陶瓷輥棒的結構熱力學有限元分析

1前言

隨著寬體輥道窯的大面積上線和陶瓷大板、巖板的生產熱潮，采用“細棒密排\"技術來解決陶瓷大板、薄板的“棒痕”等缺陷成為業界共識，這對陶瓷輥棒高溫承載強度和抗熱震性等性能提出了更加苛刻的要求。目前，主要通過配方的升級迭代或優化陶瓷輥棒的燒成制度來提高陶瓷輥棒的高溫承載強度和抗熱震性等性能2。然而，配方的升級迭代往往增加高值原材料的比例和成分，導致陶瓷輥棒的生產成本增加、產品效益降低，不利于提高產品競爭力。而優化陶瓷輥棒的燒成制度則需要多次實驗尋找最優的燒成曲線，時間周期長。

事實上，結構設計也是影響高溫結構部件性能指標的重要因素。陶瓷輥棒歸屬于高溫結構部件，但以往忽視了結構設計對其性能的影響。因此，分析物理性能屬性相同結構設計不同的陶瓷輥棒性能差異，對于陶瓷輥棒而言具有重要的意義。

考慮到通過系統的實驗檢測陶瓷輥棒性能不僅需要消耗大量的試樣和時間，而且僅通過實驗手段難以全面合理地弄清高溫服役條件下陶瓷輥棒結構設計對其性能的影響。在本文中我們設計了軸斷面不同物理性能屬性一致的四種陶瓷輥棒，采用有限元對比分析它們高溫承載性能和抗熱震性能差異，從而得到一種優異的陶瓷輥棒的結構設計。

主要工作包括：（1）高溫承載強度研究，利用有限元法系統分析四種陶瓷輥棒模型在相同溫度下，軸斷面的形狀對陶瓷輥棒基體熱應力的定量影響；（2）考慮到水淬法實驗只能定性檢測陶瓷輥棒的抗熱沖擊性能，為了進一步考慮陶瓷輥棒的結構對溫度的敏感性，采用有限元法定量分析軸斷面形狀不同的陶瓷輥棒在冷卻環境溫度下的熱應力的差異。

2研究方法

2.1陶瓷輥棒的結構熱力學分析參數

設計如圖 1（M1～M4） 所示的四種不同形狀的陶瓷輥棒軸斷面，并在三維建模軟件中建立陶瓷輥棒實體模型用于高溫承載強度和抗熱沖擊性能研究。四種陶瓷輥棒的長度、壁厚和外徑一致，長度均為 5.2m ，壁厚均為7mm ，外徑為 60mm 。在三維建模軟件中建立如圖1（M5）所示的水箱模型用于四種陶瓷輥棒的抗熱沖擊性能研究，水箱長度為 5.26m ，寬度和高度均為 120mm 。水箱除了底面外其余各表面都能被空氣冷卻，對流換熱系數為0.5W/ （m².^°C） ，環境溫度為 25°C ，水箱內水的溫度為20% ，水的密度為 1000Kg/cm³ ，導熱系數為 0.59W（m.K） ，比熱為 4200J/（Kg.^°C） 。高溫碳化硅陶瓷輥棒平均導熱系數為 45W（m.K） ，彈性模量 57GPa 泊松比 0.3^[3] 。表1為碳化硅陶瓷輥棒不同溫度范圍的線熱膨脹系數。

在進行陶瓷輥棒高溫承載強度的結構熱力學有限元分析時，將三維建模軟件中建立的陶瓷輥棒模型導入有限元分析軟件，并賦予陶瓷輥棒模型結構熱力學分析參數。陶瓷輥棒模型被劃分為79787個單元，53705個節點，網格單元類型為四面體單元。有限元分析時穩態熱力學模塊定義陶瓷輥棒模型服役時所承受的熱力學溫度為 1000°C ，軟件求解計算后可得到陶瓷輥棒服役時的溫度場分布。將獲得的溫度場分布結果作為陶瓷輥棒模型靜力學模塊求解的溫度加載條件，同時對陶瓷輥棒的兩端進行自由度約束，并對陶瓷輥棒的外表面施加相同的載荷，軟件求解計算后可以得到軸斷面不同的四種陶瓷輥棒的熱應力大小和熱應力分布信息。

