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天津钢管公司转炉托圈仿真分析与改造


 
    天津钢管公司转炉托圈是转炉的重要承载和传动部件,在工作过程中托圈除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷、冲击载荷和传递倾动力矩外,还承受频繁的启、制动产生的惯性负荷,以及来自炉体、钢水罐、烟罩及喷溅物的热辐射。武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂三分厂(以下简称武钢三炼钢)从德国德马克公司引进2套250t转炉,炉体与托圈采用柔性螺栓连接方式,自1996年6月投产以来,柔性螺栓连接方式的转炉显示出了运行平稳的良好特点,然而,由于原设计的托圈比较单薄,且转炉经常超负荷运转,1号转炉托圈于2005年5月第一次出现裂纹漏水,此后托圈外腹板上水配管及氩气配管耳孔多次出现裂纹,导致托圈漏水事故频发,影响了转炉正常生产,经多次原位焊接维护未见效果。因此2010年6月正式委托中冶南方工程技术有限公司及武汉科技大学对此问题进行分析,并提出改造方案。
 
本文通过天津钢管公司大型有限元分析软件ANSYS对转炉托圈受力进行了仿真计算,得到了托圈整体应力分布,并根据分析结果对托圈实施了合理的修复性改造。
 
1、转炉托圈装置
 
转炉主要由转炉炉体、托圈、悬挂装置、轴承装配等组成,托圈起支撑作用,图1圈出部位为裂纹部位。在倾动机构作用下,托圈带动转炉本体可完成360°旋转。武钢三炼钢转炉悬挂采用柔性螺栓联接方式,分为水平和垂直柔性螺栓,共20束相对耳轴对称分布于炉体出钢侧和出渣侧。为叙述方便,作如下约定:转炉垂直,托圈水平,称之为0°位置;炉体水平,出钢口朝下,托圈垂直,称之为-90°位置。
 
  转炉托圈是转炉的重要承载和传动部件,在工作过程中托圈除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷、冲击载荷和传递倾动力矩外,还承受频繁的启、制动产生的惯性负荷,以及来自炉体、钢水罐、烟罩及喷溅物的热辐射。武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂三分厂(以下简称武钢三炼钢)从德国德马克公司引进2套250t转炉,炉体与托圈采用柔性螺栓连接方式,自1996年6月投产以来,柔性螺栓连接方式的转炉显示出了运行平稳的良好特点,然而,由于原设计的托圈比较单薄,且转炉经常超负荷运转,1号转炉托圈于2005年5月第一次出现裂纹漏水,此后托圈外腹板上水配管及氩气配管耳孔多次出现裂纹,导致托圈漏水事故频发,影响了转炉正常生产,经多次原位焊接维护未见效果。因此2010年6月正式委托中冶南方工程技术有限公司及武汉科技大学对此问题进行分析,并提出改造方案。
  
  本文通过大型有限元分析软件ANSYS对转炉托圈受力进行了仿真计算,得到了托圈整体应力分布,并根据分析结果对托圈实施了合理的修复性改造。
  
  1、转炉托圈装置
  
 天津钢管公司 转炉主要由转炉炉体、托圈、悬挂装置、轴承装配等组成,托圈起支撑作用,图1圈出部位为裂纹部位。在倾动机构作用下,托圈带动转炉本体可完成360°旋转。武钢三炼钢转炉悬挂采用柔性螺栓联接方式,分为水平和垂直柔性螺栓,共20束相对耳轴对称分布于炉体出钢侧和出渣侧。为叙述方便,作如下约定:转炉垂直,托圈水平,称之为0°位置;炉体水平,出钢口朝下,托圈垂直,称之为-90°位置。
  
  转炉托圈是转炉的重要承载和传动部件,在工作过程中托圈除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷、冲击载荷和传递倾动力矩外,还承受频繁的启、制动产生的惯性负荷,以及来自炉体、钢水罐、烟罩及喷溅物的热辐射。武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂三分厂(以下简称武钢三炼钢)从德国德马克公司引进2套250t转炉,炉体与托圈采用柔性螺栓连接方式,自1996年6月投产以来,柔性螺栓连接方式的转炉显示出了运行平稳的良好特点,然而,由于原设计的托圈比较单薄,且转炉经常超负荷运转,1号转炉托圈于2005年5月第一次出现裂纹漏水,此后托圈外腹板上水配管及氩气配管耳孔多次出现裂纹,导致托圈漏水事故频发,影响了转炉正常生产,经多次原位焊接维护未见效果。因此2010年6月正式委托中冶南方工程技术有限公司及武汉科技大学对此问题进行分析,并提出改造方案。
  
