（机械工程专业论文）210t转炉托圈及其连接装置的设计及有限元计算.pdf

摘要 摘要 托圈及其连接装置是转炉炼钢关键性设备之一，它们能否实现安全、高效、 经济地运行对炼钢厂生产具有重大影响。国内2 0 0 t 级以上的大型转炉其关键设 备大多从国外引进。根据我国“十一五”规划，在“十一五”期间要大力提高国内设 计比例，大幅提升国产化比例。因此对大型转炉托圈及其连接装置的学习研究有 着重大的现实意义。 2 1 0 t 转炉托圈及其连接装置是包院科研立项开发的关键设备之一。本课题以 2 1 0 t 转炉托圈及其连接装置的设计研究为主要内容，通过对国内外8 0 年代以来 的相关文献进行搜索整理，对常见的六种连接装置圆盘悬挂连接装置、三点 悬吊装置、三点球铰支承连接装置、薄带连接装置、柔性螺栓连接装置和连杆连 接装置，从可靠性、先进性、设计难易程度、制造维护难易程度四个方面进行多 方案比较，选取“连杆连接装置”作为最优方案，托圈则采用全焊接式水冷托圈作 为设计方案。根据包院炼钢专业任务书，建立托圈及其连接装置数字模型。在此 基础上选定五种典型工况，对托圈及其连接装置的重要零部件进行了力分析和应 力分析，得出了结论。最后用有限元方法对其展开进一步的分析，了解了其在五 种典型工况下的应力和变形情况，并与传统计算方法进行了比较，提出了改进意 见。本课题的顺利完成为今后新建大型转炉托圈及其连接装置的国产化提供了技 术储备；对今后包院大型转炉设计工作能起到一定的借鉴作用。 关键词托圈；连接装置；有限元分析 北京工业大学丁程硕十学位论文 a b s t r a c t tr l 】i 】k n l o nd m ga n dh o o k u pm e c h a n i s mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e r i to f s t e e l s m e l t i n gc o n v e r t e r w h e t h e rt h ee q u i p m e n tc a r l r u ns a f e ，e f f i c i e n t l ya n d e c o n o m i c a l l y , i tw i l la f f e c tt h ep r o d u c t i o nn mm o m e n t o u s i no u rc o u n t r y , t h ek e y e q u i p m e r i to fl a r g e s c a l ec o n v e r t e rw h i c hc a p a c i t yi sa b o v e2 0 0 ti si n t r o d u c e df r o m o t h e rc o u n t r i e s d u r i n gt h ep e r i o do ft h ep r o g r a m m i n go ft h en o 11f i v e 。y e a rp l a n ，w e s h o u l di n c r e a s et h ed o m e s t i cd e s i g ns c a l ea n da c c e l e r a t et e c h n i q u ec o n v e r s i o n s oi ti s v e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h et e c h n o l o g yo f t n m n i o nr i n ga n dh o o k u pm e c h a n i s m t h ed e v e l o p m e n to f210 tt r u n l l i o nr i n ga n dh o o k u pm e c h a n i s mi so n eo ft h e m o s tp l a n so fb a o t o ue n g i n e e r i n ga n dr e s e a r c hc o r p o r a t i o n t h et o p i ct e l l st h ed e s i g n o ft r u n n i o nr i n ga n dh o o k u pm e c h a n i s mo fs t e e l - s m e l t i n gc o n v e r t e r n o wt h e r ea r es i x f o r m sa b o u th o o k u pm e c h a n i s m ：d i s kh a n g i n ge q u i p m e n t ，t h r e ep o i n th a n g i n g e q u i p m e n t , t h r e ep o i n tb a l l s o c k e ts u p p o r t i n gc o n n e c t i n ge q u i p m e n t ，t h i ns t r i p c o n n e