新型转炉系统整体结构三维有限元分析

摘要:为考察大型转炉系统应力和变形对生产安全和结构优化设计的影响,采用三维有限元方法,建立新型转炉的整体结构装配体模型,计算该转炉系统在不同倾动角工况及重力载荷下的应力和位移. 通过详细分析各零部件的应力、变形和位移情况,研究应力和位移随倾动角的变化规律,提出改进设计方案. 结果可为转炉系统的设计和应用提供计算依据.

关键词:转炉; 有限元; 倾动角; 应力; 位移

中图分类号:TF341.1;O343.3;TB115文献标志码:A

3D finite element analysis on overall structure of

new basic oxygen furnace system

ZHANG Jianhan1, FANG Gang1, HUANG Qiming2

(1. Key Lab. for Advanced Materials Processing Tech., Ministry of Edu., Tsinghua Univ., Beijing 100084, China;

2. Dept. of Steel-making, CISDI Eng. Co., Ltd., Chongqing 400013, China)

Abstract: To study the effect of stress and distortion of large-scale basic oxygen furnace system on the production safety and the optimization on structure design, a 3D finite element method is used to establish the assembly body model of the overall structure for a new basic oxygen furnace. The stress and displacement of the basic oxygen furnace under gravity load are computed at different operating angle. Through analyzing the stress, distortion, and displacement of the components in detail,the stress and displacement changes with the operating angle are studied and the improvement solution is proposed. The results can provide computation references to the design and application of basic oxygen furnace system.

Key words: basic oxygen furnace; finite element; operating angle; stress; displacement

收稿日期:2008-09-24修回日期:2008-12-18

作者简介: 张剑寒(1974―),男,黑龙江哈尔滨人,助理研究员,博士,研究方向为碳化硅空间反射镜、重型锻压装备、连铸连轧工艺设备等,

(E-mail) ;

方刚(1971―),男,辽宁义县人,副教授,博士,研究方向为锻压工艺与设备,(E-mail)

0引言

转炉系统主要由炉体(包括炉壳和炉衬)、托圈、吊挂机构和倾动装置几部分组成,在实际生产中承受各种机械载荷[1-3]和热载荷[4-5].对于大型转炉系统,其系统本身、钢水和炉衬等的总重量高达上千吨,因此如何确保所设计的转炉在巨大重力载荷下安全工作是重要的设计目标之一.本文针对某新型转炉初步设计模型进行整体有限元分析,以便为转炉详细设计和改进提供基本理论依据.由于转炉系统结构和受力复杂,制备方式为各零部件单件小批量生产制造,以整体现场安装为主,难以采用等效模型和实验方法测试产品应力和变形,因此采用有限元法计算并分析转炉系统不同载荷下的应力和变形,在时间、精度和成本上都具有优势,对新型转炉设计和制造具有重要指导意义和经济价值.对于转炉系统这样大型装配体的分析,传统方法多采用二维等效,只分析部分零部件,或简化为梁、杆和壳单元等,网格也以四面体单元为主,这样难免会降低计算精度.[1-9]本文针对某新型转炉系统整体结构进行三维有限元分析,在合理简化的基础上采用实体模型,用六面体单元划分网格,重要零部件之间保持接触,以保证计算精度、效率和计算结果的可靠性.

1建立转炉系统有限元分析模型

转炉模型见图1,主要包括转炉炉体、托圈、轴承座和吊挂机构.转炉系统总高11 m以上,转炉直径8 m以上.转炉采用下悬挂吊挂机构将炉体挂在托圈上,托圈与炉体之间有一定间隙.转炉系统共有3个吊挂机构,沿圆周方向分布,其中2个吊挂(本文称为双侧吊挂)在耳轴一侧,与耳轴连线成30°～40°的方向上,还有1个吊挂(本文称为单侧吊挂)在耳轴的另一侧,方向与耳轴成90°.与此相对应,将炉体上的3个吊耳称为双侧吊耳和单侧吊耳.

