煉鋼渣滾筒主體結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分析

黃成永

(寶鋼集團(tuán)梅山鋼鐵股份公司，江蘇 南京 201139)

0 前言

目前國內(nèi)外鋼渣熱態(tài)處理工藝主要包括熱悶法、熱潑法、淺盤法、水淬法、滾筒法、風(fēng)淬法、?；喎ǖ萚1-2]。這些工藝都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，滾筒法渣處理工藝有其先進(jìn)性：(1)處理流程短，爐渣處理時間短，生產(chǎn)效能力高；(2)處理后的轉(zhuǎn)爐渣粒度均勻；(3)渣鋼分離良好；(4)渣處理在封閉的容器內(nèi)進(jìn)行，產(chǎn)生的蒸汽通過除塵處理后可達(dá)標(biāo)排放，可改善渣處理對環(huán)境的污染；(5)處理好的渣可不落地直接進(jìn)入高位料倉集中存放，減少渣的倒運(yùn)次數(shù)，可提高工作效率。

渣滾筒運(yùn)行過程中，紅渣由進(jìn)渣口進(jìn)入渣筒，遇到筒底的冷卻水產(chǎn)生高溫水蒸氣。渣滾筒受熱渣輻射與高溫蒸汽共同作用，同時渣滾筒與空氣接觸形成散熱，使渣滾筒溫度分布復(fù)雜化，從而產(chǎn)生復(fù)雜的空間熱應(yīng)力分布。渣滾筒的三維整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)用線性有限元分析，不易得到合理結(jié)果。本文考慮渣滾筒的幾何非線性效應(yīng)，采用三維非線性有限元方法，建立了渣滾筒的數(shù)值計算模型，計算了渣滾筒渣處理過程中的溫度場、熱應(yīng)力和熱應(yīng)變空間分布。

1 結(jié)構(gòu)模型

渣滾筒主體結(jié)構(gòu)是異常復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，為了進(jìn)渣和出渣需要，渣滾筒傾斜放置。渣滾筒可分為進(jìn)渣側(cè)段、出渣側(cè)段和中間段三個部分。進(jìn)渣側(cè)段包括錐殼、覆板、放射狀外立筋板、環(huán)形筋板和前托圈等。出渣段包括筒體、環(huán)形板、以及周向分布的聯(lián)接筋板、豎隔圓板、錐殼、覆板、后托圈、大齒輪、大齒輪支撐筋板等。中間段包括筒體、覆板、內(nèi)部蓖條，周向分布的槳板和槳板間的斜支撐等。為了精確計算渣滾筒主體結(jié)構(gòu)的溫度場和熱應(yīng)力場，充分考慮渣滾筒各部分之間的相互約束關(guān)系，嚴(yán)格按照真實(shí)結(jié)構(gòu)建立三維實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 渣滾筒三維實(shí)體模型

2 熱應(yīng)力分析方法

2.1 基本理論

渣滾筒在工作過程中，涉及熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流等復(fù)雜物理過程，溫度變化復(fù)雜，溫度場難以計算。為了保證溫度場計算的準(zhǔn)確性，需要輔以部分現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)?；谡鎸?shí)工作工況，對計算過程進(jìn)行如下處理：(1)表面局部可觀測位置，采用現(xiàn)場測量獲得溫度場數(shù)值，作為強(qiáng)制溫度邊界；(2)與外界空氣之間的對流、輻射，采用綜合換熱系數(shù)考慮熱量耗散；(3)考慮主渣滾筒的熱傳導(dǎo)效應(yīng)[3]。

采用Garlekin定理，渣滾筒的三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)三維空間離散方程可寫為[4]

[K]{T}={Q}

式中，[K]為熱傳遞矩陣；{T}為溫度向量；{Q}為溫度載荷向量；ρ為材料密度；c為材料比熱；[N]為插值函數(shù)；qs為熱流強(qiáng)度；[B]為應(yīng)變矩陣；Tr為對流溫度；Te為外輻射源溫度；h為對流系數(shù)；κ為幅射系數(shù)；[k]為單元局部剛度矩陣。

本文所研究的渣滾筒結(jié)構(gòu)有多個接觸界面，在接觸界面向上會出現(xiàn)導(dǎo)熱，另外非接觸界面上有幅射熱。利用熱彈性應(yīng)力分析應(yīng)變關(guān)系可以計算溫度應(yīng)力和熱變形。

{σ}=[D]{ε}-D{ε0}=[D]{ε}-{σΔT}

式中，{σΔT}為對應(yīng)初始溫度應(yīng)變的初始溫度應(yīng)力；[D]為應(yīng)力矩陣。

在該溫度場的求解中，界面熱輻射問題需要用到第一類邊界條件，界面熱傳導(dǎo)問題需要用到第三類邊界條件[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)為空間域Ω內(nèi)的溫度場變量；Tw(x,y,z,t)在邊界Sr上的溫度分布；kn為熱傳導(dǎo)率。