2.3抗熱震性能研究

在進行陶瓷輥棒抗熱震性能的結構熱力學有限元分析時，為了仿真水淬法檢測陶瓷輥棒的抗熱震性能。將所建立的陶瓷輥棒模型與水箱模型在三維建模軟件中裝配，陶瓷輥棒模型位于水箱模型的正中央位置。之后將陶瓷輥棒模型與水箱模型裝配體導入有限元分析軟件中，并分別賦予陶瓷輥棒模型和水箱模型抗熱震性能研究所需參數。水箱模型和陶瓷輥棒模型設置成綁定，陶瓷輥棒模型被劃分為79787個單元，53705個節點，水箱模型被劃分為36035個單元，18597個節點，網格單元類型為四面體單元。環境初始溫度 20% 。水箱初始溫度 20% ，陶瓷輥棒初始溫度 1000^°C ，水箱與空氣對流換熱。靜態熱力學模塊中使陶瓷輥棒和水箱的溫度被加載賦予。瞬態熱力學模塊求解陶瓷輥棒模型的溫度場分布。水淬法檢測陶瓷輥棒的抗熱震性能時，陶瓷輥棒模型的熱應力用靜態結構模塊求解可以得到軸斷面不同的四種陶瓷輥棒的熱應力大小和熱應力分布信息。

3結果與討論

圖 2（a～d） 所示為軸斷面不同的四種陶瓷輥棒的高溫承載強度研究所得到的熱應力大小和熱應力分布信息。圖 2（a～d） 所示的陶瓷輥棒的軸斷面形狀分別對應圖1（M1～M4）所示的四種陶瓷輥棒軸斷面。從計算結果可以看出四種陶瓷輥棒在相同的服役工況下的熱應力的最大值數值從高到低依次為圖 2（b）gt; 圖 2（c）gt; 圖2（a）gt; 圖2（d）。熱應力的最大值數值最小的陶瓷輥棒為圖2（d）也即圖1（M4）所示的軸斷面形狀的陶瓷輥棒。此外，軸斷面不同的四種陶瓷輥棒的熱應力分布都比較均勻沒有特別嚴重的熱應力集中區域。

陶瓷輥棒作為高溫結構材料，在輥道窯內的高溫環境中服役時持續受到交變熱應力作用并承受自身重力及所載產品重力，陶瓷輥棒的結構損傷、破壞機理非常復雜。此外，陶瓷輥棒在制備過程中其內部不可避免會產生微裂紋，且微裂紋的尺寸大小不一，具有較大的隨機性。微裂紋周圍會存在應力集中現象，應力集中會使得陶瓷輥棒在外界應力作用下對其內部缺陷產生較大敏感性。為了減少微裂紋對陶瓷輥棒基體的損傷，延長疲勞斷裂的時間。陶瓷輥棒在輥道窯窯內服役時，陶瓷輥棒受到熱應力應盡可能小。且考慮到微裂紋在陶瓷輥棒基體的分布的隨機性，因此，陶瓷輥棒受到的熱應力也應盡可能均勻分布。

通過前文的陶瓷輥棒高溫承載強度的結構熱力學有限元分析不難知道，就高溫承載強度方面來說，要想提高陶瓷輥棒的服役安全性和可靠性，在選用陶瓷輥棒時可優先選用內外表面都有齒形的陶瓷輥棒（圖1（M4）所示）。此種軸斷面形狀的陶瓷輥棒在相同的服役工況下所受到的熱應力相對小，可以提高陶瓷輥棒服役時的承載強度。同時，此種軸斷面形狀的陶瓷輥棒也能有效減輕陶瓷輥棒的結構質量

圖 2（e～h） 所示為軸斷面不同的四種陶瓷輥棒的抗熱震性能研究所得到的熱應力大小和熱應力分布信息。圖 2（e～h） 所示的陶瓷輥棒的軸斷面形狀分別對應圖1（M1＼～M4）所示的四種陶瓷輥棒軸斷面。從計算結果可以看出仿真水淬法檢測四種陶瓷輥棒的抗熱震性能，陶瓷輥棒的熱應力的最大值數值從高到低依次為圖2（fgt;圖 2（g）gt; 圖 2（e）gt; 圖2（h）。熱應力的最大值數值最小的陶瓷輥棒為圖2（h）也即圖1（M4）所示的軸斷面形狀的陶瓷輥棒。此外，值得注意的是軸斷面不同的四種陶瓷輥棒的熱應力分布都不均勻但沒有特別嚴重的熱應力集中區域。因此，要想提高陶瓷輥棒的抗熱震性能，在設計陶瓷輥棒時可考慮在其內外表面增設齒形如（圖1（M4）所示）。

事實上，陶瓷輥棒從輥道窯窯爐內拔出到冷卻環境中，其所承受熱沖擊時的溫度變化跨度大，采用相對簡單的仿真水淬法檢測陶瓷輥棒的抗熱震性能，難以充分地反映陶瓷輥棒在真實服役時受到的熱沖擊情況。盡管如此，由于實驗條件的限制和表征方法的缺乏，以及冷卻介質溫度影響陶瓷輥棒的抗熱震性能研究不完善。本文對陶瓷輥棒的抗熱震性能的研究結果對陶瓷輥棒的研制、設計及力學性能評價和優化仍具有一定的參考意義。

4結論

陶瓷輥棒的內外表面增設齒形是一種優異的結構設計，可以相對提高陶瓷輥棒的高溫承載性能和抗熱震性能。

參考文獻

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