐底板在工作時(shí)要承受高溫的物料對(duì)其產(chǎn)生的擠壓作用，還要承受爐體本身的重量和換熱器的重量，受力較為復(fù)雜。本文研究中，已知數(shù)據(jù)，爐體高8m，外層是高8m，密度為2.2×103kg/m3。而物料的密度約為1.0×103kg/m3，同樣也是高8m，經(jīng)過運(yùn)算，底板上方施加為0.172MPa。同理，經(jīng)過運(yùn)算，爐底板內(nèi)的小凸臺(tái)所受壓強(qiáng)為0.015MPa。

相同原理，爐底板的內(nèi)側(cè)面所受壓強(qiáng)，分別為170Pa與4Pa。

圖2　罐式煅燒爐底板

圖3　ANSYS爐底板網(wǎng)格劃分

3　有限元強(qiáng)度分析結(jié)果

3.1等效應(yīng)力分析

爐底板換熱器的等效應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

灰鑄鐵鑄件是一個(gè)典型的脆性材料——抗壓不抗拉，等效應(yīng)力是校核其強(qiáng)度的重要指標(biāo)。從圖上可以看出，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的部位，是部分加強(qiáng)筋的上部，等效應(yīng)力的最大為3.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用的抗拉強(qiáng)度，所以底板的等效應(yīng)力校核合格。爐底板內(nèi)部小凸臺(tái)的轉(zhuǎn)彎處的等效應(yīng)力也較大，而隨著施加壓力的增加，加強(qiáng)筋的上部的應(yīng)力有不斷增大，紅色變多，而對(duì)底板上部外邊側(cè)的壓強(qiáng)都是相似的。所以可以得知，隨著應(yīng)力的增加，最危險(xiǎn)面應(yīng)該在加強(qiáng)筋與爐底板上部的結(jié)合處。

圖4　爐底板模型施加壓力（工作狀態(tài)）后的等效應(yīng)力圖

3.2合位移分布分析

爐底板合位移分布云圖分析，如圖5所示。

由圖可得，隨著應(yīng)力的增大，爐底板的合位移也是越來越大，而且從三組圖片結(jié)果可以看出，位移量最大的部位出現(xiàn)在爐底板內(nèi)部的小凸臺(tái)中部。最大位移量?jī)H為0.382×10-4mm。

圖5　爐底板模型合位移分布云圖

4　結(jié)論

通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)，本研究中的爐底板換熱器，在工作狀態(tài)下的最大等效應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在部分加強(qiáng)筋的上部，其最大應(yīng)力值為3.5MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力（200MPa），所以在最重要指標(biāo)——等效應(yīng)力上，該爐底板換熱器的強(qiáng)度合格。而且該爐底板的最大位移量?jī)H為0.382×10-4mm，故而本研究中的爐底板強(qiáng)度合格。

［1］王平甫，羅英濤，官振等.中國豎罐式爐煅燒石油焦技術(shù)分析與研討［J］.炭素技術(shù)，2009（05）：31-37.

［2］陳寧.對(duì)罐式煅燒爐幾個(gè)問題的討論及設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.炭素技術(shù)，2004（05）：36-40.

［3］鄭斌，劉永啟，李瑞陽等.高溫煅燒石油焦排料過程余熱回收［J］.化工進(jìn)展，2015（06）：1539-1543.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.073

山東省科技發(fā)展計(jì)劃（2013GGX10404）及山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2013EEQ005，ZR2014EL030）。

王佐任（1957-），男，高級(jí)工程師，兼職教授，主要從事固體物料余熱回收研究。

劉永啟