420t冶金起重机主吊钩平衡梁热应力分析

贾晓义 陈德亮

(上海梅山钢铁股份有限公司 江苏南京210039)

420t冶金起重机主吊钩平衡梁热应力分析

贾晓义①陈德亮

(上海梅山钢铁股份有限公司 江苏南京210039)

针对420t冶金起重机主吊钩平衡梁，采用三维非线性有限元方法并辅以实测温度场数据，分析得到了其在吊运钢水过程的高温辐射下各部位的温度场和热应力场的精确分布。研究结果可用于指导该冶金起重设备的运行、安全性评估，并为冶金起重设备的设计、优化提供相应的理论依据。

冶金起重机 平衡梁 温度场 热应力 有限元

1 背景介绍

冶金起重机属于重型关键设备，在冶金行业主要承担工艺生产过程空中物料的运输，工作环境恶劣、受载情况复杂。吊运盛装高温物料的钢水包或铁水包时，直接采用起重机吊钩吊运相当危险，容易造成钢水的晃动。需要采用吊钩平衡梁辅助吊运，确保吊运过程钢水包的平衡，保证吊运操作的安全。

由于钢水包体积大，总重可达到250t，决定了吊钩平衡梁的体积和重量较大。由于直接面对高温液态钢水的辐射，表面将产生较高的辐射温度。辐射高温及热量在内部的热传导会形成不均匀的温度场载荷，并产生热应力，影响整个吊钩平衡梁工作状态下的空间应力的分布。

现行起重设备在设计时，并不考虑温度载荷[1]。某炼钢厂420t冶金起重机，吊运时主吊钩平衡梁表面局部热辐射温度接近200℃，产生的热应力空间分布复杂，设计时并未考虑温度载荷影响。有必要对其热应力进行分析，依据数值计算结果指导该设备的运行。受限于结构形状和变温条件、板钩梁温度场和热应力场分布的复杂性，依靠传统的解析方法和现场测量很难实现，数值方法是解决这一问题的有力工具，并已得到广泛的应用[2-4]。采用三维非线性有限元方法，考虑多界面接触，建立主吊钩平衡梁的数值计算模型，计算在恶劣工况下，主吊钩平衡梁的温度场和热应力空间分布。

2 结构模型

主吊钩平衡梁的结构相对复杂，包括板钩、吊叉、平衡装置和滑轮(滑轮轴、滑轮组、滑轮盖、吊索)等多个关键部件。起吊工作时，板钩吊起钢水包，约束和载荷通过板钩→板钩轴→吊叉→吊叉轴→板钩梁→滑轮轴→滑轮组→吊索进行传递和控制。为了精确计算主吊钩平衡梁的温度场和热应力场，充分考虑板主吊钩平衡梁及其附件之间的约束关系，严格按照真实结构建立三维实体模型(图1)。

图1 三维实体模型

3 热应力分析方法

3.1 基本理论

主吊钩平衡梁在整个热物理过程中，涉及辐射吸热、热传导、热对流等物理过程，变温条件复杂，温度场难以计算。为了保证温度场计算的准确性，需要辅以部分现场实测数据。基于真实吊运工况，对计算过程进行如下处理：①板钩梁表面局部可观测位置，采用现场测量获得温度场数值，作为强制温度边界；②与外界空气之间的对流、辐射，采用综合换热系数考虑热量耗散[2,5]；③考虑主吊钩平衡梁的热传导效应。

在笛卡尔坐标系下，主吊钩平衡梁的热传导过程可以用以下无源导热方程定义[6]：

(1)

式中ρ—板钩梁材料密度(kg/m3)；T—温度；t—时间；kx，ky，kz—材料沿x，y，z三个方向的热传导系数[W/(m·K)]；c—材料比热容[J/(kg·K)]。

热边界条件为第一类和第三类边界[6]：

T=T1(x,y,z,t),

on S1(2)

onS2(3)

式中S1，S2—第一类和第二类边界； nx，ny和nz—板钩梁边界外法线方向余弦； T1—板钩梁表面局部可观测区域内温度； Ta—板钩梁外部环境的温度； h—考虑空气对流和热辐射的综合对流换热系数[W/(m2·k)]。

