铸铁烘缸设计制造基本问题的探讨

吕洪玉 张 弛，2 卞学询

(1.天津科技大学机械学院，天津,300222；2.焦作崇义轻工机械公司，河南焦作,454550)

·铸铁烘缸·

铸铁烘缸设计制造基本问题的探讨

吕洪玉1张 弛1，2卞学询1

(1.天津科技大学机械学院，天津,300222；2.焦作崇义轻工机械公司，河南焦作,454550)

根据多年设计实践和近年来的事故分析，讨论了铸铁烘缸设计制造中的两个最基本问题即强度理论应用问题和材料力学性能选取问题。提出在铸铁烘缸设计中应选用第一强度理论，不能选用Mises应力作为强度条件。在选用材料力学性能时，本体试棒抗拉强度不能用于强度的计算。

铸铁烘缸；设计；制造

(*E-mail: lhy1993@126.com)

造纸机用铸铁烘缸是造纸机干燥部的主要部件，是承受内压的压力容器，由脆性材料铸铁制造[1]，它的安全使用涉及到3个方面的问题，即设计、制造和正确使用。本文根据多年设计实践和近年来的事故分析，仅就设计、制造中的最基本问题进行讨论，以求为设计、制造中最基本的概念提供正确的方法。

1 关于铸铁烘缸应使用的强度理论问题

铸铁烘缸是由脆性材料铸铁制造的，灰铸铁的破坏没有塑性变形而直接发生断裂。因此，设计铸铁烘缸应使用第一强度理论，也就是最大主应力小于等于许用应力，见式(1)。

σ1≤[σ]

(1)

式中，σ1为最大主应力；[σ]为许用应力。

但实际设计当中，不少设计却使用Mises应力[2]作为强度条件。Von Mises于1913年提出了一个屈服准则，该屈服准则被称为Von Mises屈服准则。Mises应力就是一种当量应力，它是根据第四强度理论得到的当量应力，其内容为：形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因，其强度条件由式(2)表示。

(2)

式中，σ1、σ2、σ3为复杂应力状态下的3个主应力。

灰铸铁材料没有塑性变形而直接发生断裂破坏，因此不能使用第四强度理论的Mises应力作为强度条件。纵观近年来的破坏案例，不少的计算报告均以Mises应力小于等于许用应力作为强度条件，这是极其错误的。Mises应力主要考虑韧性材料在外力作用下会出现屈服状态，此时会产生晶间滑移，灰铸铁材料没有塑性状态，所以使用塑性材料的强度理论是不适宜的。

研究表明，在铸铁烘缸缸体部分最大主应力会大于Mises应力，而在法兰附近应力较复杂的情况下，3个主应力会出现负值，此时有可能会使Mises应力大于最大主应力，但这也不能成为以Mises应力作为强度条件的理由。

其次，使用应力分类法也是不合适的。应力分类法基于材料的塑性条件。在应力分类法中，热应力被认为是二次应力，但在铸铁烘缸设计中热应力是一个主要应力，有报告称热应力要达到总应力的40%[3]，但随着环境温度的降低，热应力会更大。因此，将铸铁烘缸设计中的热应力作为二次应力处理是不恰当的。所以不能用应力分类法来处理铸铁烘缸的强度问题。

近年来，由于技术进步，高压容器大多会使用高强度材料。这些高强度材料多表现出脆性性质，因此多采用断裂力学的方法进行压力容器的强度设计。而对于铸铁烘缸而言,采用断裂力学的方法过于繁琐，多年来的设计经验表明，铸铁烘缸采用第一强度理论进行设计是科学、可靠的。

2 灰铸铁材料的力学性能与强度设计

灰铸铁材料应用于制造压力容器，主要是在造纸、食品与纺织等行业中采用，其工作压力要小于等于0.8MPa。灰铸铁基体为铁素体、珠光体、铁素体-珠光体。灰铸铁可以看成钢加片状石墨结构，其性能取决于基体的性能和石墨的数量、大小和分布情况，其中未知因素太多，所以安全系数的取值较高。我国相关规范和美国、欧盟、德国AD等规范中安全系数的取值均为10。

按照压力容器的《固定式压力容器安全技术监察规程》[4]，对每个容器均要进行试件的拉力试验以确定其力学性能，这方面国内规范[5]和国际规范[6]对于灰铸铁件的力学性能均有要求。对于铸铁烘缸的铸件厚度，小型烘缸缸体厚度在20～40mm之间，而扬克烘缸缸体厚度在40～80mm之间。灰铸铁件标准要求如表1所示。

表1 部分灰铸铁材料试棒抗拉强度

对试件强度要求来讲，单铸试棒的抗拉强度应与同牌号灰铸铁抗拉强度相同，附铸试棒与灰铸件本体试棒的抗拉强度要求均有所降低。

在铸件生产加工时，冷却速度对于铸件的力学性能影响很大。对于铸铁烘缸这一大型铸件，单铸试棒要达到与铸件本体相同的冷却速度较困难，因此很难保证铸件与单铸试棒力学性能相同。多数铸造厂不愿使用附铸试棒，原因是怕破坏铸造件。多数厂家乐于在冒口附近取试件，这就是表1中铸件本体试棒。