在得到溫度分布后，單元節(jié)點(diǎn)溫度力向量可寫為

(2.12)

2.2 有限元模型

為保證高精度的刻畫溫度場和熱應(yīng)力場的空間分布，選擇高階六面體單元，對渣滾筒三維實(shí)體模型進(jìn)行手動網(wǎng)格劃分，保證網(wǎng)格均勻、疏密有序，渣滾筒三維網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 渣滾筒三維網(wǎng)格模型

3 熱應(yīng)力計算結(jié)果分析

渣滾筒主體結(jié)構(gòu)由鋼板組成，彈性模量E=210 GPa；泊松比μ=0.25；密度7 800 kg/m3；熱導(dǎo)率k=41 W/(m·K)；線膨脹系數(shù)λ=1.25×10-5/K。

3.1 溫度場計算結(jié)果

圖3是煉鋼渣滾筒主體結(jié)構(gòu)的溫度場分布云圖。計算中環(huán)境溫度設(shè)定為40℃。由圖中可以看出整體溫度場的分布形式為：進(jìn)渣口兩側(cè)溫度高，可達(dá)到250℃。進(jìn)渣口溫度成為熱源，溫度向外傳導(dǎo)，由于水流的作用，溫度呈現(xiàn)由進(jìn)渣口向出渣口逐步降低。由于倒渣過程的熱輻射，在進(jìn)渣側(cè)形成高的溫度梯度區(qū)。由于熱蒸汽的作用，使得渣滾筒上部溫度分布相對均勻。由于筋板的多面散熱，在筋板上形成較為明顯的溫度變化。由于熱傳導(dǎo)路徑和散熱，前后托圈、齒輪、托輪和止推輪的溫度不是很高。

圖3 渣滾筒主體結(jié)構(gòu)的溫度場分布云圖

3.2 熱應(yīng)力計算結(jié)果分析

圖4為溫度載荷作用下渣滾筒的熱應(yīng)力分布。從筒體外部和內(nèi)部來觀察整體應(yīng)力水平，可發(fā)現(xiàn)部分區(qū)域應(yīng)力較高，部分應(yīng)力水平低，有明顯的分界。渣滾筒局部熱應(yīng)力分布于： (1)進(jìn)渣口，進(jìn)渣側(cè)錐面，外部筋板和出渣口內(nèi)部；(2)進(jìn)渣側(cè)托輪與托圈，以及相應(yīng)的托輪支撐筋板和滾筒支撐筋板；(3)出渣側(cè)托輪與托圈，以及相應(yīng)的托輪支撐筋板和滾筒支撐筋板；(4)出渣側(cè)止推輪與托圈，以及相應(yīng)的止推輪托輪支撐筋板和滾筒支撐筋板。圖3為渣滾筒局部位置相應(yīng)的mises應(yīng)力-位置曲線圖。

4 結(jié)論

本文采用三維非線性有限元方法，針對煉鋼渣滾筒的筒體及其附件(托圈、托輪、止推輪等)之間的約束關(guān)系，嚴(yán)格按照實(shí)際工程結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型。再結(jié)合運(yùn)行中渣滾筒的表面溫度(用紅外熱成像儀測量)，分析了渣滾筒在渣處理過程中承受的溫度載荷以及所產(chǎn)生的熱應(yīng)力的分布。

分析結(jié)果表明：

(1)對渣滾筒，部分區(qū)域應(yīng)力較高，部分應(yīng)力水平低，有明顯的分界；

(2)筒體進(jìn)渣側(cè)錐面及外部筋板，最大應(yīng)力達(dá)500 MPa，出現(xiàn)在入渣的檐口區(qū)域；

(3)由于鋼渣、水蒸汽的熱輻射影響，蓖條的最大熱應(yīng)力幅值為191 MPa；

(4)進(jìn)渣側(cè)托圈最大應(yīng)力達(dá)282 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在U形墊板與托圈的聯(lián)接部位，或者與筒體的聯(lián)接部位；

(5)出渣側(cè)托圈最大應(yīng)力達(dá)335 MPa,出現(xiàn)在與出渣側(cè)托的輪接觸線上；

(6)進(jìn)渣側(cè)托輪、出渣側(cè)托輪、止推輪的最大熱應(yīng)力均高達(dá)300 MPa以上，在支撐筋板上的熱應(yīng)力更加明顯。

圖4 渣滾筒主體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力場分布云圖

圖5 渣滾筒主體結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力場分布云圖

若許用應(yīng)力取為200 MPa，最大熱應(yīng)力幅值已經(jīng)超出許用應(yīng)力，說明熱應(yīng)力對渣滾筒影響很大，在對筒的強(qiáng)度分析和疲勞分析不可忽略。

本文的計算分析結(jié)果可用于指導(dǎo)該渣滾筒的運(yùn)行、安全性評估，并為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評估和優(yōu)化設(shè)計提供可靠的理論依據(jù)。

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