燒結(jié)礦冷卻爐爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

張 將，郝世麒，劉 洋，白雪岑

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

鋼鐵作為我國重要的支柱產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)發(fā)展成為世界最重要的產(chǎn)業(yè)之一，然而鋼鐵的生產(chǎn)過程中會伴隨著高能耗的問題[1]，為了改變這一現(xiàn)狀，很多企業(yè)已經(jīng)在燒結(jié)工藝中廣泛采用了燒結(jié)礦余熱回收技術[2]，起到了降本增效的效果。

當前，國內(nèi)外學者就燒結(jié)礦余熱回收的技術研究做了較多的工作。張小輝等人采用多孔介質(zhì)模型，建立局部非熱力學平衡的能量方程，通過燒結(jié)礦冷卻過程的數(shù)學模擬仿真，得到了環(huán)冷機余熱利用量最優(yōu)的參數(shù)組合，并進行了試驗驗證[3]；董輝等人探索了燒結(jié)礦余熱豎罐式回收利用工藝流程，經(jīng)其研究發(fā)現(xiàn)豎罐式結(jié)構(gòu)是一條燒結(jié)余熱資源高效回收與利用的新途徑，可實現(xiàn)燒結(jié)礦余熱的高效回收，同時，其載熱介質(zhì)品質(zhì)較高，有利于后續(xù)的余熱利用[4]；陳士柏等人研究了百公斤級燒結(jié)余熱冷卻爐的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)優(yōu)化，利用正交分析法確定其適宜的結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)組合[5]；李明明等人敘述了豎罐式燒結(jié)余熱回收的工藝流程和工作原理，通過借鑒高爐和 CDQ 技術，設計并優(yōu)化了豎罐的結(jié)構(gòu)形式，為余熱回收系統(tǒng)的研究與開發(fā)奠定了基礎[6]；付俊鵬等人通過建立豎爐散料氣固換熱模型，研究了在固定換熱設備的前提下，空氣入口溫度、噸礦風量、燒結(jié)礦出口溫度、燒結(jié)礦入口溫度對空氣出口溫度等的影響，并經(jīng)對比計算數(shù)據(jù)與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)，驗證了換熱模型合理性[7]。

以上學者已經(jīng)在燒結(jié)礦余熱回收的工藝與操作參數(shù)優(yōu)化、氣固換熱模型等方面做了大量的研究，而針對冷卻爐結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方面的研究較少。因此，筆者結(jié)合中信重工機械股份有限公司燒結(jié)礦冷卻爐爐體的結(jié)構(gòu)進行了設計優(yōu)化研究。該爐體結(jié)構(gòu)尺寸遠大于以往結(jié)構(gòu)尺寸，設計經(jīng)驗少。為了提高結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計效率，減短設計周期，筆者采用了全片體建模、2D網(wǎng)格單元的有限元分析方法，通過編輯已分組的片體單元的厚度進行多方案計算，有效地提高了計算效率，同時也顯著速縮短了結(jié)構(gòu)設計周期，該分析計算方法可為大型爐體結(jié)構(gòu)的初步設計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)設計方案

燒結(jié)礦冷卻爐爐體的結(jié)構(gòu)模型如圖 1 所示，冷卻爐爐體外徑為 15 m，高為 16 m，燒結(jié)礦最大容納量為 1 400 t。冷卻爐爐體主要是由多種規(guī)格尺寸的板材卷曲、焊接而成，根據(jù)所使用板材的厚度將爐體分為5 部分。

爐體的主要承載：(1)爐頂板承受澆注料與鋼釘?shù)闹亓Γ?2)耐材支撐板承受耐材的質(zhì)量；(3)爐壁板承受燒結(jié)礦的側(cè)向壓力；(4)爐底法蘭板承受整體結(jié)構(gòu)、耐材、澆注料與鋼釘?shù)目傊亓ΑＴ跔t體結(jié)構(gòu)設計中，由于爐頂板和爐壁板的質(zhì)量占爐體總質(zhì)量的比例最大，對結(jié)構(gòu)承載能力的影響也最大，因此，其板厚值的選取尤為關鍵。筆者主要針對爐頂板厚和爐壁板厚進行了 5 種方案的對比優(yōu)化分析，以保證結(jié)構(gòu)設計的合理性。各方案板厚參數(shù)如表 1 所列。

圖1 燒結(jié)礦冷卻爐爐體結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Model of shell of sintercooling furnace

表1 方案參數(shù)Tab.1 Parameters of various schemes mm

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

在對比優(yōu)化分析過程中，爐體的焊接板材具有長、寬尺寸遠比厚度大的特征，同時爐體整體尺寸較大，采用實體模型計算會因單元劃分困難、單元節(jié)點過多導致難以計算、計算量過大的現(xiàn)象，而單元劃分較少會引起計算精度低的問題。為了有效地解決這些問題，筆者采用了全片體建模、2D 網(wǎng)格單元的有限元分析方法，可通過編輯已分組的片體單元的厚度快速進行多方案計算，有效地提高了計算效率，同時也顯著縮短了結(jié)構(gòu)設計周期。建立的三維模型如圖 1 所示，對應爐體的材料屬性如表 2 所列。

