劉權(quán)(寶鋼上海梅山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，南京210039)

干熄焦提升卷筒開裂分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉權(quán)
(寶鋼上海梅山鋼鐵股份有限公司設(shè)備部，南京210039)

針對梅鋼干熄焦提升卷筒使用過程中出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象、卷筒結(jié)構(gòu)和開裂特征，建立了卷筒提升過程的有限元分析模型，對卷筒結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力和變形計算，提出了卷筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的卷筒重新建立有限元模型進行計算與分析。對比前后兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、形變、短應(yīng)力線的變化，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的卷筒形變明顯變小、短應(yīng)力線有效增長。優(yōu)化設(shè)計的熄焦卷筒的現(xiàn)場使用表明，該優(yōu)化設(shè)計研究為避免開裂事故和變形失效的發(fā)生，提供了有益的技術(shù)支撐。

提升卷筒;開裂;補強;有限元

0　前言

鋼鐵企業(yè)的煉焦工序通常采用傳統(tǒng)濕法熄焦技術(shù)，能耗大，污染重，而且紅焦攜帶的大量熱能無法利用，2007年梅山鋼鐵股份有限公司開始應(yīng)用干熄焦技術(shù)來替代濕熄焦技術(shù)進行生產(chǎn)。提升機是干熄焦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要用于將運送至提升井架下裝滿紅焦的焦罐提升到干熄爐頂，并沿軌道橫移至干熄爐裝入料斗的上方;然后下降并與裝入裝置相配合，將紅焦裝入干熄爐內(nèi)。裝焦完畢后，再將空焦罐送回到焦罐臺車上。

一套提升裝置主要由兩臺電機、一臺減速機、兩只卷筒、鋼絲繩和焦罐組成。主電機通過帶制動輪的聯(lián)軸節(jié)，提升減速機帶動升降卷筒運轉(zhuǎn)，鋼絲繩纏繞，升降吊具打開或關(guān)閉，使焦罐上升或下降。鋼絲繩共有4根，每個卷筒上繞有兩根鋼絲繩。鋼絲繩的一端由3個鋼絲繩緊固件固定在卷筒端部，將鋼絲繩穿過吊鉤滑輪。鋼絲繩的另一端被固定在提升框架的平衡臂上。提升卷筒通過聯(lián)軸器與減速機高速軸連接，傳遞電機傳來的扭矩。提升卷筒采用短軸卷筒，卷筒由筒體、襯板、軸及軸承支架等構(gòu)成。

1　提升卷筒的開裂特征

干熄焦卷筒外形尺寸為φ1 730 mm×2 060mm，距兩端法蘭595 mm處設(shè)計了支承板。卷筒的粗軸端為主動端，細軸端為起重端。原設(shè)計制造的卷筒在使用一年后，被發(fā)現(xiàn)在卷筒支撐板處出現(xiàn)了裂紋，并導致卷筒工作失效。

目測裂紋位置出現(xiàn)在細軸端，與內(nèi)部支撐板對應(yīng)的部位，形成了整圈開裂，裂紋最大寬度可達6～8 mm。停機移去鋼絲繩后的仔細檢測發(fā)現(xiàn)粗軸端支撐板對應(yīng)部位也出現(xiàn)了環(huán)形裂紋。針對卷筒的開裂情況，選擇在細軸端粗裂紋處，分別截取三塊試樣進行試驗分析。試驗分析發(fā)現(xiàn):裂紋已穿透板厚，開裂起源于角焊縫根部，斜向垂直于襯板，由內(nèi)向外發(fā)展。

卷筒鋼板與支撐板采用了單坡口角焊縫焊接連接，焊接接頭融合良好。低倍顯微觀察上可辨別出裂紋起始于角焊縫根部，開裂點與焊角根部位置相關(guān)聯(lián)，但與鋼板內(nèi)表面定位槽和鋼板外表面繩槽位置無關(guān)。

圖1　原設(shè)計卷筒結(jié)構(gòu)及使用開裂狀況Fig.1 Original structure and cracking of lifting drum

2　提升卷筒三維有限元模型

采用Pro/Engineer軟件對干熄焦提升卷筒進行結(jié)構(gòu)建模和裝配，如圖2所示。結(jié)構(gòu)模型為全尺寸模型，卷筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)全部保留，僅對遠離開裂處的鋼絲繩緊固裝置進行簡化處理。

圖2　提升卷筒三維結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Three-dimensional structuralmodel of lifting drum

在ANSYS有限元分析中，將三維實體模型導入ANSYS軟件后，需要對導入的實體模型進行網(wǎng)格劃分。選用三維結(jié)構(gòu)實體單元SOLID 185，分部件采用手動網(wǎng)格劃分，以達到網(wǎng)格劃分的疏密有致、層次分明的目標，劃分后模型如圖3所示。

起重端與軸承座、鋼絲繩與繩槽的接觸單元選用3-D、8節(jié)點接觸單元，能夠退化為6結(jié)點的三角形單元模擬復(fù)雜邊界。采用廣義拉格朗日法和庫侖摩擦模型計算摩擦接觸。主動端面采用固定全約束，軸承座底采用固定全約束。在鋼絲繩伸出端施加載荷，施加載荷為分配的提升載荷乘以動載系數(shù)。根據(jù)實際使用運行情況，動載系數(shù)取為1.5。根據(jù)焦罐運裝的焦炭重量，算得單根鋼絲繩承受拉力30 t。

