基于步進梁式加熱爐爐底機械牽引框架優(yōu)化設計

李 龍

（西安航空職業(yè)技術學院，陜西 西安 710089）

就步進梁式加熱爐而言，其運行性能與爐底機械有著密切的關聯(lián)，其一方面可以起到支撐加熱爐平移框架的作用，另一方面則可以確保板坯能夠沿著爐長方向進行持續(xù)性步進運動。其傳動方式可細分為兩種，相較于傳統(tǒng)的機械傳動而言，采用液壓傳動的方式能夠減少結構占據(jù)的空間，緩解步進梁在運動過程中產(chǎn)生的沖擊力?？傮w來說，液壓傳動已經(jīng)被廣泛運用于步進機械中。

1 工程概況

在本文所探討的鋼鐵集團中，配備了4 臺步進式梁式加熱爐，對于爐底機械部分而言使用的是全液壓馭動的方式，選用熱軋H型鋼進行焊接處理，由此形成牽引框架。所論述的爐底機械牽引框架中，采用的材料型號為Q345-B，以此為參考確定對應的材料彈性模量值為208000MPa，同時將其泊松比取值為0.3。具體的幾何模型圖示如圖1所示。

2 步進梁式加熱爐概述

2.1 步進梁式加熱爐特點

作為重要的支承工件，水冷梁以及耐熱鋼梁對于步進梁式加熱爐而言均具有重要意義。對于加熱爐而言，可以在此設備中完成對鋼坯的加熱；對于猝火爐而言，可以在此設備中完成對長工件的淬火過程。

相較于推鋼爐而言，本文所探討的步進梁式加熱爐性能更為顯著。具體來說，選用了耐高溫爐料，因此在使用過程中不會出現(xiàn)相互粘連的現(xiàn)象；所需加熱的時間較短；在加熱過程中可以對工件底部區(qū)域形成保護，爐長的可選擇性也更為理想[1]。此外，當采取停爐操作時，此時存在于爐內(nèi)的所有工件都可以較為輕松地進行出孔處理，能夠靈活地改變步長以及步進周期，由此對爐子生產(chǎn)能力進行合理的調整。

圖1 牽引框架三維幾何模型示意圖

2.2 步進梁式加熱爐步進系統(tǒng)設備簡介

考慮到軋線布列方式之間的差異性，在進行裝料與出料作業(yè)時可選用兩種方式進行操作，即端進端出或者是側進側出。但二者適用的場景有所不同，前者常見于板材鋼坯材料，后者常見于線型材鋼坯材料。

從組成結構上分析，步進梁式加熱爐可細分為如下幾大部分：

（1）爐底機械，能夠完成指定的運動軌跡，諸如提升框架、滾輪以及液壓缸等均是重要的組件。

（2）水冷梁，能夠起到支撐工件的作用，活動梁能夠伴隨著步進機械的動作變化而發(fā)生改變，此外梁立柱等均是重要的結構。

（3）水封裝置，能夠隔絕空氣，避免其進入爐內(nèi)同時可以起到除渣的效果，諸如水封槽、水封罩等均是重要的組件。

2.3 步進梁式加熱爐步進系統(tǒng)設備安裝要點

整體來說，安裝過程較為繁瑣：首先需要進行基礎交接工作，在通過復測后將墊板、滾輪以及定心裝置等設備安裝完畢，其中滾輪分為上下滾輪兩部分，在安裝過程中需要遵循由下至上的順序；在做好各類基礎結構的安裝工作后，則需要進行零位固定處理，而后安裝水封裝置，最后進行試車，確保設備均能準確安裝[2]。

2.4 步進梁式加熱爐的優(yōu)點

（1）適用于多種形狀料坯，甚至可以對大板環(huán)以及異型環(huán)進行加熱處理，且最終加熱效果理想。

（2）具有強勁的生產(chǎn)能力，相較于傳統(tǒng)的推送式爐而言，爐底強度普遍超過800 kg/（m2·h），同時爐子長度能夠進行靈活變動，縮短幅度達到10%～15%。

（3）擺脫了推送比的制約，能夠靈活地調整爐長，同時不會出現(xiàn)拱料以及粘連等問題。

（4）爐子在運行時具有高度的靈活性，在爐長不發(fā)生改變的前提下，可以對料坯彼此間距進行調整，從而起到改變爐內(nèi)料塊數(shù)量的效果，對于產(chǎn)量具有變動性的生產(chǎn)目標而言具有良好的適應性；步進周期能夠進行靈活的調整，當加大步距時，將會縮短料坯在爐內(nèi)的加熱時間，因此可以滿足各類金屬的加熱需求。

（5）對于單面加熱的步進式爐而言不存在黑印現(xiàn)象，同時在施工時無需均熱床；在進行雙面加熱時相對復雜，但只要做好絕熱工作，黑印現(xiàn)象也能得到良好的控制。

（6）若出現(xiàn)軋機故障時，此時可以靈活地將物料退出爐膛，由此避免氧化以及脫碳現(xiàn)象，避免料坯質量受到影響。

（7）能夠精準地確定加熱時間并進行控制，提升了加熱的自動化程度。

3 有限元分析

3.1 牽引框架幾何模型的建立

本文將實際步進梁式加熱爐工程案例作為基本研究對象，在此基礎上圍繞其爐底機械牽引框架展開分析，由此建立出相應的二維模型。在建模過程中密切關注了各個單位之間的協(xié)調性，確保了計算結果的精確性?；谔嵘Y果精確性的目的，此處將單位設置為mm-t-s。牽引框架通過焊接而成，此結構實體具有較高的復雜性，由此隨之加大了分析難度。對此，將整體作為分析對象，在此基礎上對一些無關緊要的因素進行簡化，諸如倒角拉直等。基于此方式，能夠增強有限元網(wǎng)格的精煉度，確保網(wǎng)格劃分趨于合理化，從而提升計算結果與實際值的相似性。

