過盈配合對鋼包耳軸應(yīng)力影響的研究

劉 勇

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，濟南 250101）

過盈配合對鋼包耳軸應(yīng)力影響的研究

劉 勇

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，濟南 250101）

耳軸是鋼包的關(guān)鍵承載部件，通常采用“過盈加焊接”的結(jié)構(gòu)。為了了解過盈配合對耳軸應(yīng)力的影響，采用有限元法進行了仿真分析。結(jié)果表明耳軸過盈配合以小過盈量為宜，耳軸載荷主要靠焊接承擔，合理的過盈量有利于耳軸芯部材料強度的利用，并能提高其承載能力。

鋼包耳軸；過盈配合；焊接；應(yīng)力；有限元法

0 引言

鋼包是鋼鐵冶金工業(yè)中重要的高溫儲運設(shè)備，在轉(zhuǎn)爐和電爐煉鋼、鋼水精煉及連鑄過程中有著廣泛的應(yīng)用。耳軸是吊運鋼包時的承載部件，對鋼包的安全可靠運行至關(guān)重要。通常鋼包耳軸的安裝采用的是“過盈加焊接”的結(jié)構(gòu)形式，即耳軸大端鑲嵌在耳軸座孔中，兩者為過盈配合，通過耳軸內(nèi)焊縫和耳軸外焊縫將耳軸、耳軸座和外殼焊接在一起，鋼包耳軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 耳軸結(jié)構(gòu)形式

吊運鋼包時，耳軸既要承受鋼包和鋼水的重力作用，又要承受鋼水高溫載荷的影響，同時“過盈加焊接”的結(jié)構(gòu)形式使耳軸應(yīng)力情況更加復(fù)雜[1～4]。因此，研究耳軸在復(fù)雜工況下的應(yīng)力以及過盈配合對其應(yīng)力的影響對鋼包的設(shè)計及安全可靠運行具有重要意義。

1 有限元模型的建立

鋼包結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，通常由包體、內(nèi)襯和附件三部分組成，其中包體包括包壁、包底、包沿、加強箍、耳軸座、耳軸、加強筋等部件，內(nèi)襯通常由永久層和工作層組成，鋼包附件包括滑動水口、包腿、傾翻機構(gòu)、透氣磚等。耳軸箱由耳軸座和加強筋組成，并與外殼和加強箍焊接在一起，耳軸通過耳軸座焊接在耳軸箱上。鋼包模型見圖2所示。仿真分析時為了便于施加載荷和邊界條件，取整個鋼包作為分析對象。

圖2 鋼包三維模型

為了節(jié)約計算資源，建模時將鋼包附件忽略，除圖1所示的耳軸內(nèi)焊縫和耳軸外焊縫外，其余部位的焊縫均忽略不計。經(jīng)簡化的鋼包模型為對稱結(jié)構(gòu)，取鋼包的四分之一模型為仿真計算對象。耳軸區(qū)域采用較細的網(wǎng)格，其余部分采用較粗的網(wǎng)格，經(jīng)劃分得到的網(wǎng)格模型如圖3所示。

鋼包包體為鋼制焊接件，其中耳軸材質(zhì)為35鋼并調(diào)質(zhì)處理，耳軸座由ZG230-450制作，其余部分均為16Mn材質(zhì)，仿真時除強度外，各部件材料的其他屬性均認為相同。內(nèi)襯由耐火材料砌筑，其中永久層為微膨脹高鋁質(zhì)，工作層為鋁鎂碳質(zhì)。除導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容外，其他材料屬性均忽略溫度的影響，材料屬性如表1、表2、表3[5～7]所示。

圖3 鋼包有限元模型

表1 材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·℃）

表2 材料比熱容（J/kg·℃）

表3 材料其他屬性

3 等效應(yīng)力仿真分析

本例耳軸大端與耳軸座孔的過盈配合為H7/r6，其過盈量為0.057～0.15mm，仿真分析時過盈量取中間值0.10mm。仿真時過盈配合量通過接觸屬性設(shè)置，給鋼包施加相應(yīng)的邊界條件，經(jīng)仿真可得僅考慮過盈配合時耳軸的過盈應(yīng)力[8～10]。過盈應(yīng)力云圖如圖4所示，圖5為耳軸大端圓柱面過盈應(yīng)力沿軸向分布曲線，圖中坐標原點為耳軸大端與小端相接處。由圖可見過盈應(yīng)力在耳軸軸向和徑向分布均不均勻：在軸向耳軸大端圓柱面上的應(yīng)力值呈現(xiàn)出中間小兩端大的特征，中間應(yīng)力值約9MPa，兩端由于過盈配合邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象[7,8]和焊縫的影響應(yīng)力值增大到35～50MPa，耳軸外焊縫加強筋處由于剛度較大過盈應(yīng)力更是達到106.4MPa，且應(yīng)力最大值出現(xiàn)在耳軸與焊縫連接處的中間位置；在軸向耳軸大端芯部應(yīng)力值為中間大兩端小，中間位置應(yīng)力約為25MPa，兩端逐漸減小到10MPa左右；在徑向大端中間位置應(yīng)力從內(nèi)到外（即半徑逐漸增大）逐漸從25MPa減小到9MPa，大端兩端應(yīng)力從內(nèi)到外逐漸從10MPa增大到50MPa左右。

