煉鋼渣滾筒主體結構熱應力分析

黃成永

(寶鋼集團梅山鋼鐵股份公司，江蘇 南京 201139)

0 前言

目前國內外鋼渣熱態處理工藝主要包括熱悶法、熱潑法、淺盤法、水淬法、滾筒法、風淬法、?；喎ǖ萚1-2]。這些工藝都有各自的優缺點。其中，滾筒法渣處理工藝有其先進性：(1)處理流程短，爐渣處理時間短，生產效能力高；(2)處理后的轉爐渣粒度均勻；(3)渣鋼分離良好；(4)渣處理在封閉的容器內進行，產生的蒸汽通過除塵處理后可達標排放，可改善渣處理對環境的污染；(5)處理好的渣可不落地直接進入高位料倉集中存放，減少渣的倒運次數，可提高工作效率。

渣滾筒運行過程中，紅渣由進渣口進入渣筒，遇到筒底的冷卻水產生高溫水蒸氣。渣滾筒受熱渣輻射與高溫蒸汽共同作用，同時渣滾筒與空氣接觸形成散熱，使渣滾筒溫度分布復雜化，從而產生復雜的空間熱應力分布。渣滾筒的三維整體結構復雜，運用線性有限元分析，不易得到合理結果。本文考慮渣滾筒的幾何非線性效應，采用三維非線性有限元方法，建立了渣滾筒的數值計算模型，計算了渣滾筒渣處理過程中的溫度場、熱應力和熱應變空間分布。

1 結構模型

渣滾筒主體結構是異常復雜的空間結構，為了進渣和出渣需要，渣滾筒傾斜放置。渣滾筒可分為進渣側段、出渣側段和中間段三個部分。進渣側段包括錐殼、覆板、放射狀外立筋板、環形筋板和前托圈等。出渣段包括筒體、環形板、以及周向分布的聯接筋板、豎隔圓板、錐殼、覆板、后托圈、大齒輪、大齒輪支撐筋板等。中間段包括筒體、覆板、內部蓖條，周向分布的槳板和槳板間的斜支撐等。為了精確計算渣滾筒主體結構的溫度場和熱應力場，充分考慮渣滾筒各部分之間的相互約束關系，嚴格按照真實結構建立三維實體模型如圖1所示。

圖1 渣滾筒三維實體模型

2 熱應力分析方法

2.1 基本理論

渣滾筒在工作過程中，涉及熱傳導、熱輻射、熱對流等復雜物理過程，溫度變化復雜，溫度場難以計算。為了保證溫度場計算的準確性，需要輔以部分現場實測數據?；谡鎸嵐ぷ鞴r，對計算過程進行如下處理：(1)表面局部可觀測位置，采用現場測量獲得溫度場數值，作為強制溫度邊界；(2)與外界空氣之間的對流、輻射，采用綜合換熱系數考慮熱量耗散；(3)考慮主渣滾筒的熱傳導效應[3]。

采用Garlekin定理，渣滾筒的三維穩態熱傳導三維空間離散方程可寫為[4]

[K]{T}={Q}

式中，[K]為熱傳遞矩陣；{T}為溫度向量；{Q}為溫度載荷向量；ρ為材料密度；c為材料比熱；[N]為插值函數；qs為熱流強度；[B]為應變矩陣；Tr為對流溫度；Te為外輻射源溫度；h為對流系數；κ為幅射系數；[k]為單元局部剛度矩陣。

本文所研究的渣滾筒結構有多個接觸界面，在接觸界面向上會出現導熱，另外非接觸界面上有幅射熱。利用熱彈性應力分析應變關系可以計算溫度應力和熱變形。

{σ}=[D]{ε}-D{ε0}=[D]{ε}-{σΔT}

式中，{σΔT}為對應初始溫度應變的初始溫度應力；[D]為應力矩陣。

在該溫度場的求解中，界面熱輻射問題需要用到第一類邊界條件，界面熱傳導問題需要用到第三類邊界條件[5-6]，即

T(x,y,z,t)=Tw(x,y,z,t) onSr

T(x,y,z,0)=T0(x,y,z,0)

