钢包回转台底座及圆壁对接焊缝处开人孔分析

刘俊日，孙云双，魏 玲

(宝钢工程技术集团有限公司，上海201900)

钢包回转台底座及圆壁对接焊缝处开人孔分析

刘俊日，孙云双，魏 玲

(宝钢工程技术集团有限公司，上海201900)

钢包回转台底座是连铸设备的主要承载结构件，其强度和刚度必须符合要求。因其是焊接件，开孔位置和焊接工艺对于整体结构的应力集中和负载下的应变分布都有重大影响。本文通过有限元分析对钢包回转台底座的应力、应变分布进行了数值模拟研究。考虑了底座、圆壁上内、外侧筋板的分布对设备的变形和安全系数的影响，并找出了最大变形量和最小安全系数的位置。根据模拟计算结果，检验了当人孔开在圆壁对接焊缝处时，设备可靠性满足要求。

底座;筋板;焊缝

0 前言

钢包回转台的底座承载着上部旋转体、钢包、钢液的重量以及装满钢液的钢包坐包时的冲击。底座的圆壁是由一块钢板弯曲成形，开坡口对焊而成。圆壁表面切割人孔，以便于进入钢包回转台内部，对流体旋转接头、电气滑环等进行流体配管、电气配线等的安装和维护。本文对某钢包回转台的底座建模，按照不同的工况，进行应力、应变分析，并检验当人孔开在圆壁对接焊缝处时，设备的可靠性。

钢包回转台底座如图1所示，主要由顶板(通过高强度螺栓副与回转轴承相连)、圆壁(表面切割人孔)、内部筋板、外部筋板组件、底板组件(通过螺栓副与钢包回转台预埋基础框架相连)等组成。图1也标注了人孔位置、钢包回转台回转驱动位置、钢包回转台受包位置和浇铸位置的相对关系，受包位置在钢包坐包时，会产生一定的冲击。

1 与钢包回转台底座受力有关的基本参数

回转体重量/kN 1 910

回转半径/mm 5 500

空钢包重量/kN 1 000

满钢包重量/kN 2 000

冲击系数 钢包坐包时，取1.2;最大取2.0

图1 底座总图Fig.1 Base of ladle turret

钢包回转台底座为整体焊接结构，材料选用Q345D，该材料的屈服极限因厚度不同为275～345 MPa，本文选取屈服极限为275 MPa，对整个钢包回转台底座进行应力、应变分析。

在生产中，钢包回转台底座受力主要为轴向载荷、径向载荷和倾翻力矩。针对不同工况，计算得出钢包回转台底座受力见表1。从表1可以看到，工况6(一侧满包，一侧无包，钢包坐包时，冲击系数为2.0)钢包回转台底座受力最大。故按照工况6，对其进行应力、应变分析。

表1 不同工况下的钢包回转台底座受力情况Tab.1 Force exerted on base of ladle turret under different working condition

2 有限元分析

按照工况6，以钢包回转台底座的底平面为固定约束，将轴向载荷5 910 kN，倾翻力矩22 000 kN·m，加载在顶板上，进行有限元分析和计算，结果如下。

从图2(安全系数)可以看到，钢包回转台底座安全系数的最小值处于与人孔孔板相连的外部筋板下部的应力集中处，发生在外部筋板上。其值为2.52，大于安全系数许用值1.7～2.2，满足要求。如果想加大该处的安全系数，只需加大该筋板与孔板的接触面积即可。此外，可以看到本文校核的目的，人孔处圆壁钢板的安全系数远远大于许用值。

