300t转炉四点悬挂装置分析与研究

严国平

(中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉430223)



300t转炉四点悬挂装置分析与研究

严国平①

(中冶南方工程技术有限公司 湖北武汉430223)

以自主开发的四点悬挂式转炉连接装置为研究对象，运用有限元软件，结合子模型分析技术，对主、副悬挂装置进行受力分析，并结合材料的屈服极限，对主、副悬挂装置危险部件进行强度校核。计算结果表明：主悬挂局部最大综合应力大于副悬挂局部最大综合应力，达到了四点悬挂装置的初始设计要求，各危险部件受载均在安全范围之内。

转炉 四点悬挂装置 子模型分析 强度校核

1 引言

作为转炉核心技术之一的转炉炉体与托圈的连接技术是工程技术界孜孜探索的炼钢设备重大的技术问题。通过这种连接技术及其装置，转炉炉体及其附件的全部重量都传递到厂房钢架的基础上。与此同时，该连接支承装置还要将倾动机械的倾动力矩传给炉体使其能随托圈±360o转动[1]。因此，连接支撑系统是转炉设备重要的组成部分。

卢晓聪[2]等采用有限元软件对210t转炉VAI-CON连杆式连接装置进行了有限元分析。董元龙[3]结合有限元仿真技术对90t转炉自调螺栓型转炉联接装置进行了研究。以公司自主开发的四点悬挂式转炉连接装置为研究对象，运用有限元软件，结合子模型分析技术对主、副悬挂装置进行了受力分析，并结合材料的屈服极限，对主、副悬挂装置的销轴进行了强度校核。

2 四点悬挂式转炉连接装置

四点悬挂式转炉连接装置[4]主要结构特点：由二组主悬挂支承、二组弹性副悬挂支承和四副水平限位组成。二个主悬挂支承分别分布在驱动侧耳轴/被侧耳轴侧以及托圈的正下方；二个弹性副悬挂支承分别分布在出钢侧/加料侧以及托圈的正下方，这四副垂直悬挂连接部件沿炉体周向均匀分布。四副水平限位都布置在驱动侧耳轴/被侧耳轴附近，一方面在托圈高度上沿耳轴中心线呈上下对称分布，另一方面沿耳轴中心线呈前后对称分布。每个主悬挂支承主要由两个关节球面标准轴承、两个主销轴、两个托圈主连接耳板、两个炉壳主连接耳板、一个十字交叉连接板等组成。每个弹性副悬挂支承主要含两个关节球面非标轴承、一个弹性碟簧组和一个碟簧、一个主支承螺栓、四个螺母、一个主销轴、一个关节轴承等，具有自由度高/满足炉体热变形和碟簧缓冲的性能。每付水平限位主要含两个止动架、两个小碟簧组、两个楔形块及十六个调节螺母等组成。利用楔形块的自锁和碟簧组的弹性力使水平限位具有满足热变形和碟簧补偿复位性能，如图1和图2所示。

图1

1-主悬挂； 2-弹性副悬挂； 3-自锁水平限位

图2 四点悬挂三维模型

3 有限元模型

3.1 模型简化

1)与悬挂支撑板连接的销轴与其轴端挡板视为一体，不考虑紧固螺栓的预紧力。对主悬挂而言，与转炉连接板的销轴与其轴端挡板也视为一体；

2)不考虑焊接母材对强度的影响，将转炉炉壳与转炉连接板视为一体，整体进行建模分析；

3)视副悬挂中的中间吊杆上部与下部的四个螺栓强度足够，将中间吊杆与上部、下部的四个螺栓视为一体，整体进行建模分析；

4)副悬挂中的碟簧组受力后刚度与悬挂材质刚度相同，不考虑大变形。

5)本计算只对转炉垂直吹炼工况进行计算。

3.2 模型离散及边界条件

根据设计承载要求，两主悬挂是主要承重点，而副悬挂通过调节碟簧组调节使其达到设计承载能力。鉴于主、副悬挂受力不同，同时对主、副悬挂进行分析较为困难。故将主、副悬挂分别与转炉炉壳连接进行强度分析。另外，本次分析的主要对象为悬挂装置，为节约计算资源，计算模型离散时主要对悬挂部分进行细化，转炉炉壳部分则相对较粗糙，且仅作自由网格处理。

分析中，将托圈视为刚体，悬挂与之连接处视为全约束，转炉及钢水重量视为平均作用于转炉底部相应面积上的集中力。由于模型较大，为简化分析过程，将主悬挂强度分析分两步进行。第一步，将转炉炉壳及主悬挂作为一个整体以此为粗糙的模型并进行分析；第二步，对主悬挂进行局部建模并细化，通过局部模型切割边界的插值运算[5]，完成局部模型的边界输入计算，即可得到局部计算结果。局部网格图如图3和图4所示。转炉自重及钢水重量设计值为1000t，对主悬挂设计受力600t，对副悬挂设计受力400t。