c t i n ge q u i p m e n t ，f l e x i b i l i t ys c r e wb o l tc o n n e c t i n ge q u i p m e n t ，c o n n e c t i n gr o d c o n n e c t i n ge q u i p m e n t d e p e n d i n go nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd o c u m e n t a t i o n ，w e s e l e c ts e v e r a ls c h e m e sa n dc o m p a r et h e mf r o mr e l i a b i l i t y , d e g r e eo fa d v a n c i n g ， d e g r e eo fd i f f i c u l t ya b o u td e s i g n ，m a n u n c t u r ea n dm a i n t e n a n c ee t c t h e nw e s e l e c t t h em o s to p t i m a ls c h e m e ：c o n n e c t i n gr o dd e v i c e a l l - w e l d e dt r u n n i o nr i n gw i t h h y d r o c o o l i n gi st h ed e s i g np r o p o s a lo ft r u n n i o nr i n g d e p a n d i n go nt h ej o bo r d e ro f t e c h n o l o g y , w ee s t a b l i s ht h ed i g i t i z e dm o d e l o nm e b a s eo fm o d e l ，w es e l e c tf i v e t o p i c a lw o r kc o n d i t i o n sa n da n a l y z ef o r c ea n dt h es t r e s s o ft h ei m p o r t a n tp a r t so f t r u n n i o nd n ga n dh o o k u pm e c h a n i s m ，c o n c l u s i o ni sg e t t h e nw eu s et h em e t h o do f f i n i t ee l e m e n tt oa n a l y z ef u r t h e ri no r d e rt ok n o wt h es i t u a t i o no f s t r e s sa n dd e f o r m i n g i nf i v ew o r kc o n d i t i o n s a f t e rw ec o m p a r et h er e s u l t so ft h e s et w ow a y s ，w ec a ng e t t h em e t h o dt oi m p r o v i n gd e s i g no ft h es c h e m e t h es u b j e c ti sp o s i t i v e t ot h e t e c h n i q u ec o n v e r s i o na n dd e s i g nw o r k i n g o fb a t o ue n g i n e e r i n ga n dr e s e a r c hc o r p k e y w o r d s ：t r u n n i o nr i n g ；c o n n e c t i n gr o dd e v i c e ；f e a i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：翅堡 日期：a 瞄t t , ， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 、p一 签名：咎超鸳 导师签名：日期：嗌：缇堕 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题相关内容及文献综述 1 1 1 课题来源，相关科研项目的基本情况 在平炉、转炉、电炉三大炼钢技术中，以转炉炼钢技术发展最快、应用最广。 转炉炼钢法在世界钢产量中占有绝对优势，托圈及其连接装置是转炉炼钢关键性 设备之一，它们能否实现安全、高效、经济地运行对炼钢厂生产具有重大影响。 青岛钢厂搬迁，需重新设计配置顶底复吹2 1o t 转炉炼钢车间。为此，我院 ( 中冶集团包头钢铁设计研究总院，以下简称包院) 准备开展前期设计开发工作， 2 1 0 t 转炉托圈及其连接装置即是包院科研立项开发的关键设备之一。 