  本文通过大型有限元分析软件ANSYS对转炉托圈受力进行了仿真计算,得到了托圈整体应力分布,并根据分析结果对托圈实施了合理的修复性改造。
  
  1、转炉托圈装置
  
  转炉主要由转炉炉体、托圈、悬挂装置、轴承装配等组成,托圈起支撑作用,图1圈出部位为裂纹部位。在倾动机构作用下,托圈带动转炉本体可完成360°旋转。武钢三炼钢转炉悬挂采用柔性螺栓联接方式,分为水平和垂直柔性螺栓,共20束相对耳轴对称分布于炉体出钢侧和出渣侧。为叙述方便,作如下约定:转炉垂直,托圈水平,称之为0°位置;炉体水平,出钢口朝下,托圈垂直,称之为-90°位置。
  
  转炉托圈是转炉的重要承载和传动部件,在工作过程中托圈除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷、冲击载荷和传递倾动力矩外,还承受频繁的启、制动产生的惯性负荷,以及来自炉体、钢水罐、烟罩及喷溅物的热辐射。武汉钢铁股份有限公司炼钢总厂三分厂(以下简称武钢三炼钢)从德国德马克公司引进2套250t转炉,炉体与托圈采用柔性螺栓连接方式,自1996年6月投产以来,柔性螺栓连接方式的转炉显示出了运行平稳的良好特点,然而,由于原设计的托圈比较单薄,且转炉经常超负荷运转,1号转炉托圈于2005年5月第一次出现裂纹漏水,此后托圈外腹板上水配管及氩气配管耳孔多次出现裂纹,导致托圈漏水事故频发,影响了转炉正常生产,经多次原位焊接维护未见效果。因此2010年6月正式委托中冶南方工程技术有限公司及武汉科技大学对此问题进行分析,并提出改造方案。
  
  本文通过天津钢管集团股份有限公司大型有限元分析软件ANSYS对转炉托圈受力进行了仿真计算,得到了托圈整体应力分布,并根据分析结果对托圈实施了合理的修复性改造。
  
  1、转炉托圈装置
  
  转炉主要由转炉炉体、托圈、悬挂装置、轴承装配等组成,托圈起支撑作用,图1圈出部位为裂纹部位。在倾动机构作用下,托圈带动转炉本体可完成360°旋转。武钢三炼钢转炉悬挂采用柔性螺栓联接方式,分为水平和垂直柔性螺栓,共20束相对耳轴对称分布于炉体出钢侧和出渣侧。为叙述方便,作如下约定:转炉垂直,托圈水平,称之为0°位置;炉体水平,出钢口朝下,托圈垂直,称之为-90°位置。
  

1:转炉三维模型

  

  

  图

  
  2、转炉托圈热力耦合分析
  
  2.1、转炉托圈热力耦合分析模型
  
  使用目前主流的三维CAD设计软件建立托圈三维CAD模型,由于悬挂装置作用于托圈上的载荷不好处理,因此建立转炉系统整体模型。在有限元模型的建立过程中,所有零件均采用实体单元进行划分。先进行热分析,将热分析结果作为载荷施加在结构分析的模型。
  
  2.2、托圈材料的机械性能
  
  托圈所用的材料及材料物理性能参数见表1。
  
  表1:托圈所用材料机械性能参数
  材料号
  板厚/mm
  部位
  抗拉强度/MPa
  屈服强度/MPa
  250℃屈服强度/MPa
  WSt E355
  65
  托圈
  450~580
  285
  186
  100~125
  上下
  460~600
  305
  206
  85~100
  盖板
  470~610
  315
  216
  70~85
  及腹
  480~620
  325
  226
  50~70
  板
  490~630
  335
  235
  SEW550
  -
  耳轴体
  700~900
  560
  450
  
