300t转炉倾翻力矩有限元分析、计算与耳轴位置确定的研究.doc

中国冶金装备网中国冶金人的网300t转炉倾翻力矩有限元计算与耳轴位置确定的研究摘要 采用大型通用有限元分析软件ansys提供的模型力学计算工具及其逐行解释性的apdl(ansys parametric design language)参数化设计语言，对300t转炉倾动力矩进行了分析、计算，绘出了转炉倾动力矩曲线，并对倾动力矩进行优化，对耳轴位置确定提供了可靠依据，对转炉设计具有较重要的参考价值。关键词 ansys 参数化设计语言 转炉 耳轴位置 倾动力矩study of finite element analysis & calculation of tilting moment and trunnion position confirming for 300t converterjiang zhihao(bsiet mechanical dept., beijing 100043)abstract this paper analyzes and calculates the tilting moment of 300t converter with the calculation tool of model mechanics and a scripting parametric design languages apdl supported by finite element analysis software ansys. it presents the moment curve, optimizes the moment, and provides the reliable causes for trunnion position confirming. it has the important reference value to converter design.key words apdl converter trunnion position tilting momentansys软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件，提供的模型力学特性计算工具能方便地对模型包括模型体积、质量、转动惯量、质心坐标等参数的模型力学特性进行计算；ansys提供apdl(ansys parametric design language)参数化设计语言，具有一般程序语言的功能，如参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ansys有限元数据库等，另外还提供简单界面定制功能，实现参数交互输入、消息机制、界面驱动和运行应用程序等23；本文利用ansys软件提供的上述功能对某厂300t转炉的倾动力矩进行计算，绘制倾动力矩曲线；计算最大倾动力矩构成情况，确定耳轴最佳位置。1 概 述倾动力矩是转炉倾动机构设计的重要参数，计算它的目的是：确定额定倾动力矩值，作为倾动机构设计的依据；确定转炉最佳的耳轴位置。转炉倾动力矩由四部分组成：m=mk1+mk2+md+mm式中 mk1炉壳和炉衬产生的空炉力矩(由炉壳和炉衬重量引起的静助力矩)，空炉的质心与耳轴中心的距离可以改变，在倾动过程中，空炉力矩mk1与倾动角度和耳轴位置存在线性函数关系；mk2-托圈等炉壳联接装置产生的空炉力矩，它只是倾动角度简单的正弦函数；md炉液力矩(炉内液体(包括铁水和渣)引起的静力矩)，在倾动过程中，炉液的质心位置是变化的，出钢时其质量也发生变化，均随倾动角度的变化而变化，故md与倾动角度和耳轴位置也存在函数关系；mm转炉耳轴上的摩擦力矩，它在转炉倾动过程中变化较复杂，炉液末倒出前呈定值关系，在有炉液倒出与倒完之间呈复杂非线性关系，以后呈定值关系；由于这些数值较小可视为常量或者略去。本文将对耳轴摩擦力矩进行较精确计算(-摩擦系数；对滑动轴承取=0.1-0.15；对滚动轴承取=0.05；本文计算时取=0.05)。耳轴摩擦力矩mm的方向总是与转动方向相反，所以在倾动全过程中都是正值1。将炉壳和炉衬产生的力矩与托圈等炉壳联接装置产生的力矩合成为空炉力矩：mk=mk1+ mk2，转炉倾动力矩改为m=mk+md+mm，即转炉倾动力矩可改为由三部分组成。2 基础数据求解2.1 用ansys软件建立转炉的三维模型用ansys软件提供的apdl语言编程建立300t转炉的三维实体模型，整体简化模型如图1所示23；三维模型主要由转炉本体、转炉连接装置和炉液三部分等组成，计算时模型中主要材料参数见表14。计算坐标按如下规定选取：以转炉对称轴线为y轴，y轴与耳轴中心线的交点为坐标原点o，x轴在转炉的倾动方向上，z轴通过耳轴轴线。