多孔窑筒体有限元分析

中图分类号：TQ054 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）02-0157-02

1 概述

在建材、冶金、水泥、化工等许多行业中，广泛地使用回转窑、回转炉、筒式干燥机、冷却机、篦选机、水合机等多支承回转系统进行原材料的焙烧、煅烧、干燥、冷却、合成等。这类系统的主体为一回转圆筒（俗称筒体），在热态下运行，并对其内的物料进行复杂的物理和化学处理。处理过程中，物料从筒体的高端加入，燃料由燃烧器从低端喷入筒体内的高温带燃烧，烟气通过筒体由高端排出。由于筒体倾斜安装，在回转时，筒体内物料在沿周向翻滚的同时沿轴向向低端移动，在低端排风机的作用下，与热气逆流换热，完成热交换过程，经过物理和化学变化，成为合格产品从低端卸出。

直接还原多孔窑，是用于生产直接还原铁产品的主要设备。由链篦机预热的球团，经窑尾罩进入多孔窑，在窑筒体内继续加热，当球团矿加热到一定温度时开始进行还原反应，最终生产出海棉铁，海棉铁再通过窑头箱经固定筛到冷却筒进行冷却。

1.1 主要组成

多孔窑主要由筒体、支承装置、挡轮装置、传动装置、窑头罩及密封装置、窑尾密封装置，窑头、窑尾冷风装置，支承座用液压调整系统、风道装置，系统等组成。

1.2 安装形式

根据窑的长径比，本多孔窑属于细长型，采用了三挡支承，结构如图1所示，其中1，3，4为支承处，2为传动处。

2 有限元分析

2.1 分析约定

在进行有限元分析时，先提出如下假设：

（1）因为温度在多孔窑运行过程中基本保持不变，不考虑温度波动对筒体的影响；

（2）不考虑物料及窑衬的重量在运行过程中的波动因素，即假定物料及窑衬的重量在计算过程中是恒定的；；

（3）不考虑筒体上各结构因焊接原因所引起的各种因素的变化，并假定焊接强度与筒体结构的强度相当；

（4）不考虑多孔窑筒体的安装误差；

（5）由于筒体在工作过程中是匀速转动，且其旋转角速度很小，与结构的自重相比，其离心力相对较小，因此在计算过程中，假定筒体处于静止状态。即不考虑转动对筒体的影响。

（6）为了计算载荷的方便，在对结果影响不大的情况下，假设多孔窑是水平放置的。

2.2 材料与单元参数

（1）.20g

弹性模量：E=197GPa（200℃）；

泊松比：μ=0.3

（2）.衬砖材料

由于窑衬材料一般由混凝土、衬砖和其它材料组成，考虑到窑衬材料中，衬砖占得比例要大大的高于其他材料，因此在这里将统一用衬砖的材料来取代窑衬的材料，已知1等高铝砖材料性能为：

弹性模量：E=20GPa（1000℃）

泊松比：μ=0.15

2.3 筒体承受载荷计算

多孔窑的筒体所受的载荷包括筒体自重、窑衬的压力、滚圈的支撑反力、齿圈的回转驱动力、物料的压力和其他附属部件（窑头窑尾，风管，风道，埋入式烧嘴）对其的作用力。其横截面结构如图2所示。

随着筒体的旋转，物料在摩擦力作用下被带到一定的高度，当达到动态安息角后，物料在自重作用下沿料层表面滚落下来，并在重力、离心力、摩擦力的综合作用下达到动态平衡，如图2所示，图中α为动态安息角，C为物料的重心。在下列计算过程中，将不考虑物料颗粒间的相互作用。

根据资料可知：

物料的填充率η=22%，

物料的安息角为：α=39°，

多孔窑的旋转速度为：n=0.6r/min

圆筒体的内半径为：R=2500mm，取衬砖和衬皮的厚度为：230mm，则其半轿：r=2500-230=2370mm。

由图3知，圆弧拱形部分的面积为：

当填充率η=22%时，即有

将（1）式代入（2）式，可得=63°

取单位窑长上的一微段圆弧进行研究，物料作用在微圆弧上的重力为：

式中：-物料的密度，g-重力加速度，且有g=9800mm/s2，根据几何关系可得：

由于物料随筒体旋转，物料作用在微段圆弧上的离心力为：

式中：

因此，作用在微段上的正压力是重力和离心力综合作用的结果，其大小为：

由于旋转速度很小，在分析时其离心力可以忽略不计，因此物料对筒体的作用力主要是其自重，即单元面积上，物料作用在筒体上的力为：

2.4 筒体的有限元模型

2.4.1 网格模型的生成

筒体开有烧嘴孔和测温孔，其中，烧嘴孔直径为320mm，孔大，且相对数量比较多。而测温孔直径为132mm，孔小，且数量少，对结构的强度刚度影响较小。因此，在建立模型时，考虑烧嘴孔的影响而忽略掉测温孔。在ANSYS软件中建立筒体的实体模型，它由的钢筒，焊在筒体上的烧嘴和筒体内部的衬砖组成。衬砖生成的网格模型局部放大图如图3所示。钢筒及烧嘴放大的网格模型如图4所示。

