熄焦车车体结构改造设计

朱利军，方金龙，王艳芬（.三一重工有限公司，湖南　长沙　4000；.湖南千盟信息技术有限公司，湖南　长沙　4000）



熄焦车车体结构改造设计

朱利军1，方金龙1，王艳芬2
（1.三一重工有限公司，湖南长沙410100；2.湖南千盟信息技术有限公司，湖南长沙410100）

本文对熄焦车关键部件进行了改造，通过Hypermesh软件对改造前后底板结构进行了有限元分析，分析结果显示改造后的底板受力状况得到很大改善。

熄焦车；Hypermes；有限元分析

熄焦车在生产中要完成以下流程：熄焦车对位→接焦→带红焦运行→熄焦塔下熄焦→焦台放焦。接焦时，几十吨红热焦炭落入熄焦车车箱内，红热焦炭对车箱有很大冲击力；同时由于红热焦炭出炉时温度高达1000℃以上，所以接焦后车箱温度很快上升到1000℃以上，但湿法熄焦时车箱温度又随之急剧下降，这就要求熄焦车车箱具有很好耐急冷急热性能，较高地强度和刚度。总体而言，全自动熄焦车必须满足以下具体要求。

（1）整车钢结构强度、刚度足够；

（2）车箱和车门材料必须具有耐高温耐磨耐腐蚀的性能，不能出现挠性变形；

（3）车门开合严实，自动开合性能良好；

（4）斜支撑强度高，不能出现裂纹。

1　熄焦车现存主要问题

熄焦车钢结构主要由普通材质如Q345（低合金钢）制造，仅车箱内部铺设一层耐热铸铁板，同时结构上也存在一些设计缺陷。所以熄焦车的使用寿命一般较短，只有1～3年；而耐热板则更短，一般只有几个月。现将生产实际中出现的主要问题归纳如下［1］。

（1）高温氧化作用。在熄焦车的工作过程中，车箱与焦炭是直接接触的，车箱内红焦温度一般都在1000℃以上，在这种情况下，车箱表面温度迅速达到非常高。在高温作业环境下，普通耐热材质的抗高温氧化能力有限，车箱表面极易出现被氧化、剥落的现象，对车体及耐热板的强度和刚度有非常大的影响。

（2）强烈的腐蚀作用。淋水塔的冷却水是循环使用的。大量腐蚀性离子和各种有机物 （熄焦时产生的）一直存在于水中，浓度很高，会对熄焦车产生强烈的腐蚀，大大缩短车箱及耐热板的使用寿命。

（3）强烈地急冷急热作用。接焦时，与高温焦炭直接接触的车体温度很快上升到接近焦炭温度，淋水塔中熄焦时，必须在很短的时间内将焦炭熄灭，熄焦车温度很快下降到接近室温。由于熄焦车的作业循环时间非常短 （一般在2min内完成），在这一情况下，熄焦车车体一直处于这种强烈的急冷急热工作环境下，材料的热胀冷缩、组织应力及热应力都加速了车体的失效。

（4）冲击力大、磨损严重。红焦从拦焦车落入熄焦车底板，对熄焦车底板产生很大冲击力，由于熄焦车底板设计成倾斜的，红焦在底板上有一个滑移的过程，红热焦炭反复在高温环境下冲刷着底板。这就对底板的材料性能提出了较高的的要求。

（5）底板、放焦门及耐热板变形。车箱不仅要承受焦炭的频繁冲击、急冷急热作用的影响，另外还有熄焦水的冲刷腐蚀，在这种工作环境下，底板、放焦门及耐热板容易出现变形，直接影响整体车况。

2　熄焦车改造

2.1材料选择

2.1.1材料试验

为充分了解原熄焦车所用材料及改造后选用材料的性能［2～3］，分别对Q345（低合金钢）、GH93（高温镍基合金）和1Cr18Ni9Ti（不锈钢）进行了材料性能试验。Q345（低合金钢）、GH93（高温镍基合金）和1Cr18Ni9Ti（不锈钢）的抗拉强度和屈服强度随温度的变化曲线分别见图1～3。

图1　Q345性能随温度变化曲线

图2　GH93性能随温度变化曲线

图3　1Cr18Ni9Ti性能随温度变化曲线

从曲线图1可以看出，当温度到达400℃时，抗拉强度和屈服强度急速下降，由此可知，Q345（低合金钢）在熄焦车这种在较高温度（500～700℃）环境下工作，并且工作温度骤冷骤热，温度短时间内急剧变化的设备上使用并不合适。