从图3(变形图)可以看到，设备的最大变形量处于开人孔上方顶板与外部筋板组件的连接处。

3 对圆壁对接焊缝处开人孔的应力、应变分析

3.1 圆壁对接焊缝处开人孔

在制造钢包回转台底座时，制造厂操作工将人孔开在了圆壁对接焊缝处。如图4所示。

为此，提出了四种解决方案:⑴目前开孔的位置不变，对孔周边的筋板布置进行调整或加强。(2)切割人孔区域两侧的整体钢板，重新拼接、整形。(3)在人孔的位置落人孔状料，补焊。(4)报废重做并提供进度计划。显然，方案(1)最理想。方案(4)不但会造成一定的经济损失，而且严重的影响了设备的交货周期。用有限元分析检验方案(1)是否可行性。

图4 开在圆壁对接焊缝处的人孔Fig.4 The hole of opened at the buttweld on the wall

3.2 钢材的可靠性、焊缝的可靠性及焊缝热影响区分析

首先，圆壁是由厚度40 mm的Q345D钢板弯曲成形，开坡口对焊而成，钢板要按照厚钢板超声波检验方法进行检测，并满足要求。其次，焊缝必须是双坡口T型熔透焊接，进行100%UT和100%MT无损探伤，并完全符合相关焊接工艺、标准的要求。第三，对焊缝的热影响区范围及该处的抗拉强度进行分析。

3.3 有限元分析

圆壁人孔、焊缝位置如图5所示，对接焊缝距人孔中心线弧长110 mm，焊缝的左、右两侧各有5 mm宽的热影响区。根据对接焊缝的位置，内、外筋板的位置不必进行调整。

钢包回转台底座的等效应力如图6所示，其最大值仍是外部筋板的位置。对等效应力进行区域划分，焊缝两侧热影响区中的最大等效应力均低于21.9 MPa，按照等效应力21.9 MPa，进行安全系数计算。焊缝热影响区中，屈服强度降低系数为0.85，圆壁材质Q345D的屈服极限为275 MPa，则此处安全系数=275×0.85÷21.9=10.7远远大于安全系统的许用值。

对本钢包回转台底座而言，只要满足本文因此关于材质、焊接、探伤等工艺要求，人孔开在钢包回转台底座圆壁对接焊缝处，也可满足钢包回转台的使用要求。当然，在实际设计和制造中，应该避免这种情况的发生，将人孔和焊缝错开一定的角度，明确标注将焊缝放在距离人孔30°，钢包受包侧60°之间，钢包回转台底座的应力分布将更均匀、可靠。

4 结论

通过对钢包回转台底座进行有限元受力分析，可以找出设备的最大变形区域，安全系数最小区域，从而保证内、外筋板的合理布置，并有针对性地进行加强。另一方面，针对焊接、装配过程中出现的问题，通过有限元受力分析，对设计和制造提供参供，有效地保证设备设计和制造的安全性和经济性。

［1］刘俊日．钢包回转台回转臂有限元分析 ［J］．中国重型装备，2009(2)．

［2］马朝晖，屈朝霞，王海涛．Q345GJD特厚板的焊接性能研究［J］．钢结构，2009(1)．

［3］糟谷正．钢焊接热影响区硬度的预测和必要预热温度的选定［J］．世界钢铁，1996(2)．

Analysis of side hole at buttweld on wall of base for ladle turret

LIU Jun-ri，SUN Yun-shuang，WEILing
(Baosteel Engineering Technology Group Co．，Ltd．，Shanghai201900，China)

Asmost important supporting part of ladle turret，the base is strict in its hardness and stiffness in engineering．Since it is a welded unit，the position of the side hole and welding process influence the distribution of stress and strain of the over-all structure greatly．The numerical simulation for stress and strain distribution of ladle turretbasewas conducted with finite elementanalysis．In consideration of the effectof the distribution of internal and external ribbed plates on deformation of the base and security coefficient，the weakest point was found．The simulation resultshows thatwhen the hole is opened at the buttweld on thewall，the security of the base canmeet the requirements of the whole equipment．

base;ribbed plate;weld line

TF066

A

1001－196X(2012)05－0086－03

2012－02－06;

2012－04－13

刘俊日(1972－)，男，宝钢工程技术集团有限公司，高级工程师。