摘要：对某钢铁公司1号转炉托圈进行了现场温度测试．根据测试结果运用有限元数值仿真技术对该转炉托圈进行三维温度场仿真及热机耦合应力分析，结果发现内筋板应力水平过高，这与实际托圈内筋板的过早损坏是完全一致的。为降低托圈综合应力水平，应对筋板进行适当的结构改造，对比分析各方案，得到了合理的改造方案，为转炉托圈的设计与使用提供了依据。

关键词：转炉托圈；有限元；温度场；热机耦合；结构改造

      转炉托圈是转炉的重要部件，它支撑炉体并驱动炉体转动。托圈工作时受机械应力与热应力的耦合作用，产生极高的局部应力。某些部位尤其是内筋板，一方面因为冷却水的冷却作用，在通水孔附近产生很高的局部温差热应力，另一方面因为通水孔过渡圆弧半径较小而产生较高的机械应力，以致该处的综合应力水平极高。内筋板如果在高应力下长期工作，极易过早发生断裂破坏。内筋板一旦破坏，托圈的支撑能力势必大大降低，这将影响炼钢的安全生产。因此，对某钢铁公司1号转炉托圈，运用有限元数值仿真技术，对内筋板通水孔进行结构改造，寻找合理的通水孔型，以降低托圈工作应力。

1  分析方法

    计算托圈应力的传统方法是数值理论计算，而托圈工作时的实际影响因素极多，传统理论算法无法考虑周全。我们运用大型有限元分析软件对1号转炉托圈进行有限元三维热机耦合应力计算。针对内筋板易发生断裂破坏(高应力)的特点，对内筋板进行合理改造，并计算改造后托圈的应力分布，对比分析各个方案的计算结果后，得出最优的改造孔型。工作内容如下：(1)对该钢厂1号转炉托圈进行现场温度测试；(2)对托圈进行三维温度场仿真；(3)对内筋板通水孔型进行多种结构改造，计算典型工况各方案应力结果；(4)对结果进行分析对比，提取最佳筋板孔型。

2托圈温度场的现场测试

2．1  测试条件

    温度场测试工具为ThermaCAM P30便携式红外热像仪，其性能参数如下：温度测试范围为一40～1 000℃；测试距离0．5～20 m。测试对象是1号转炉托圈的上下盖板、通风孔及外腹板。转炉托圈的基本情况如表1。

2．2  测试结果

    测试1号转炉托圈典型位置温度得到的温度图像及分析结果曲线见图1～3。

  由图1～3可见：内腹板上侧温度较高；上、下盖板呈现由内沿向外沿衰减趋势；出钢与出渣侧温度较高；耳轴连接部位温度较低。

    为了知道1号托圈内腹板中部温度与托圈中部内外腹板之间的温度差，对通风孔也进行了温度测试，测试结果如下：

    (1)通风孔内表面温度沿托圈厚度方向呈近似直线的变化规律，且内侧高于外侧；

    (2)70⁰及110⁰处托圈内腹板温度分别为154、157℃。

3有限元仿真计算

3．1  建立有限元模型

    对托圈进行有限元分析，首先要建立热分析模型。托圈属于矩形截面的环形金属结构件，内部支有筋板。托圈有两个在互成180⁰的位置上安装的耳轴(见图4)。在建立有限元力学模型时，采用三维六面体热分析单元。对不同材料部位采用不同的材料模型进行单元划分。

在托圈内部都装有支撑筋板，目的是增大托圈的支撑能力；筋板中部的通孔是保证冷却水的顺利流通，因此通水孔改造有几个基本的前提条件：(1)保证筋板的机械支撑能力；(2)保证托圈内冷却水的顺利流通；(3)减小应力(热应力与机械应力)集中.如此最为有效的方式就是增大孔型的圆角半径,以减小热应力与机械应力.其原始有限元模型及改选后有限元模型网格如图5.

3.2温度场仿真分析

温度场的仿真具体操作分以下两步.

3.2.1施加热边界条件

  (1)托圈内腹板及上下盖板内沿面施加温度载荷;(2)托圈外腹板及通风孔施加换热系数;(3)两耳轴连接端施加低温载荷.