1 1 2 本选题的应用价值 根据国家产业政策，新建的转炉炼钢车间最小需配置1 2 0 t 转炉【l 】，而目前国 内炼钢转炉以中小转炉为主，只有少量的2 0 0 t 级以上大型转炉，而这些大型转 炉的关键设备均从国外引进，其中转炉托圈及其连接装置这一关键设备一般也从 国外引进。根据我国“十一五规划，在“十一五”期间要大力提高国内设计比 例，大幅提升国产化比例。本选题拟通过对大型转炉托圈及其连接装置的学习研 究，完成包院科研开发任务；了解托圈在典型工况下的应力和变形情况；为青钢 2 1o t 转炉托圈及其连接装置的设计提供依据：掌握大型转炉托圈的优化设计方 法；为今后新建大型转炉托圈及其连接装置的国产化提供技术储备；并对今后包 院大型转炉设计工作起一定的借鉴作用。 1 1 3 相关研究领域的现状和研究进展分析 据文献 2 5 可知，十九世纪中叶，英国h 贝氏麦申请贝氏麦酸性转炉炼钢法 专利( 英国专利3 5 4 号，1 8 5 6 年) ，他的想法是通过炉底向炉内吹入氧气代替 空气，标志着近代炼钢方法的开端。最初，由于用于工业生产需要的氧气产量不 足，这项工艺很长时间不能大规模用于生产。1 9 4 9 年6 月，奥地利试验成功氧 气顶吹转炉炼钢法，并在1 9 5 2 年和1 9 5 3 年先后在林茨( l i n z ) 和道纳维茨 ( d o n a w i t z ) 两钢厂投入工业生产( 故取名l d 法) 。它是世界炼钢技术的一次 巨大变革。由于l d 转炉具有生产效率高、投资少，成本低、原料适应性强、冶 炼的钢质量好，品种多、适于高度机械化和自动化生产等一系列优点，故其发展 北京工业大学工程硕士学位论文 速度惊人，氧气转炉炼钢成为近代炼钢生产的主要手段，为钢铁工业的高速发展 做出了突出贡献。1 9 6 8 年氧气底吹法也用于转炉炼钢，1 9 7 8 年复合吹炼在工业 中开始应用。伴随着炼钢先后经历了顶吹、底吹和项底复合吹炼发展过程，转炉 的容积发展也经历了一个从小到大、并逐步走向大型化的过程。在二十世纪5 0 年代，第一座氧气顶吹转炉容量为3 0 吨，到6 0 年代初，出现炉容为2 0 0 吨的转 炉，6 0 年代末，出现炉容为3 0 0 吨的转炉。目前，转炉最大炉容达到4 0 0 吨。 转炉大型化也带动了转炉设备和其它相关技术的进步。 氧气顶底复合吹炼转炉设备总图如图卜l 所示，它由件l 转炉炉体、件2 支 承装置和件3 倾动机构组成。转炉炉体是炼钢过程中进行冶金反应的容器。支承 装置主要包括支承炉体的托圈及炉体与托圈的连接装置、支承托圈的耳轴轴承、 轴承座以及底座，其主要作用是将转炉炉体及其附件的全部重量传递到土建基础 上，同时还传递倾动机构施加给炉体的倾动力矩。倾动机构主要包括电动机、减 速机、平衡装置、制动装置等。 图i - i 氧气项底复吹转炉总图 f i g u r e1 - 1g e n e r a lc h a r to f c o n v e r t e r 转炉炉体包括炉壳和炉衬。转炉炉壳的作用是承受炉衬、钢液及渣液的全部 重量，保持炉子有固定的形状，倾动时承受倾翻力矩作用。由于氧气顶吹转炉中 吹炼温度高达1 6 0 0 。c 以上，所以，转炉炉壳内部必须砌筑一定厚度的耐火材料。 炉内砌筑的耐火材料称为炉衬。二十世纪8 0 年代以前，转炉炉衬材料主要采用 镁白云砖，由于镁白云砖抗剥落和抗渣侵蚀性能差，限制了炉龄的提高，通常炉 龄约百炉左右。但是，镁白云砖的导热系数小，使得炉壳温度较低。进入二十世 纪8 0 年代以后，一种新的炉衬耐火材料一镁碳砖在转炉上使用，取得了非常好 第1 章绪论 - - iii- 的效果。由于镁碳砖具自抗蚀性能好、抗热震性好以及不易剥落等优点，对提高 炉龄起到积极作用，故在世界各国得到普遍应用。溅渣护炉是近年来开发的一项 提高炉龄的新技术。这项技术的使用大幅度提高了炉龄，世界记录由美国l t v 公 司的印地安那哈鲍厂( i n d i a n ah a b o r ) 在1 9 9 6 年创造，为1 9 1 2 9 炉次。国内宝 钢在1 9 9 8 年最高炉龄为1 4 0 0 1 炉次。 转炉炉衬在使用镁碳砖提高炉龄以来，特别是在采用溅渣护炉技术以后，炉 龄几乎达到了“无限寿命”。由于镁碳砖的导热系数高以及溅渣护炉后期炉衬的 减薄，并且，有时由于炼钢工艺要求出钢温度提高，这些因素使炉壳温度升高从 而导致炉壳的变形严重。炉壳变形造成炉壳直径变大，炉壳和托圈之间的间隙减 小，严重时会发生托圈与炉壳顶死，成为重大事故隐患，将危及到炼钢厂的正常 生产，这成为世界各国亟待解决的重要课题。 转炉倾动机构主要配置形式有3 种：落地式、全悬挂式、半悬挂式。这三种 形式的共同特点是：都是由驱动电机、制动器、初级减速机和末级减速机组成。 全悬挂配置形式不但能满足托圈下凹引起的耳轴的翘曲变形，而且还具有结构紧 凑等特点，若平衡缓冲装置设计合理，能使倾动机械有一定的缓冲减震性能，所 以这种配置形式是目前世界各国主要采用的。我国的科研人员还在积极研究推广 一种新的驱动方式一液压马达驱动，并且取得了一些进展【6 】。 1 1 4 本选题领域中国内外研究成果简述 托圈是转炉的重要承载和传动部件。工作过程中，除承受炉体、钢液及炉体 附件的静载荷和传递倾动力矩外，还承受频繁启、制动产生的动负荷，以及来自 炉体、钢水罐、渣罐、烟罩及喷溅物等的热辐射、热传导所产生的热负荷。