钢厂用炉底辊的结构优化及成本控制∗

侯瑞雪

（包头钢铁集团机械设备制造公司，内蒙古包头 014010）

钢厂用炉底辊的结构优化及成本控制∗

侯瑞雪

（包头钢铁集团机械设备制造公司，内蒙古包头 014010）

采用有限元分析软件ANSYS对钢厂用炉底辊主要结构（内伸轴直径、内圆板厚度等），在不同温度、载荷下的应力及变形状态进行分析。通过结构优化提高炉底辊的强度和刚度，同时为兼顾产品经济性进行了成本控制设计。

ANSYS；炉底辊；结构优化；成本控制

1 引 言

炉底辊是一种典型的离心铸造管件，是冶金装备中支撑和输运板坯的重要部件之一，在钢板连铸连轧生产线中应用广泛［1］。轧制成过程中，首先需要将钢坯在加热炉中连续稳定加热至1 050～1 150℃的轧制温度，通过炉底辊实现板坯的稳定支撑，保证平稳而均匀的输送。由于炉底辊中间段直接安装于钢坯煅烧炉中，生产过程中炉气温度高达1 150℃左右，通常采用ZG45Cr28Ni48W5Si2等高温合金材料制造。同时，由于炉底辊中间的托料部分直接安装于炉内，而锥段和轴承支撑部分分别安装于炉壁内和锻烧炉之外，炉底辊的不同部位的温度梯度很大，因此炉底辊一般由筒体、锥体和轴相互焊接而成，为了减小对锥体内表面的烧损，在锥体内侧设计有隔热板。为保证高温板坯的平稳输送，要求辊轴不变形、外辊环耐热耐磨。

研究表明［2－3］，在冶金行业中炉底辊使用量大，制造成本高，长期处于高温重载的工况条件，易于发生失效损坏，而焊缝断裂、轴颈断裂、连接体断裂是炉底辊失效的几种主要形式。其中主要原因包括：高温镍基合金的焊接性能差，容易产生焊接裂纹等缺陷；焊缝处承受拉－压交变应力载荷作用，易于发生疲劳断裂；焊缝处是冷热交界区，大温度梯度的存在导致热应力，热应力将加速其断裂。虽然从材料和焊接角度尝试进行改进，但使用寿命方面一直没有取得明显的效果。因此通过结构优化，改善钢厂用炉底辊性能并提高其使用寿命，可能是提高产品的质量，增强市场竞争力有效途径，具有重要的研究价值。

2 钢厂用炉底辊的有限元分析

（1）建立有限元模型 根据炉底辊的实际结构尺寸，采用有限元分析软件ANSYS进行分析，建立炉底辊有限元模型。在建模过程中，对原结构作了一些适当简化，主要忽略了各种摩擦的影响，同时认为各位置焊接均为理想焊接。

根据计算精度的要求，对模型进行有限元网格剖分。其中薄壁部分均采用壳单元（Shell 63），轴、环板部分均采用实体单元（Solid 98），完成相应单元实常数和有关材料参数的定义工作（杨氏模量EX＝206，热膨胀系数为0.45E－6，泊松比为0.28，密度为7 800）。

图1 钢厂用炉底辊及其基本结构示意图

（2）确定约束条件 在分析过程中，除炉底辊轴两端表面上x方向的角位移自由外，其它线位移和角位移均加以限制，在有限元模型的对称边界施加对称约束，以保证变形的对称性。

（3）求解及结果处理 通过分析炉底辊在钢坯压力、自重、扭矩以及炉内温度（1 050℃）等载荷作用下Y方向变形以及应力分布状态。

图2 钢厂用炉底辊的ANSYS分析结果

由图2所示结果可知，炉底辊柱锥焊缝处应力最大，而此处焊缝强度较低，这可以从一定程度上解释焊缝断裂为主要失效形式的原因。因此，需要通过结构优化设计来改善应力分布状态，尽可能减小柱锥焊缝处的应力。

