鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)制造基本問題的探討

呂洪玉 張 弛，2 卞學(xué)詢

(1.天津科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津,300222；2.焦作崇義輕工機(jī)械公司，河南焦作,454550)

·鑄鐵烘缸·

鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)制造基本問題的探討

呂洪玉1張 弛1，2卞學(xué)詢1

(1.天津科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，天津,300222；2.焦作崇義輕工機(jī)械公司，河南焦作,454550)

根據(jù)多年設(shè)計(jì)實(shí)踐和近年來的事故分析，討論了鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)制造中的兩個(gè)最基本問題即強(qiáng)度理論應(yīng)用問題和材料力學(xué)性能選取問題。提出在鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)中應(yīng)選用第一強(qiáng)度理論，不能選用Mises應(yīng)力作為強(qiáng)度條件。在選用材料力學(xué)性能時(shí)，本體試棒抗拉強(qiáng)度不能用于強(qiáng)度的計(jì)算。

鑄鐵烘缸；設(shè)計(jì)；制造

(*E-mail: lhy1993@126.com)

造紙機(jī)用鑄鐵烘缸是造紙機(jī)干燥部的主要部件，是承受內(nèi)壓的壓力容器，由脆性材料鑄鐵制造[1]，它的安全使用涉及到3個(gè)方面的問題，即設(shè)計(jì)、制造和正確使用。本文根據(jù)多年設(shè)計(jì)實(shí)踐和近年來的事故分析，僅就設(shè)計(jì)、制造中的最基本問題進(jìn)行討論，以求為設(shè)計(jì)、制造中最基本的概念提供正確的方法。

1 關(guān)于鑄鐵烘缸應(yīng)使用的強(qiáng)度理論問題

鑄鐵烘缸是由脆性材料鑄鐵制造的，灰鑄鐵的破壞沒有塑性變形而直接發(fā)生斷裂。因此，設(shè)計(jì)鑄鐵烘缸應(yīng)使用第一強(qiáng)度理論，也就是最大主應(yīng)力小于等于許用應(yīng)力，見式(1)。

σ1≤[σ]

(1)

式中，σ1為最大主應(yīng)力；[σ]為許用應(yīng)力。

但實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，不少設(shè)計(jì)卻使用Mises應(yīng)力[2]作為強(qiáng)度條件。Von Mises于1913年提出了一個(gè)屈服準(zhǔn)則，該屈服準(zhǔn)則被稱為Von Mises屈服準(zhǔn)則。Mises應(yīng)力就是一種當(dāng)量應(yīng)力，它是根據(jù)第四強(qiáng)度理論得到的當(dāng)量應(yīng)力，其內(nèi)容為：形狀改變比能是引起材料流動(dòng)破壞的主要原因，其強(qiáng)度條件由式(2)表示。

(2)

式中，σ1、σ2、σ3為復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的3個(gè)主應(yīng)力。

灰鑄鐵材料沒有塑性變形而直接發(fā)生斷裂破壞，因此不能使用第四強(qiáng)度理論的Mises應(yīng)力作為強(qiáng)度條件?？v觀近年來的破壞案例，不少的計(jì)算報(bào)告均以Mises應(yīng)力小于等于許用應(yīng)力作為強(qiáng)度條件，這是極其錯(cuò)誤的。Mises應(yīng)力主要考慮韌性材料在外力作用下會(huì)出現(xiàn)屈服狀態(tài)，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生晶間滑移，灰鑄鐵材料沒有塑性狀態(tài)，所以使用塑性材料的強(qiáng)度理論是不適宜的。

研究表明，在鑄鐵烘缸缸體部分最大主應(yīng)力會(huì)大于Mises應(yīng)力，而在法蘭附近應(yīng)力較復(fù)雜的情況下，3個(gè)主應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)負(fù)值，此時(shí)有可能會(huì)使Mises應(yīng)力大于最大主應(yīng)力，但這也不能成為以Mises應(yīng)力作為強(qiáng)度條件的理由。

