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钢渣渣罐的热强度分析及结构改进

王厉刚^①1，蒋娟娟¹，孙德标²，马学东²

(1．秦冶重工 河北 秦皇岛 066004；2．辽宁科技大学 辽宁 鞍山 114051)

摘 要：针对某型号渣罐的使用寿命低的问题，以有限元为手段，以ANSYS软件为工具，对该渣罐进行了热强度分析。在此基础上，结合板壳强度及疲劳理论，对该型号渣罐进行了改进，改进后的渣罐已应用于工程实际，且使用寿命显著延长。

关 键 词：钢渣渣罐；热强度结构改进；有限元；方法

1 引言

渣罐是炼钢过程中存放钢渣的容器，出钢前，冶炼炉首先向渣罐倒渣，其钢渣的温度达到了1600℃左右。因此，渣罐承受的热载荷是巨大的。

同时，盛渣和空罐时间不同，渣罐的温度也是变化的，因此渣罐所受的热载荷比较复杂^[1－2]。

所分析的渣罐为某重工集团2012年11月为西亚某国制造的，罐壳铸造成型，材料为ZG25，罐壳上设有耳轴、支撑腿以及吊耳，耳轴座上下部有筋板支撑。渣罐的罐口直径为4．1m，渣罐高为3．9m。造价30余万元。渣罐如图1所示。该渣罐在使用不到一个月的过程中，吊耳、耳轴、支撑腿与罐壳过渡处出现多处开裂，渣罐不能使用，经静力分析其机械强度足够，因此，对该渣罐进行热强度分析，以便找出渣罐使用寿命低的原因。

2 温度场分析

进行有限元热强度分析，须取得温度载荷，因此，须首先进行温度场分析。

2．1 几何模型

依据图纸建立了整体的几何模型，采用Solidworks软件，未经任何简化而构建的，其整体几何模型如图1。

2．2 有限元模型

渣罐是关于xy和xz两个平面对称(见图1)，为减少计算量，有限元分析时简化成1/4模型，在ANSY中将其转化成有限元模型。模型采用三维实体单元SOLID70。利用ANSYS软件的智能划分网格工具，将渣罐进行网格划分，温度场计算中涉及到材料的热膨胀系数、比热容等物性参数来源于有关文献^[3－5]。

2．3 热边界条件

渣罐的内表面定义为第一类边界条件———平均温度，为1600℃。渣罐的外表面受自然对流和辐射换热影响，因此加载时要考虑受自然对流换热系数h_c和热辐射换热系数h_r共同影响的综合对流换热系数h_t，综合对流换热系数可表示成：

h_t=h_c+h_r(1)

2．4 温度场结果

经求解得到如图2的温度云图，由图2可知，吊耳与罐壳交接处T₁点的温度达到了560℃，支撑腿与罐壳交接处T₂点温度达到了400℃，耳轴座下筋板与罐壳接触处T₃点温度达到了650℃，耳轴座上筋板与罐壳接触处T₄点温度达到了240℃。

3 热应力计算

温度载荷仅仅是一种表征，而热应力的大小是判断渣罐长寿化以及设计是否合理的定量指标之一，因此采用间接法进行热－应力耦合分析。

3．1 热应力计算

热应力分析所需的物性参数如弹性模量、热膨胀系数参照文献^[3－5]选取。

热应力的计算模型同温度场相同，转化单元类型，把热分析单元转化为结构单元，温度载荷以整个温度场的形式加入，即以文件形式加入，进行准静态应力分析。

3．2 热应力结果

加入两个对称约束，经计算得到的热应力如图3所示，由图3可知，耳轴下筋板与罐体的接触处热应力最大，达到2910MPa，远高于材料的屈服极限。耳轴上筋板与罐口边缘的接触处热应力达到648MPa，高于材料的屈服极限。吊耳和筋板与罐壳的接触处的应力达到324MPa～1620MPa，高于材料的屈服极限。支腿和罐壳的接触处达到324MPa。