模型材料的弹性模量E=2.01×105 MPa,泊松比λ=0.3,材料密度ρ=7 800 kg/m3.转炉系统主要由炉体、炉衬、炉内钢水和炉渣、托圈、倾动装置等部分组成.对于静力学分析,主要载荷为炉体重力,在静力学分析中没有建立炉内装入钢水、炉渣和炉衬的模型,对于这一部分重量采用等效密度加载在炉体上.实际模型的总重量为1 800 t左右.

整个转炉系统通过轴承座和脚支与地面连接,这是根据已知边界条件建立的支撑模型.该支撑模型是为完成模型支撑约束所做的1个辅结构,虽然实际设计结构尺寸要大得多,但支撑点原理相似,故其中的应力值在文中仅作参考.其他各零部件之间的关系均通过零部件之间的相互接触确定.接触属于边界条件的非线性,常常导致有限元计算收敛困难,因此接触计算在整个有限元分析中至关重要.采用直接约束法和库仑摩擦模型处理接触问题.模型载荷为转炉系统的重力,边界条件为:长耳轴一侧的轴承座底面和短耳轴一侧的脚支底面采用全约束;各零部件之间采用面接触,整个装配体共建立18个接触对.有限元网格模型见图2.绝大部分单元为六面体单元,个别区域采用五面体单元过渡.对于重要区域如吊挂、各个接触面、耳轴和轴承等则完全采用六面体单元.实际工作中转炉需要旋转360°,计算考虑转炉和托圈分别在0°,30°,60°,90°倾动角的工况进行分析,重力加速度则始终沿y轴垂直向下.

2转炉系统计算结果与分析

2.1倾动角为0°的计算结果

图3(a)是转炉系统的σ1分布,最大σ1为141.49 MPa,表现为拉应力.从图3(b)可见,若不考虑轴承座的高应力部分,转炉系统的机械应力水平并不很高,大部分在100 MPa以下,只有局部接近150 MPa,转炉系统中应力较高的区域主要分布在托圈耳轴根部、吊挂机构、炉体耳挂和挡块附近.

图4中,托圈水平截面的最大von Mises应力为113.13 MPa.可以看到,在很多尖角处应力较大,4个圆形孔洞周围应力水平也较高,说明它们的存在使托圈结构的安全性在一定程度上有所削弱,而给单侧吊挂一侧孔洞带来的结构削弱更大,双侧吊挂一侧von Mises应力水平则更高.从应力分布的水平上看,托圈整体应力分布比较均匀,没有出现过大的、可能造成结构损伤的应力区域,因此托圈整体结构比较安全.图5中,炉体的最大von Mises应力为84.71 MPa.炉体整体应力水平不高,最大应力出现在炉体吊耳与吊挂机构中销轴的接触面.炉体的吊耳区域、两对挡块区域以及吊耳与挡块之间的区域应力较高.因为承受全部炉体重量,所以吊耳区域应力水平较高.炉体两对挡块的存在使此区域炉体变形困难,导致应力水平上升.

图6(a)显示转炉系统在重力下的位移情况,可见最大位移发生在炉体单侧吊耳一侧,这是因为该侧面只有1只吊耳与吊挂机构连接,托圈在该侧也只有1个杠杆座,造成托圈在该侧变形比双杠杆座一侧大.转炉系统最大位移为10.46 mm,相对于高度为10多米的大型装配体而言很小.双侧吊挂一侧整体变形小,对应的应力分布偏高.从图6(b)可见,炉体整体在重力作用下向下移动,托圈两根耳轴因托圈变形而向上翘,两对调心滚子轴承有效放松两根耳轴的约束,允许托圈耳轴能够偏转,而轴承座和脚支与地面连接使短耳轴能在z方向(横向)自由滑动.转炉系统位移主要来源于托圈变形.