式中，T(x,y,z,t)為空間域Ω內的溫度場變量；Tw(x,y,z,t)在邊界Sr上的溫度分布；kn為熱傳導率。

在得到溫度分布后，單元節點溫度力向量可寫為

(2.12)

2.2 有限元模型

為保證高精度的刻畫溫度場和熱應力場的空間分布，選擇高階六面體單元，對渣滾筒三維實體模型進行手動網格劃分，保證網格均勻、疏密有序，渣滾筒三維網格模型如圖2所示。

圖2 渣滾筒三維網格模型

3 熱應力計算結果分析

渣滾筒主體結構由鋼板組成，彈性模量E=210 GPa；泊松比μ=0.25；密度7 800 kg/m3；熱導率k=41 W/(m·K)；線膨脹系數λ=1.25×10-5/K。

3.1 溫度場計算結果

圖3是煉鋼渣滾筒主體結構的溫度場分布云圖。計算中環境溫度設定為40℃。由圖中可以看出整體溫度場的分布形式為：進渣口兩側溫度高，可達到250℃。進渣口溫度成為熱源，溫度向外傳導，由于水流的作用，溫度呈現由進渣口向出渣口逐步降低。由于倒渣過程的熱輻射，在進渣側形成高的溫度梯度區。由于熱蒸汽的作用，使得渣滾筒上部溫度分布相對均勻。由于筋板的多面散熱，在筋板上形成較為明顯的溫度變化。由于熱傳導路徑和散熱，前后托圈、齒輪、托輪和止推輪的溫度不是很高。

圖3 渣滾筒主體結構的溫度場分布云圖

3.2 熱應力計算結果分析

圖4為溫度載荷作用下渣滾筒的熱應力分布。從筒體外部和內部來觀察整體應力水平，可發現部分區域應力較高，部分應力水平低，有明顯的分界。渣滾筒局部熱應力分布于： (1)進渣口，進渣側錐面，外部筋板和出渣口內部；(2)進渣側托輪與托圈，以及相應的托輪支撐筋板和滾筒支撐筋板；(3)出渣側托輪與托圈，以及相應的托輪支撐筋板和滾筒支撐筋板；(4)出渣側止推輪與托圈，以及相應的止推輪托輪支撐筋板和滾筒支撐筋板。圖3為渣滾筒局部位置相應的mises應力-位置曲線圖。

4 結論

本文采用三維非線性有限元方法，針對煉鋼渣滾筒的筒體及其附件(托圈、托輪、止推輪等)之間的約束關系，嚴格按照實際工程結構建立有限元分析模型。再結合運行中渣滾筒的表面溫度(用紅外熱成像儀測量)，分析了渣滾筒在渣處理過程中承受的溫度載荷以及所產生的熱應力的分布。

分析結果表明：

(1)對渣滾筒，部分區域應力較高，部分應力水平低，有明顯的分界；

(2)筒體進渣側錐面及外部筋板，最大應力達500 MPa，出現在入渣的檐口區域；

(3)由于鋼渣、水蒸汽的熱輻射影響，蓖條的最大熱應力幅值為191 MPa；

(4)進渣側托圈最大應力達282 MPa，最大應力出現在U形墊板與托圈的聯接部位，或者與筒體的聯接部位；

(5)出渣側托圈最大應力達335 MPa,出現在與出渣側托的輪接觸線上；

(6)進渣側托輪、出渣側托輪、止推輪的最大熱應力均高達300 MPa以上，在支撐筋板上的熱應力更加明顯。

圖4 渣滾筒主體結構的熱應力場分布云圖

圖5 渣滾筒主體結構的熱應力場分布云圖

若許用應力取為200 MPa，最大熱應力幅值已經超出許用應力，說明熱應力對渣滾筒影響很大，在對筒的強度分析和疲勞分析不可忽略。

本文的計算分析結果可用于指導該渣滾筒的運行、安全性評估，并為結構強度評估和優化設計提供可靠的理論依據。

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