转炉托圈及联接装置机械应力的三维非线性.doc

转炉托圈及联接装置机械应力的三维非线性有限元分析潘天成 潘紫微 包家汉 童靳于摘要 针对某钢厂3号转炉托圈水平联接座与下盖板焊接处产生的裂纹问题，建立整体装配模型，运用三维非线性有限元法，对托圈在焊接人孔和活动人孔两种情形下，不同倾动角度时，进行了机械应力分析，分析结果表明：两种情形下托圈整体机械应力分布大致相同，且应力水平相当；水平联接座与下盖板焊接处机械应力水平过高，这与国外某钢厂此处过早产生断裂损坏完全一致。 Mechanical Stress of Converter Loop and Linkage Analysis by 3D Non-linear Finite ElementPan Tiancheng Pan Ziwei Bao Jiahan Tong Jinyu(Mechanical Engineering College, Anhui University of Technology, Maanshan,Anhui, 243002)BSTRACT Aimed at the crack problem of place that the converter loop level base frame weld together with down cover plate in a factory, a whole assembly model is made, Under the loop with the welding manhole condition and with activist manhole condition, mechanical stress of loop is analyzed by 3-D non-linear finite element at different location. It is found that that the distribution of mechanical stress and the stress level are much the same in the two conditions; the mechanical stress at the place that the converter loop level of connection blocks weld together with down cover plate is higher, it is coincidence with the pre-mature destruction of foreign steel factory.KEYWORDS Converter loop Integral assembly Non-linear FEM Manhole Mechanical stress51 前言托圈在转炉支承系统中，是基本承载构件和基本传动构件1。转炉炉体与托圈的联接装置是转炉本体装置的关键设备之一。联接装置可以保证炉体牢固地连接在托圈上；同时允许炉体和托圈之间由于热膨胀所产生的相对位移2。某钢厂300T转炉托圈水平联接座与下盖板焊接处发现产生裂纹，为了保证安全生产，减少损失。因此有必要对托圈整体及联接装置的机械性能进行评估，找出薄弱环节，使日常检查的目标和范围更明确和集中。2 托圈结构及CON-LINK联接装置分析分析托圈图纸及现场观测可知，此300T转炉托圈是一个大型的、钢板焊接的复杂结构，托圈分四段在现场组装。主体是由上、下盖板和内外腹板、驱动侧和游动侧耳轴、耳轴块焊接而成的箱体结构。托圈箱体内部焊接有立筋板、横隔板（如图1所示）。托圈的联接装置采用VAI的CON-LINK联接方式，该装置是由三组竖直方向的铰形联接和二组水平方向的铰形联接以及出钢侧的水平托板组成。三组竖直方向铰形联接用于悬挂炉壳，主要承受垂直于托圈面的载荷；两组水平方向铰形联接由于限制炉壳扭转，主要承受平行于托圈面的载荷45。由于托圈及联接装置的三维整体结构复杂，运用线性有限元方法单独分析托圈很难得到合理的结果，为考虑真实的整体装配三维空间结构和受力情况，进行合理的应力和变形分析，需对托圈及联接装置整体装配模型进行三维非线性有限元分析。图1 托圈整体三维实体模型 Fig.1: The overall three-dimensional solid model of loop3 托圈及联接装置整体装配模型的建立用三维CAD软件建立托圈及联接装置的整体装配三维几何模型。采用8节点的三维实体单元进行网格划分。本文在进行机械应力计算时，为了得到不同形式的人孔对托圈整体机械性能的影响，分别对焊接人孔和活动人孔（是指在托圈人孔处焊接人孔座，人孔盖与人孔座通过螺栓联接的人孔。）两种情况均进行了分析，模型如图2和3所示。对托圈网格细分，对炉体网格相对粗分3，对CON-LINK装置球铰连接处采用六面体网格划分，且保证接触面处节点重合。对若干应力可能集中的危险区域进行网格细化，对关键结构采用手动网格划分。图2 焊接人孔时托圈及炉体网格划分Fig.2: Gridding of loop and converter body when welding manhole图3 活动人孔网格划分Fig.3: Gridding of activist manhole4 托圈及联接装置机械应力分析对建立的托圈及联接装置整体装配非线性有限元模型，在评估转炉托圈的强度时，选取新炉倾动角度分别为0、54、70、90和96五个不同位置进行分析。