多孔窯筒體有限元分析

周良

中圖分類號：TQ054 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）02-0157-02

1 概述

在建材、冶金、水泥、化工等許多行業中，廣泛地使用回轉窯、回轉爐、筒式干燥機、冷卻機、篦選機、水合機等多支承回轉系統進行原材料的焙燒、煅燒、干燥、冷卻、合成等。這類系統的主體為一回轉圓筒（俗稱筒體），在熱態下運行，并對其內的物料進行復雜的物理和化學處理。處理過程中，物料從筒體的高端加入，燃料由燃燒器從低端噴入筒體內的高溫帶燃燒，煙氣通過筒體由高端排出。由于筒體傾斜安裝，在回轉時，筒體內物料在沿周向翻滾的同時沿軸向向低端移動，在低端排風機的作用下，與熱氣逆流換熱，完成熱交換過程，經過物理和化學變化，成為合格產品從低端卸出。

直接還原多孔窯，是用于生產直接還原鐵產品的主要設備。由鏈篦機預熱的球團，經窯尾罩進入多孔窯，在窯筒體內繼續加熱，當球團礦加熱到一定溫度時開始進行還原反應，最終生產出海棉鐵，海棉鐵再通過窯頭箱經固定篩到冷卻筒進行冷卻。

1.1 主要組成

多孔窯主要由筒體、支承裝置、擋輪裝置、傳動裝置、窯頭罩及密封裝置、窯尾密封裝置，窯頭、窯尾冷風裝置，支承座用液壓調整系統、風道裝置，潤滑系統等組成。

1.2 安裝形式

根據窯的長徑比，本多孔窯屬于細長型，采用了三擋支承，結構如圖1所示，其中1，3，4為支承處，2為傳動處。

2 有限元分析

2.1 分析約定

在進行有限元分析時，先提出如下假設：

（1）因為溫度在多孔窯運行過程中基本保持不變，不考慮溫度波動對筒體的影響；

（2）不考慮物料及窯襯的重量在運行過程中的波動因素，即假定物料及窯襯的重量在計算過程中是恒定的；；

（3）不考慮筒體上各結構因焊接原因所引起的各種因素的變化，并假定焊接強度與筒體結構的強度相當；

（4）不考慮多孔窯筒體的安裝誤差；

（5）由于筒體在工作過程中是勻速轉動，且其旋轉角速度很小，與結構的自重相比，其離心力相對較小，因此在計算過程中，假定筒體處于靜止狀態。即不考慮轉動對筒體的影響。

（6）為了計算載荷的方便，在對結果影響不大的情況下，假設多孔窯是水平放置的。

2.2 材料與單元參數

（1）.20g

彈性模量：E=197GPa（200℃）；

泊松比：μ=0.3

（2）.襯磚材料

由于窯襯材料一般由混凝土、襯磚和其它材料組成，考慮到窯襯材料中，襯磚占得比例要大大的高于其他材料，因此在這里將統一用襯磚的材料來取代窯襯的材料，已知1等高鋁磚材料性能為：

彈性模量：E=20GPa（1000℃）

泊松比：μ=0.15

2.3 筒體承受載荷計算

多孔窯的筒體所受的載荷包括筒體自重、窯襯的壓力、滾圈的支撐反力、齒圈的回轉驅動力、物料的壓力和其他附屬部件（窯頭窯尾，風管，風道，埋入式燒嘴）對其的作用力。其橫截面結構如圖2所示。

隨著筒體的旋轉，物料在摩擦力作用下被帶到一定的高度，當達到動態安息角后，物料在自重作用下沿料層表面滾落下來，并在重力、離心力、摩擦力的綜合作用下達到動態平衡，如圖2所示，圖中α為動態安息角，C為物料的重心。在下列計算過程中，將不考慮物料顆粒間的相互作用。

根據資料可知：

物料的填充率η=22%，

物料的安息角為：α=39°，

多孔窯的旋轉速度為：n=0.6r/min

圓筒體的內半徑為：R=2500mm，取襯磚和襯皮的厚度為：230mm，則其半徑為：r=2500-230=2370mm。

由圖3知，圓弧拱形部分的面積為：

當填充率η=22%時，即有

將（1）式代入（2）式，可得=63°

取單位窯長上的一微段圓弧進行研究，物料作用在微圓弧上的重力為：

式中：-物料的密度，g-重力加速度，且有g=9800mm/s2，根據幾何關系可得：

由于物料隨筒體旋轉，物料作用在微段圓弧上的離心力為：

式中：

因此，作用在微段上的正壓力是重力和離心力綜合作用的結果，其大小為：

由于旋轉速度很小，在分析時其離心力可以忽略不計，因此物料對筒體的作用力主要是其自重，即單元面積上，物料作用在筒體上的力為：

2.4 筒體的有限元模型

2.4.1 網格模型的生成

筒體開有燒嘴孔和測溫孔，其中，燒嘴孔直徑為320mm，孔大，且相對數量比較多。而測溫孔直徑為132mm，孔小，且數量少，對結構的強度剛度影響較小。因此，在建立模型時，考慮燒嘴孔的影響而忽略掉測溫孔。在ANSYS軟件中建立筒體的實體模型，它由外圍的鋼筒，焊在筒體上的燒嘴和筒體內部的襯磚組成。襯磚生成的網格模型局部放大圖如圖3所示。鋼筒及燒嘴放大的網格模型如圖4所示。