圖4 過盈應(yīng)力云圖

圖5 過盈應(yīng)力軸向分布曲線

給鋼包仿真模型施加重力和鋼水引起的靜水壓力，在耳軸小端處施加吊具導(dǎo)致的位移約束，并考慮過盈配合的影響，經(jīng)仿真可得耳軸的機械應(yīng)力。機械應(yīng)力云圖如圖6所示，可見機械應(yīng)力在耳軸內(nèi)外焊縫處較大，最大值出現(xiàn)在耳軸外焊縫靠下的位置，應(yīng)力值近135MPa，另外耳軸大端芯部應(yīng)力約為25MPa。

圖6 機械應(yīng)力云圖

將鋼包工作時的傳熱過程視為穩(wěn)態(tài)傳熱過程，工作層內(nèi)壁中下部與熾熱的鋼水接觸，溫度載荷取1600℃，上部與高溫煙氣接觸，溫度載荷取1500℃。鋼包直接跟空氣接觸的外表面與環(huán)境的熱交換方式有對流和輻射兩種，通常將二者疊加轉(zhuǎn)化為一綜合對流換熱系數(shù)，鋼包外表面各部位的綜合對流換熱系數(shù)如表4所示[11～14]。

表4 鋼包外表面綜合對流換熱系數(shù)

給鋼包仿真模型施加熱載荷和熱邊界條件，經(jīng)熱分析可得鋼包溫度場。在熱分析的基礎(chǔ)上，在耳軸小端處施加吊具導(dǎo)致的位移約束，并考慮過盈配合的影響，對鋼包進行熱固耦合分析可得耳軸的熱應(yīng)力。熱應(yīng)力云圖如圖7所示，由圖可知熱應(yīng)力主要出現(xiàn)在耳軸膨脹受阻處和受其他部件膨脹擠壓處，熱應(yīng)力最大值出現(xiàn)在耳軸內(nèi)焊縫處達123MPa。

圖7 熱應(yīng)力云圖

在熱分析的基礎(chǔ)上，給鋼包仿真模型施加重力和鋼水引起的靜水壓力，在耳軸小端處施加吊具導(dǎo)致的位移約束，并考慮過盈配合的影響[15,16]，進行熱固耦合仿真分析可得耳軸的綜合應(yīng)力。綜合應(yīng)力云圖如圖8所示，可見耳軸在耳軸內(nèi)外焊縫處綜合應(yīng)力較大，且最大值出現(xiàn)在耳軸內(nèi)焊縫處達126.2MPa，另外耳軸大端芯部由于熱載荷的影響應(yīng)力值較機械應(yīng)力有所減小，約為10MPa。

圖8 綜合應(yīng)力云圖

綜合以上分析可得出結(jié)論，“過盈加焊接”的耳軸結(jié)構(gòu)形式耳軸載荷主要靠焊接承擔，若不考慮熱載荷，過盈配合可使耳軸大端芯部材料的強度得到較好的利用，有利于耳軸的承載能力，然而實際中熱載荷使得耳軸及其周邊部件膨脹，這樣就削弱了過盈配合對耳軸承載能力的有利作用。

4 過盈量對應(yīng)力的影響

耳軸大端與耳軸座孔的過盈量分別取值-0.10mm、-0.05mm、0.00mm、0.05mm、0.10mm、0.15mm、0.20mm、0.25mm、0.30mm（負值表示為間隙配合），對模型施加載荷和邊界條件并仿真分析，可得耳軸的過盈應(yīng)力、機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和綜合應(yīng)力。各應(yīng)力最大值隨過盈量變化曲線如圖9所示，由圖可知從小間隙配合到小過盈配合機械應(yīng)力、熱應(yīng)力和綜合應(yīng)力均有所減小，特別是機械應(yīng)力減小明顯，綜合應(yīng)力最小值出現(xiàn)在過盈量為0.05mm左右；隨著過盈量的進一步增加各應(yīng)力值均迅速增大，在過盈量為0.20～0.25mm處應(yīng)力值達到了耳軸材料35鋼的屈服極限。

圖9 應(yīng)力最大值隨過盈量變化曲線

通過以上分析可得，小間隙配合和小過盈配合耳軸的承載能力均較好，特別是小過盈配合下耳軸的承載能力最優(yōu)，對本例而言最優(yōu)的過盈量為0.00～0.10mm。

5 結(jié)論

1）“過盈加焊接”結(jié)構(gòu)的鋼包耳軸，耳軸載荷主要靠焊接承擔，合理優(yōu)質(zhì)的焊接是保證耳軸承載能力的重要措施。

2）合理的過盈量有利于耳軸芯部材料強度的利用，可降低耳軸等效應(yīng)力，提高其承載能力。

3）過盈配合以小過盈配合為宜，推薦的過盈配合為H7/p6或H7/r6。

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LIU Yong

TH123

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：1009-0134(2017)08-0080-04

2017-04-26

劉勇（1987 -），男，山東聊城人，工程師，碩士研究生，研究方向為機械設(shè)備研發(fā)設(shè)計。