布料溜槽断裂原因分析

布料溜槽断裂原因分析

陈龙①

(中冶华天工程技术有限公司 江苏 南京 210019)

摘 要：针对某炼铁厂布料溜槽断裂的问题，采用有限元软件ANSYS建立布料溜槽的三维有限元模型，并在此基础上模拟溜槽在不同预紧力作用下各部位的应力，并结合溜槽和螺栓材料的性能分析，找出了布料溜槽断裂的原因，即在常温下，布料溜槽不会发生断裂；在高温下，螺栓的应力和变形呈非线性变化，导致螺栓产生蠕变断裂甚至瞬时拉断，这是造成布料溜槽断裂的主要原因。

关 键 词：布料溜槽；螺栓；断裂；有限元法；高温

布料溜槽是高炉炼铁设备中非常重要的关键部件，其使用寿命的长短直接影响到生铁的产量。而溜槽的结构、制造工艺及材质对其使用寿命影响很大。某炼铁厂布料溜槽在实际生产过程中发生了断裂事故，联接螺栓大部分被剪断，溜槽本体脱落，严重影响生产，为了找出事故原因，提高溜槽的使用寿命，对布料溜槽整体进行有限元分析，并结合溜槽和螺栓材料的性能，找出断裂发生的原因，为其结构设计及生产工艺的改进提供依据。 1 布料溜槽有限元分析 1．1 三维实体模型

某炼铁厂布料溜槽的主要结构包括溜槽本体、鹅头体、联接螺栓、加固板等[3]。严格按照图纸尺寸，在不影响计算结果准确性的前提下，在三维CAD软件中对局部细小结构进行合理简化，考虑到结构和载荷的对称性，建立溜槽的一半三维实体模型，如图1所示。

[1][2]

1．2 有限元模型

建立将建好的模型导入ANSYS中，并设置相应的参数。

联接螺栓的材料为A2－70钢，德国牌号A2－70钢相当于国标304材质不锈钢0Cr18Ni9，其材料的弹性模量E=1．99×105MPa，泊松比μ=0．3，密度ρ=7．9×103kg/m。溜槽其余部分的材料为1Cr18Ni9Ti，其弹性模量为E=1．98×105MPa，泊松比μ=0．27，密度ρ=7．9×103kg/m。

采用8节点四面体结构单元solid45，对接触区域采用六面体网格划分，其余部分利用自由网格划分。溜槽共划分93105单元，节点85781，如图2所示。

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1．3 载荷和边界条件

溜槽安装时，溜槽上的两个鹅头形联接臂插入到对应驱动轴端部的定位槽中，再将位于驱动轴中的偏心长销轴插入溜槽联接臂的锁紧孔中，然后转动偏心长销轴使溜槽在驱动轴上锁紧，驱动轴带动溜槽旋转和倾动实现布料操作[4]。布料溜槽开始布料后料流的运动规律如图3所示。

其中，节流阀物料排放初始速度为：

炉料落到溜槽上的速度为：

炉料落到溜槽上且改向后的速度为： υ2=Ω·υ1·cosα(3)

炉料在溜槽末端的切向速度：

υ3=2πω·l·sinα(4)

炉料在溜槽末端沿溜槽轴线方向下滑速度：

υ4=[υ22+2gl(cosα－μsinα)+(2πωl)2(sinα+μcosα)sinα]1/2(5)

式中λ—炉料的流动系数，取0．5；θ—节流阀开口中心线与水平面的夹角，取90度；D—节流阀喉管直径，取950mm；d—炉料平均粒度，取45mm；h1—节流阀至溜槽悬挂点的距离，取4010mm；b—溜槽悬挂点至耐磨衬板的垂直距离，取1140mm；α—溜槽倾角，溜槽最大倾角为52．5o，当溜槽处于最大倾角位置时溜槽受力情况最危险；L—溜槽总长度，

4500mm；l—溜槽有效长度，l=(L－b/tanα)=1300mm；ω—溜槽旋转速度，取8r/min；μ—溜槽与耐磨衬板的摩擦系数，取0．713；Ω—速度折减系数，取0．63。

由于溜槽启动比较平缓，不考虑启动冲击力。

料流从中心喉管流出后撞击在溜槽的衬板上，再沿溜槽衬板分布到炉喉内。在这一过程中溜槽受到料流的冲击力F1，料流落到溜槽上后到料流从溜槽外沿落下前累积的重力G1，料流对溜槽的摩擦力f，溜槽自身的重力G2，螺栓受到一定程度的预紧力F2。各种力的大小计算公式如下：

F1=ρ·υ22·D(6)

G1=ρ·υ0·(υ4－υ2)/(sinα－μcosα)(7) f=μ·G1·cosα(8)

G2=m·g(9)

F2≤(0．6～0．7)σsA1(10)