德国AD 2000标准[7]中特别推荐对于烘缸的试件选取应在缸体铸件的上下侧，也就说明了对于烘缸来讲试件选取的特殊性。

但从表1中可以看到，单铸试棒的最小抗拉强度与材料标号要求相同，而附铸试棒和铸件本体试棒均降低了拉伸强度要求。其原因是对于较厚的铸件不太容易保证铸件的高质量。但这样就出现其他的问题，降低了附铸试棒与铸件本体试棒抗拉强度要求，就很难保证加工好的压力容器强度要求，因为原始设计是按照规定牌号铸铁力学性能设计的。下面采用一个具体的破坏案例来说明。

某材料为HT300的铸铁烘缸爆破后，取本体加工试件，拉伸强度为210 MPa，按照灰铸铁件的规范要求，已达到标准，但其原始设计却按照HT300，安全系数取n=10，最大许用应力按[σ]=30 MPa进行的设计。这就产生一个矛盾，即试件抗拉强度为210 MPa，其许用应力应为21 MPa。在事故责任认定时，不能认定其材料的选用为破坏主要因素，也不能认为其强度设计有问题。

作为压力容器用铸铁件完全按照灰铸铁件规范要求达到规定强度要求，显然不适用。工程实践的经验表明，经过改进工艺条件，添加合金元素，精心冶炼，可以使铸件本体试棒接近或达到规定铸铁牌号的力学性能，这就是铸铁压力容器不同于其他灰铸铁件要求之处。

目前国内尚没有对于压力容器用灰铸铁件做出规定，国际上ASME规范[8]以及欧洲规范[9]对于压力容器使用的灰铸铁件没做出特殊规定，而我国不少烘缸制造厂家已经意识到这一问题，他们强调在铸铁烘缸铸造中除要达到灰铸铁件[5]规范要求下，应尽可能提高加厚铸件的力学性能，以满足设计要求。

3 结 论

本文讨论了铸铁烘缸设计、制造中的两个基本问题，这是当前铸铁烘缸生产中亟待解决的问题，也是提高我国铸铁烘缸设计与制造水平的关键问题。由此得到以下结论。

3.1 在设计时，强度理论应选择第一强度理论，这样既符合脆性材料的性质又符合铸铁烘缸的实际受载荷状况。

3.2 对于材料的抗拉强度，部分灰铸铁材料的本体试棒拉伸强度值不能满足造纸用铸铁烘缸的强度要求。应使材料的本体试棒接近或达到规定铸铁牌号的力学性能，以保证烘缸的安全使用。

[1] ZHANG Wei-min， CHEN Qiao-hua， LI Feng， et al. Properties of Spheroidal Graphite Cast Ion Required for the Dryers of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(5): 36. 张卫民, 陈巧花, 李 峰, 等. 造纸机械烘缸用球墨铸铁材料的性能及要求[J]. 中国造纸， 2013， 32(5)： 36.

[2] LIU Hongwen. Mechanics of Materi[M]. Beijing: Higher Education Press, 1993. 刘鸿文.材料力学[M]. 北京： 高等教育出版社，1993.

[3] Unneberg B. Hydrostatic Testing of Yankee Dryers [J]. Tappi Journal, 1995, 78(9): 97.

[4] AQSIQ. TSG R0004—2009 Supervision Regulation on Safety Technology for Stationary Pressure Vessel[S]. Beijing: Xinhua Publishing House， 2009. 国家质检总局. TSG R0004—2009. 固定式压力容器安全技术监察规程[S]. 北京: 新华出版社， 2009.

[5] AQSIQ. GB/T 9430—2010.Gray Iron Castings[S]. Beijing: Standards Press of China, 2010. 国家质检总局. GB/T 9430—2010. 灰铸铁件[S]. 北京： 标准出版社， 2010.

[6] ISO 185—2005.Grey Cast Iron-Classification[S]. 2005.

[7] AD 2000 CODE. Technical Rules for Pressure Vessel[S]. Carl Heymans Verlag, 2003.

[8] ASME. Boiler and Pressure Vessel Code[S]. Beijing:China Petrochemical Press. 2011. ASME. 锅炉及压力容器规范[S].VIII卷. 北京： 中国石化出版社， 2011.

(责任编辑：马 忻)

Basic Problems in the Design and Construction of Cast Iron Dryer Cylinder

LV Hong-yu1,*ZHANG Chi1,2BIAN Xue-xun1

(1.TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222;2.JiaozuoChongyiLightIndustrialMachineryCo.,Ltd.,Jiaozuo,He’nanProvince, 454550)

The dryer cylinders are main part of drying section of paper machine. It is pressure vessel withstanding inner pressure, and made of brittle material cast iron. Its safe operation is guaranted from the aspects of design, fabrication and correct operation. In this article, on basis of years design practice and accident analysis, a correct fundamental concept in the design and construction of the cast iron dryer cylinder was proposed.

cast iron dryer; design; construction

吕洪玉先生，副教授，在读博士研究生；研究方向：创新设计与压力容器设计原理。

2013- 09- 14(修改稿)

TS73

A

0254- 508X(2014)02- 0060- 03