在约束情况下，温度发生变化或者各部分温度变化的不均匀，会在结构内部产生热应力。依据热弹性变形理论，以主吊钩平衡梁整体稳态温度场分布结果作为载荷，可以计算出在特定约束条件下的位移变形。利用几何方程(位移应变关系)和物理方程(应力应变关系)，建立热应变和热应力之间的联系如下：

(4)

式中 σx0，σy0，σz0和T0—结构初始三个方向的应力和温度；

λx，λy和λz—板钩梁材料沿三个方向的热膨胀系数；

E—板钩梁材料弹性模量。

由于材料的各向同性特征，λx=λy=λz。

3.2 有限元模型

选择高阶六面体单元，手动方式进行三维实体模型网格划分，保证网格均匀性、疏密有序，高精度的刻画温度场和热应力场的空间分布(图2)。

图2 有限元模型

依据结构真实受载传力过程，保留板钩轴(板钩—板钩轴—吊叉)、吊叉轴(吊叉—吊叉轴—横梁)、滑轮轴(横梁—滑轮轴—吊索)三类轴上的接触约束关系，在有限元模型中采用非线性接触单元模拟各柔性面之间的接触传力和热传导。

4 热应力计算结果分析

主吊钩平衡梁主体结构由钢板焊接，材料选为Q345B钢，弹性模量E=206GPa，泊松比μ=0.26，热导率k=51W/(m·K)，比热容c=0.49kJ/(kg·K)，线膨胀系数λ=11.5×10-6/K。

4.1 温度场计算结果

图3是主吊钩平衡梁稳态温度场分布云图。温度场沿着梁体中心轴线对称分布，最高温度位于下翼板，是钢水包直接辐射所致。部件温度场由高到低的分布形式为：下翼板→侧板→上翼板→滑轮罩。

图3 温度场分布云图

由于在横梁下翼板中心位置设置了隔热板，图3的温度场计算结果表明，隔热板的隔热效果良好，横梁下翼板的温度分布受隔热板的影响大。钢水高温辐射透过隔热板与吊叉之间的缝隙，在下翼板上形成了圆形高温区，最高温度超过150℃。整个下翼板温度场分布复杂，存在多个温度高梯度区。如圆形高温区在纵向的最大温度梯度为148℃/m(沿x轴方向)，在横向的最大温度梯度可达到193℃/m。

4.2 热应力计算结果分析

图4为温度载荷作用下主吊钩平衡梁的变形形状和热应力分布。主吊钩平衡梁在钢水热辐射下，变形呈现向下挠曲的对称弯曲变形。主吊钩平衡梁上热应力分布比较复杂。大部分梁体上von Mises等效应力值接近20MPa，部分区域的最大应力值达到了85MPa。其中，下翼板和吊叉耳板的热应力分布相对较高，这与下翼板存在较高温度梯度的情况相一致。

图4 热应力场分布云图

在下翼板表面，沿着下翼板纵向轴线取A-B轨迹，沿着横向穿过高温度梯度区域取C-D轨迹,图5和图6显示温度场和热应力场沿着选定轨迹的变化曲线，对比发现温度场和热应力场分布趋势相当一致，说明高温度梯度直接导致了下翼板局部高应力产生。最大应力位于圆形高温区，应力值达到68.5MPa，中间区域因为隔热作用应力值较低且变化平稳，约为9.7MPa左右。

图5 A-B轨迹温度场和热应力分布

图6 C-D轨迹温度场和热应力分布

吊叉耳板的热应力的计算结果表明，耳板热应力呈现两端部特别高，其他区域应力变化平稳的分布状态。其中，端部E点应力值56.1MPa，G点应力值达到85MPa，其他区域应力普遍低于35MPa。

图7 吊叉耳板热应力分布云图

图8 耳板周向温度场和热应力分布

图8是沿着耳板曲边环向一周的温度和热应力变化曲线。对比发现热应力与温度分布之间已经没有相关性，且在高应力点位置温度变化平缓，这说明耳板上高应力点主要是由应力集中现象造成。这些应力集中位置，属于强度危险区域，需要引起关注。