式中ρ—料流密度，按焦炭和铁矿石各占一半的比例混合物料，可取料流密度为ρ=1．2×103kg/m；

σs—螺栓材料的屈服强度，室温下材料0Cr18Ni9的屈服极限为402MPa；

A1—螺栓危险截面积，A1≈πd1/4=3．1415926×20．42/4=326．85mm代入计算可得：溜槽受到料流的冲击F1=1．36×104N，方向竖直向下；料流落到溜槽上到料流从溜槽外沿落下前累积的重G1=2．69×104N；料流对溜槽的摩擦力f=1．17×10N，方向沿料槽轴线方向向下；对螺栓应施加的最大预紧力F2=81000N。

实际施加载荷过程中，将冲击载荷F1以集中载荷的形式施加到溜槽落料范围内，方向竖直向下。摩擦力以均布载荷的形式作用在表面效应单元上，作用范围从落料处开始到料槽末端结束。料流落到溜槽上后到料流从溜槽外沿落下前累积的重力G1以均布载荷的形式施加在料槽上，范围从落料处开始到料槽末端结束。为了模拟螺栓被拧紧的状态，在每个螺栓杆上定义预紧面，再在预紧面上施加一定程度的预紧力F2。考虑料槽自重的影响，施加竖直方向的重力加速度并将以上各载荷施加在溜槽上。溜槽上的两个鹅头形联接臂插入到对应驱动轴端部的定位槽中，因此对两处定位部位施加全约束，对偏心长销轴孔施加径向约束，对一半模型的对称面上施加对称约束[5～7]。

溜槽的三维有限元模型鹅头体与螺栓、本体与螺栓、固定板与螺栓、鹅头体与本体之间实际接触的部位均采用了接触单元，定义了柔体－柔体的面－面接触类型，符合溜槽的结构和工作特性，保证了接触问题解法的正确性。

2 溜槽有限元计算与分析

2．1 施加81000N螺栓预紧力时有限元结果分析

在常温下，当对螺栓施加图纸所给预紧力81000N时，溜槽鹅头体最大Mises应力为118．47MPa，出现在侧面螺栓孔处，如图4所示；溜槽本体最大Mises应力为134．86MPa，同样出现在侧面螺栓孔处，如图5所示。这两处应力较大均是由于螺栓预紧力压挤本体和鹅头体板造成的。

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当预紧力为81000N时，螺栓根部应力较大，各螺栓最大应力基本相同，最大Mises应力为311．32MPa，出现图6所示的1号螺栓处(图6中序号表明螺栓应力大小的顺序)。且由螺栓应力大小分布可以看出此时溜槽上的负载主要由侧面螺栓承受。

溜槽材料1Cr18Ni9Ti与螺栓材料不锈钢0Cr18Ni9常温下的力学性能如表1所示。

通过表1可以看出，常温下溜槽和螺栓的强度均能满足使用要求，即常温下溜槽和螺栓均是安全的。

2．2 预紧力对溜槽和螺栓的影响

为了研究常温下预紧力对溜槽和螺栓强度的影响，将图纸所给预紧力减小一定比例，再按照上述有限元分析方法进行计算。可以得出常温下预紧力对溜槽和螺栓的影响如表2所示[7]

。通过表2可以看出，常温下，随着预紧力的减小，溜槽和螺栓的应力也成比例的减小。

2．3 温度升高时，预紧力对螺栓的影响

螺栓材料为不锈钢0Cr18Ni9，其高温瞬时力学性能如表3所示。

[8]

通过表3可以看出，与常温下的性能相比，螺栓材料0Cr18Ni9在温度为400℃以上时性能下降较为明显。在400℃，螺栓最大应力虽未超过σb，但已大于σs，此时螺栓的应力和变形呈非线性变化，螺栓伸长较大，导致联接螺栓在高温时产生蠕变断裂甚至瞬时拉断，由此看来，对联接螺栓施加较大的预紧力在高温时并不安全。 3 结论

1)常温时施加预紧力对溜槽和螺栓是安全的。

2)若溜槽所处温度过高，溜槽的这种联接结构容易失效，必须控制溜槽联接螺栓的环境温度不能过高，同时控制螺栓预紧力使其保持合适的值。

参 考 文 献：

[1] 王强．新钢1号高炉布料溜槽坠落事故分析[J]．炼铁，2005，Vol．24(5)：47～49． [2] 袁方．马钢9号高炉无料钟炉顶多环布料生产实践[J]．炼铁，2004，Vol．23(2)：31～33．

[3] 高成云．马钢4000m3级高炉的主要技术特点及装备水平[J]．炼铁，2007，Vol．26(4)：1～3．

[4] 王平．无料钟料流运动轨迹数学模拟[J]．钢铁研究学报，2006，Vo．l16(5)：5～9． [5] 华城．无料钟炉顶布料溜槽的综合分析[J]．冶金设备，2010(6)：67～69． [6] 李泽等．基于ANSYS/FE－SAFE的布料溜槽鹅头疲劳寿命预测[J]．冶金设备，2010(6)：27～29．

[7] 江晓瑜．450m3高炉无料钟布料器和有限元分析[D]．河北：燕山大学，2007．

[8] 机械工程材料数据手册编委会．机械工程材料数据手册[M]．北京：机械工业出版社，1994．

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