从曲线图2可以看出GH93（高温镍基合金）随温度升高，其屈服强度和抗拉强度变化比较平缓，由此知GH93（高温镍基合金）可应用于短时间内高低温度剧烈变化的的场合。特别是GH93（高温镍基合金），在温度升至400℃以上时，其抗拉强度从1050MPa降到870MPa左右；其屈服强度从680MPa降到591MPa，随后400～700℃温度范围内性能参数变化很平缓，即在700℃左右的高温下，GH93（高温镍基合金）的抗拉强度和屈服强度仍很大，仍能满足熄焦车的使用需要。

曲线图3可明显看到1Cr18Ni9Ti（不锈钢）的屈服强度相对于GH93（高温镍基合金）小，但是其屈服强度和抗拉强度随温度变化几乎没有变化，由此知1Cr18Ni9Ti（不锈钢）可应用于短时间内高低温度剧烈变化的的场合。温度从常温变化至700℃，其屈服强度从610MPa降至356MPa，可知在较高温度下，1Cr18Ni9Ti（不锈钢）仍有较高的抗拉强度。

2.1.2材料选择

根据以上分析：对车体材料进行了更换。

①车体框架钢结构及车箱内耐热板由原来的普通材料改为高温合金GH93（高温镍基合金）。然后将车架吊放在转向架上，将上下心盘用螺栓对正把合这种材料不仅具有良好地防腐、耐热和抗急冷急热性能，同时还具有良好的焊接性能。钢结构的焊接采用了特种合金钢焊条和特殊的焊接工艺。

②由于1Cr18Ni9Ti（不锈钢）具有高温环境下较高的抗拉强度，即熄焦车车体连接螺栓可选用1Cr18Ni9Ti（不锈钢），连接主要部件。该材料为属于耐热不锈钢材料。这样在维修和更换耐热板时省时省力很多。

2.2熄焦车结构改造

熄焦车易损件（主要指地板和斜支撑）结构示意图见图4。主要部件参数见表1。

图4　熄焦车底板及支撑组

表1　改造前熄焦车主要部件参数

（1）由于熄焦车底板是主要承载机构，尤其要经受推焦过程中红热焦炭的冲击，故将底板由δ=6mm改为δ=10mm，这样就增强了车箱的承载能力及使用寿命，同时也减小了放焦门与底板的间距，减少了漏焦现象的发生。

（2）为了防止由于车体重量增加对底板支撑产生影响，防止底板落焦处变形。将原底板支撑架所用的20＃工字钢（图4中序号3）改为22＃工字钢（共计21件）；将底板横向及斜支撑20＃槽钢（图4中序号5、6）改为25#槽钢，见表2。

表2　改造后熄焦车主要部件参数

2.3车体主要部件有限元分析

2.3.1前处理

本文有限元分析运用静力学软hypermesh进行分析。对图4模型进行简化处理，底板、工字钢及横梁采用PSHELL单元进行模拟，斜支撑部件用rigids单元进行固定处理，仿真环境为常温，比较常温下结构改造前后应力状况。一个炭化室出焦大概30t，所以以30t作为质心处载荷。有限元简化模型见图5。

图5　底板有限元模型

2.3.2后处理

图6～7分别是车体改造前、后底板应力云图，两个图中应力值在400MPa以上用橙红色表示，400～1200MPa用红色表示。根据图1中Q345性能曲线可知，常温下Q345屈服强度为345MPa左右，随温度升高，屈服强度和抗拉强度下降很快，但是从图6可看出，底板有很多个局部区域应力值都在400MPa以上，可见随温度升高，Q345材料底板寿命非常有限。

图6　底板改造前应力云图

从图7看出，底板应力状况得到了极大改善，只有几个部件焊接处的应力值达到400MPa，结合图2知：随温度升至600℃时，GH93的屈服强度仍可达到600MPa左右，同时其抗拉强度和屈服强度随温度的变化其值降低较少，GH93高温稳定性很好。由此可见，GH93（高温镍基合金）适用于长期工作于这种骤冷骤热环境中的设备。

图7　底板改造后应力云图

3　小结

本文对熄焦车主要易损部件所用材料Q345与改造后材料GH93、1Cr18Ni9Ti进行了材料性能试验并进行了对比，结果显示GH93、1Cr18Ni9Ti性能更适用于熄焦车所用环境。最后对改造后的熄焦车地板进行了有限元仿真，分析结果显示改造后的底板受力状况得到很大改善，即该改造切实可行。

［1］毛国保，祝开娣，周海甫.新材质在JX-1型熄焦车上的应用.中国设备工程，2008：23～24.

［2］金属力学性能试验术语（GB/T10623-89）.

［3］钢材力学及工艺性能试验取样（GB/T2975-82）.

朱利军（1985-），男，工程师，硕士，主要从事机械设计方面工作。

TQ520.5

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2095-2066（2016）12-0118-02

2016-3-5