王軍鋒

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

燒結(jié)爐篦條的應(yīng)力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王軍鋒

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司)

基于SolidWorks simulation分析軟件，對(duì)我廠燒結(jié)爐篦條進(jìn)行了三維特征建模。通過(guò)應(yīng)力計(jì)算與分析，發(fā)現(xiàn)了篦條工作時(shí)的關(guān)鍵部位和"薄弱點(diǎn)"，在不降低高鉻鑄鐵力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)爐篦條的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高篦條使用性能和經(jīng)濟(jì)性。

燒結(jié) 爐篦條 應(yīng)力分析 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 前言

燒結(jié)機(jī)爐篦條的作用是與臺(tái)車(chē)體構(gòu)成多條縫隙組成的槽形空間，容納、承載物料，是臺(tái)車(chē)上的主要的受力、受熱部件。燒結(jié)過(guò)程中燒結(jié)礦的溫度最高可達(dá)1 300 ℃以上，而篦條在200 ℃～800 ℃的溫度范圍內(nèi)交變受熱，其次燒結(jié)氣氛中CO、CO2、SO2和水蒸氣等對(duì)設(shè)備產(chǎn)生氧化、腐蝕、沖刷等作用,這樣要求篦條材料不僅能夠經(jīng)受住激烈的溫度變化和酸堿腐蝕，還應(yīng)具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。大型燒結(jié)機(jī)篦條一般采用高鉻耐熱鑄鐵件，其使用過(guò)程中其主要失效形式是燒損、變形及斷裂，可以說(shuō)篦條的使用性能直接影響燒結(jié)機(jī)的生產(chǎn)作業(yè)率和燒結(jié)礦的生產(chǎn)成本。我廠爐篦條消耗36.9 g/t，折合0.38 元/t，使用壽命2年，與先進(jìn)企業(yè)相比還有不少差距。

筆者基于SolidWorks對(duì)安鋼燒結(jié)爐篦條進(jìn)行三維造型,通過(guò)SolidWorks simulation對(duì)篦條進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算和分析,從中找到篦條在不同溫度下的應(yīng)力分布規(guī)律,指出其工作時(shí)的關(guān)鍵部位和薄弱點(diǎn),結(jié)合其隔熱、防護(hù)作用，在不降低高鉻鑄鐵力學(xué)性能的同時(shí),對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善爐篦條的使用性能，提高其經(jīng)濟(jì)性和壽命。

1 爐篦條的應(yīng)力分析

以2#燒結(jié)機(jī)為例，臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度1.5 m，寬度5 m，燒結(jié)欄板高度700 mm，料層厚度720 mm，壓實(shí)后的混合料比重1.75 t/m3，臺(tái)車(chē)篦條間隙的透氣率約為 18%，主抽負(fù)壓17 500 Pa，工作時(shí)篦條內(nèi)應(yīng)力是負(fù)載與抽風(fēng)負(fù)壓共同作用之和。

單塊臺(tái)車(chē)混合料重： 1.5 m×5.0 m×0.72 m×1.75 t/m3=9.45 t

靜態(tài)下?tīng)t篦條承受應(yīng)力：9.45×103×9.8÷(1.5×5×(1-18%))+17 500=32 558.5 Pa

耐熱鑄鐵爐篦條常溫下抗拉強(qiáng)度約為340 Mpa，工作中爐篦條上部承受物料壓力和主抽風(fēng)機(jī)負(fù)壓作用力，篦條端部是支持反力，考慮到爐篦條內(nèi)應(yīng)力與外加應(yīng)力，常溫下耐熱鑄鐵件的抗拉強(qiáng)度是應(yīng)力的1 020倍左右。參照耐熱鑄鐵件在各溫度段的短時(shí)抗拉強(qiáng)度，并對(duì)篦條在不同溫度下所受的熱應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算[1]，可以得出不同溫度段下篦條的短時(shí)抗拉強(qiáng)度與篦條在該溫度段下所受的熱應(yīng)力對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

圖1 耐熱鑄件短時(shí)抗拉強(qiáng)度和熱應(yīng)力雖隨溫度變化圖

通過(guò)圖1可以看出，爐篦條在常溫下所受靜態(tài)應(yīng)力很小，材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于需求；隨著溫度的升高，篦條的短時(shí)抗拉強(qiáng)度不斷降低，而篦條內(nèi)部的熱應(yīng)力不斷增加，特別是爐條容易產(chǎn)生壓力集中的部位，其薄弱點(diǎn)位于爐條與隔熱件接觸的根部(如圖2 “灰色”位置所示)。因?yàn)轶鳁l端部的氣流分布更加不均，散熱條件更差，其表面溫度相比中間段還要高出70 ℃～100 ℃[2]，最終造成篦條端部產(chǎn)生變形、燒損、夾心等失效。

