95t转炉扩容后托圈及其联接装置有限元分析

李权玺 潘紫微 方付宏

(安徽工业大学机械工程学院 安徽马鞍山243002)

·技术分析·

95t转炉扩容后托圈及其联接装置有限元分析

李权玺①潘紫微 方付宏

(安徽工业大学机械工程学院 安徽马鞍山243002)

某钢厂根据生产需要，对转炉进行升级改造，由95t扩容至120t，托圈及联接装置不变，传动系统不变。现在需要运用非线性有限元法研究托圈及其联接装置热—机耦合应力，分析现有托圈及其联接装置是否满足转炉扩容后的使用要求，以确保转炉扩容后的安全运行，为企业技术改造提供科学依据。

转炉托圈 自调螺栓 非线性有限元 热—机耦合

1 前言

转炉炼钢是当今钢铁冶炼工业中最主要的炼钢方法之一，我国约有80%的钢是通过转炉冶炼生产的。转炉托圈支承炉体，是转炉设备中的重要部件。炉体和托圈之间通过自调螺栓进行连接。在高温冶炼的过程中，炉体与托圈受热产生膨胀变形后，上下球面垫和球面座之间会产生相对运动，自动补偿炉体和托圈的膨胀变形，保证炉体和托圈受热膨胀时，径向和轴向相对运动不受限制[1-2]。自调螺栓是转炉支撑装置的关键设备，它在长期使用后，可能出现卡死或支柱螺栓断裂、螺母脱落和转炉倾动时球面垫圈发出巨大的异常声响等一系列问题。

某钢厂根据生产需要，对转炉进行升级改造，由95t扩容至120t。托圈及联接装置不变，传动系统不变。现在需要研究托圈及其联接装置螺栓热—机耦合应力，分析现有托圈及其联接装置是否满足转炉扩容后的使用要求，以确保转炉扩容后的安全运行，为企业技术改造提供科学依据。

2 托圈及其联接装置模型

2.1 实体模型

转炉托圈及其联接装置实体模型(图1)包括炉体、托圈、上止动块、下止动块、自调螺栓联接装置。其中自调螺栓联接装置(图2)是分析重点，它由上下球面垫、上下球面座、支柱螺栓、螺母、波形垫圈和销轴组成，自调螺栓力学性能见表1。由于自调螺栓螺纹部分是一个空间螺旋面且受力情况复杂，通常的有限元计算都只考察光杆螺栓[3]。所以，在不影响自调螺栓强度的前提下对其结构做了适当的简化，将螺母与自调螺栓建为一体，波形垫圈与上部球面垫圈建为一体，销轴和支柱螺栓建为一体。

图1 托圈及其联接装置实体模型

2.2 有限元模型建立

采用Solid186单元进行网格划分，Solid186单元用于构造三维实体结构。通过20个节点来定义单元，可以更好地模拟形状不规则的单元。Solid186是六面体单元，在网格划分中使用六面体进行划分，可以减少网格数量，同时六面体单元网格整齐，可以避免网格划分中出现尖角等情况，提高局部结构有限元分析的精度。并且Solid186单元与ANSYS热分析中的Solid90对应，可以为下文中自调螺栓热—机耦合应力分析做好铺垫。

图2 自调螺栓联接装置

有限元模型共划分305153个单元(图3)，其中托圈部分单元数247472，占81.09%，炉体部分单元数25481，占8.35%，托圈联接部分单元数24855，占8.14%，止动块部分占2.42%。为了提高自调螺栓应力和应变的分析精度，自调螺栓主体结构采用六面体网格。接触位置需要进行网格优化，保证各个节点能相互对应，从而提高非线性计算速度。

表1 自调螺栓力学性能[4]

托圈材料为16MnR，其屈服强度为275MPa，定义其密度为7800kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3；炉体部分定义密度为0，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。

图3 托圈及炉体网格划分

自调螺栓各部件材料不同，对其材料属性按一般钢材处理，定义其密度为7800kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比μ=0.3。

2.3 加载和约束

ANSYS中提供多种方法给螺栓施加预紧力，常用的有预紧力单元法、渗透接触法和降温法[5]。降温法和渗透接触法计算结果误差较大，并且利用降温法时，螺栓不仅在轴向产生压缩应力，还在径向产生压缩应力，这样势必增大螺栓的整体应力[6]，而预紧力单元法具有操作简便，不易出错的特点，模拟结果符合实际情况，在实际工程中得到广泛应用。

在ANSYS中可以利用预紧力单元PRETS179，生成预拉伸剖面网格的方式来模拟螺栓的预紧力状态。首先建立螺栓的三维有限元模型，划分网格，然后通过输入PSMESH命令，在螺栓模型中模拟一个预拉伸截面。操作过程中，通过在螺栓模型单元边界的节点位置切割网格，插入PRETS179单元，生成一个垂直于预拉伸载荷的预拉伸截面，并将已划分网格的螺栓模型切为上下两部分，模拟的方法是在预拉伸截面的单元上直接加载预紧力。在预拉伸单元上通过SLOAD命令施加扩容后的螺栓预紧力F0=4.8×106N。

按照转炉的实际工作情况施加模型的约束条件。在转炉托圈耳轴轴线部位，建立局部柱坐标系[7]，对游动侧耳轴和驱动侧耳轴的轴颈外表面节点，限制其径向位移，但允许转动和轴向移动，对驱动侧耳轴端面节点，限制其转动；驱动侧耳轴轴颈端面施加，限制其轴向位移，与前面限制的径向位移一起，完全限制了托圈的刚体位移。

