烧结矿冷却炉炉体结构优化分析.pdf

第 48 卷 2020 年第 12 期 通 用 编 辑 张 发 展 62 设备进行优化设计。 参 考 文 献 [1] 赵忠辉，王阳阳.机械化采制样现状与发展趋势分析 [J].煤 炭工程，2018，507124-128. [2] 王国强，郝万军，王继新.离散单元法及其在 EDEM 上的实 践 [M].西安西北工业大学出版社，20101-34. [3] 毛 君，刘歆妍，陈洪月，等.基于 EDEM 的采煤机滚筒工 作性能的仿真研究 [J].煤炭学报，2017，4241069-1077. [4] 包建华，王阳阳，张 悦.基于离散元的双滚筒采煤机截割 过程仿真分析 [J].煤矿机械，2018，39760-62. [5] 徐 婵，王义亮，谢嘉成，等.离散元方法在滚筒采煤机装 煤仿真中的应用 [J].计算机辅助工程，2017，26170-74. [6] 曲 芳，沈 斌，赵丽坤.基于 EDEM 的井下挖掘装载一体 机主车体设计研究 [J].工业仪表与自动化装置，20164 13-17. [7] 王阳阳.基于离散元的旋转缩分器仿真方法研究 [J].煤矿机 械，2015，361180-81. [8] 沈宏明.基于 EDEM 的煤炭采制样初采器仿真模拟与分析 [J].煤质技术，2015228-30. [9] 倪文婧.输煤输送带端部初级采样器颗粒系统仿真研究 [J]. 煤质技术，2019437-40. [10] 倪文婧.基于离散元技术的输送带端部采样器设计参数优化 [J].洁净煤技术，2019，254158-164. [11] 吕 英.兰姆西煤炭采样机简介 [J].露天采煤技术，1993 3 33-33. [12] 郑雪纬.国内部分港口铁矿石采样工艺及设备现状综述 [J]. 港工技术，200839-12. □ 收稿日期2020-08-12 修订日期2020-09-17  基金项目国家重点研发计划项目“刚柔耦合液压重载机械臂 设计与建模研究”2017YFB1302101 作者简介张 将，男，1989 年生，硕士，工程师，主要从事 CAE 仿真分析研究工作。 烧结矿冷却炉炉体结构优化分析 张 将1,2，郝世麒2，刘 洋1,2，白雪岑1,2 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要基于有限元分析方法，针对某型烧结矿冷却炉炉体结构进行优化分析。通过多种方案的有限 元仿真，得到了相应冷却炉炉体的位移、Mises 应力分布，经强度校核与对比分析后，得出最合理的 设计方案，加快了设计周期。烧结矿冷却炉炉体结构的分析方法可为大型炉体结构的优化设计提供 参考。 关键词冷却炉；优化分析；变形；Mises 应力 中图分类号TD464 文献标志码A 文章编号1001-3954202012-0062-06 Optimization analysis on structure of sinter cooling furnace shell ZHANG Jiang1,2, HAO Shiqi2, LIU Yang1,2, BAI Xuecen1,2 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractBased on the finite element analysis , the structure of a sinter cooling furnace shell was optimized. By means of the finite element simulation according to various schemes, the corresponding deation and Mises stress distribution of the cooling furnace shell were obtained. After strength checking and comparative analysis, the most reasonable design scheme was identified, thus the design cycle shortened. The analysis for the structure of the sinter cooling furnace shell offered reference for the structural optimization design of the large furnace shell. Key Wordscooling furnace; optimization analysis; deation; Mises stress 钢 铁作为我国重要的支柱产业，已经发展成为 世界最重要的产业之一，然而钢铁的生产过程 中会伴随着高能耗的问题[1]，为了改变这一现状，很 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 通 用 编 辑 张 发 展 63 多企业已经在烧结工艺中广泛采用了烧结矿余热回收 技术[2]，起到了降本增效的效果。 当前，国内外学者就烧结矿余热回收的技术研究 做了较多的工作。