因此， 托圈应具有足够的强度和刚度。 炉体通过连接装置与托圈连接。由于炉体很重，并通过连接装置随托圈倾转 正负3 6 0 。，而且炉壳和托圈在机械与热负荷作用下都将产生变形，因此，对托 圈连接装置提出如下要求，即：一方面能将炉体牢靠地固定在托圈上；另一方面 又能适应炉壳和托圈热膨胀时，在径向和轴向产生相对位移的情况下，不使位移 受到限制，以免造成炉壳和托圈产生严重变形和破坏。 另外，连接装置还存在一个严重问题是：伴随炉壳和托圈的变形，在连接装 置中引起传递载荷的重新分布，往往造成局部过载，并由此引起严重变形和破坏。 为了满足连接装置的要求，并能较好地克服可能出现的问题，设计连接装置 时，应保证以下几点： ( 1 ) 能保证转炉在任何位置倾动时，都能将炉体负荷传递到托圈上，并保持 炉体在托圈中的正确位置。 ( 2 ) 能适应炉体在轴向和径向的胀、缩，而不产生旷动。 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 将炉体负荷均匀地分布在托圈上，对炉壳的强度与变形的影响减小到最 低限度。 ( 4 ) 考虑到变形的产生，能以预先确定的方式传递载荷，并避免因静不定问 题的存在，而使支承系统承受附加载荷。 ( 5 ) 连接装置应安装方便，加工、维修容易【_ 7 1 。 根据课题研究内容，对国内外自1 9 8 2 年以来的文献报告进行了检索。文献 检索的结果表明：托圈及其连接装置的研究热点集中在连接装置的开发与改进。 随着计算机技术和计算方法的发展，复杂的工程问题可采用离散化的数值计 算方法并借助计算机得到满足工程要求的数值解，数值模拟技术成为现代工程设 计中的一个重要工具。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单 元法、边界元法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言， 主要还是有限单元法。有限元分析( f e a ) 的基本概念是用较简单的问题代替复 杂问题后再求解，有限元分析将求解域看成是由许多称为有限单元的小的互连子 域组成，对每一个单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域总的满足条 件，从而得到问题的近似解。由于其不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状， 因而成为行之有效的工程分析手段【8 】。由于有限元计算软件的推广应用，目前， 托圈的计算逐步趋于采用有限元软件进行模拟计算。 1 1 4 1 国外研究情况 大型转炉托圈在国外一般均采用钢板焊接的箱形( 矩形) 结构 g j o ；托圈与 耳轴之间有采用焊接方式的，也有采用耳轴块与耳轴过盈配合连接的；托圈大多 采用循环水强制冷却；国外托圈钢板材料一般采用a s t m 标准中的a 5 1 6 的6 级或7 0 级钢号，经正火处理使用，通常认为，从韧性、强度、可焊性和经济性 来看，它们作为托圈材料综合性能较好【7 1 。 大型转炉连接装置大多是国外公司在2 0 世纪7 0 年代末到9 0 年代初开发并 推广应用的。自1 9 5 2 年奥地利林茨厂第一座氧气顶吹转炉投产以来，科研人员 已研究开发出了各种型式的转炉连接装置。目前，大型转炉托圈与炉体的连接装 置主要有三种方式： ( 1 ) 是德国g h h 公司的薄带连接装置( 见图1 - 2 ) 。 由文献 1 1 ，1 2 ，1 3 可知，这种连接装置有以下特点。它由两部分组成：第 一组是装在托圈四周的8 个成角度的薄片组，每个薄片组由两个矩形钢板组成， 材料为高强度合金钢。每个薄片组用螺栓固定在顶部和底部的两个钢架上，一个 钢架被焊在托圈底部，另一个被焊在炉底的转向区域。第二组部件由装在耳轴上 的两个稳定器组成。每一组稳定器由焊在炉壳上的支架和焊在托圈表面适当位置 的两个止动块组成。 在炉体直立时，炉体被托在多层钢带组成的“托笼”中；炉体的倾动，主要 第1 章绪论 图1 - 2 采用薄带连接装置的转炉 f i g u r e1 - 2c o n v e r t e r sw i t ht h i ns t r i pc o n n e c t i n ge q u i p m e n t 靠距离耳轴轴线最远位置的钢带组实现；炉体倒立时，主要靠钢带组的压缩变形 来承载。由于倾斜炉壳产生的多余负载，在两个止动块间均匀分配，这由倾斜的 方向来决定。 这种连接装置的优点是：炉壳上的主要承重点放在托圈下面温度较低的位 置；多层挠性薄钢带适应炉壳和托圈间由于受热产生的相对位移；并且由于没有 运动件，故连接装置基本不存在磨损变形；稳定器可防止炉体相对于托圈横向运 动。 1 9 9 1 年在l 1 v 钢厂2 2 0 t 转炉炉壳更换中，钢厂经过分析研究，认为薄带连 接装置对他们来说是最适当的设计，所以l t v 钢厂采用了薄带连接装置。 1 9 9 3 年在奥格玛( a l g o m a ) 厂2 座2 5 0 t 转炉更换中也采用了这种连接装置。 托圈采用a s t ma 5 1 66 0 级正火钢板。托圈采用水冷。