其次，使用應(yīng)力分類法也是不合適的。應(yīng)力分類法基于材料的塑性條件。在應(yīng)力分類法中，熱應(yīng)力被認(rèn)為是二次應(yīng)力，但在鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)中熱應(yīng)力是一個(gè)主要應(yīng)力，有報(bào)告稱熱應(yīng)力要達(dá)到總應(yīng)力的40%[3]，但隨著環(huán)境溫度的降低，熱應(yīng)力會(huì)更大。因此，將鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)中的熱應(yīng)力作為二次應(yīng)力處理是不恰當(dāng)?shù)摹Ｋ圆荒苡脩?yīng)力分類法來處理鑄鐵烘缸的強(qiáng)度問題。

近年來，由于技術(shù)進(jìn)步，高壓容器大多會(huì)使用高強(qiáng)度材料。這些高強(qiáng)度材料多表現(xiàn)出脆性性質(zhì)，因此多采用斷裂力學(xué)的方法進(jìn)行壓力容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。而對(duì)于鑄鐵烘缸而言,采用斷裂力學(xué)的方法過于繁瑣，多年來的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，鑄鐵烘缸采用第一強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)是科學(xué)、可靠的。

2 灰鑄鐵材料的力學(xué)性能與強(qiáng)度設(shè)計(jì)

灰鑄鐵材料應(yīng)用于制造壓力容器，主要是在造紙、食品與紡織等行業(yè)中采用，其工作壓力要小于等于0.8MPa?；诣T鐵基體為鐵素體、珠光體、鐵素體-珠光體?；诣T鐵可以看成鋼加片狀石墨結(jié)構(gòu)，其性能取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、大小和分布情況，其中未知因素太多，所以安全系數(shù)的取值較高。我國(guó)相關(guān)規(guī)范和美國(guó)、歐盟、德國(guó)AD等規(guī)范中安全系數(shù)的取值均為10。

按照壓力容器的《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[4]，對(duì)每個(gè)容器均要進(jìn)行試件的拉力試驗(yàn)以確定其力學(xué)性能，這方面國(guó)內(nèi)規(guī)范[5]和國(guó)際規(guī)范[6]對(duì)于灰鑄鐵件的力學(xué)性能均有要求。對(duì)于鑄鐵烘缸的鑄件厚度，小型烘缸缸體厚度在20～40mm之間，而揚(yáng)克烘缸缸體厚度在40～80mm之間。灰鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)要求如表1所示。

表1 部分灰鑄鐵材料試棒抗拉強(qiáng)度

對(duì)試件強(qiáng)度要求來講，單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度應(yīng)與同牌號(hào)灰鑄鐵抗拉強(qiáng)度相同，附鑄試棒與灰鑄件本體試棒的抗拉強(qiáng)度要求均有所降低。

在鑄件生產(chǎn)加工時(shí)，冷卻速度對(duì)于鑄件的力學(xué)性能影響很大。對(duì)于鑄鐵烘缸這一大型鑄件，單鑄試棒要達(dá)到與鑄件本體相同的冷卻速度較困難，因此很難保證鑄件與單鑄試棒力學(xué)性能相同。多數(shù)鑄造廠不愿使用附鑄試棒，原因是怕破壞鑄造件。多數(shù)廠家樂于在冒口附近取試件，這就是表1中鑄件本體試棒。

德國(guó)AD 2000標(biāo)準(zhǔn)[7]中特別推薦對(duì)于烘缸的試件選取應(yīng)在缸體鑄件的上下側(cè)，也就說明了對(duì)于烘缸來講試件選取的特殊性。

但從表1中可以看到，單鑄試棒的最小抗拉強(qiáng)度與材料標(biāo)號(hào)要求相同，而附鑄試棒和鑄件本體試棒均降低了拉伸強(qiáng)度要求。其原因是對(duì)于較厚的鑄件不太容易保證鑄件的高質(zhì)量。但這樣就出現(xiàn)其他的問題，降低了附鑄試棒與鑄件本體試棒抗拉強(qiáng)度要求，就很難保證加工好的壓力容器強(qiáng)度要求，因?yàn)樵荚O(shè)計(jì)是按照規(guī)定牌號(hào)鑄鐵力學(xué)性能設(shè)計(jì)的。下面采用一個(gè)具體的破壞案例來說明。