2.4.2 施加載荷

通過分析計算可知，在筒體外安裝的附屬部件（窯頭窯尾，風管，風道，埋入式燒嘴），其重量與筒體及窯襯的總重量相比要小的多，對筒體的剛度及強度影響較小，因此在計算過程中將這部分的重量忽略不計。

結構只考慮自重的影響，筒體的載荷主要有2個：

（1）筒體和窯襯的自重；

（2）物料自重對筒體的影響。

對于筒體和窯襯的自重，只要在計算過程中，施加一個豎直方向的重力加速度g=9800mm/s2即可。

對于物料自重對筒體的影響，根據式（9）物料對窯襯作用力的函數，利用ANSYS提供的apdl編程功能，編輯相關的程序，用以計算窯襯內表面與物料接觸的單元上受到的壓力，然后采用集中力的方式加載在與單元相關的節點上，集中力的施加結果如圖5所示。

2.4.3 施加約束

根據多孔窯結構示意圖可知，在位置1，3，4處，托輪通過與滾圈接觸，對多孔窯產生支撐作用，因此，選擇多孔窯外部與滾圈接觸筒體的下半圓柱面的節點，并約束它們的徑向位移。在支承裝置1處設計有擋輪，用來限制多孔窯軸向的運動，因此，選擇多孔窯外部與滾圈4接觸筒體側圓環面上的節點，并約束它們軸向位移。

在位置2處，液壓馬達通過齒輪對多孔窯產生傳動作用。約束筒體外壁與連桿連接處節點的切向位移，使筒體處于平衡狀態。施加約束的情況如圖6所示。

第三節 結果分析及結論

利用上述模型，通過軟件計算可以得到相應的結果如下。

3.1 應力結果分析

3.1.1 計算結果

（1） 筒體Mises應力

如圖7顯示了筒體結構的Mises應力分布云圖，其中最大的Mises應力值為：

（5） 窯襯的Mises應力

如圖9顯示了窯襯的Mises應力分布云圖，其中最大的Mises應力值為：

3.1.2 結果分析

4、圖7反映了筒體Mises等效應力分布，由圖可知，筒體所受的最大等效應力為26.63MPa，發生在支承3和4之間筒體中心處底部燒嘴孔邊緣，此處筒體鋼板厚度為32mm，屈服極限為153MPa（300℃）筒體所受的最大等效應力在材料允許的范圍內，安全系數為4.8。

5、如圖8反映了窯襯Mises等效應力分布，由圖可知，窯襯所受的最大等效應力為4.23MPa，發生在支承4處滾圈下鋼板與過渡帶鋼板所對應的位置。

3.2 位移結果分析

3.2.1 計算結果

如圖10顯示了筒體結構總變形位移的分布云圖，其中最大變形位移為：

3.2.2 結果分析

4、圖9反映了筒體總的位移分布，由圖可知，筒體的最大位移為1.564mm，發生在支承3和支承4之間筒體中部物料分布密集處。

5、圖10反映了窯襯總的位移分布，由圖可知，窯襯的最大位移為1.564mm，發生在支承3和支承4之間筒體中部物料分布密集處。由于該處沒有支承裝置，徑向上大的位移容易引起窯襯的松動、扭曲、脫落和斷裂，是較危險的區域。

3.3 結論

3.3.1 分析結論

由以上分析可知，多孔窯筒體在正常工作的情況下最大應力為26.63MPa，和材料的屈服極限相比，具有較大的安全系數；最大應變為1.564mm，與筒體的幾何尺寸相比，變形很小。以上兩點足以說明多孔窯筒體具有較好的強度及剛度，能較好的滿足生產的需要。

3.3.2 改進建議

1、由分析結果可知，筒體所受的最大應力遠遠低于材料的屈服極限，因此可以適當的減小筒體的厚度，以節省材料，節約成本。

2、分析總應力云圖和總位移云圖可知，支承1和支承3之間應力應變較小，支承3和支承4之間應力應變較大，因此可以適當的調整支承3的位置，改進筒體的應力分布，使其更均勻。