图 1 300t转炉整体简化模型表1 材料属性材料弹性模量mpa泊松比密度kgm-3钢2.068e50.307850耐热砖50000.202950炉液20000.2570002.2 初定转炉耳轴位置转炉炉型是指转炉砌筑后的内部形状，其炉型选择由炼钢工艺要求确定，满足一定吨位炼钢要求，其形状相对较为固定；影响倾动力矩曲线的主要因素是炉型和耳轴位置。耳轴位置确定为：h+h0，见图4，h设为定值，在本例中设为h=5800mm，h0可正可负，表明耳轴位置可以任意移动，以获得不同的转炉倾动力矩及倾动力矩曲线。2.3 转炉炉体的力学特性求解图2为300t转炉本体炉壳、耐材实体模型(新炉情况)，炉口粘钢可以很方便地加到模型中，本文不模拟炉口粘钢情况。经计算，在坐标系xoy下的质心坐标为xc1=0.0mm，yc1=-(254.398+h0)mm，质量mass1=1015598.3kg。老炉力学参数省略。图2 300t转炉空炉实体模型2.4 转炉连接支撑装置的力学特性求解大型转炉连接装置包括耳轴、托圈、球面支撑装置和弹簧板连接装置；图3为300t转炉的连接支撑装置三维实体简化模型，经计算，在坐标系xoy下的质心坐标为xc2=0.0mm，yc2=-260.249mm，质量mass2=290854.2kg。图3 300t转炉连接装置简化实体模型2.5炉液的模型力学特性求解1)求解基本思想 如图4，在倾动角度下的aa位置将充满炉型的炉液进行切割，右下角剩余炉液是所需炉液，比如353t（300t转炉最大冶炼能力，含320t钢水和33t钢渣）；aa数值的求解是本文的关键，利用ansys提供的模型力学特性计算工具和apdl语言进行编程计算，可以很好地得到解决；本“切割法”的基本思想是对按炉型建立的三维实体模型进行有限次切割，使剩下的炉液尽量接近353t，由于计算结果受计算机计算精度制约，模拟炉液的质量可以达到只差1kg以内，见表2，满足工程计算需要。图 4 炉液力矩计算示意图2)转炉盛353t炉液倾动30时炉液形态模拟简介根据300t转炉炉型创建全炉液体积宏文件(命令流程序略去)23。执行全炉液体积宏文件生成全炉液实体模型见图5。 图5 转炉炉液全实体模型 图6 转炉炉液实体中间模型 图7 转炉倾动30炉液实体模型对图5模型进行一次切割(aa=0)，得到图6的炉液形态，由于炉液质量超过353t，仍需继续对模型切割。对图6模型进行二次切割(aa为经过编程计算获得的数据，aa=2118.62725mm)，得到的模型是所需模型，其质量为353t，表示转炉倾动30时炉液形态的实体模型，见图7。3)经过apdl语言编程计算，求得转炉每倾动5情况下炉液在图4定义的坐标系xoy中质心的xc和yc坐标。表2列出了新炉、老炉炉液倾动过程中每倾动10情况下质心位置的计算结果，它是后续计算的基础数据。表 2 炉液基本参数(h0=0)倾动角度()新炉老炉炉液质量(kg)质心x坐标(mm)质心y坐标(mm)炉液质量(kg)质心x坐标(mm)质心y坐标(mm)0353000.070-3189.50353000.260-3810.4510353000.03319.82-3161.35353000.04474.45-3768.7520353000.19630.85-3078.09353000.24933.48-3646.1130353000.06929.57-2938.49353000.191323.96-3464.7340353000.171209.42-2742.31353000.171654.03-3233.7650353000.101471.38-2479.33353000.241947.63-2939.4060353000.211730.02-2106.83353000.282226.21-2538.6570353000.011989.06-1545.60353000.072508.61-1924.2980353000.022184.89-806.20353000.482732.79-1078.1090296100.272371.21111.49353000.342823.12-4.0110076047.752732.611831.988129832.993112.371641.9311012242.682809.273090.4523694.063205.363092.5671200000003 转炉倾动力矩计算3.1 转炉倾动力矩计算转炉倾动力矩计算示例：设置耳轴位置h0=0.0mm，转炉倾动30时新炉各力矩值计算如下：3.1.1炉液产生的炉液倾翻力矩mdmd=m (xccos()-(yc-h0)sin()=353000.06(929.57cos(-30)-(-2938.49-0.0)sin(-30)=-229.78(104n.m)(2)炉壳耐材产生的空炉倾翻力矩mk1mk1=mass1(xc1cos(-)-(yc1-h0)sin(-) =1015598.3(0.0cos(-30)-(-254.398-0.0)sin(-30) =-126.60(104n.m)(3)托圈等炉壳连接装置产生的倾翻力矩mk2mk2=mass2(xc2cos(-)-yc2sin(-) =290854.2(0.0cos(-30)-(-260.249)sin(-30) =-37.09(104n.m)(4)合成空炉力矩mkmk=mk1+mk2 =-126.60-37.09 =-163.69(104n.m)(5)耳轴摩擦阻力矩mmmm=-(mt(,1,1)+mass1+mass2) 1320/2=-(353000.06+1015598.3+290854.2)0.051320/2=-53.66(x104n.m)(6)转炉倾动合成力矩m=-(md+mk1+mk2+mm) =-(-229.78-126.60-37.09-53.66)(x104n.m) =447.13(104n.m)式中：为倾翻角度(30)，见图4和表2。3.2 倾动力矩曲线其余角度计算省略。倾动力矩曲线：倾动力矩m随倾动角度而变化，即m=f()，这一函数关系通常可用m-曲线表示，称之为倾动力矩曲线。用横坐标表示倾动角度，纵坐标表示各倾动力矩m。利用计算结果绘制倾动曲线图，图8和图9表示h0=0、炉液质量353t时的倾动力矩曲线图：图8为新炉倾动力矩曲线图；图9为老炉倾动力矩曲线图。图 8 新炉倾动力矩曲线图 9 老炉倾动力矩曲线4 耳轴位置确定及优化 取不同的h0进行倾动力矩计算，计算结果见表3。表3列出最大倾动力矩时的空炉力矩和炉液力矩及耳轴相对高度。表3 最大倾动力矩构成情况(炉液353t)耳轴位置mm相对高度h0mm新炉老炉最大力矩x104 nm发生角度()炉液力矩x104 nm空炉力矩x104 nm最大力矩x104 nm发生角度()炉液力矩x104 nm空炉力矩x104 nm6200+4001144.3365433.14657.521045.5865490.18512.546000+200904.3962.5383.77466.95861.8463.75431.80387.435850+50727.3261.25343.00330.65725.7263.75385.26297.6058000669.1360331.95283.51680.6562.5373.07264.725750-50611.0758.75320.06237.33635.6962.5357.73235.105600-200440.3856.25280.01106.69501.7061.25314.2779.535400-400223.3451.25224.84-55.16326.2458.75256.5826.8041确定耳轴位置的原则按照大型转炉从安全观点出发多采用“全正力矩”原则来选择耳轴位置，即其耳轴位置应选得高一些。但耳轴位置过高，又会使倾动力矩过大，而造成倾动机构的电机容量及传动机构尺寸的增大，使其投资相应增加。因此耳轴最佳位置的确定，既要考虑安全性，又要考虑经济性。42确定最佳耳轴位置的条件式要使转炉在任何倾角下都能自动返回零位，就必须保证在倾动过程中空炉力矩和炉液力矩的合成值均大于摩擦力矩，如若使其经济合理就要取其临界限，因此确定最佳耳轴位置的条件式为：0(mk+md)minmm式中(mk+md)min倾动过程中，空炉力矩和炉液力矩合成的最小值。由于m=mk+md+mm，所以上式改写成：mmin2mm1。43确定最佳耳轴位置的修正值根据确定最佳耳轴位置条件式得出：h0(mk+md)min-mm)/(massk+massd)sin()式中:为最小倾动力矩的倾角，空炉质量massk= mass1+ mass2，massd为炉液质量。查取图8中数据，耳轴位置修正值计算如下：h0(3235698-1011024)-453067)/(1306452.5+94497.8)9.8sin(98.75)=0.13(mm)h0数值较小，说明本300t大型转炉初设耳轴位置h=5800mm确定较为合理。5 结束语1)转炉炉型根据炼钢工艺要求确定，经计算确定耳轴位置，根据倾动力矩设计倾动装置，通过数据计算出300t转炉在冻炉情况时的倾动力矩为：新炉1459.59 104nm，老炉1649.61104nm；将最大倾动力矩值乘上一附加系数作为倾动机构的计算载荷，附加系数一般取1.1-1.3，以计算载荷作为确