钢渣渣罐的热强度分析及结构改进.doc

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1、冶金之家网站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

2、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

3、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

4、和辐射换热影响，因此加载时要考虑受自然对流换热系数hc和热辐射换热系数hr共同影响的综合对流换热系数ht，综合对流换热系数可表示成：ht=hc+hr(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冶金之家网站℃，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．

5、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

6、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———冶金之家网站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

7、。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

8、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