卷筒材料為Q345B，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.26。鋼絲繩的彈性模量為198 GPa，泊松比為0.25。

圖3　模型網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshmodel

3　計算與分析

3.1原設(shè)計結(jié)構(gòu)

為分析卷筒使用過程中出現(xiàn)開裂的原因，加上鋼絲繩是柔性結(jié)構(gòu)，需要采用三維非線性有限元方法，對卷筒進行變形和應(yīng)力分析。計算結(jié)果如圖4所示，其中，圖4a用于顯示卷筒1/4剖開體應(yīng)力分析，尤其軸應(yīng)力水平;圖4b用于顯示卷筒支撐筋板和附近筒壁的應(yīng)力場;圖4c用于顯示卷筒變形狀態(tài)。

計算結(jié)果表明，卷筒在卷揚過程的扭轉(zhuǎn)變形可達到25.8 mm，軸線彎曲變形為0.30 mm。圓立筋板頂4根線槽應(yīng)力最高，可達到220 MPa，圓立筋板與卷筒聯(lián)接臺階側(cè)可產(chǎn)生248 MPa的高應(yīng)力，而在無臺階側(cè)應(yīng)力降至170 MPa。圓立筋板頂線槽處于拉應(yīng)力狀態(tài)，最大軸向拉應(yīng)力為212 MPa。圓立筋板兩側(cè)為壓應(yīng)力帶。

圓立筋板的設(shè)置，導致卷筒剛度突變，引起頂部線槽高應(yīng)力帶，以及內(nèi)部臺階側(cè)高應(yīng)力帶。圓立筋板頂部線槽高應(yīng)力帶和內(nèi)部臺階側(cè)高應(yīng)力帶靠得過近，使其附件結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)惡劣，形成短應(yīng)力線。

圖4　原設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖Fig.4 Stress distribution of original drum

3.2優(yōu)化結(jié)構(gòu)

根據(jù)對原設(shè)計結(jié)果的計算分析，對新滾筒結(jié)構(gòu)進行了如下優(yōu)化:

(1)筒身兩側(cè)襯板處增加200mm寬的加強板，加強板焊接在筒身內(nèi)側(cè)，襯板焊接在加強板上;

(2)襯板外圓處剖口尺寸修改，調(diào)整焊接工藝，防止剖口尖部位置焊接過程中出現(xiàn)焊接缺陷;

(3)消除筒壁3 mm臺階，用三小塊鐵塊點焊定位，防止出現(xiàn)直角應(yīng)力集中。

優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)構(gòu)如圖5所示。卷筒內(nèi)徑統(tǒng)一為φ1 530 mm，立筋板內(nèi)側(cè)壁厚增加2 mm，外側(cè)壁厚增加5 mm，立筋板頂增加厚20 mm、寬150 mm的環(huán)形箍，環(huán)形箍與卷筒可實現(xiàn)雙面焊接。

圖5　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后卷筒圖Fig.5 Optimized lifting drum structure

對圖5所示優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到如圖6所示結(jié)果。卷筒卷揚過程的扭轉(zhuǎn)變形由25.8 mm降至14.59 mm，軸線彎曲變形由0.30 mm降至0.10 mm，降幅明顯。短應(yīng)力線延長近50%，應(yīng)力狀態(tài)有改善。圓立筋板與卷筒聯(lián)接臺階側(cè)應(yīng)力由248 MPa降至208 MPa，降幅達16%。圓立筋板頂線槽處于拉應(yīng)力狀態(tài)，最大軸向拉應(yīng)力由212 MPa略升至217 MPa。圓立筋板設(shè)置導致卷筒剛度突變依然存在，圓立筋板的設(shè)置導致線槽出現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)依然存在。

圖6　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后卷筒應(yīng)力圖Fig.6 Stress distribution of optimized drum

4　結(jié)論

通過對原設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的兩種不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的干熄焦提升卷筒進行數(shù)值模擬分析，得出以下研究結(jié)果:

(1)干熄焦提升卷筒繩槽處于拉應(yīng)力狀態(tài)，并不是想像的接觸壓應(yīng)力狀態(tài);

(2)干熄焦提升卷筒由于支撐筋板的支撐作用，存在較大的局部變形;

(3)繩槽的拉應(yīng)力狀態(tài)和支撐筋板與筒壁交界的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)易形成短應(yīng)力線，容易造成繩槽的開裂失效;

(4)經(jīng)過對干熄焦卷筒內(nèi)部襯板處的局部加強和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可有效降低最大形變量，有效延長短應(yīng)力線。

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Cracking analysis and structural optim ization of lifting drum in dry quenching

LIU Quan
(Equipment Department of Meishan Iron＆Steel Co．，Baosteel，Nanjing 210039，China)

A finite elementmodelwas presented to investigate cracking phenomenon of the lifting drum in dry quenching in Meigang，according to characteristics of the drum structure and cracking．Stress and deformation of the lifting drum were simulated．An optimization design of the lifting drum wasmade．Then，once again，a new finite element model was built，and stress and deformation were simulated as well．Through comparing stresses，strain and short stress line before and after optimization，there wasmore small deformation and short stress line lengthens obviously to new lifting drum．Using of optimized lifting drum provided a reasonable technical support for avoid cracking and deformation failure．

lifting drum;cracking;reinforce;finite elementmethod

TD534

A

1001－196X(2015)02－0065－04

2014－07－10;

2014－08－12

劉權(quán)(1970－)，男，寶鋼上海梅山鋼鐵股份有限公司工程師。