两耳轴焊在托圈上。薄带 钢板采用高强度合金钢a s t ma 5 1 4f 级。 ( 2 ) 是奥地利奥钢联( v 触) 公司的连杆连接装置( 见图1 3 ) 。 奥钢联在9 0 年代初提出了一种新型连接装置一连杆连接装置。这种连接装 置有以下特点： 炉壳靠6 个元件悬挂在托圈上。连杆设计成向摆杆一样，它既能适应拉伸载 荷，也能适应压缩载荷。连杆两端用托架支承，托架分别焊在托圈和炉壳上。连 杆和托架之间的连接靠球铰轴承实现。 有三个连杆竖直布置。一个定位在加料侧，另两个成1 2 0 0 角布置。这三个 连杆承受直立位置的转炉荷载及倾斜位置的扭矩。两个水平连杆布置在耳轴区， 它们承受倾动转炉的载荷。转炉横向运动是用导向架来限制的。 这是一个比其它悬挂系统简单的设计。在任何倾转位置绝对没有变形力，甚 至是严重翘曲的炉壳。因此，不会对炉壳或托圈造成损害，引起附加应力。炉壳 的所有变形均由悬挂系统补偿，并且维护工作量极少1 4 , 1 5 , 1 6 , 17 】。 向墼 图卜3 采用连杆连接装置的转炉 f i g u r e l - 3e o n v e g t e , m w i t he o e e t i n g c o t i n ge q u i p m e n t 由于这种连接装置有很多优点，所以从1 9 9 7 年1 2 月开始在世界各地大量推 广，v a i 在2 0 0 4 年对6 年中已建设的采用该种连接装置的转炉统计表i ，见 表1 1 。 表1 1 v a l 连杆连接装置统计表 c h a r t1 一is t a t i s t i cc h a r t o f v a i c o n n e c t i n gr o de q u i p m e n t v a j - c ：o n u h k i n s t a l l a t i o n s * _ “ m t d h h 嘲h _ 吲h $ 岫 抽 肝两 _ k d w m * 啪j “榔s 时 怕 仍 撙 0 “i mm o * 目耐自_ 舳 i n 坶 州k 自池 一 m m m1 * m b w h ：n口m h m _ m i m if m t 一 m_ m t 一 mm 。t n 1 w t - 自- 啦 瑚m i _ h 蚺 ( 3 ) 是英格兰藏维( d a w m c k e e ) 的三点悬吊装置( 见图l - 4 ) 。 戴维悬挂系统是由装在托圈下面的三个悬挂部分组成。两个大的部分位于耳 轴轴线上，小的部分位于耳轴轴线的9 0 。方向、出钢口对面。悬挂部件用螺栓 固定在炉壳上，或者焊在炉壳上。卡爪挡铁扣紧在托圈底缘上，用液压张力调整 器使卡爪挡铁变紧，防止应力循环。 当炉壳直立时，即在吹炼位时，它支承在卡爪和支架的接触面上，如a 所示， 2 个支承位于耳轴轴线。当炉壳水平时支承在卡爪和支架的接触面上，如b 所示， 瞬间在b 附近，在b l 处起作用。当炉壳倒立时，它支承在支架和托圈的接触面 上，如c 所示。当炉壳旋转时，扭矩同样通过耳轴下的2 个支承部分来施加，即 通过a 和b 之间的联合作用来施加扭矩。小的悬吊部件( 位于耳轴9 0 。方向、 出钢口对面) 主要是保持炉壳在托圈中的正确位置，防止炉壳横向运动。 僦瓣鬻篇嚣繁蓉辫纛黼 m嚣箍漱彗l嚣一 圈1 4 采用三点悬吊装置的转炉 f i g u r e1 - 4 c o n v 口t e mv f i t h t h r e e p o i n t h a n g i n ge q u i p m e a t 在热膨胀运动时，每个悬吊部件是不受约束的，允许炉壳相对于托圈自由的 径向运动。炉壳的纵向运动同样也未禁止。 这种连接装置于1 9 8 6 年在2 6 0 t 转炉上首次被采用，据介绍，1 9 9 0 年又有3 座转炉采用了这种连接装置n ”。 托圈的有限元计算主要目的是了解托圈在典型工况下的应力值和变形值，从 而为托圈的设计、制造及维护提供依据。托圈的应力主要包括机械应力和热应力 两部分。 美国钢铁工程师协会( a i s e ) 曾要求对目前使用的2 2 5 t 转炉进行详细的有 限元分析，目的是发展转炉设计公式。这一分析分成两个主要部分：一是耐火炉 村的膨胀应力；一是重力载荷应力。重力载荷是指加在转炉系统的全部载荷，包 括：全部炉壳的重量、耐火炉衬的重量、熔融金属的重量等。因为炉体旋转和炉 壳中熔融金属量的改变，在转动过程中融化金属的重心也在改变，故需对炉壳和 托圈从垂直吹炼位到完全倒空的翻转直立位置，不同的角度位置进行评估“，其 模型图见图卜5 ，托圈在吹炼位的应力分布见图l 一6 。 美国l t v 钢厂的l 号转炉炉壳在1 9 8 6 年1 月被烧穿，由于未注意到对托圈 壁厚的损耗，到1 9 9 4 年4 月，在托圈内腹板中出现谲水，需要对损害部分进行修 复，如何修复薄弱区域、需要修复的薄弱区域有多大、裂纹是如何产生的? 在没 有特殊计算炉壳烧穿后托圈薄弱区域的应力时，各种工作只能说明为什么减少的 厚度削弱了托圈的完整性。通过研究者对托圈的有限元分析，可以进一步分析裂 纹产生的原因【加】，托圈应力分布结果见图l 一7 。 在新设计中，往往需要对托圈及连接装置进行有限元分析计算，必要时还需 对炉壳进行有限元分析计算，但这难度很大。