罐式煅烧炉炉底板换热器强度的有限元分析

王佐任，刘永启，孙　鹏，陈家光（.　潍坊联兴新材料科技股份有限公司，山东　潍坊　6737；.　山东理工大学　交通与车辆工程学院，山东　淄博　55049）

罐式煅烧炉炉底板换热器强度的有限元分析

王佐任1，刘永启2*，孙鹏2，陈家光1
（1.潍坊联兴新材料科技股份有限公司，山东潍坊262737；2.山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博255049）

炉底板换热器可以有效地回收罐式煅烧炉中石油焦余热，防止炉底板开裂，改善劳动环境。本文采用有限元法对炉底板换热器的强度性能进行模拟，通过分析，其等效应力的最大点出现在加强筋的上部，最大值为3.5MPa；合位移的最大值仅为0.382×10-4mm，因此炉底板换热器的强度可靠，可以在保证支撑强度的同时实现其换热性能。

炉底板；换热器；有限元分析；强度性能

1　引言

我国煅后焦产量世界第一，2014年总产量约为2000万吨，其中70%以上采用罐式煅烧炉生产［1］。罐式煅烧炉的炉底板在炉体的中心部位，既起到支撑炉体的作用，又具有煅烧罐排料口的作用，因而其稳定可靠的工作对煅烧炉的使用性能、寿命和可靠性具有重要的意义［2］。炉底板工作温度高也造成了较为严重的散热损失，劳动环境十分恶劣。

郑斌［3］等人开发了炉底板换热器，有效地回收了炉底板散热损失，保证了炉底板可靠地工作，同时改善了运行人员的劳动环境。本文基于有限元分析法，对新型罐式煅烧炉炉底板换热器的强度进行模拟，通过研究得到新结构设备在工作条件载荷下的应力应变特性，为新型炉底板换热器的设计提供理论指导基础。

2　炉底板换热器结构及其模型建设

炉底板换热器采用整体铸造结构，材质为HT250，具体结构如图1所示。炉底板换热器的中心有一个长方形的流动通道，罐式煅烧炉内的高温煅后焦经过该流动通道进入下部的换热器或水冷夹套。在炉底板换热器煅后焦流动通道内壁上有50mm厚的保温层，以减少煅后焦对炉底板的传热。为了减少炉底板换热器流动通道内兰炭向外传递的热量，在炉底板换热器煅后焦流动通道侧壁上设置有一个环形的水腔。水腔内的循环水吸收炉底板的热量，可以降低了炉底板上平板、下法兰板、水腔外侧的炉底板表面温度，从而降低了其辐射换热。

图1　炉底板换热器主视图与左视图

本文基于下述假设建立炉底板实体模型：（1）忽略了底板上尺寸很小的倒角和过渡圆角；（2）将底板做成了对称结构，模型只需建设实际模型的一半；（3）忽略了底板上的制造工艺孔。最终建立的模型如图1所示。材料设为均质各项同性，选择的材料特性是弹性模量和泊松比，分别为1.2×1011Pa和0.3。采用步长smart为8进行网格划分，得到381638个节点和277219个单元，如图3所示。

（1）机械负荷下的约束条件。想要对底板施加载荷，首先要对底板进行约束。在底板的对称面上要施加相应的位移约束。在底板上部的小凸台施加了全位移约束，使底板的轴向位移为0。

（2）机械载荷的施加。炉底板在工作时要承受高温的物料对其产生的挤压作用，还要承受炉体本身的重量和换热器的重量，受力较为复杂。本文研究中，已知数据，炉体高8m，外层是高8m，密度为2.2×10³kg/m³。而物料的密度约为1.0×10³kg/m³，同样也是高8m，经过运算，底板上方施加为0.172MPa。同理，经过运算，炉底板内的小凸台所受压强为0.015MPa。

相同原理，炉底板的内侧面所受压强，分别为170Pa与4Pa。

图2　罐式煅烧炉底板

图3　ANSYS炉底板网格划分

3　有限元强度分析结果

3.1等效应力分析

炉底板换热器的等效应力分布云图如图4所示。

灰铸铁铸件是一个典型的脆性材料——抗压不抗拉，等效应力是校核其强度的重要指标。从图上可以看出，最大等效应力出现的部位，是部分加强筋的上部，等效应力的最大为3.5MPa，远远小于许用的抗拉强度，所以底板的等效应力校核合格。炉底板内部小凸台的转弯处的等效应力也较大，而随着施加压力的增加，加强筋的上部的应力有不断增大，红色变多，而对底板上部外边侧的压强都是相似的。所以可以得知，随着应力的增加，最危险面应该在加强筋与炉底板上部的结合处。

图4　炉底板模型施加压力（工作状态）后的等效应力图

3.2合位移分布分析

炉底板合位移分布云图分析，如图5所示。

由图可得，随着应力的增大，炉底板的合位移也是越来越大，而且从三组图片结果可以看出，位移量最大的部位出现在炉底板内部的小凸台中部。最大位移量仅为0.382×10-4mm。

图5　炉底板模型合位移分布云图

4　结论

通过有限元模拟发现，本研究中的炉底板换热器，在工作状态下的最大等效应力点出现在部分加强筋的上部，其最大应力值为3.5MPa，远远小于许用应力（200MPa），所以在最重要指标——等效应力上，该炉底板换热器的强度合格。而且该炉底板的最大位移量仅为0.382×10-4mm，故而本研究中的炉底板强度合格。

［1］王平甫，罗英涛，官振等.中国竖罐式炉煅烧石油焦技术分析与研讨［J］.炭素技术，2009（05）：31-37.

［2］陈宁.对罐式煅烧炉几个问题的讨论及设计改进［J］.炭素技术，2004（05）：36-40.

［3］郑斌，刘永启，李瑞阳等.高温煅烧石油焦排料过程余热回收［J］.化工进展，2015（06）：1539-1543.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.073

山东省科技发展计划（2013GGX10404）及山东省自然科学基金项目（ZR2013EEQ005，ZR2014EL030）。

王佐任（1957-），男，高级工程师，兼职教授，主要从事固体物料余热回收研究。

刘永启