为考察计算结果的正确性,可以将支反力结果与转炉系统的重量进行对比.转炉系统支反力出现在两个轴承座底部,两个轴承y方向的支反力分别为9.1 MN和8.83 MN,合计17.93 MN,这说明计算模型的各个参数设置合理.若不考虑脚支区域,整体上看,转炉系统应力水平较低,绝大部分区域von Mises等效应力和第1主应力都小于100 MPa,整体结构安全.应力较高的区域主要集中在炉体的吊耳和挡块区域,托圈的耳轴、挡座、孔洞和内部加强筋区域,吊挂机构以及各个接触面附近.

2.2倾动角分别为30°,60°,90°的计算结果

转炉系统在工作中会倾倒炉内的钢水,因此还要转动一定角度,为此对倾动角为30°,60°,90° 3种工况进行分析.分析中将炉体、托圈和吊挂机构整体沿着耳轴轴线方向旋转不同的角度,两端的轴承座和脚支不旋转,长耳轴一侧轴承座的底面和两个脚支底面采用全约束,重力加速度沿y轴垂直向下,钢水和炉衬等重量仍然采用等效密度加载在炉体上.

表1～4分别列出转炉系统、吊挂、炉体和吊挂机构的应力变形计算结果.

从表中可见转炉系统整体的第1主应力σ1与倾动角关系不大,第1主应力σ1较高的区域主要分布在脚支附近.随着倾动角度增大,转炉系统的位移变形略有增加,原因是托圈因为重心的偏移导致一定程度的变形,但整体来看,尤其炉移是随着倾动角的增加而减小的,这说明由于炉体挡块和托圈挡座的作用,转炉系统整体刚度变大.在倾动角增加到一定值后,转炉系统重心重新返回到托圈的中轴线附近,使得托圈变形更加均匀,最大变形减小,此时,随着倾动角的增加,转炉系统的整移减小.

如果不考虑轴承座的脚支部分,转炉系统的高应力区域主要在转炉的上下挡块、耳挂区域,托圈的上下挡座、耳轴根部区域,以及吊挂机构等.转炉系统的应力分布随着倾动角的变化也发生很大变化,在0°倾动角时,承受炉体、炉衬和炉内装料载荷的零部件主要是吊挂机构,而吊挂机构又存在众多接触面,因此最大von Mises应力出现在吊挂机构上(两个双侧吊挂);转炉系统转动后,吊挂机构承受的载荷逐渐被托圈的挡座承担,因此随着倾动角的增大,吊挂机构的应力水平逐渐下降.对于炉体和托圈的挡座和挡块,在转炉系统倾动初始阶段,下部挡块和挡座承担一部分炉体载荷,吊挂机构仍然承担一部分载荷.随着倾动角增大,上部挡块和挡座也开始承担载荷,吊挂机构承担的载荷进一步减小.在90°倾动角时,吊挂机构承担的载荷很小,炉体载荷主要由上下两对挡座和挡块共同承担.

3结论

(1)转炉系统最大位移出现在30°倾动角,最大位移值为10.69 mm.如果不考虑脚支区域,最大von Mises等效应力出现在60°倾动角的托圈挡座区域应力值为187.80 MPa.该计算结果表明,原设计中托圈挡座是整个转炉系统的薄弱环节,通过改善接触面并采用预应力结构挡座(另获专利),其最高计算应力值可控制在100 MPa以内.

(2)转炉系统在0°倾动角工况时,主要载荷由炉体的吊耳、托圈的杠杆座和吊挂机构承担炉体及其内部装料的重力产生.随着炉体倾动角增加,载荷逐渐转移到炉体的挡块和托圈的挡座区域,倾动角为90°时,载荷主要由两对挡块和挡座均匀承担.转炉耳轴的两对轴承应力水平不高,可满足工作要求.

(3)分析数据表明,转炉托圈和炉壳整体机械强度是足够的,其中考虑到各构件材料选取及其屈服强度为340～400 MPa等级,可考虑作局部的优化以减轻设备重量.这已在后续的详细设计中完成.

(4)目前设计方案中,在转炉托圈耳轴两端的上下方均设炉体挡块和托圈挡座,可以在转炉倾动中起到支撑炉体、减少吊挂受力和变形的作用,这可提高转炉吊挂机构中核心零件的工作寿命和转炉系统的安全可靠性.

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