  2.3、转炉托圈热分析
  
  因转炉吹炼占整个转炉生产周期80%以上,出钢、出渣时间较短,忽略炉下钢水及渣对炉壳的辐射热,将转炉传热过程简化为吹炼时稳态传热过程。炉底内衬与钢水接触,锥形段及托圈内壁与冷却水接触,为已知温度壁面,适用传热学第一类边界,直接在接触面上设定温度;其他部位与空气对流换热(对流系数hc)同时向周围介质辐射热量,将辐射换热折算成对流换热(折算成对流系数hl)进行计算,此部分适用传热学第三类边界条件,对流系数为复合对流系数(hc+hl)。
  
  2.4、转炉托圈热结构耦合分析
  
  结构分析的约束为:1)在长耳轴轴承支承处,施加3个平动方向的约束;2)在短耳轴(游动端耳轴)轴承支承处,施加耳轴径向方向的约束。
  
  结构分析时转炉系统的载荷如下:1)转炉本体的重力,通过施加重力加速度由软件自动计算;2)不同倾动角度下,炉内钢水重力(装入量为300t),将其转化为静水压力施加;3)托圈内冷却水的水压,直接在托圈内表面施加水压;4)倾动机构的自重载荷,在长耳轴端倾动机构安装处施加其重力;5)温度载荷,ANSYS会自动获取热分析中各点温度值;6)柔性螺栓的预紧力,采用ANSYS的预紧单元通过预紧—锁定2步施加;7)吹炼时的喷吹力,0°位置时将其与钢液静水压力叠加后施加到模型上。
  
  以转炉倾角10°为间隔进行结构分析。三炼钢转炉倾动力矩最大大约在出钢侧-60°位置,且炉壳、托圈及悬挂装置基本相对耳轴对称(与其他转炉通常用的悬挂方式不同),因此仅对0°~-90°进行仿真分析。0°~-90°时,托圈各部位最大应力见表2。
  
  表2:不同倾动角度下托圈各部位最大应力值
  倾动角度
  托圈部位应力/MPa
  上盖板
  下盖板
  内腹板
  外腹板
  耳孔根部
  0°
  148
  154
  140
  164
  164
  -10°
  149
  155
  141
  164
  164
  -20°
  149
  155
  141
  162
  162
  -30°
  147
  154
  140
  157
  157
  -40°
  143
  152
  139
  151
  151
  -50°
  139
  150
  138
  144
  144
  -60°
  133
  151
  137
  135
  135
  -70°
  126
  151
  135
  125
  125
  -80°
  116
  146
  130
  112
  112
  -90°
  108
  142
  127
  102
  102
  0°吹炼
  151
  156
  142
  169
  169
  
  0°喷吹时,托圈整体及各主要部件的热应力分布情况如图2。分析结果表明,倾动角为0°,且氧枪喷吹时,托圈应力出现峰值。最大应力出现在氩气与水配管出管耳孔根部,最大应力为169MPa,且此值在不同倾角下应力变化范围较大,其附近区域为应力集中区域。理论的分析结果显示最大应力均在材料屈服极限内(安全系数约1.7),但以上分析未考虑转炉频繁启、制动的惯性载荷。由图2c可见,托圈上盖板靠近耳轴的两侧区域应力值较小(区域1、2),且较为均匀。
  
  
2:0°喷吹托圈各部位应力分布

 

  

  图

  
  3、转炉托圈的改造
  
  通过以上分析发现,转炉托圈4处耳孔根部(图2b中1、2、3、4位置)及附近区域为应力集中区域,应力幅值较大,且与现场实际开裂位置相符,因此并不适合在此布置4处耳孔。改造的重点便是将底吹气体及锥形段水冷配管改道,重新寻找适合配管出管的位置及新的配管方式。
  
  3.1、外方设计转炉介质管道配置
  
  图3为外方设计转炉介质配管。介质主要为底吹气体及托圈和锥形段冷却水。
  
  
3:外方设计锥形段水配管及底吹气体配管

 

  

  图

  
  底吹气体从转炉非传动侧耳轴旋转接头端导入,从托圈腹板上耳孔1、2引出,再沿炉壳引至炉底。此段底吹气体配管由底吹气体分配器和底吹气体管2段组成,底吹气体分配器一端由法兰固定在耳轴上,一端由闷盖1靠机械配合固定。从底吹气体分配器末端两侧各出8根底吹气体支管,通过耳孔1、2出托圈。16根底吹气体配管外有底吹气体套管(套管1)将底吹气体管与冷却水隔绝。
  