某材料為HT300的鑄鐵烘缸爆破后，取本體加工試件，拉伸強(qiáng)度為210 MPa，按照灰鑄鐵件的規(guī)范要求，已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，但其原始設(shè)計(jì)卻按照HT300，安全系數(shù)取n=10，最大許用應(yīng)力按[σ]=30 MPa進(jìn)行的設(shè)計(jì)。這就產(chǎn)生一個(gè)矛盾，即試件抗拉強(qiáng)度為210 MPa，其許用應(yīng)力應(yīng)為21 MPa。在事故責(zé)任認(rèn)定時(shí)，不能認(rèn)定其材料的選用為破壞主要因素，也不能認(rèn)為其強(qiáng)度設(shè)計(jì)有問題。

作為壓力容器用鑄鐵件完全按照灰鑄鐵件規(guī)范要求達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度要求，顯然不適用。工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明，經(jīng)過改進(jìn)工藝條件，添加合金元素，精心冶煉，可以使鑄件本體試棒接近或達(dá)到規(guī)定鑄鐵牌號(hào)的力學(xué)性能，這就是鑄鐵壓力容器不同于其他灰鑄鐵件要求之處。

目前國(guó)內(nèi)尚沒有對(duì)于壓力容器用灰鑄鐵件做出規(guī)定，國(guó)際上ASME規(guī)范[8]以及歐洲規(guī)范[9]對(duì)于壓力容器使用的灰鑄鐵件沒做出特殊規(guī)定，而我國(guó)不少烘缸制造廠家已經(jīng)意識(shí)到這一問題，他們強(qiáng)調(diào)在鑄鐵烘缸鑄造中除要達(dá)到灰鑄鐵件[5]規(guī)范要求下，應(yīng)盡可能提高加厚鑄件的力學(xué)性能，以滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

本文討論了鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)、制造中的兩個(gè)基本問題，這是當(dāng)前鑄鐵烘缸生產(chǎn)中亟待解決的問題，也是提高我國(guó)鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)與制造水平的關(guān)鍵問題。由此得到以下結(jié)論。

3.1 在設(shè)計(jì)時(shí)，強(qiáng)度理論應(yīng)選擇第一強(qiáng)度理論，這樣既符合脆性材料的性質(zhì)又符合鑄鐵烘缸的實(shí)際受載荷狀況。

3.2 對(duì)于材料的抗拉強(qiáng)度，部分灰鑄鐵材料的本體試棒拉伸強(qiáng)度值不能滿足造紙用鑄鐵烘缸的強(qiáng)度要求。應(yīng)使材料的本體試棒接近或達(dá)到規(guī)定鑄鐵牌號(hào)的力學(xué)性能，以保證烘缸的安全使用。

[1] ZHANG Wei-min， CHEN Qiao-hua， LI Feng， et al. Properties of Spheroidal Graphite Cast Ion Required for the Dryers of Paper Machine[J]. China Pulp & Paper, 2013, 32(5): 36. 張衛(wèi)民, 陳巧花, 李 峰, 等. 造紙機(jī)械烘缸用球墨鑄鐵材料的性能及要求[J]. 中國(guó)造紙， 2013， 32(5)： 36.

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

Basic Problems in the Design and Construction of Cast Iron Dryer Cylinder

LV Hong-yu1,*ZHANG Chi1,2BIAN Xue-xun1

(1.TianjinUniversityofScience&Technology,Tianjin, 300222;2.JiaozuoChongyiLightIndustrialMachineryCo.,Ltd.,Jiaozuo,He’nanProvince, 454550)

The dryer cylinders are main part of drying section of paper machine. It is pressure vessel withstanding inner pressure, and made of brittle material cast iron. Its safe operation is guaranted from the aspects of design, fabrication and correct operation. In this article, on basis of years design practice and accident analysis, a correct fundamental concept in the design and construction of the cast iron dryer cylinder was proposed.

cast iron dryer; design; construction

呂洪玉先生，副教授，在讀博士研究生；研究方向：創(chuàng)新設(shè)計(jì)與壓力容器設(shè)計(jì)原理。

2013- 09- 14(修改稿)

TS73

A

0254- 508X(2014)02- 0060- 03