奥钢联曾对其开发的“连杆连接吊 挂装置”转炉系统进行了有限元分析计算，见图l 一8 和图1 9 。其目的是对连杆进行 优化设计并对炉壳进行应力分析。 目i - 52 2 5 t 转炉炉壳及托圈模型图 f i g u r e i - 5 i l l u s t r a t i o n o f m o d e l o f f u r n a c e m a n t l ea n d m m n i o nr i n g o f e o n v e n e r s 目a 融左 防7 l ? “”r “ “ 圈i 6 畋炼位托圈应力分布图 f i g u r e i - 6s ”e e n v e l o p eo f 帅曲i o nr i n g o ne o n v e a i n g p o s i t i o n w | 一“ 1 。一。：嚣：篙鞴嚣。m ，。= = ：怒篙嚣，“- ， 虹k呻 圈1 4 托圈应力分布圈 f i g u r e1 - 7s t t - 哪e n v e l o p e o f t m n n i o n r i n g 圈1 8 连杆应力分析 f i g u r e i - 8s t r e s 5e n v o l p eo f c o n n e c t i n g 州圈i - 9 炉壳应力分析 f i g u r ei - 9s 帆s se n v o l p e o f f i a n a e e m a n t l e 在转炉设计中操作状态的影响一文中作者指出，转炉的故障主要是由于 炉壳和托圈的变形和裂纹引起的，而这又是由于炉壳温度的波动和现场的热造成 8 * l $ 镕t 的。在对容量为2 2 0 t 的转炉铡温结果表明：在托豳上方，炉壳温度最高达到5 5 0 6 0 0 ，而在托圈下方炉壳温度大约为2 0 0 ，最低部分为1 6 0 。并且受到 耐火材料的影响很大，如果炉衬磨损根迅速，则在这个范围温度升高很明显。 在接近炉壳的托圈( 托圈未加水冷) 上方测量的最高温度为1 9 0 - 2 0 0 ，整个 托圈宽度方向温度差为2 1 ，高度方向温度差为6 0 - 6 4 。为了了解转炉应力 的分布，所作的计算非常耗时、昂贵，并需采用有限元法柬完成，所以作者建议 对1 0 0 t 、2 0 0 t 、4 0 0 t 转炉作计算，这可为中尺j 的转炉提供适当的参考，圈1 0 即是为4 0 0 t 转炉建立的有限元模型”。 从以上总结的文献可见，转炉的工 作状况及受力情况十分复杂，不但有变 化的机械应力，而且还有变化的热应 力，要想做好设计，必须理论联系实际， 除了必要的计算外，还需积极学习、借 鉴国外的先进成果。 42 国内研究情况 图1 1 04 0 0 t 转炉有限元模型 f i g u t _ e i - 1 0 f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f 4 0 0 tc o l w c r t e r 我国自1 9 6 3 年第一座氧气顶吹转炉投产以来，科技人员已消化移植、研究 开发出了各种形式的转炉连接装置，广泛用于我国的中小转炉设计上。国内设计 的中小型转炉托圈大多采用焊接箱形结构，耳轴与托圈之间大多采用耳轴块进行 连接。托圈一般都通水冷却。国内中小转炉托圈用材质有1 6 m n 、1 6 m n r e 、 4 m n m o v l 2 ”，尤以1 6 m n 用的最多。这些材料屈服极限虽然稍高，可是抗冲击 韧性值较低，缺口敏感性强，在有缺陷的情况下其疲劳强度比a 3 钢低，且易产 生裂纹。美国的a 5 1 66 0 级材料近似我国的2 2 9 ，鉴于国内经验及国外资料，托 圈应选择在较高温度( 3 0 0 - - 4 0 0 ) 下有足够强度并且抗蠕变性能好、疲劳极限 高、抗裂纹扩展门槛值高、成型与焊接性能好的材科，但这往往义难以兼顾。从 应用及加工条件看，必须保证： ( 1 ) 有足够的强度和高疲劳极限： ( 2 ) 断口敏感性低： ( 3 ) 焊接与成型性能好。综上所述，国内选择2 0 - 2 2 号锅炉钢板作为托圈 材质是较合适的。中小转炉连接装置主要形式是消化移植日本的三点球铰支承连 接装置技术。 我国的2 0 0 t 级以上转炉均从国外引进”，到1 9 9 8 年，我国2 0 0 t 以上转炉共 建成1 0 座，最大公称容量3 0 0 t 。2 0 世纪8 0 年代宝钢从日本引进建成具有7 0 年 代末技术水平的3 0 0 t 转炉3 座，首钢购进二手设备建成2 l 叭转炉车间：9 0 年代 宝钢又建成2 5 0 t 转炉车间，武钢引进2 5 0 t 转炉。包钢购进二手设备建成的2 1o t 北京工业大学工程硕士学位论文 转炉车间于2 0 0 2 年投产。 从国外引进的托圈均采用全焊接箱形结构；托圈与耳轴之间采用焊接方式； 托圈采用循环水强制冷却；其中宝钢3 0 0 t 托圈材料为s m 4 1 c ( 近似于国标的q 2 5 5 钢) 。 托圈与炉体的连接装置主要有三种形式： ( 1 ) 首钢2 1 0 t 转炉采用的是薄带连接装置( 见图1 2 ) 。 ( 2 ) 武钢2 5 0 t 转炉采用的是柔性螺栓连接装置( 见图1 1 1 ) 。 这种连接装置是德马克( d e m a g ) 公司的专利技术，它主要由两组预应力钢 索螺栓组成。一座2 5 0 t 转炉上共有钢索螺栓2 0 条，其中8 条螺栓为一组，沿圆 周成对竖向排列；另1 2 条螺栓为一组，横向排列在炉体两侧。 转炉炉体上焊有四组吊架，位于托圈以下的一个平面上：还固定有两组托架， 位于炉体两侧耳轴中心线处。每一组吊架由2 条竖向钢索螺栓贯穿与托圈垂直相 连，每一托架由6 条横向螺栓与托圈水平相连。各个吊架上还设有支承垫板，使 炉体吊架与托圈无间隙的接触。 i 倾动装置2 炉体3 托圈4 连接装置5 竖向柔性钢索螺栓6 插入座7 吊架 8 球面垫块9 螺母l o 保护罩1 1 横向柔性钢索螺栓1 2 托架1 3 支承垫板 图l 一1 1 用柔性螺栓连接的转炉 f i g u r e1 - 11c o n v e r t e r sw i t hf l e x i b i l i t ys c r e wb o l tc o n n e c t i n g 这种连接装置的工作原理是，用柔性钢索螺栓将炉体吊挂在托圈上，当炉体 直立时，由8 条竖向螺栓将载荷传给托圈；当炉体水平时，则由6 条横向螺栓将 载荷传给托圈；当炉体倒立时，炉体重量经四组支承垫板作用于托圈。炉体在任 意倾角位置时，竖向螺栓传递与转炉轴线平行的力，横向螺栓传递与轴线垂直的 力，所有螺栓只承受拉力。 炉体与托圈的热变形相对运动靠钢索螺栓的弹性挠曲变形来吸收和补偿 2 3 1 。 这种连接装置虽有不少优点，但其需要配备专门的安装装置；同时我国目前尚无 第1 章绪论 此类螺栓的制造厂。这是国产化必须考虑的一个问题。 ( 3 ) 宝钢3 0 0 t 转炉采用的是三点球铰支承连接装置( 见图1 1 2 ) 。 这种连接装置是日本新日铁公司开发的，它主要由两部分组成。当炉体直立 或倒立时，靠三个支承螺栓将炉体重量传递到托圈上；炉体水平时，主要靠托圈 上两组托架挡块及托圈下四组托架挡块来共同传递炉体的载荷，而在其它倾动位 置，则靠出钢口对侧的个螺栓和托圈上两组托架挡块及托圈下四组托架挡块来 共同传递炉体的载荷。 当转炉受热膨胀变形时，靠三个球铰螺栓的摆动来进行补偿，托架挡块有6 0 的配合斜面，以保证二者在任何情况下都能配合的很好c 2 4 】。 这种连接装置能较好的满足使用要求，但在使用过程中也暴露出一些弱点。 由于这种连接装置是超静定结构，所以在受热膨胀时，特别是不均匀膨胀时，会 产生附加应力；另外，连接装置主要布置在炉体上部温度较高的部位，一者不利 于炉壳散热，二者会影响到挡渣罩的布置。另外，这种连接装置使用过程中如果 托座间隙过大或出钢口对侧球铰螺栓上的螺母紧固未达到要求就会出现松动，维 护工作量很大，而且下部托座的间隙难以测量 2 5 】。 图卜1 2 采用三点球铰支承连接装置的转炉 f i g u r el - 1 2c o n v e r t e r sw i t ht h r e ep o i n tb a l ls o c k e ts u p p o r t i n gc o n n e c t i n g 包钢2 1 0 t 转炉连接装置是v a i 公司7 0 年代开发的圆盘悬挂连接装置 ( v a 一c o n d i s k ) ，它虽然有很多优点，但有一个主要缺点，即受载集中，这 对大吨位转炉来说更为严重 2 6 】，为保证运行安全，包钢后又购进“薄带连接装置， ( 图卜1 ) 对原有连接装置进行了改造。 利用有限元法对托圈及其连接装置进行模拟分析计算，在我国开始于9 0 年 代，东北重型机械学院的刘建平等人在1 9 9 6 年曾对奥钢联公司的转炉悬盘连接 北京工业大学工程硕士学位论文 装置的应力进行了分析卫7 。，其支承圈简化后计算模型图见图卜1 3 。 图1 1 3 支承圈计算模型图 f i g u r e1 13c a c u l a t i o ni l l u s t r a t i o nm o d e lo f s u p p o r t i n gr i n g ( g 截面上设置的约束联杆) 图1 1 4 托圈离散结构图 f i g u r e1 1 4d i s c r e t es t r u c t u r a li l l u s t r a t i o no f t r u n n i o nr i n g 鞍山钢铁学院的高满旭曾对1 8 0 t 转炉托 圈的机械应力和热应力用有限单元法进 行计算与分析，其托圈离散结构图及热应 力分析的离散模型分别见图1 1 4 和图 1 1 5 。计算结果表明，热负荷引起的热应 力和热变形是十分显著的，特别是在自然 冷却的情况下，最大热应力高达 151 2 m p a , 远大于机械应力，而冷水冷却 时的热应力和热变形则显著减小。因此， 在对托圈进行应力分析时，热应力的影响 必须加以考虑【2 8 】。 图1 1 5 热应力分析的离散模型 f i g u r el 一1 5d i s c r e t em o d e lo f t h e r m a l - s t r e s sa n a l y s i s 托圈的设计计算还必须考虑倾动机构对托圈的影响，因为转炉设备处于重载 及频繁启、制动的工作状况下，耳轴受到扭振力矩的作用，在采用落地式倾动装 置的1 2 0 t 转炉上实测表明，扭振力矩动载系数变化范围为1 1 7 1 4 6 ，平均为 1 2 7 2 9 1 。