张小辉等人采用多孔介质模型，建 立局部非热力学平衡的能量方程，通过烧结矿冷却过 程的数学模拟仿真，得到了环冷机余热利用量最优的 参数组合，并进行了试验验证[3]；董辉等人探索了烧 结矿余热竖罐式回收利用工艺流程，经其研究发现竖 罐式结构是一条烧结余热资源高效回收与利用的新途 径，可实现烧结矿余热的高效回收，同时，其载热介 质品质较高，有利于后续的余热利用[4]；陈士柏等人 研究了百公斤级烧结余热冷却炉的结构和操作参数优 化，利用正交分析法确定其适宜的结构参数和操作参 数组合[5]；李明明等人叙述了竖罐式烧结余热回收的 工艺流程和工作原理，通过借鉴高炉和 CDQ 技术， 设计并优化了竖罐的结构形式，为余热回收系统的研 究与开发奠定了基础[6]；付俊鹏等人通过建立竖炉散 料气固换热模型，研究了在固定换热设备的前提下， 空气入口温度、吨矿风量、烧结矿出口温度、烧结矿 入口温度对空气出口温度等的影响，并经对比计算数 据与实际生产数据，验证了换热模型合理性[7]。 以上学者已经在烧结矿余热回收的工艺与操作参 数优化、气固换热模型等方面做了大量的研究，而针 对冷却炉结构设计优化方面的研究较少。因此，笔者 结合中信重工机械股份有限公司烧结矿冷却炉炉体的 结构进行了设计优化研究。该炉体结构尺寸远大于以 往结构尺寸，设计经验少。为了提高结构的优化设计 效率，减短设计周期，笔者采用了全片体建模、2D 网格单元的有限元分析方法，通过编辑已分组的片体 单元的厚度进行多方案计算，有效地提高了计算效 率，同时也显著速缩短了结构设计周期，该分析计算 方法可为大型炉体结构的初步设计提供参考。 1 结构设计方案 烧结矿冷却炉炉体的结构模型如图 1 所示，冷却 炉炉体外径为 15 m，高为 16 m，烧结矿最大容纳量 为 1 400 t。冷却炉炉体主要是由多种规格尺寸的板材 卷曲、焊接而成，根据所使用板材的厚度将炉体分为 5 部分。 炉体的主要承载1 炉顶板承受浇注料与钢钉 的重力；2 耐材支撑板承受耐材的质量；3 炉壁板 承受烧结矿的侧向压力；4 炉底法兰板承受整体结 构、耐材、浇注料与钢钉的总重力。在炉体结构设计 中，由于炉顶板和炉壁板的质量占炉体总质量的比例 最大，对结构承载能力的影响也最大，因此，其板厚 值的选取尤为关键。笔者主要针对炉顶板厚和炉壁板 厚进行了 5 种方案的对比优化分析，以保证结构设计 的合理性。各方案板厚参数如表 1 所列。 2 有限元分析 2.1 有限元模型建立 在对比优化分析过程中，炉体的焊接板材具有 长、宽尺寸远比厚度大的特征，同时炉体整体尺寸较 大，采用实体模型计算会因单元划分困难、单元节点 过多导致难以计算、计算量过大的现象，而单元划分 较少会引起计算精度低的问题。为了有效地解决这些 问题，笔者采用了全片体建模、2D 网格单元的有限 元分析方法，可通过编辑已分组的片体单元的厚度快 速进行多方案计算，有效地提高了计算效率，同时也 显著缩短了结构设计周期。建立的三维模型如图 1 所 示，对应炉体的材料属性如表 2 所列。 1. 肋板 2. 炉顶板 3. 耐磨支撑板 4. 炉壁板 5. 炉底法兰板 图 1 烧结矿冷却炉炉体结构模型 Fig. 1 Model of shell of sintercooling furnace 名称 炉顶板厚 炉壁板厚 耐材支撑板厚 炉底法兰板厚 肋板厚 方案 1 6 16 方案 2 10 16 方案 3 15 16 25 36 8 方案 4 15 8 方案 5 15 12 表 1 方案参数 Tab. 1 Parameters of various schemes mm 表 2 材料属性 Tab. 2 Material properties 构件 炉体 材料 钢 弹性模量/GPa 210 泊松比 0.3 密度/kgm-3 7.85 屈服强度/MPa 230 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 通 用 编 辑 张 发 展 64 在研究过程中，为了保证计算精度，将炉体模 型采用三角形六节点单元进行网格划分，单元总数 为 2 666 001，节点总数为 4 307 820。网格划分如图 2 所示。 2.2 假设条件 研究烧结矿冷却炉炉体结构优化分析过程中，在 不影响整体计算精度的情况下，笔者做了如下假设将 模型进行简化。 1 假设耐材重力均匀施加于环形托砖板上； 2 考虑重力影响，g 取值为 9.85 N/kg； 3 假设各部件均为各向同性材料； 4 忽略焊接产生的应力对炉体结构的影响； 5 假设烧结矿对炉体的侧压力均匀； 6 忽略炉体表面温度对炉体结构的影响； 7 忽略炉底法兰板处螺栓预紧力对炉体结构的 影响。 2.3 约束及载荷条件 在对炉体进行 5 种方案的结构优化对比分析过 程中，烧结矿冷却炉炉体的约束及载荷分布如图 3 所 示。在炉体与地基螺栓把合面施加固定约束。其载荷 条件为 1 炉顶板承受浇筑料及钢钉总重力为 1 100 kN； 2 耐材支撑板承受耐材重力为 17 000 kN； 3 炉体承受 13 000 kN 烧结矿的侧压力 冷却炉 内烧结矿最大分布高度为 4.5 m； 4 考虑整体炉体所受重力。 3 结果分析 3.1 弹性位移 针对炉体的炉顶板厚及炉壁板厚进行了 5 种方案 的有限元计算，各方案的冷却炉炉体弹性位移分布如 图 4 所示。 