圖2 爐篦條靜應(yīng)力分析

因此在高溫工作環(huán)境下，篦條內(nèi)部熱應(yīng)力不斷增加，抗拉強(qiáng)度不斷降低，而篦條端部由于散熱不易，熱量聚集，溫度比中段還要高，其內(nèi)部熱應(yīng)力也更大，加上端部由于幾何形狀與所受載荷產(chǎn)生的局部應(yīng)力疊加，導(dǎo)致?tīng)t篦條端部更易產(chǎn)生變形、燒損、夾心等失效，這時(shí)通?？考哟蠖瞬康慕孛娣e來(lái)增加強(qiáng)度，減少失效，不僅會(huì)增加更多的合金消耗，且不利于散熱，弊端顯而易見(jiàn)。

2 爐篦條建模

鑒于以上分析，為避免爐篦條的常見(jiàn)失效，我們要充分考慮工況下篦條端部的熱應(yīng)力變化和抗拉強(qiáng)度的降低，使其端部能夠充分散熱而不是一味增加強(qiáng)度。據(jù)此結(jié)論，我們?cè)诓桓淖儬t篦條材質(zhì)的條件下，強(qiáng)化爐篦條表面和端部透風(fēng)效果，讓熱量盡可能被抽入煙道，減少端部熱量累積，其次減少爐篦條與隔熱件的接觸面積，使其中間形成空腔，不僅減少熱量向下傳導(dǎo)，而且利于熱量抽走，在此思路下，我們改變爐篦條的結(jié)構(gòu)形式，重新設(shè)計(jì)了新的爐篦條模型。

新的模型結(jié)構(gòu)如圖3所示，從爐篦條上部開(kāi)導(dǎo)風(fēng)槽以減小風(fēng)阻，提高風(fēng)帶走熱量；下部改為倒梯形，一是使風(fēng)帶走下部的熱量，二是減少篦條向隔熱件與臺(tái)車(chē)的熱傳遞。

圖3 新?tīng)t篦條模型

3 試制與應(yīng)用

新的爐篦條材質(zhì)仍為耐熱鑄鐵件，采用消失模精密鑄造工藝，嚴(yán)格控制幾何形狀尺寸；篦條鑄造成型后進(jìn)行完全退火處理，以細(xì)化晶粒及消除內(nèi)應(yīng)力；篦條表面不允許有裂紋、氣孔、砂眼等影響機(jī)械強(qiáng)度缺陷存在。進(jìn)廠篦條分批抽檢幾何尺寸形狀，并做爐條的跌落試驗(yàn)，組批檢驗(yàn)化學(xué)成分，保證爐條的形狀尺寸、機(jī)械性能及化學(xué)成份符合要求。

新的爐篦條通過(guò)在2#機(jī)以及1#機(jī)兩個(gè)機(jī)組的不同工況條件下，分別與改進(jìn)前的爐篦條進(jìn)行使用效果比對(duì)，應(yīng)用實(shí)踐表明新?tīng)t篦條端部的變形、燒損、夾心等失效基本杜絕了，有效的延長(zhǎng)了爐篦條的使用壽命，達(dá)到預(yù)期目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

在燒結(jié)過(guò)程中，爐篦條承受的靜態(tài)應(yīng)力下降，隨著燒結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，爐篦條的溫度逐漸提高，此時(shí)燒結(jié)爐篦條的抗拉強(qiáng)度與熱態(tài)應(yīng)力的變化趨勢(shì)相反。本文結(jié)合分析軟件，通過(guò)應(yīng)力計(jì)算與分析，指出了爐篦條工作時(shí)的關(guān)鍵部位和“薄弱點(diǎn)”， 提出了降低溫度，減緩抗拉強(qiáng)度的降低和熱應(yīng)力的增加，減少爐條高溫下的變形是解決問(wèn)題的導(dǎo)向和思路，在不降低高鉻鑄鐵力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高高鉻鑄鐵篦條使用性能和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 岡野修一 機(jī)械公式應(yīng)用手冊(cè)[M]，北京,科學(xué)出版社，2005：42.

[2] 王會(huì)剛，李振虎，劉炳新 帶式燒結(jié)機(jī)臺(tái)車(chē)篦條有限元分析[J]，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(4)：39-41.

THE STRESS ANALYSIS AND STRUCTURE OPTIMIZATION OF SINTERING GRATE

Wang Junfeng

(Anyang iron and steel stock Co.,Ltd)

Based on the SolidWorks simulation analysis software，a three-dimensional model of sintering grate was set up. The key parts and weakness has been found by the analysis of stress calculation, when the grates work. The optimized design of its structure was carried out While maintaining the mechanical property of High-chromium iron so as to increase the usability and economy of the grate.

intering grate stress analysis structure optimization

2016-11-5

*聯(lián)系人：王軍鋒，工程師，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵股份公司煉鐵廠；