以上分析可知，渣罐在使用过程中存在很大的热应力，且多处热应力均超过材料的屈服极限。

4 结构改进

4．1 疲劳理论

根据应力幅度和预期导致破坏所需的循环次数，可将疲劳分为以下两类：

4．1．1 高周疲劳

交变应力大小适中，在材料中几乎不产生或产生很小的塑性变形。处在这种载荷下的零件，在疲劳失效发生前可以承受最高循环次数为1000到106次。用来描述高周疲劳的方法称为是基于应力———寿命(S———N)的方法。该曲线反映导致疲劳失效所需的应力水平与循环次数的对应关系。

4．1．2 低周疲劳

交变应力具有较高的数值，并产生显著的塑性变形。由于较高的应力水平，零件在相对少的周期载荷下而失效，故此命名为低周疲劳。目前对于低周疲劳的研究和计算都不成熟^[6]。

根据渣罐实际工艺：盛渣、空罐完成一个周期需6小时，一昼夜使用次数为4次，一个月使用次数为120次，因此该渣罐的使用次数过少。根据热应力计算结果，该渣罐多处应力值超过屈服极限，渣罐将产生塑性变形。因此渣罐破坏属于低周热疲劳破坏。

4．2 改进方法

1)改进的方法是把渣罐现有的塑性变形通过结构改进使其变为弹性变形，即降低渣罐的热应力数值。使其由低周疲劳变为高周疲劳。

2)渣罐本体可以看成一薄壳结构，薄壳结构设计时：(1)应尽可能避免壳的局部地方有较大的垂直壳面的载荷，以免在这些地方造成较大的弯曲和扭转力矩；(2)为减小局部应力的边缘效应，有结构突变处要采用圆滑过渡形式。采取以上措施将使渣罐的热应力显著降低。

4．3 结构改进

1)因此渣罐结构改进主要从以下几个方面进行着手：(1)罐体下方支撑腿与罐体之间的过渡有“死角”。存在应力集中。

(2)由于耳轴及吊耳等对罐壳热膨胀的限制，形成了垂直于壳面的载荷，造成了局部罐壳的强度不足。

(3)支腿筋板与罐体的过渡圆角过小。罐壳热膨胀时，使壳在过渡处产生过大的弯曲力矩。

2)基于以上几点考虑，主要在以下方面做出了改进。

(1)增大支撑腿与罐体、筋板与罐体等接触处圆角，以减少过渡处形成的应力集中。

(2)在耳轴下方、吊耳下方附加加强板，增大罐壳厚度，提高壳抵抗弯曲和扭转力矩的能力，改进如图4所示。

4．4 改进后的效果验证

将改进后的模型取1/4，利用ANSYS软件将几何模型转化为有限元模型进行热应力分析，参数设置与改进前的相同。得到的等效热应力云图如图5。

通过热应力云图3和图5对比分析可知，耳图4改进后渣罐外形图图5改进后渣罐等效应力分布图轴下筋板与罐体的接触处热应力由原来的2910MPa减小到111MPa，低于材料的屈服极限。

耳轴上筋板与罐口边缘的接触处热应力由原来的648MPa减小到200MPa，低于材料的屈服极限。

吊耳和筋板与罐壳的接触处的应力由原来的324MPa～1620MPa这一区间降到了68MPa，远远低于材料的屈服极限。因此渣罐的疲劳破坏形式由低周疲劳转变为高周疲劳。

5 结语

1)改进后的设计方案解决了渣罐热应力过大的问题，渣罐疲劳破坏形式由低周疲劳转变为高周疲劳，增大了渣罐的使用次数，延长了渣罐的寿命。

2)依据本文改进后的渣罐于2013年4月应用于西亚某钢厂生产，至今仍在使用，说明改进是成功的。

参 考 文 献：

[1]   冶金工业部重庆钢铁设计研究院．炼铁机械设备设计[M]．北京：冶金工业出版社，1985．

[2]   蔡国书．冶金厂矿车辆构造与检修．北京：冶金工业出版社，1998．

[3]   从立明，刘溶冰，刘军．100t铁水罐的计算机仿真分析[J]．计算机辅助设计与制造，1999(8)：19－20．

[4]   任泽霈，梅飞鸣．传热学[M]．北京：中国建筑工业出版社，1993．

[5]   石大良．铁水包设计快速计算法．中国铸机，1994(3)：15～18．

[6]   陈超祥．Solid Works Simulation高级教程[M]．北京：机械工业出版社，2011．