張富明，王道金，王曉斌，張秋生，周麗君

(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000；2.華北理工大學(xué)，河北 唐山 06300)

0 引言

熱鍍鋅退火爐是冷軋關(guān)鍵設(shè)備之一，而W型輻射管是冷軋產(chǎn)線重要的加熱裝置[1]。該裝置主要包括三部分：輻射管本體、燒嘴、換熱裝置。

W型輻射管最重要的部位是輻射管管體。輻射管體一旦變形、開(kāi)裂，將嚴(yán)重影響爐內(nèi)的氣氛，從而影響帶鋼的質(zhì)量。輻射管長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)之中，長(zhǎng)時(shí)間在惡劣的環(huán)境下，產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而發(fā)生變形，甚至開(kāi)裂[2]。

針對(duì)某熱鍍鋅產(chǎn)線中輻射管變形和開(kāi)裂的情況進(jìn)行分析和研究，通過(guò)建立有限元模型分析與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)比，然后查找缺陷薄弱環(huán)節(jié)，并建模優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)的仿真模擬，提高其抵抗變形的能力，延長(zhǎng)輻射管的使用壽命，為輻射管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供借鑒。

1 熱鍍鋅W型輻射管使用現(xiàn)狀

某鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中的輻射管變形嚴(yán)重，部分輻射管管體甚至出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。輻射管的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輻射管結(jié)構(gòu)圖

由于W型輻射管在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)損壞和破裂，給企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成了巨大的損失。如果輻射管破裂沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，輻射管的空燃比一般都是大于1，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)量的燃燒空氣進(jìn)入爐膛內(nèi)，影響爐內(nèi)氣氛，從而影響帶鋼表面質(zhì)量。

為此，研究分析某鍍鋅產(chǎn)線退火爐內(nèi)的W型輻射管，該輻射管長(zhǎng)期處于高溫以及變化溫度的惡劣環(huán)境下，輻射管經(jīng)常出現(xiàn)彎曲破壞及變形破壞，導(dǎo)致應(yīng)力失效[3]。為了解決該問(wèn)題，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并設(shè)計(jì)優(yōu)化輻射管結(jié)構(gòu)，對(duì)提高輻射管的使用壽命具有重要的指導(dǎo)借鑒意義。

2 熱鍍鋅輻射管開(kāi)裂變形原因探討

2.1 輻射管材料選擇

熱鍍鋅W型輻射管的材質(zhì)一部分為G-X40NiCrNb3525合金，含量為C0.4%、Cr25%、Ni35%、Nb1%。它是一種高溫合金，以鐵、鎳、鈷為基，能在900 ℃以上的高溫及一定應(yīng)力作用下長(zhǎng)期工作。另一部分材料為G-NiCr28w，其中鉻具有耐蝕與耐氧化抗腐作用，鉻元素具有強(qiáng)化作用，在650 ℃～1 000 ℃高溫下有較高的強(qiáng)度和抗氧化、抗燃?xì)飧g能力，它主要應(yīng)用于高溫零部件，包括應(yīng)用在退火爐設(shè)備上[4]。

通過(guò)對(duì)輻射管材料的分析，材料的選擇和使用過(guò)程中材質(zhì)的變化很小，故排除輻射管材料影響形變。

2.2 高溫對(duì)輻射管的影響

輻射管長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下，輻射管的腔內(nèi)發(fā)生煤氣燃燒反應(yīng)，并且在空氣過(guò)剩的條件下，輻射管內(nèi)壁容易發(fā)生氧化[5]。燒嘴的頻繁啟停導(dǎo)致腔體內(nèi)高溫氣流不穩(wěn)定，產(chǎn)生局部受熱不均，產(chǎn)生熱應(yīng)力。

根據(jù)燃燒理論，應(yīng)用Workbench軟件對(duì)輻射管的管壁溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，如圖2所示。從整個(gè)燃燒腔體看，除了底部煤氣空氣混合區(qū)域的溫度高之外，其他部位溫度均勻，溫度相差在200 ℃以?xún)?nèi)，并且輻射管的工作溫度都在950 ℃左右，滿(mǎn)足輻射管的工作環(huán)境條件。

圖2 輻射管管壁溫度分布圖

從現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)上分析，熱應(yīng)力不是使輻射管開(kāi)裂變形的根本原因。

2.3 輻射管結(jié)構(gòu)的影響

從輻射管變形的結(jié)構(gòu)和形狀發(fā)現(xiàn)存在共性：輻射管下半部分管體整體下沉，由此可推斷輻射管結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷，故對(duì)輻射管進(jìn)行有限元分析。

將仿真分析結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用的輻射管損壞缺陷進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，分析損壞原因。并利用三維建模SolidWorks和Ansys進(jìn)行聯(lián)合分析。根據(jù)輻射管損壞原因，優(yōu)化輻射管結(jié)構(gòu)，并與原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，分析優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的可行性。

3 熱鍍鋅輻射管數(shù)值模擬

3.1 輻射管三維模型建立

為提高Ansys的計(jì)算效率以及順利實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格劃分，在建模時(shí)避免點(diǎn)接觸。利用SolidWorks對(duì)輻射管進(jìn)行建模，將三維模型保存成STP格式文件，然后利用Ansys軟件的CAD接口，將模型導(dǎo)入[6]。三維模型如圖3所示。

