转炉托圈结构应力的有限元分析

  雷丽萍

  （太原城市职业技术学院，山西  太原  030027）

  摘要：采用ANSYS有限元软件对转炉托圈结构进行了分析。首先，利用三维CAD软件对转炉托圈进行建模；其次，构建了托圈有限元模型，在翻转60。工况下施加了约束和载荷；最后，基于ANSYS有限元分析平台，通过对托圈进行有限元分析，得到托圈的变形及应力分布图，为托圈的优化设计提供方法和依据。

  关键词：转炉托圈；有限元法；结构应力

  中图分类号：TP391.7：TF748.2    文献标识码：A

 0  引言

    转炉是用于吹炼钢的冶金炉，而转炉托圈是转炉非常关键的传动和承载部件，在实际工作中不仅要承受自重、炉体、炉壳，炉衬、钢液等静负荷，而且还承受操作过程所引起的冲击负荷和由于频繁启、制动所产生的动负荷，以及由于转炉炉体、承钢桶等的热辐射作用而引起的转炉托圈在轴向、径向和圆周方向的温度梯度而产生的热负荷。为了保证转炉的正常生产，转炉托圈必须具有足够的强度和刚度。

1  建立托圈的整体模型

    转炉托圈由托圈本体和托圈耳轴组成。托圈本体由外壳、筋板、排渣口、钢板、出水口、吊耳组成。托圈耳轴是在托圈的两侧各装一个耳轴，即传动侧耳轴和非传动侧耳轴，用于吊运托圈。托圈耳轴位置一般在托圈高度的中间部位，这样可使托圈在吊运、浇注过程中保持稳定。本文选择的托圈外壳材料是16Mn，内部钢板选择Q235，托圈耳轴为35钢。转炉托圈本体结构较为简单，但托圈耳轴的设计有一定的难度。为了增加耳轴传动能力，将耳轴与托圈本体连接处设计成实体柱体。传动侧耳轴的键槽是相互呈120。的切向键键槽，便于传动。在不影响后续结构分析的基础上，建模时对托圈进行简化处理：忽略轴端的倒角；忽略托圈上、下盖板圆角；内外腹板内部的8个孔距边缘留有一定尺寸余量；忽略进水孔以及焊缝处的影响，将焊缝处按同材质处理。托圈模型如图1所示。

2转炉托圈结构有限元分析

2.1  构建转炉托圈有限元模型

    将采用三维绘图软件Pro/E绘制的托圈三维模型以x-的格式导入到有限元分析软件ANSYS中。 经过简化之后的托圈模型并不复杂，这里单元类型定义为Solid 45，可以满足有限元分析要求。托圈的材 料为16Mn，各特性参数如下：弹性模量E=2×1011Pa，泊松比μ=0.3，屈服极限为345 MPa。选用E50的焊条，这种焊条的最小抗拉强度为500 MPa，因此在选用E50焊条的情况下，取接头处屈服极限和抗拉强度为345 MPa，

    采用三维实体Solid 45对实体模型进行单元划分，在设置“Smart Size”的数值时，值设置的不易过小，否则会在模型应力相对集中部位网格划分得非常细小，精度相应很高；而精度太高，会导致运算速度太慢，故数值设置适当就可，这里设置“Smart Size”的值为6。另外考虑到本体和钢板处有焊接，如按两个单元来划分会比较粗糙，对后面的分析会产生较大影响，因此将二者合并为一体，用一个单元来划分[1] 。在单元划分时把各个单元边的长度设置为0. 03 m，共得到112 389个单元和31 744个节点。得到有限元模型如图2所示。

  2.2施加约束

    考虑转炉托圈的实际工况，在转炉托圈的非传动侧耳轴上表面处采用完全约束，也就是对3个移动自由度和3个旋转自由度都进行约束，主要目的为模拟驱动力偶的作用。在传动侧耳轴一侧约束加在键槽的两个表面，大面加y约束，小面加Z约束，其目的也是模拟驱动力矩的作用。

  2.3施加载荷

    托圈所受外载荷来自炉体、托圈和钢水的自重。本工况是炉体倾动600，转炉自重160 000 kg，钢水重140 000 kg。转炉在装满钢水后，托圈除了受到钢水的重力作用，托圈还受到转炉炉体自重，而托圈的6个耳毂两两均匀分布在托圈下盖板，相邻两组耳毂间隔角度为1200，由于转炉是通过6个耳毂与托圈连接的，因此转炉炉体自重应该加在6个耳毂的根部内表面上，耳毂的矩形面积为0. 037 5m2，则托圈与耳毂接触面所受压力P1 =4 877 160 Pa，p2=p3 =7 361 427 Pa。施加完载荷的有限元模型[2] 如图3所示。

2.4  求解并查看结果

    有限元分析结果如图4～图6所示。由图4～图6可以看出，托圈最大应力为32.3 MPa，最小应力为67875 Pa，最大变形量为0.461 mm；最大应力发生在传动侧耳轴上键槽处，最大变形则发生在托圈前侧中间部位。

3结论

    以上分析反映了转炉托圈在翻转60。时的应力和变形情况，从图4中可以看出托圈所受最大应力为32.3 MPa，最大应力发生在传动侧耳轴上靠近吊耳的键槽处，而转炉托圈所用的材料是16Mn，属于塑性材料，其屈服强度极限Ó=345 MPa，当安全系数取1..5时，其许用应力托圈所受的最大应力远远小于许用应力，表明托圈的承载能力还是有一定的裕量，由此可见，这种结构的托圈，结构合理，能够较好地满足实际生产需求及安全生产条件。通过对转炉托圈翻转600工况下的有限元分析[3，得到托圈的变形及应力分布图，基本符合实际情况，为托圈的优化设计提供了方法和依据。

参考文献：

[1]刘武，基于万向联轴器的ANSYS有限元分析[J].轻工科技，2012(11)：54-55.

[2]王庆五，左防，胡仁喜．机械设计高级应用实例[M]．第2版．北京：机械工业出版社，2007．

[3]  陈精一．ANSYS工程分析实例教程[M]．北京：中国铁道出版社，2007.