從爐底機械框架組成上看，其主要由升降框架以及牽引框架兩大部分組成，由此滿足步進梁的各類連貫動作要求。將升降框架置放在支撐滾輪上，當進行升降運動時，可以提升步進梁上托或是下放的便捷性，由此避免爐底機械出現(xiàn)大幅振動現(xiàn)象。牽引框架需要與平移框架進行相應的連接，此時則需要依托于液壓缸設備，由此實現(xiàn)在平移滾輪上的各類運動。需要注意的是，此過程一旦稍有差錯，則會對爐底機械的正常平移造成影響，此時板坯難以正常出爐，整個生產(chǎn)作業(yè)被迫停止，所帶來的經(jīng)濟損失極為慘重。對此，基于提升加熱爐爐底機械運行穩(wěn)定性的目的，應當引入有限元計算法，而后對其牽引框架結構的強度以及剛度展開計算，由此明確結構中的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎上具有針對性地采取措施，在設計階段將此問題解決，為后續(xù)正式運行創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境[3]。

在傳統(tǒng)方式下，對牽引框架的計算僅僅停留在理論公式層面，因此所得的結果與實際情況必定存在較大差別。對此，本文引入了ABAQUS 軟件，綜合考慮項目的實際狀況，在此基礎上圍繞牽引框架展開有限元分析，全面掌握應力以及位移情況，而后以所得結果為參考，圍繞牽引框架展開優(yōu)化設計工作。

3.2 邊界條件和載荷

計算結果受多方面因素的影響，諸如邊界條件以及載荷均是主要的影響因素。對于邊界條件而言，它是實現(xiàn)機械結構與外部聯(lián)系的主要條件，在滿足實際需求的同時還對計算簡便性提出了更高的要求。對于爐底機械牽引框架而言，需要以液壓缸為基本條件，在此基礎上通過滾輪進行前移或是后退等動作，但由于整個運動過程速度較低，所以表現(xiàn)為低轉速下的加載特征，宜對其展開靜態(tài)分析。對于牽引框架與液壓缸相接處的區(qū)域而言，可以對其施加一個拉力，考慮到爐底機械在進行平移運動時對應的負荷極限值達到了1 650 t，因此需要以此為參考確定一個合理的摩擦系數(shù)值，最終得出牽引框架對應的拉力極限值。

3.3 網(wǎng)格劃分

通過實體建模，可以進行合理的網(wǎng)格劃分，而后確定各個節(jié)點以及對應單元。網(wǎng)格劃分的合理與否將會對計算結果的準確性造成直接影響，考慮到此特點，要想提升牽引框架應力計算值的準確性，就必須對網(wǎng)格進行精密的劃分，當網(wǎng)格越來越密時，其對應的結果精度也隨之提升[4]。就理論層面而言，若單元尺寸接近無限小，此時可以得出與網(wǎng)格無關的解。伴隨著單元數(shù)量的增加，對應的計算量也隨之加大，并表現(xiàn)出典型的指數(shù)特征，待網(wǎng)格數(shù)量達到某一上限值時，計算機將不具備穩(wěn)定運算的能力。對此，需要將網(wǎng)格密度控制在合理范圍內(nèi)?；贏BAQUS的全局種子，可以在其中的重點部位設置種子，此時網(wǎng)格劃分變得更具合理性。但考慮到牽引框架的復雜性，因此在使用ABAQUS 軟件時應選用其中的六面體單元形式，具體到本文中則為C3D8R六面體單元，最終劃分出93 047個單元，具體模型見圖2：

圖2 牽引框架有限元模型示意圖

3.4 結果分析

當完成計算后，經(jīng)過后處理便可得出對應的應力以及位移云圖，位移云圖見圖3。綜合所給結果進行分析可知，產(chǎn)生的應力極值為61.6 MPa，產(chǎn)生的位移極值為1.43 mm，具體表現(xiàn)在牽引框架與液壓缸的連接區(qū)域。對此，需要對該部分區(qū)域進行加厚處理，提升其焊接質量，確保應力分布的均勻性。由于移動鋼結構設備對應的安全系數(shù)普遍較高，因此宜將其視為n>2。由于牽引框架選用材質較為特殊，同時是通過焊接制作而成，因此所得的應力計算結果明顯偏大。但就實際情況而言，在支撐筋板的作用下將會明顯提升其剛度，此時結構的真實應力明顯下降，由此可知本文所探討的牽引框架符合相應的強度要求。

圖3 牽引框架位移云圖

4 結 論

總結來說，爐底機械牽引框架對于整個步進式加熱爐而言至關重要。對此，本文引入了ABAQUS 軟件，對其展開非線性有限元分析，明確不同區(qū)域對應的應力以及位移情況，參考所得分析結果對牽引框架進行優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)方式而言，有限元分析法可以提升所得結果的精確性，能夠為牽引框架的優(yōu)化工作提供有效參考。