  转炉冷却由传动侧耳轴旋转接头导入、导出,分锥形段及托圈本体冷却2个回路。锥形段部分水配管由过渡接头、水套管(套管2)及水分配器组成的整体通过自身法兰和闷盖2安装在传动侧耳轴上。其中锥形段进、回水,托圈进水接口在水分配器的圆柱面上,托圈回水通过水套管与耳轴间的间隙,由套管法兰上的开孔回到水旋转接头。锥形段进、回水管直接插入水分配器接口内,并通过法兰固定在耳孔上。
  
  3.2、水气套方式介质管道配置
  
  图4为中冶南方工程技术有限公司设计大型转炉介质管道最为常用的水气套配置方式。底吹气体与冷却水从非传动侧旋转接头引入,经水气套分配,底吹气体(图中为氩气)从水气套下侧出管引至炉底,冷却水(托圈进水、炉口进水)从水气套上侧出管引至托圈及锥形段。冷却水经托圈和锥形段至传动侧后汇总到传动侧耳轴,由左侧水旋转接头引出。
  
  
4:水气套方式介质管道配置

 

  

  图

  
  此种配置方式对于大型转炉与外方设计相比具备如下优点:1)采用水气套分配介质,托圈内部无管路,施工、检修方便;2)介质配管进出均布置在托圈上下盖板,避开图2b中4个应力集中区域;3)水气套配置方式因介质管道均在显眼位置,易于发现隐患,且流程更短,故障点少,更安全。
  
  3.3、改造方案设计与实施
  
  通过分析确定去除图2b中4个应力集中的耳孔,并以同材质钢板进行补强,借鉴水气套介质配置方式将介质管道改道,改为从托圈上下盖板出管。对于冷却水及底吹气体进入方式,考虑到改造周期、费用以及现有设备等实际情况,暂不考虑改成水气套方式。
  
  外方设计中从底吹气体分配器出来到炉底的底吹气体管数量较多,共16根。由于托圈内部空间有限,且托圈上不再适合开过大的耳孔供如此多的管子出入,因此考虑底吹气体配管从托圈与炉壳间出管。经现场测量,炉壳与托圈之间间隙仅为200mm,从此间隙引出16根DN25的钢管须对底吹气体分配器进行合理设计。分配器右端须与原底吹气体旋转接头相配(图6,B向),左端须适应200mm间隙的局限。因此须对托圈耳轴中底吹气体分配器进行了重新设计。
  
  相比底吹气体配管,水冷配管从水分配器至托圈的管子一边只有一根,且通径为DN80,不可能像底吹气体配管一样从托圈与炉壳间隙引出,因此水冷配管的改造重点在于在托圈上找到不影响托圈强度的合理开孔部位。通过上文有限元分析确定在上盖板离耳轴较近的区域(如图2c中1、2区域),出管方式如图5。
  
  
5:改造设计锥形段水配管及底吹气体配管

 

  

  图

  
6:底吹气分配器

 

  

  图

  
  综上所述,确定如下总体改造方案:底吹气体配管方面,进气部分不变,出管沿非传动侧耳轴内孔出来后,从托圈与炉壳间沿托圈下至炉底;水冷配管方面,进水部分不变,托圈冷却水配管不变,锥形段水配管从水分配器出后,沿托圈内部间隙走至托圈上盖板,从上盖板出入,见图5。原底吹气体及冷却水配管耳孔切除后,采用与托圈外腹板相同材料,开坡口补焊。值得注意的是为安装底吹气体分配器及管道,右侧炉壳正对耳轴部分炉壳开了直径约1.4m的孔,改造完后恢复。
  
  该项改造于2010年12月份实施完成,改造历时仅21天(托圈整体更换需90天),至今设备已运行29个月,再无漏水事故发生。
  
  4、结论
  
  1)建立了天津钢管集团股份有限公司大型转炉托圈三维数字化模型,通过有限元对其进行了热力耦合分析,得到了托圈工作状态下整体应力分布,并由此确定了托圈上配管耳孔重新开孔位置。
  
2)对托圈局部进行了修复性改造,对水冷配管及底吹气配管进行了重新配置。改造后至今运行29

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