表2 材料屬性Tab.2 Material properties

在研究過程中，為了保證計算精度，將爐體模型采用三角形六節(jié)點單元進行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為 2 666 001，節(jié)點總數(shù)為 4 307 820。網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh division

2.2 假設條件

研究燒結(jié)礦冷卻爐爐體結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析過程中，在不影響整體計算精度的情況下，筆者做了如下假設將模型進行簡化。

(1)假設耐材重力均勻施加于環(huán)形托磚板上；

(2)考慮重力影響，g取值為 9.85 N/kg；

(3)假設各部件均為各向同性材料；

(4)忽略焊接產(chǎn)生的應力對爐體結(jié)構(gòu)的影響；

(5)假設燒結(jié)礦對爐體的側(cè)壓力均勻；

(6)忽略爐體表面溫度對爐體結(jié)構(gòu)的影響；

(7)忽略爐底法蘭板處螺栓預緊力對爐體結(jié)構(gòu)的影響。

2.3 約束及載荷條件

在對爐體進行 5 種方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對比分析過程中，燒結(jié)礦冷卻爐爐體的約束及載荷分布如圖 3 所示。在爐體與地基螺栓把合面施加固定約束。其載荷條件為：

(1)爐頂板承受澆筑料及鋼釘總重力為 1 100 kN；

(2)耐材支撐板承受耐材重力為 17 000 kN；

(3)爐體承受 13 000 kN 燒結(jié)礦的側(cè)壓力 (冷卻爐內(nèi)燒結(jié)礦最大分布高度為 4.5 m)；

(4)考慮整體爐體所受重力。

圖3 約束及載荷分布Fig.3 Constraints and load distribution

3 結(jié)果分析

3.1 彈性位移

針對爐體的爐頂板厚及爐壁板厚進行了 5 種方案的有限元計算，各方案的冷卻爐爐體彈性位移分布如圖 4 所示。

圖4 爐體 5 種方案的位移分布Fig.4 Deformation distribution of furnace shell in five schemes

經(jīng)過對 5 種方案計算后的彈性位移進行分析可知：冷卻爐爐體的彈性位移最大的位置均位于靠近熱風出口側(cè)的爐頂板處；5 種方案對應的最大彈性位移分別為 144.14、38.49、17.00、18.55、17.55 mm?？梢姺桨?1 對應的爐體彈性位移最大，該位移極大程度上會影響到設備的正常使用，甚至會存在安全性問題。因此，方案 1 不具有可行性；方案 2、3、4、5經(jīng)對比分析可知，后 3 種方案對應的最大位移約為方案 2 位移的 1/2，具有更高的可靠性。

3.2 應力分析

將冷卻爐爐體的 5 種設計方案進行有限元計算，得到其對應的 Mises 應力分布，如圖 5 所示。

由圖 5 可知，冷卻爐爐體 Mises 應力分布較大的位置有 3 處，分別為爐頂板、耐材支撐板及爐壁下側(cè)窗口。5 種方案對應的爐頂板最大 Mises 應力值分別為474、182、85、109、86 MPa；5 種方案對應的耐材支撐板最大 Mises 應力值分別為 80、76、70、262、120 MPa；5 種方案對應的爐壁下側(cè)板最大 Mises 應力值分別為 160、140、120、240、207 MPa。方案 1 中爐頂板的最大 Mises 應力值 474 MPa 已遠超使用材料的屈服極限值 (235 MPa)，該位置會發(fā)生塑性變形，因此方案1 不滿足設備使用要求；方案 4 中耐材支撐板和爐壁下側(cè)板的最大 Mises 應力值分別為 262、240 MPa，大于使用材料的屈服極限值 (235 MPa)，因此方案 4 也不滿足設備正常使用要求。

3.3 強度校核

圖5 爐體 5 種方案的 Mises 應力分布Fig.5 Mises distribution of furnace shell in five schemes

在對 5 種設計方案對應的冷卻爐爐體進行彈性變形、Mises 應力強度計算分析后，分別對各設計方案的爐體結(jié)構(gòu)強度進行校核，校核參數(shù)及結(jié)果如表 3 所列。由表 3 可知，方案 1、4 不能夠滿足設備設計要求；方案 2、3、5 的安全系數(shù)均大于 1，均能滿足設計要求。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析時忽略了爐壁溫度對計算的影響，因此在實際工程中，隨著耐火材料磨損量的增加，爐體外表面的溫度會有所升高，會影響到設備的承載能力，為此筆者采用了方案 3 (安全系數(shù)接近 2)作為最終的設計方案。

表3 爐體 5 種方案強度校核Tab.3 Strength checking of furnace shell in five schemes

按照方案 3 設計的爐體已連續(xù)正常運行多年，未出現(xiàn)機械故障。經(jīng)實踐檢驗，表明該設計方案及計算方法具有一定的準確性。

4 結(jié)語

基于有限元分析方法，針對燒結(jié)礦冷卻爐爐體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析。通過多方案的有限元仿真分析，得到了對應的冷卻爐爐體的變形、Mises 應力分布，經(jīng)強度校核與對比分析后，得出了最為合理的設計方案。至目前為止，由方案 3 設計制造的冷卻爐已在現(xiàn)場穩(wěn)定運行多年，未出現(xiàn)機械故障。該設計方案及計算方法較為準確地反映了設備的應力和位移情況，對大型爐體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計具有很好的借鑒意義。