图 3 约束及载荷分布 Fig. 3 Constraints and load distribution a 方案 1 图 2 网格划分 Fig. 2 Mesh division 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 通 用 编 辑 张 发 展 65 经过对 5 种方案计算后的弹性位移进行分析可 知冷却炉炉体的弹性位移最大的位置均位于靠近热 风出口侧的炉顶板处；5 种方案对应的最大弹性位移 分别为 144.14、38.49 、17.00、18.55、17.55 mm。可 见方案 1 对应的炉体弹性位移最大，该位移极大程度 上会影响到设备的正常使用，甚至会存在安全性问 题。因此，方案 1 不具有可行性；方案 2、3、4、5 经对比分析可知，后 3 种方案对应的最大位移约为方 案 2 位移的 1/2，具有更高的可靠性。 3.2 应力分析 将冷却炉炉体的 5 种设计方案进行有限元计算， 得到其对应的 Mises 应力分布，如图 5 所示。 b 方案 2 c 方案 3 d 方案 4 e 方案 5 图 4 炉体 5 种方案的位移分布 Fig. 4 Deation distribution of furnace shell in five schemes 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 通 用 编 辑 张 发 展 66 由图 5 可知，冷却炉炉体 Mises 应力分布较大的 位置有 3 处，分别为炉顶板、耐材支撑板及炉壁下侧 窗口。5 种方案对应的炉顶板最大 Mises 应力值分别为 474、182、85、109、86 MPa；5 种方案对应的耐材支 撑板最大 Mises 应力值分别为 80、76、70、262、120 MPa；5 种方案对应的炉壁下侧板最大 Mises 应力值分 别为 160、140、120、240、207 MPa。方案 1 中炉顶板 的最大 Mises 应力值 474 MPa 已远超使用材料的屈服 极限值 235 MPa，该位置会发生塑性变形，因此方案 1 不满足设备使用要求；方案 4 中耐材支撑板和炉壁下 侧板的最大 Mises 应力值分别为 262、240 MPa，大于 使用材料的屈服极限值 235 MPa，因此方案 4 也不满 足设备正常使用要求。 3.3 强度校核 在对 5 种设计方案对应的冷却炉炉体进行弹性变 b 方案 2 c 方案 3 d 方案 4 a 方案 1 万方数据 第 48 卷 2020 年第 12 期 通 用 编 辑 张 发 展 67 形、Mises 应力强度计算分析后，分别对各设计方案 的炉体结构强度进行校核，校核参数及结果如表 3 所 列。由表 3 可知，方案 1、4 不能够满足设备设计要 求；方案 2、3、5 的安全系数均大于 1，均能满足设 计要求。由于结构优化分析时忽略了炉壁温度对计算 的影响，因此在实际工程中，随着耐火材料磨损量的 增加，炉体外表面的温度会有所升高，会影响到设备 的承载能力，为此笔者采用了方案 3 安全系数接近 2 作为最终的设计方案。 按照方案 3 设计的炉体已连续正常运行多年，未 出现机械故障。经实践检验，表明该设计方案及计算 方法具有一定的准确性。 4 结语 基于有限元分析方法，针对烧结矿冷却炉炉体 结构进行优化分析。通过多方案的有限元仿真分析， 得到了对应的冷却炉炉体的变形、Mises 应力分布， e 方案 5 图 5 炉体 5 种方案的 Mises 应力分布 Fig. 5 Mises distribution of furnace shell in five schemes 方案 方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 方案 5 最大应力/MPa 474 182 120 240 207 屈服强度 σs/MPa ≥235 ≥235 ≥235 ≥235 ≥235 安全系数 0.5 1.29 1.96 0.98 1.14 是否满足 否 是 是 否 是 表 3 炉体 5 种方案强度校核 Tab. 3 Strength checking of furnace shell in five schemes 经强度校核与对比分析后，得出了最为合理的设计方 案。至目前为止，由方案 3 设计制造的冷却炉已在现 场稳定运行多年，未出现机械故障。该设计方案及计 算方法较为准确地反映了设备的应力和位移情况，对 大型炉体结构的优化设计具有很好的借鉴意义。 参 考 文 献 [1] 蔡九菊.中国钢铁工业能源资源节约技术及其发展趋势 [J]. 世界钢铁，200945-17. [2] 蔡九菊，王建军，陈春霞，等.钢铁工业余热资源的回收与 利用 [J].钢铁，2007，4261-7. [3] 张小辉，张家元，戴传德，等.烧结矿冷却过程数值仿真与 优化 [J].化工学报，2011，62113081-3087. [4] 董 辉，李 磊，刘文军，等.烧结矿余热竖罐式回收利用 工艺流程 [J].中国冶金，2012，2216-11. [5] 陈士柏，赛庆毅，张忠孝，等.百公斤级烧结余热冷却炉结 构和操作参数优化 [J].能源工程，2018169-76. [6] 李明明，董 辉，张 琦，等.烧结余热回收竖罐结构研究 [J].工业炉，2014，3641-3. [7] 付俊鹏，蔡九菊.竖式烧结矿冷却装置内气固热交换的数值 研究 [J].冶金能源，2019，3823-7. □ 收稿日期2020-11-17 万方数据