其中54为产生最大倾动力矩时倾动角度，70为出钢开始角度，96为出钢结束角度。4.1 焊接人孔情形下托圈机械应力分析表1列出了在不同倾动角度时，托圈整体及联接装置的最大米塞斯等效应力。由表1可知：(1) 托圈整体米塞斯等效应力最大值出现在倾动角度为90度时，位于驱动端托圈水平联接座与下盖板焊接处（图4），最大值为210.3Mpa。出现最大机械应力处下盖板的材料为Z向钢板，其脉动疲劳极限为=281.6MPa，托圈整体和下盖板安全系数为1.34。由于此处为结构焊缝处，故若焊缝质量不高，易产生裂纹；(2) 托圈水平联接座最大米塞斯等效应力出现在倾动角度为90度时，最大值为213.2MPa，位于水平联接座上端尖角处（图5）。此时炉体、盛钢及其他重量主要由两个水平联接座承受，又此处有较大的应力集中，故此处机械应力最大。由表2.2可知，托圈水平联接座的材料为GS20Mn5,其脉动疲劳极限为=306.2MPa，水平联接座安全系数1.44；(3) 托圈下盖板、联接板等其他部位此时机械应力水平均较低，安全裕度较大。4.2 活动人孔情形下托圈机械应力分析表2列出了在不同倾动角度时，托圈整体及联接装置的最大米塞斯等效应力。由表2可知：(1) 托圈人孔处机械应力水平很低，人孔座处最大米塞斯等效应力只有88.1MPa。所以，开设活动人孔，对托圈整体机械应力影响不大；(2) 托圈整体米塞斯等效应力最大值出现在倾动角度为90度时，位于驱动端托圈水平联接座与下盖板焊接处（图6）。最大值为225.5MPa。与焊接人孔相比，强度略有下降。托圈出现最大应力处下盖板的材料为Z向钢板，其脉动疲劳极限为=281.6MPa托圈整体和下盖板安全系数为1.25。(3) 托圈水平联接座最大米塞斯等效应力出现在倾动角度为90度时，最大值为225.5MPa，位于水平联接座上端尖角处（图7）。由表2.2可知，托圈水平联接座的材料为GS20Mn5,其脉动疲劳极限为=306.2MPa，故其安全系数为1.36。表1 各倾动角度托圈整体及联接装置最大米塞斯等效应力 /MPa倾动角度应力名称054709096托圈整体128.2164.1199.2210.3169.7下盖板101.9157.3182.6188.4151.1托圈水平联接座67.1164.1201.1213.2172.2竖直联接板127.71088753.249.9水平联接板90.3138.4144.6183.3145.1内部筋板87.930.624.328.829.5表2 各倾动角度托圈及联接装置最大米塞斯等效应力 /MPa倾动角度应力名称054709096托圈整体119.5183.8218.3225.5181.4人孔座77.388.181.46247.4托圈水平联接座74.2183.8218.3225.5181.4竖直联接板126.610786.25450.5水平联接板88.7137.1145183.2145.1内部筋板97.159.551.44434.4下盖板86.9141.2166.4170.1137.4 图4 焊接人孔90度时托圈整体米塞斯等效应力 Fig.4: The Mises equivalent stress of loopwhen welding manhole at 90 degrees 图5 焊接人孔90度时托圈驱动端水平联接座米塞斯等效应力Fig.5: The Mises equivalent stress of loop at the driver-side level of connection blockswhen welding manhole at 90 degrees 图6 活动人孔90度时托圈整体米塞斯等效应力Fig.4: The Mises equivalent stress of loopwhen activist manhole at 90 degrees图7 活动人孔90度时托圈驱动端水平联接座米塞斯等效应力Fig.5: The Mises equivalent stress of loop at the driver-side level of connection blockswhen activist manhole at 90 degrees5 结论（1）与焊接人孔时机械应力比较，活动人孔情形时托圈整体机械应力分布与无人孔时大致相同，且应力水平相当；（2）在活动人孔情形下，就机械应力而言，除水平联接座处外，其它部位均有较大的安全裕度。托圈整体驱动端水平联接座处安全系数最低，为1.25，小于焊接人孔情形时的1.34。托圈开设活动人孔时强度足够，但比焊接人孔时的强度略有降低；（3）最大应力位于托圈水平联接座与下盖板结构焊缝处，由于焊缝质量的影响，且此处有较大的应力集中，国外某钢厂已发现此处过早产生断裂损坏现象。因此，在日常检查时，此处应引起重视。参考文献：1罗振才.炼钢机械M.北京：冶金工业出版社，19892张文，盛汉桥.马钢300T转炉设备的技术进步和特点J. 第4届中国金属学会青年学术年会论文集，2008：440-4463王贤慧，朱立江，潘紫微，包家汉.转炉托圈裂纹的研究与修复改造J.第4届中国金属学会青年学术年会论文集，2008：431-4344Eysn M.,Staudinger G.:VAI-CON Link Suspension System for LD/BOF ConvertersJ.AIS