3 炉底辊的结构优化分析［4］

（1）伸长轴直径对炉底辊力学性能的影响 通过下面图3分别给出的结果可知，随着炉底辊的增大，扭转变形合成矢量值随之减小，由0.664E－3降低为0.512E－3，提高了炉底辊的刚度；但伸长轴直径由40 mm增大至60 mm时，炉底辊最大应力值并无明显改变，设计时伸长轴直径d一般取60 mm左右。

图3 伸长轴直径d对炉底辊静态性能的影响

（2）环板厚度对炉底辊力学性能的影响 通过下面图4分别给出的分析结果可知，炉底辊的环板厚度变化时（t＝50 mm、t＝100 mm），对炉底辊的强度和刚度影响较为明显；环板的厚度减小时，影响到整个炉底辊的强度和刚度减弱，从而增加了炉底辊在钢坯自重、电机驱动和炉内温度共同作用下发生破坏的可能性，因此设计时可适当增大环板厚度尺寸。

图4 环板厚度t对炉底辊静态性能的影响

4 钢厂用炉底辊的成本控制

机械装备的制造成本一般由材料成本和加工成本构成，前者由材料种类和毛坯尺寸所决定，后者由人工费用和设备费用组成。由于机械装备的复杂性，机械装备的成本控制一直是难题，降低制造成本的有效途径是在实施源头控制，即在产品开发设计阶段分析成本组成，分析零部件结构形式对制造成本的影响，通过修改设计方案、优化加工过程以达到降低成本的目的。

（1）在钢厂用炉底辊设计中既要综合考虑轴颈大小、环形板厚度、环板位置等关键结构尺寸，同时在设计过程兼顾产品的经济性，以控制每个零件的制造成本。

（2）选择材料种类时，根据零件结构特点确定毛坯类型。由于长期在高温环境下工作，筒体选用耐高温镍基合金通过离心铸造而成，锥体采用砂铸后加工而成，而轴则选用高温合金锻造而成。

（3）降低材料用量。在满足炉底辊强度、刚度、焊缝强度的基础上，控制环形板厚度、轴颈尺寸及上环形板位置，减少材料总体用量。

设计选用适当的焊接形式和工艺。由于焊缝承受交变载荷，通过选择适当的焊材、坡口形式、工艺参数及热处理方式，在保证工艺稳定性的同时，节约材料，提高产品的经济性。

总之，在机械装备产品设计阶段降低制造成本是一个复杂的过程，影响因素较多，只有通过分析产品材料、结构、工艺与成本之间的联系，建立合理完善的产品－成本模型，才能提高产品质量，并从源头上实现机械装备的成本控制。

［1］ 邹家祥.冶金机械设计理论［M］.北京：冶金工业出版社，1998.

［2］ 徐国涛，张洪雷，王 悦.钢铁工业用陶瓷炉底辊的结构与改进方法探讨［J］.陶瓷科学与技术，2008（7）：18－20.

［3］ 余春燕，张小清.炉底辊传动结构优化设计及应用［J］.冶金设备，2009（2）：26－28.

［4］ 董龙梅，杨 涛，孙 显.基于ANSYS对压力容器的应力分析与结构优化［J］.机械设计与制造，2008（6）：99－100.

Structure Optimization and Cost Reduction of the Furnace Bottom Roller

HOU Rui－xue

（Baotou Steel Group Machinery Manufacturing Company，Baotou Mongolia 014010，China）

FEA software ANSYS is applied in stress and strain distributions analysis of key structures in various working condi⁃tions for the furnace bottom roller.Both the structure optimization design and the cost reduction evaluation is carried out，With the results，the mechanical strength，stiffness and product economical efficiency of the furnace bottom roller are improved.

ANSYS；furnace bottom roller；structure optimization；cost reduction

TH12

B

1007－4414（2013）04－0144－02

2013－06－17

侯瑞雪（1964－），女，山西太原人，工程师，主要从事冶金机械装备制造、产品成本管理等方面的科研工作。