炼钢渣滚筒主体结构热应力分析

2018-01-19黄成永

重型机械 2017年6期

黄成永

(宝钢集团梅山钢铁股份公司，江苏南京 201139)

0 前言

目前国内外钢渣热态处理工艺主要包括热闷法、热泼法、浅盘法、水淬法、滚筒法、风淬法、粒化轮法等[1-2]。这些工艺都有各自的优缺点。其中，滚筒法渣处理工艺有其先进性：(1)处理流程短，炉渣处理时间短，生产效能力高；(2)处理后的转炉渣粒度均匀；(3)渣钢分离良好；(4)渣处理在封闭的容器内进行，产生的蒸汽通过除尘处理后可达标排放，可改善渣处理对环境的污染；(5)处理好的渣可不落地直接进入高位料仓集中存放，减少渣的倒运次数，可提高工作效率。

渣滚筒运行过程中，红渣由进渣口进入渣筒，遇到筒底的冷却水产生高温水蒸气。渣滚筒受热渣辐射与高温蒸汽共同作用，同时渣滚筒与空气接触形成散热，使渣滚筒温度分布复杂化，从而产生复杂的空间热应力分布。渣滚筒的三维整体结构复杂，运用线性有限元分析，不易得到合理结果。本文考虑渣滚筒的几何非线性效应，采用三维非线性有限元方法，建立了渣滚筒的数值计算模型，计算了渣滚筒渣处理过程中的温度场、热应力和热应变空间分布。

1 结构模型

渣滚筒主体结构是异常复杂的空间结构，为了进渣和出渣需要，渣滚筒倾斜放置。渣滚筒可分为进渣侧段、出渣侧段和中间段三个部分。进渣侧段包括锥壳、覆板、放射状外立筋板、环形筋板和前托圈等。出渣段包括筒体、环形板、以及周向分布的联接筋板、竖隔圆板、锥壳、覆板、后托圈、大齿轮、大齿轮支撑筋板等。中间段包括筒体、覆板、内部蓖条，周向分布的桨板和桨板间的斜支撑等。为了精确计算渣滚筒主体结构的温度场和热应力场，充分考虑渣滚筒各部分之间的相互约束关系，严格按照真实结构建立三维实体模型如图1所示。

图1 渣滚筒三维实体模型

2 热应力分析方法

2.1 基本理论

渣滚筒在工作过程中，涉及热传导、热辐射、热对流等复杂物理过程，温度变化复杂，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。基于真实工作工况，对计算过程进行如下处理：(1)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；(3)考虑主渣滚筒的热传导效应[3]。

采用Garlekin定理，渣滚筒的三维稳态热传导三维空间离散方程可写为[4]

[K]{T}={Q}

式中，[K]为热传递矩阵；{T}为温度向量；{Q}为温度载荷向量；ρ为材料密度；c为材料比热；[N]为插值函数；qs为热流强度；[B]为应变矩阵；Tr为对流温度；Te为外辐射源温度；h为对流系数；κ为幅射系数；[k]为单元局部刚度矩阵。

本文所研究的渣滚筒结构有多个接触界面，在接触界面向上会出现导热，另外非接触界面上有幅射热。利用热弹性应力分析应变关系可以计算温度应力和热变形。

{σ}=[D]{ε}-D{ε0}=[D]{ε}-{σΔT}

式中，{σΔT}为对应初始温度应变的初始温度应力；[D]为应力矩阵。

在该温度场的求解中，界面热辐射问题需要用到第一类边界条件，界面热传导问题需要用到第三类边界条件[5-6]，即

T(x,y,z,t)=Tw(x,y,z,t) onSr

T(x,y,z,0)=T0(x,y,z,0)

式中，T(x,y,z,t)为空间域Ω内的温度场变量；Tw(x,y,z,t)在边界Sr上的温度分布；kn为热传导率。

在得到温度分布后，单元节点温度力向量可写为

(2.12)

2.2 有限元模型

为保证高精度的刻画温度场和热应力场的空间分布，选择高阶六面体单元，对渣滚筒三维实体模型进行手动网格划分，保证网格均匀、疏密有序，渣滚筒三维网格模型如图2所示。

图2 渣滚筒三维网格模型

3 热应力计算结果分析

渣滚筒主体结构由钢板组成，弹性模量E=210 GPa；泊松比μ=0.25；密度7 800 kg/m3；热导率k=41 W/(m·K)；线膨胀系数λ=1.25×10-5/K。

3.1 温度场计算结果

图3是炼钢渣滚筒主体结构的温度场分布云图。计算中环境温度设定为40℃。由图中可以看出整体温度场的分布形式为：进渣口两侧温度高，可达到250℃。进渣口温度成为热源，温度向外传导，由于水流的作用，温度呈现由进渣口向出渣口逐步降低。由于倒渣过程的热辐射，在进渣侧形成高的温度梯度区。由于热蒸汽的作用，使得渣滚筒上部温度分布相对均匀。由于筋板的多面散热，在筋板上形成较为明显的温度变化。由于热传导路径和散热，前后托圈、齿轮、托轮和止推轮的温度不是很高。

图3 渣滚筒主体结构的温度场分布云图

3.2 热应力计算结果分析

图4为温度载荷作用下渣滚筒的热应力分布。从筒体外部和内部来观察整体应力水平，可发现部分区域应力较高，部分应力水平低，有明显的分界。渣滚筒局部热应力分布于： (1)进渣口，进渣侧锥面，外部筋板和出渣口内部；(2)进渣侧托轮与托圈，以及相应的托轮支撑筋板和滚筒支撑筋板；(3)出渣侧托轮与托圈，以及相应的托轮支撑筋板和滚筒支撑筋板；(4)出渣侧止推轮与托圈，以及相应的止推轮托轮支撑筋板和滚筒支撑筋板。图3为渣滚筒局部位置相应的mises应力-位置曲线图。