  托圈外腹板是自然对流与辐射换热的叠加,帮该处综合换热系数可通过式(1)确定:

   通风孔内表面采用空气喷吹冷却,托圈内表面采用通水冷却,均为强制对流换热,故该处的综合换热系数由式(2)确定:

    式(1～2)中，α为换热系数，对流换热系数与辐射换热系数之和；L为定型尺寸；λm为导热系数；Pr为普朗特常数；g为重力加速度；tw、Tw分别为热面的摄氏温度和绝对温度；tf、Tf为周围环境介质(空气或水)的摄氏温度与绝对温度；βm为空气的容积膨胀系数；Re为雷诺数；d、L、H分别为喷孔直径、喷孔问距以及喷孔距热面距离；ε为系统黑度；C为黑体的辐射系数。

3．2．2调试温度仿真模型的计算结果

    热应力计算结果的准确与否完全取决于温度场模拟结果的真实性。根据实测结果，调试热分析模型的边界条件，使托圈温度场与实测结果一致。具体调试对象如下：(1)换热边界分布；(2)换热流体的温度；(3)温度载荷分布。

3．3  热机耦合应力计算

    通过炉体峰载、最大倾动力矩时托圈工况来获取托圈的应力分布。此时托圈内通有水冷、间隙良好、满载且倾动力矩达最大值。对托圈进行热机耦合计算，具体分为以下两步：(1)转换热分析模型为结构分析模型；(2)施加热机耦合边界条件。对托圈进行热机耦合分析所需的边界条件主要有位移、外力与白重。具体为：①两耳轴上施加径向约束，固定端耳轴的截面上施加轴向约束；②施加重力加速度；③将炉体的重力及倾动力矩分配于托圈上盖板3对支撑耳的内弧面上，此时托圈须绕耳轴中心转动一角度，角度值为炉体最大倾动角，以模拟炉体峰载时最大倾动力矩的托圈受力；④施加托圈的温度场载荷。同时需注意两点：(1)炉内装有钢液时(峰载时钢液重100t)；(2)托圈内通有冷却水时，需考虑水重力对托圈应力的影响。

3．4仿真结果对比分析

    分别对改造前后的托圈进行同等边界条件的热机耦合分析，分别提取典型位置托圈温度场及托圈内与耳轴成90⁰角的筋板应力结果，可得云图见。图6～7。

由图6～7的云图可知：(1)改造前筋板的应力分布极不均匀，通水孔的上下拐角处出现较大的应力集中；(2)方案1的应力分布比之原始孔型略有改善，由于圆弧半径增大，应力集中得到了一定的遏制；(3)方案2的应力分布均匀，在通水孔的上下小圆弧拐角处出现应力集中；(4)方案3的应力分布均匀，与内外腹板的连接处应力水平基本相当，在圆孔的周向也出现应力集中，但由于圆孔半径较大，因此应力水平不高；(5)方案4的应力分布最为均匀，但由于圆孔半径较小，无法避免较大的应力集中.

支撑筋板的孔型经过改造后，筋板支撑能力必然发生相应的改变，这将影响整个托圈的支撑能力。根据托圈的有限元计算结果，可得托圈的最高应力值以及相应的应力危险区，如表2所示。

由表2可知，方案3与方案4的应力水平较低，且托圈的最高应力区为支撑耳轴，因此可靠性大大加强。由图6～7可发现，方案3便于制造且应力水平最低，不失为一个理想的改造方案。

4  结  论

通过1号转炉托圈的现场温度实测，利用有限单元法的数值仿真技术，对1号转炉托圈进行了三维温度场与热机耦合应力分析，发现原始筋板应力水平过高，极易发生断裂破坏。为降低托圈综合应力水平，对筋板进行了适当的孔型改造。在同等边界条件下，对改造后托圈分别进行了热机耦合应力计算，并对比分析托圈的应力计算结果，发现了可行的改造方案——双孔方案。双孔方案在保证托圈的支撑能力同时，大大降低了托圈的整体应力水平，增大了托圈的工作可靠性，有效阻止了托圈破坏。