圖3 輻射管三維模型圖

3.2 材料選擇及模型網(wǎng)格建立

輻射管管體主要分為兩種材料，輻射管由于溫度較高，故下半部分為G-NiCr28w，上半部分為G-X40NiCrNb3525。耐熱鋼的使用溫度為900 ℃～1 200 ℃。表1為兩種材料在不同溫度下對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率等性能參數(shù)[7-8]。

表1 輻射管材料屬性

網(wǎng)格劃分選用的是四面體網(wǎng)格劃分，如圖4所示。選擇單元大小為4 mm，邊長(zhǎng)為1 mm的實(shí)體單元，并且由Ansys Workbench直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分后的節(jié)點(diǎn)和單元格數(shù)分別為50 021、25 693。

圖4 輻射管網(wǎng)格劃分

3.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)輻射管的實(shí)際情況，區(qū)域溫度按照930 ℃設(shè)定；考慮管體自身的重力，重力加速度g=9.8 N/kg；在兩個(gè)牛腿處、輻射管入出口4處分別添加固定約束[9]。

3.4 結(jié)果分析

圖5和圖6分別為輻射管應(yīng)力、應(yīng)變分布圖。

圖5 輻射管應(yīng)力分布圖

圖6 輻射管應(yīng)變分布圖

從應(yīng)力和應(yīng)變的分析結(jié)果可知，受力比較危險(xiǎn)的區(qū)域有兩處。分別是輻射管下部的入口處、右側(cè)吊耳處區(qū)域。

從模擬分析結(jié)果得到，最大應(yīng)力位于吊耳處342 MPa；最大變形發(fā)生在輻射管底部彎曲和吊耳處為45 mm。最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)屈服強(qiáng)度，故發(fā)生結(jié)構(gòu)形變、甚至破裂，不滿(mǎn)足使用要求。

4 熱鍍鋅輻射管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值模擬

對(duì)輻射管的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，并提出合理化模型，然后用軟件進(jìn)行分析，以便更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

4.1 輻射管損壞的分析

某冷軋鍍鋅產(chǎn)線，年修期間檢查發(fā)現(xiàn)輻射管變形開(kāi)裂，退火爐輻射管的損壞，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用壽命。輻射管變形開(kāi)裂，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致燃燒廢氣滲進(jìn)爐內(nèi)，影響爐內(nèi)氣氛，造成帶鋼表面的氧化[10]。

經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)輻射管大部分破損發(fā)生在X、Y處，分別為燒嘴入口處、吊耳處。如圖7所示。

圖7 輻射管變形開(kāi)裂圖

輻射管材料長(zhǎng)期在高溫下工作，它的抗蠕變性會(huì)下降，所以X處溫度最高，屈服強(qiáng)度會(huì)變低，最容易發(fā)生變形。但考慮到是在Y處吊耳處首先斷裂，造成輻射管體下半部分無(wú)支撐，才引發(fā)X處變形嚴(yán)重，故斷定Y處結(jié)構(gòu)是輻射管發(fā)生破裂的主要原因。

4.2 輻射管結(jié)構(gòu)改進(jìn)的數(shù)值模擬

通過(guò)對(duì)原有輻射管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的關(guān)鍵在吊耳處的結(jié)構(gòu)。因此建模設(shè)計(jì)出一種新的改進(jìn)方案，進(jìn)行有限元分析。

首先對(duì)吊耳處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其次對(duì)輻射管下半部分增加牛腿，從而提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。改進(jìn)后模型如圖8所示。然后對(duì)優(yōu)化后模型進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖8 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)模型

圖9 優(yōu)化模型的應(yīng)力分布圖

圖10 優(yōu)化模型的應(yīng)變分布圖

從數(shù)值模擬的結(jié)果上看，改進(jìn)后的方案4個(gè)支管的受力相對(duì)比較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)較大區(qū)域的應(yīng)力集中。模型優(yōu)化后最大應(yīng)力為102 MPa，最大應(yīng)變1 mm，相比于原來(lái)的輻射管結(jié)構(gòu)，應(yīng)力和應(yīng)變較之前有了大幅度降低，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

基于某冷軋廠W型輻射管變形破損問(wèn)題，通過(guò)SolidWorks和Ansys軟件進(jìn)行有限元分析，得到結(jié)論如下：

1)通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)輻射管開(kāi)裂的位置主要集中在兩個(gè)位置，分別為燒嘴入口處、吊耳處。通過(guò)對(duì)輻射管SolidWorks建模，并進(jìn)行數(shù)值模擬，最大應(yīng)力為342 MPa，超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。燒嘴應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生吊耳區(qū)域和燒嘴的入口處。

2)通過(guò)對(duì)輻射管損壞原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吊耳處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，并且輻射管下半部分無(wú)支撐，導(dǎo)致輻射管下半部分受力集中。

3)對(duì)原有輻射管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化建模，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析。先對(duì)吊耳處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，再對(duì)輻射管下半部分增加牛腿，從而提高結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。通過(guò)力學(xué)性能分析，輻射管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降至102 MPa。設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)較之前有明顯改善，為輻射管結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了借鑒方向。