2.4.2 施加载荷

通过分析计算可知，在筒体外安装的附属部件（窑头窑尾，风管，风道，埋入式烧嘴），其重量与筒体及窑衬的总重量相比要小的多，对筒体的刚度及强度影响较小，因此在计算过程中将这部分的重量忽略不计。

结构只考虑自重的影响，筒体的载荷主要有2个：

（1）筒体和窑衬的自重；

（2）物料自重对筒体的影响。

对于筒体和窑衬的自重，只要在计算过程中，施加一个竖直方向的重力加速度g=9800mm/s2即可。

对于物料自重对筒体的影响，根据式（9）物料对窑衬作用力的函数，利用ANSYS提供的apdl编程功能，编辑相关的程序，用以计算窑衬内表面与物料接触的单元上受到的压力，然后采用集中力的方式加载在与单元相关的节点上，集中力的施加结果如图5所示。

2.4.3 施加约束

根据多孔窑结构示意图可知，在位置1，3，4处，托轮通过与滚圈接触，对多孔窑产生支撑作用，因此，选择多孔窑外部与滚圈接触筒体的下半圆柱面的节点，并约束它们的径向位移。在支承装置1处设计有挡轮，用来限制多孔窑轴向的运动，因此，选择多孔窑外部与滚圈4接触筒体侧圆环面上的节点，并约束它们轴向位移。

在位置2处，液压马达通过齿轮对多孔窑产生传动作用。约束筒体外壁与连杆连接处节点的切向位移，使筒体处于平衡状态。施加约束的情况如图6所示。

第三节 结果分析及结论

利用上述模型，通过软件计算可以得到相应的结果如下。

3.1 应力结果分析

3.1.1 计算结果

（1） 筒体Mises应力

如图7显示了筒体结构的Mises应力分布云图，其中最大的Mises应力值为：

（5） 窑衬的Mises应力

如图9显示了窑衬的Mises应力分布云图，其中最大的Mises应力值为：

3.1.2 结果分析

4、图7反映了筒体Mises等效应力分布，由图可知，筒体所受的最大等效应力为26.63MPa，发生在支承3和4之间筒体中心处底部烧嘴孔边缘，此处筒体钢板厚度为32mm，屈服极限为153MPa（300℃）筒体所受的最大等效应力在材料允许的范围内，安全系数为4.8。

5、如图8反映了窑衬Mises等效应力分布，由图可知，窑衬所受的最大等效应力为4.23MPa，发生在支承4处滚圈下钢板与过渡带钢板所对应的位置。

3.2 位移结果分析

3.2.1 计算结果

如图10显示了筒体结构总变形位移的分布云图，其中最大变形位移为：

3.2.2 结果分析

4、图9反映了筒体总的位移分布，由图可知，筒体的最大位移1.564mm，发生在支承3和支承4之间筒体中部物料分布密集处。

5、图10反映了窑衬总的位移分布，由图可知，窑衬的最大位移为1.564mm，发生在支承3和支承4之间筒体中部物料分布密集处。由于该处没有支承装置，径向上大的位移容易引起窑衬的松动、扭曲、脱落和断裂，是较危险的区域。

3.3 结论

3.3.1 分析结论

由以上分析可知，多孔窑筒体在正常工作的情况下最大应力为26.63MPa，和材料的屈服极限相比，具有较大的安全系数；最大应变为1.564mm，与筒体的几何尺寸相比，变形很小。以上两点足以说明多孔窑筒体具有较好的强度及刚度，能较好的满足生产的需要。

3.3.2 改进建议

1、由分析结果可知，筒体所受的最大应力远远低于材料的屈服极限，因此可以适当的减小筒体的厚度，以节省材料，节约成本。

2、分析总应力云图和总位移云图可知，支承1和支承3之间应力应变较小，支承3和支承4之间应力应变较大，因此可以适当的调整支承3的位置，改进筒体的应力分布，使其更均匀。