图3 悬挂局部离散模型

图4 悬挂局部离散模型

4 结果分析

根据上述分析，导入相应的三维模型并对300t转炉四点悬挂装置进行有限元受力分析，施加相应的载荷并给定边界条件，得到如下分析结果。

从各计算云图中可知：对于300t转炉来说，主悬挂局部最大综合应力值为559.15MPa，副悬挂局部最大综合应力值为537.05MPa，如果考虑副悬挂中的碟簧组自身的弹性受力变形特点，副悬挂局部最大综合应力值应比本计算值还要小。基于本文的计算假设，同样得出主悬挂局部最大综合应力大于副悬挂局部最大综合应力这一结论，说明在实际受力过程中主悬挂为主要承载件。主、副悬挂上轴承受力主要集中于球面轴承的底部边缘与轴承外环接触区域，为局部压应力。副悬挂吊耳上部最大综合应力为235.87MPa，主要集中在过渡区的导角根部，为局部拉应力。主悬挂吊耳上部最大综合应力为157.49MPa，主要集中在过渡区的吊耳最小剖切面上，为局部拉应力。

图5 主悬挂综合应力

图6 主悬挂局部综合应力

图7 副悬挂综合应力

图8 副悬挂剖面局部综合应力

图9 各部件局部应力图

5 理论结果对比

从材料受力与强度校核基本理论出发，对四点悬挂装置的几个危险部件进行理论校核。材料为20CrMo，屈服极限 为685MPa，转炉悬挂装置的安全系数n取1.5[6]。

对主悬挂上部销轴进行理论计算：

对主悬挂吊耳上部危险断面进行理论计算：

对副悬挂上部销轴进行理论计算：

式中 τ—截面剪应力； F—作用于销轴截面的正压力； A—销轴截面面积； σ—销轴截面的弯曲应力； M—销轴截面的弯矩； W—销轴的抗弯截面系数； σtotal—销轴的计算应力；[σ]—销轴的许用弯曲应力。

对副悬挂吊耳上部危险断面进行理论计算：

将简化的理论计算结果与有限元分析结果进行比较可以发现：有限元计算局部结果较理论计算结果偏大，特别是应力集中及危险断面处应力并不均匀，较理论值都有所偏大。可见，理论计算得到的结果较实际局部受力保守。

6 结论

根据上述分析，可以得到以下结论：

1)结合整体有限元分析与局部子模型分析，主、副悬挂装置的受力状况得到了较为直观与真实地显示，降低了实际测试采集数据的难度。结果表明：主悬挂局部最大综合应力大于副悬挂局部最大综合应力，且说明在实际受力过程中主悬挂为主要承担件，各处受力较为均匀，设计较为合理，达到了四点悬挂装置的初始设计预期。通过理论危险部件的校核表明设计数据合理，均在安全范围之内。为其工业推广提供了一个较为可信的理论支撑。

2)整体有限元分析并结合子模型分析方法能在节约计算资源的前提下较全面反映局部关键零部件的应力状态，具有良好的结果可视性，可以作为类似工程设计及研发的借鉴与参考。

[1]谭牧田.氧气转炉炼钢设备.北京：机械工业出版社，1983.

[2]卢晓聪.210t转炉连接装置的有限元分析及强度校核[J].计算机辅助工程,2012,Vol.21(5):40-44.

[3]董元龙.转炉自调螺栓连接装置力学行为研究[硕士论文].武汉：武汉科技大学，2009.

[4] CN200810047971.6

[5]尚晓江，丘锋等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用.北京：中国水利水电出版社，2008.

[6] 张宏伟. 转炉下悬挂支撑方式的有限元仿真[硕士论文].北京：北方工业大学，2008：5.

Analysis and Research of Four Point Suspension Device for 300t Converter

Yan Guoping

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited，Wuhan 430223)

According to the four point suspension device for 300t converter which was developed independently by WISDRI company′s the research object, the load analysis of main hanging device and vice hanging device wens carried out by the way of finite element analysis and its sub-model method. At the same time, combined with the yield limit of the material, the device dangerous parts stress strength was verified. The results show that the maximum stress of the main suspension device is higher than that of the vice suspension device. It reaches the initial design thought of four point suspension device. What is more, all dangerous parts are loaded in the safe range.

Converter Four point suspension device Sub-model analysis Strength check

严国平，男，1978年出生，毕业于武汉理工大学，博士，主要从事冶金设备的研发与分析、机械系统设计及仿真研究

TF341.1

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.01.002

2013-08-02)