侯瑞雪

（包頭鋼鐵集團(tuán)機(jī)械設(shè)備制造公司，內(nèi)蒙古包頭 014010）

鋼廠用爐底輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及成本控制?

侯瑞雪

（包頭鋼鐵集團(tuán)機(jī)械設(shè)備制造公司，內(nèi)蒙古包頭 014010）

采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)鋼廠用爐底輥主要結(jié)構(gòu)（內(nèi)伸軸直徑、內(nèi)圓板厚度等），在不同溫度、載荷下的應(yīng)力及變形狀態(tài)進(jìn)行分析。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高爐底輥的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)為兼顧產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了成本控制設(shè)計(jì)。

ANSYS；爐底輥；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；成本控制

1 引 言

爐底輥是一種典型的離心鑄造管件，是冶金裝備中支撐和輸運(yùn)板坯的重要部件之一，在鋼板連鑄連軋生產(chǎn)線中應(yīng)用廣泛［1］。軋制成過(guò)程中，首先需要將鋼坯在加熱爐中連續(xù)穩(wěn)定加熱至1 050～1 150℃的軋制溫度，通過(guò)爐底輥實(shí)現(xiàn)板坯的穩(wěn)定支撐，保證平穩(wěn)而均勻的輸送。由于爐底輥中間段直接安裝于鋼坯煅燒爐中，生產(chǎn)過(guò)程中爐氣溫度高達(dá)1 150℃左右，通常采用ZG45Cr28Ni48W5Si2等高溫合金材料制造。同時(shí)，由于爐底輥中間的托料部分直接安裝于爐內(nèi)，而錐段和軸承支撐部分分別安裝于爐壁內(nèi)和鍛燒爐之外，爐底輥的不同部位的溫度梯度很大，因此爐底輥一般由筒體、錐體和軸相互焊接而成，為了減小對(duì)錐體內(nèi)表面的燒損，在錐體內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有隔熱板。為保證高溫板坯的平穩(wěn)輸送，要求輥軸不變形、外輥環(huán)耐熱耐磨。

研究表明［2－3］，在冶金行業(yè)中爐底輥使用量大，制造成本高，長(zhǎng)期處于高溫重載的工況條件，易于發(fā)生失效損壞，而焊縫斷裂、軸頸斷裂、連接體斷裂是爐底輥失效的幾種主要形式。其中主要原因包括：高溫鎳基合金的焊接性能差，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷；焊縫處承受拉－壓交變應(yīng)力載荷作用，易于發(fā)生疲勞斷裂；焊縫處是冷熱交界區(qū)，大溫度梯度的存在導(dǎo)致熱應(yīng)力，熱應(yīng)力將加速其斷裂。雖然從材料和焊接角度嘗試進(jìn)行改進(jìn)，但使用壽命方面一直沒(méi)有取得明顯的效果。因此通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善鋼廠用爐底輥性能并提高其使用壽命，可能是提高產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有效途徑，具有重要的研究?jī)r(jià)值。

2 鋼廠用爐底輥的有限元分析

（1）建立有限元模型 根據(jù)爐底輥的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析，建立爐底輥有限元模型。在建模過(guò)程中，對(duì)原結(jié)構(gòu)作了一些適當(dāng)簡(jiǎn)化，主要忽略了各種摩擦的影響，同時(shí)認(rèn)為各位置焊接均為理想焊接。

根據(jù)計(jì)算精度的要求，對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分。其中薄壁部分均采用殼單元（Shell 63），軸、環(huán)板部分均采用實(shí)體單元（Solid 98），完成相應(yīng)單元實(shí)常數(shù)和有關(guān)材料參數(shù)的定義工作（楊氏模量EX＝206，熱膨脹系數(shù)為0.45E－6，泊松比為0.28，密度為7 800）。

圖1 鋼廠用爐底輥及其基本結(jié)構(gòu)示意圖

（2）確定約束條件 在分析過(guò)程中，除爐底輥軸兩端表面上x(chóng)方向的角位移自由外，其它線位移和角位移均加以限制，在有限元模型的對(duì)稱邊界施加對(duì)稱約束，以保證變形的對(duì)稱性。

（3）求解及結(jié)果處理 通過(guò)分析爐底輥在鋼坯壓力、自重、扭矩以及爐內(nèi)溫度（1 050℃）等載荷作用下Y方向變形以及應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖2 鋼廠用爐底輥的ANSYS分析結(jié)果

由圖2所示結(jié)果可知，爐底輥柱錐焊縫處應(yīng)力最大，而此處焊縫強(qiáng)度較低，這可以從一定程度上解釋焊縫斷裂為主要失效形式的原因。因此，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)改善應(yīng)力分布狀態(tài)，盡可能減小柱錐焊縫處的應(yīng)力。