5 结论

采用三维非线性有限元方法，考虑冶金起重机板主吊钩平衡梁及其附件之间的约束关系，严格按照真实的结构建立有限元计算模型，分析了主吊钩平衡梁在吊运工况下承受的温度载荷和所产生的热应力的分布。

分析结果表明：

1)由于高温钢水包的热辐射影响，大部分梁体热应力值在20MPa左右；

2)吊叉耳板由于应力集中原因，最大热应力幅值分别达到了56MPa和85MPa；

3)若许用应力取为200MPa，最大热应力幅值已经达到了许用应力的42.5%，说明热应力对主吊钩平衡梁的强度分析和疲劳分析不可忽视。

本文的分析计算结果可用于指导该起重设备的使用和安全性评估，并为冶金起重设备的设计、优化提供相应的理论依据。

[1]GB/T 3811—2008, 起重机设计规范[S].

[2]乔沙林, 董宁, 罗会信. 150t转炉热—固耦合应力仿真[J]. 铸造技术, 2012, Vol.33(2): 228-231.

[3]高耀东, 李新利. 转炉托圈热应力的有限元分析[J]. 重型机械, 2009(5): 50-52.

[4]张家元, 苏浩, 张小辉. 烧结机台车体温度场及热应力数值模拟[J]. 机械设计与研究, 2012, Vol.28(3): 66-68.

[5]杨世铭.传热学基础[M].北京:高等教育出版社,1991.

[6]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.

·业界动态·

新日铁开发铁水预处理渣冷却技术

为解决铁水预处理渣在处理过程中会产生很多粉尘，污染环境的问题，新日铁开发了铁水预处理渣冷却技术。新日铁在名古屋制铁所的渣处理场内建造了10t/h规模的试验装置进行实机的渣冷却试验。试验装置由投料斗、振动加料器、旋转冷却器、出渣侧的旋风集尘器和空冷鼓风机组成。该试验装置的处理过程如下：①在铁水处理现场用渣盘接渣后，将高温渣通过铁路运送至冷却处理厂；②用吊车吊起渣盘倾斜倒入一次冷却渣坑；③用重型机将渣坑内的渣扒匀冷却，清除大块金属，并做好将渣装入料斗的准备；④用重型机将渣装入料斗，利用料斗上的振动格筛对渣进行筛分，筛下渣落入料斗内，筛上渣倒入地坑内。料斗内的渣通过加料器加入旋转冷却器内，以一定速度旋转冷却后取出。⑤在旋转冷却器内经过大约30分钟处理后取出的渣可冷却至100℃以下；⑥冷却后的渣经输送带运到各产品地坑；⑦对各地坑存储的渣进行取样，由空气压缩输送管输送到分析中心进行渣成分的确认，在确认其环境安全性后，将渣输送到陈化堆场。试验结果表明，由于将集尘罩与旋风冷却器连接起来，因此处理渣时产生的粉尘可被充分抽吸收集，由此抑制粉尘向外飞散，保护了环境。新日铁在试验装置取得成功试验的基础上，设计建造了50t/h的渣冷却装置。

Thermal Stress Analysis of Balance Beam of Main Hook of 420ton Metallurgic Crane

Jia Xiaoyi Chen Deliang

(Shanghai Meishan Iron and Steel Co. Ltd, Nanjing 210039)

For the balance beam of the main hook of the 420 ton metallurgic crane under lifting process of steel ladle, by the use of the three-dimensional nonlinear finite element method and supplementing with measured temperature field data, the accurate distribution of temperature field and thermal stress, the resulted from the thermal radiation of molten steel have been calculated. The results might be useful for guidance the running of metallurgical lifting equipments and safety evaluation, and offer creditable theoretical basis of optimized design of it.

Metallurgic crane Balance beam Temperature field Thermal stress Finite element

贾晓义，男，1979年出生，毕业于安徽工业大学，工程硕士，工程师，主要从事冶金设备维护、检修、修复、改造工作

TF302 TH122

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.009

2015-04-04)