平顶陶瓷窑炉钢结构架设计改进及有限元分析

2021-07-15陈钦鸿

机械研究与应用 2021年3期

林海，陈钦鸿，潘明，杨昭

(1.广东省特种设备检测研究院潮州检测院，广东潮州 521000； 2.广东省质量监督陶瓷燃气窑炉检验站(潮州)，广东潮州 521000)

0 引言

陶瓷属于高耗能产业，窑炉广泛应用于日用陶瓷等烧制生产中，以日用瓷为例，烧制成本约占总成本30～40%，节能降耗是成本控制的核心。

窑炉窑体包括：窑墙和窑顶，一方面要求具有耐高温隔热的性能，另一方面还要求具备一定高温强度。窑顶采用拱顶结构，拱越平，横向推力越大，加固窑炉所需的钢材越多且拱顶不稳固，容易下落[1]，增加停产风险及维修成本；拱过高有不利于窑内上下温度的均匀,特别是超宽隧道窑仍采用拱顶，势必有很大的拱高，严重影响内内上下温度和水平温度的均匀性[1]，影响烧成率。相应从窑顶结构改进来说，通过使用高性能耐火保温材料，降低窑顶厚度。采用平顶结构，可提升窑内断面温度均匀性，提升陶瓷烧成率。且相较于拱顶结构，钢结构架的作用主要是为了克服拱顶的横向推力[1]，采用平顶结构无横向推力。因此，钢结构架设计要求存在较大转变。

笔者通过采用平顶结构取代拱顶结构，设计窑炉钢结构架，并通过有限元分析，对设计进行改进，通过此设计达到降低窑内温升目的，提高烧成率，解决横向推力问题，减少钢结构架材料用量，提升经济性。

1 平顶支吊架设计

选择某窑炉制造企业陶瓷燃气窑炉钢结构架作为分析模型，以窑炉烧成带断面为例，其采用拱顶窑顶形式，如图1所示。

图1 拱顶窑炉断面图

钢结构架材料采用Q235碳素结构钢。隧道窑断面相关参数如下：钢结构架外宽2 730 mm，钢结构架外高1 730 mm，可利用烧制断面宽950 mm，断面高800 mm。

对原钢结构架进行改进设计，采用平顶窑顶结构，平吊顶结构相对复杂，钢材用量大，建造成本高[1]。由于断面宽大于0.8 m，使用大盖板平顶长期使用后存在倒塌风险。因此需使用吊挂平顶或拱顶窑顶，此处使用吊挂平顶，并设计平顶支吊架。

平顶支吊架材料选用Q235碳素结构钢，方形空心型钢(标准尺寸：边长a=25 mm，厚度s=2 mm)，设计为上下双拱结构，多拱平行布置形式。拱架通过冷弯焊接制造，上下双拱间距为100 mm，平行布置两拱间距为510 mm。

其余部分钢结构架沿用原先设计形式，采用厚度均为3 mm，100×50短形空心型钢及50×50方形空心型钢分别焊接而成。

由于选用窑炉模型总长度为69 m，钢结构架有一定重复性，因此模型仅截取其中2 m，具体如图2所示。

图2 改进后钢结图3 应力集中设计优化构架模型

2 设计改进

2.1 应力集中

在某窑炉生产企业设计的钢结构架基础上，根据该钢结构架图纸进行三维建模，并对其设计进行分析，发现：钢结构架两部件焊接连接处较严重应力集中(图3所示应力集中处，应力最大值为375 MPa)。

2.2 加强支撑

如图4所示，由于底部横梁跨度大，载荷大，易变形，钢结构架底部两支撑点间易发生变形。

图4 加强底部横梁支撑

2.3 结构优化

在原先的设计中，选用5 mm厚度钢材作为材料进行焊接。当我们在有限元软件初步分析后，发现有较大材料强度余量，因此我们改而用3 mm厚度钢材，并建立三维模型。在新设计中，钢材减重在满足材料强度要求的前提下，节省钢材及成本。

3 有限元分析

3.1 前处理

文中采用Ansys Workbench作为分析工具，对上述设计改进后钢结构架导入static structural模块中进行前处理。

材料设置为结构钢。划分网格大小设置为5 mm，网格节点总数共计9 416 301个，网格总数共计4 907 090个。

表1 网格划分参数

网格划分后，设置约束并加载，底面为固定支撑约束，作用在钢结构架上的作用力如下：按2 m窑墙测算窑墙作用在底部钢结构架上的载荷为4T(即40 000 N)，由于温度升高后，窑墙作用在钢结构架两侧作用力按2 000 N校验，平顶支吊在平顶支吊架，按2 m平顶测算作用在平顶支吊架上的载荷为500 kg(即5 000 N)，如图5所示。