2.4 接触设置

接触问题是一种复杂的非线性行为，托圈三维有限元模型一共在53处设置了接触单元，采用的接触类型是柔体—柔体的面—面接触，目标面选用TARGE170单元，接触面选用CONTA174单元。

3 温度场计算

根据红外测温现场测试结果，模拟托圈温度场。在温度场的模拟过程中，采用对炉体表面施加温度，在托圈表面施加温度和对流系数，其中在托圈内表面施加温度和对流系数,模拟炉体对托圈辐射和冷却水的冷却作用，在托圈外表面施加温度和对流系,数模拟空气对流和炉体对托圈辐射。由于转炉托圈是复杂的焊接件，托圈不同部位与空气接触情况不同，因此所加对流系数也不同，最终调试后托圈各部位加载的对流系数见表2，转炉托圈主体温度分布见图4。

表2 转炉托圈加载数据

由图4可知，转炉主体最高温度为186℃，最低温度为30.6℃。炉体通过辐射作用把温度辐射到托圈和自调螺栓上。温度从托圈内侧向外侧逐渐过渡，圆周方向上呈现中间温度高，两侧温度低。冷却水从驱动侧耳轴流入，经过炉口、炉帽后在托圈内部循环一周，从游动侧耳轴流出。托圈外腹板表面由于冷却水和空气对流，温度较低。对比转炉托圈的温度分布与实测温度相差不大，因此温度场计算结果比较准确。

图4 转炉托圈主体温度分布

4 托圈及自调螺栓热—机耦合应力分析

将温度场结果以热载荷的形式读入结构分析中，利用间接耦合法得出自调螺栓在0o、52o和96o三个典型角度下的热—机耦合应力，其中0o表示转炉处于吹炼状态，52o表示转炉处于最大倾动力矩状态，96o表示出钢结束，计算结果见表3。

表3 各倾动角度托圈及自调螺栓最大米塞斯应力 /MPa

图5 驱动侧下部球面热应力

由表3可知：

1)转炉倾动角度为0o时，托圈圈体最大米塞斯应力为342MPa，出现在内腹板与圆筒连接处，这个位置存在焊缝，易出现应力集中, 使用过程中需要对焊缝位置重点关注。驱动侧下部球面垫的最大米塞斯应力为694MPa，出现在下部球面垫与下部球面座接触位置(图5)。驱动侧下部球面座的最大米塞斯应力为600MPa，驱动侧自调螺栓下部球面垫和下部球面座局部热—机耦合应力水平较高，超过材料屈服极限，可能会产生局部结构失效，使用过程中需要对此位置重点关注。

2)转炉倾动角度为52o时，托圈圈体最大米塞斯应力为379MPa，出现在下盖板和立板连接处，这个位置存在焊缝，易出现应力集中。使用过程中，需要对焊缝位置重点关注。驱动侧自调螺栓强度满足扩容后的使用要求。

3)转炉倾动角度为96o时，托圈圈体最大米塞斯应力为390MPa，出现在托圈游动侧耳轴块与外腹板连接处，这个位置存在焊缝，易出现应力集中，使用过程中需要对焊缝位置重点关注。自调螺栓的最大米塞斯应力为349MPa，位于支柱螺栓根部。加料侧自调螺栓强度满足扩容后的使用要求。

5 结论

1)在三个典型倾动角度下，托圈圈体最大米塞斯应力出现在焊缝位置，最大应力值超过材料屈服极限，使用过程中需要对焊缝位置重点关注，必要时可以增加筋板来提高托圈强度。

2)自调螺栓下部球面垫和下部球面座局部热—机耦合应力水平较高，超过材料屈服极限，使用过程中需要对此位置重点关注，必要时可以选用更好的材料。

[1]赵孝峰. 转炉炉体与托圈连接装置形式分析与研究[J]. 装备制造技术, 2011 (4): 50-51.

[2]牟世学, 李爱军. 150t新型三点球面支撑型转炉的研究[J]. 冶金设备, 2009 (S1): 14-18.

[3]石秀勇. 柴油机高强度缸盖螺栓强度校核方法研究[J]. 柴油机，2006 (28): 3l-36.

[4]成大先. 机械设计手册(第四版)[M]. 北京:化学工业出版社, 2003.

[5]杜运兴, 宦慧玲, 霍静思. 构件强度控制的高强螺栓承压型连接研究[J]. 湖南大学学报(自然科学版), 2011 (1): 8-12.

[6]李会勋, 胡迎春, 张建中. 利用ANSYS模拟螺栓预紧力的研究[J]. 山东科技大学学报, 2006, Vol.25 (1): 57-59.

[7]包家汉, 乔翠侠, 王良林. 基于流固耦合的转炉托圈及连接装置的应力研究[J]. 机械强度, 2007 (3): 437-441.

Finite Element Analysis for Converter Ring and Linkage of 95t Converter after Expansion

Li Quanxi Pan Ziwei Fang Fuhong

(Mechanical Engineering College, Anhui University of Technology, Maanshan 243002)

According to the production needs of a steel mill, the converter is upgraded from 95tons to 120tons. Converter ring, connection device and drive system remain unchanged. Studied thermal-mechanical coupling of converter ring and linkage by non-linear finite element, judged whether the existing converter ring and linkage are meet the requirements of the converter after expansion to ensure the safe operation , provided a scientific basis of technological transformation to enterprise.

Converter ring Self-adjusting bolt Non-linear FEM Thermal-mechanical coupling

李权玺，男，1988年出生，安徽工业大学在读研究生，从事机械设备运行性能与状态研究

TF748.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.007

2015-04-24)