而根据潘紫微等人在9 5 t 转炉( 采用全悬挂倾动装置) 上所作的测试， 动载系数变化范围为1 2 5 3 3 1 ，平均为2 4 【3 0 】。所以，在计算耳轴强度时，不但 应考虑耳轴在最大静负荷作用下的强度，还要考虑其疲劳强度。 综合以上文献资料来看，大型转炉托圈的设计有三点逐步趋于一致： ( 1 ) 托圈采用钢板焊接的箱形( 矩形) 结构； ( 2 ) 托圈与耳轴之间采用焊接方式进行连接； ( 3 ) 托圈采用循环水强制冷却。托圈的材料目前在我国中小转炉上大多采 第1 章绪论 用1 6 m n 钢板，但是从材料性能来看，1 6 m n r 比1 6 m n 更好，但是，前者成本较 高。 连接装置虽然形式多样，但是，奥地利v a i 公司9 0 年代研究成功的新型连 接装置一连杆连接装置，经过近些年的实际应用，结果表明，这种新型连接装置 具有结构简单、合理、易于制造、安装、维护等一系列优点【3 l 】，由于该技术未在 我国注册专利，故值得设计人员学习研究，进行推广。 由于托圈形状、结构复杂，很难用常规计算方法准确计算出不同部位的实际 应力值和变形大小。采用有限元软件对托圈进行计算是一种发展趋势，并且计算 时不但应考虑机械载荷的作用，同时还应考虑热载荷的影响。 1 2 课题的研究内容综述 ( 1 ) 确定转炉炉壳与托圈的最优连接方案； ( 2 ) 完成2 1 0 t 转炉托圈及其连接装置的详细设计图纸，建立数字模型； ( 3 ) 对重要零部件进行力分析和应力分析，得出结论； ( 4 ) 用有限元软件对托圈在机械负载和热负载作用下的几种典型工况进行 计算；归纳结果并与传统分析方法得到的结果进行分析比较；研究分析应力云图， 从而确定托圈的结构设计是否合理，进而确定托圈材质、改进托圈结构。 北京工业大学t 程硕十学位论文 第2 章数字模型 2 1 确定设计方案 2 1 1 托圈与耳轴连接形式 根据文献综述可知，托圈与耳轴的之间的连接形式在国内外大型转炉上都采 用焊接式，而中小转炉国内普遍采用耳轴块连接，由于本课题中的2 1 0 t 转炉属 大型转炉，故确定托圈与耳轴之间采取焊接式。 2 1 2 托圈的冷却方式 托圈的冷却方式一般有两种，一种是自然冷却，一种是循环水强制冷却。由 于托圈在自然冷却的条件下会产生很大的热应力，并且在高温条件由于材料的蠕 变行为导致托圈过早失效，所以目前国内外转炉大多采用强制水冷托圈。在本课 题中也同样采用强制水冷托圈。 2 1 3 托圈与炉体的连接装置 在文献综述中，我们共找到了常见的六种大型转炉托圈与炉体连接装置。下 文从四个角度对其进行分析比较，以确定设计最优方案。 2 1 3 1 可靠性 圆盘悬挂连接装置( v a i c o n d i s k ) ，它虽然有很多优点，但有一个主要 缺点，即受载集中，这对大吨位转炉来说更为严重，所以从使用可靠性角度来说 不宜选用这种连接装置。 其它几种连接装置经过多年的实践证明都是可靠的。由于有些超静定系统仅 允许炉壳对称变形，所以无法避免界面间隙，从而会发生许多故障。如不确定载 荷引起炉壳破裂，i 载荷从一个元件传递到另一元件时引起冲击载荷；固定元件松 动。这些都会成为使用中发生故障的潜在隐患。三点球铰支承连接装置从设计原 理上来说就是这样一种超静定结构。 2 1 3 2 先进性 从连接装置的结构原理来分析，可知，三点悬吊装置和三点球铰支承连接装 置虽然有不少优点，但在受热膨胀时，特别是不均匀膨胀时，会产生附加应力； 另外，三点球铰支承连接装置主要布置在炉体上部温度较高的部位，一者不利于 炉壳散热，二者会影响到挡渣罩的布置。所以从先进性角度来说不宜选用这两种 形式的连接装置。圆盘悬挂连接装置由于其连接装置安装在炉壳和托圈的间隙 第2 荦数早模型 中，所以，两耳轴轴承之间距离要比其它悬挂系统大得多。 其它几种连接装置根据其设计原理可知，在各种工况下，都能很好的满足使 用要求。 2 1 3 3 设计难易程度 薄带连接装置和柔性螺栓连接装置无论从设计原理及使用可靠性方面来说， 都是非常好的一种连接装置，考虑到悬挂点的数量以及每个悬挂点传递不仅一种 载荷，即正常载荷和弯曲或者扭转载荷，所以这两种连接装置是超静定结构，因 此在设计计算过程中难以进行理论计算，只能采用类比设计。三点球铰支承连接 装置从设计原理上也是一种超静定结构。超静定结构的优点在于旦其中某些承 载件失效，不会发生特别重大的事故。 其它几种连接装置属于静定结构，只有在静定系统下，炉壳和托圈之间相互 作用的载荷才能够确定，承受这些载荷的零件才可能做到正确设计，可以通过理 论计算验证其强度、刚度，从而为设计优化、设计完善提供理论依据，降低设计 的盲目性。 2 1 3 4 制造、维护难易程度 一般情况下，零部件越多、越复杂，制造成本越高；而零部件越多，安装、 维护的成本也越高；机构自身的复杂程度也决定了安装、维护的难易程度。 综合上文列出的指标，分析这六种连接装置，可知：薄带连接装置和柔性螺 栓连接装置由于其核心零部件都需要从国外引进