3 爐底輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析［4］

（1）伸長(zhǎng)軸直徑對(duì)爐底輥力學(xué)性能的影響 通過(guò)下面圖3分別給出的結(jié)果可知，隨著爐底輥的增大，扭轉(zhuǎn)變形合成矢量值隨之減小，由0.664E－3降低為0.512E－3，提高了爐底輥的剛度；但伸長(zhǎng)軸直徑由40 mm增大至60 mm時(shí)，爐底輥?zhàn)畲髴?yīng)力值并無(wú)明顯改變，設(shè)計(jì)時(shí)伸長(zhǎng)軸直徑d一般取60 mm左右。

圖3 伸長(zhǎng)軸直徑d對(duì)爐底輥靜態(tài)性能的影響

（2）環(huán)板厚度對(duì)爐底輥力學(xué)性能的影響 通過(guò)下面圖4分別給出的分析結(jié)果可知，爐底輥的環(huán)板厚度變化時(shí)（t＝50 mm、t＝100 mm），對(duì)爐底輥的強(qiáng)度和剛度影響較為明顯；環(huán)板的厚度減小時(shí)，影響到整個(gè)爐底輥的強(qiáng)度和剛度減弱，從而增加了爐底輥在鋼坯自重、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和爐內(nèi)溫度共同作用下發(fā)生破壞的可能性，因此設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增大環(huán)板厚度尺寸。

圖4 環(huán)板厚度t對(duì)爐底輥靜態(tài)性能的影響

4 鋼廠用爐底輥的成本控制

機(jī)械裝備的制造成本一般由材料成本和加工成本構(gòu)成，前者由材料種類和毛坯尺寸所決定，后者由人工費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用組成。由于機(jī)械裝備的復(fù)雜性，機(jī)械裝備的成本控制一直是難題，降低制造成本的有效途徑是在實(shí)施源頭控制，即在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段分析成本組成，分析零部件結(jié)構(gòu)形式對(duì)制造成本的影響，通過(guò)修改設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化加工過(guò)程以達(dá)到降低成本的目的。

（1）在鋼廠用爐底輥設(shè)計(jì)中既要綜合考慮軸頸大小、環(huán)形板厚度、環(huán)板位置等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程兼顧產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，以控制每個(gè)零件的制造成本。

（2）選擇材料種類時(shí)，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定毛坯類型。由于長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下工作，筒體選用耐高溫鎳基合金通過(guò)離心鑄造而成，錐體采用砂鑄后加工而成，而軸則選用高溫合金鍛造而成。

（3）降低材料用量。在滿足爐底輥強(qiáng)度、剛度、焊縫強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，控制環(huán)形板厚度、軸頸尺寸及上環(huán)形板位置，減少材料總體用量。

設(shè)計(jì)選用適當(dāng)?shù)暮附有问胶凸に嚒Ｓ捎诤缚p承受交變載荷，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)暮覆?、坡口形式、工藝參?shù)及熱處理方式，在保證工藝穩(wěn)定性的同時(shí)，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性。

總之，在機(jī)械裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段降低制造成本是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響因素較多，只有通過(guò)分析產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)、工藝與成本之間的聯(lián)系，建立合理完善的產(chǎn)品－成本模型，才能提高產(chǎn)品質(zhì)量，并從源頭上實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備的成本控制。

［1］ 鄒家祥.冶金機(jī)械設(shè)計(jì)理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

［2］ 徐國(guó)濤，張洪雷，王 悅.鋼鐵工業(yè)用陶瓷爐底輥的結(jié)構(gòu)與改進(jìn)方法探討［J］.陶瓷科學(xué)與技術(shù)，2008（7）：18－20.

［3］ 余春燕，張小清.爐底輥傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.冶金設(shè)備，2009（2）：26－28.

［4］ 董龍梅，楊 濤，孫 顯.基于ANSYS對(duì)壓力容器的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（6）：99－100.

Structure Optimization and Cost Reduction of the Furnace Bottom Roller

HOU Rui－xue

（Baotou Steel Group Machinery Manufacturing Company，Baotou Mongolia 014010，China）

FEA software ANSYS is applied in stress and strain distributions analysis of key structures in various working condi?tions for the furnace bottom roller.Both the structure optimization design and the cost reduction evaluation is carried out，With the results，the mechanical strength，stiffness and product economical efficiency of the furnace bottom roller are improved.

ANSYS；furnace bottom roller；structure optimization；cost reduction

TH12

B

1007－4414（2013）04－0144－02

2013－06－17

侯瑞雪（1964－），女，山西太原人，工程師，主要從事冶金機(jī)械裝備制造、產(chǎn)品成本管理等方面的科研工作。