基于步进梁式加热炉炉底机械牵引框架优化设计

李 龙

（西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

就步进梁式加热炉而言，其运行性能与炉底机械有着密切的关联，其一方面可以起到支撑加热炉平移框架的作用，另一方面则可以确保板坯能够沿着炉长方向进行持续性步进运动。其传动方式可细分为两种，相较于传统的机械传动而言，采用液压传动的方式能够减少结构占据的空间，缓解步进梁在运动过程中产生的冲击力。总体来说，液压传动已经被广泛运用于步进机械中。

1 工程概况

在本文所探讨的钢铁集团中，配备了4 台步进式梁式加热炉，对于炉底机械部分而言使用的是全液压驭动的方式，选用热轧H型钢进行焊接处理，由此形成牵引框架。所论述的炉底机械牵引框架中，采用的材料型号为Q345-B，以此为参考确定对应的材料弹性模量值为208000MPa，同时将其泊松比取值为0.3。具体的几何模型图示如图1所示。

2 步进梁式加热炉概述

2.1 步进梁式加热炉特点

作为重要的支承工件，水冷梁以及耐热钢梁对于步进梁式加热炉而言均具有重要意义。对于加热炉而言，可以在此设备中完成对钢坯的加热；对于猝火炉而言，可以在此设备中完成对长工件的淬火过程。

相较于推钢炉而言，本文所探讨的步进梁式加热炉性能更为显著。具体来说，选用了耐高温炉料，因此在使用过程中不会出现相互粘连的现象；所需加热的时间较短；在加热过程中可以对工件底部区域形成保护，炉长的可选择性也更为理想[1]。此外，当采取停炉操作时，此时存在于炉内的所有工件都可以较为轻松地进行出孔处理，能够灵活地改变步长以及步进周期，由此对炉子生产能力进行合理的调整。

图1 牵引框架三维几何模型示意图

2.2 步进梁式加热炉步进系统设备简介

考虑到轧线布列方式之间的差异性，在进行装料与出料作业时可选用两种方式进行操作，即端进端出或者是侧进侧出。但二者适用的场景有所不同，前者常见于板材钢坯材料，后者常见于线型材钢坯材料。

从组成结构上分析，步进梁式加热炉可细分为如下几大部分：

（1）炉底机械，能够完成指定的运动轨迹，诸如提升框架、滚轮以及液压缸等均是重要的组件。

（2）水冷梁，能够起到支撑工件的作用，活动梁能够伴随着步进机械的动作变化而发生改变，此外梁立柱等均是重要的结构。

（3）水封装置，能够隔绝空气，避免其进入炉内同时可以起到除渣的效果，诸如水封槽、水封罩等均是重要的组件。

2.3 步进梁式加热炉步进系统设备安装要点

整体来说，安装过程较为繁琐：首先需要进行基础交接工作，在通过复测后将垫板、滚轮以及定心装置等设备安装完毕，其中滚轮分为上下滚轮两部分，在安装过程中需要遵循由下至上的顺序；在做好各类基础结构的安装工作后，则需要进行零位固定处理，而后安装水封装置，最后进行试车，确保设备均能准确安装[2]。

2.4 步进梁式加热炉的优点

（1）适用于多种形状料坯，甚至可以对大板环以及异型环进行加热处理，且最终加热效果理想。

（2）具有强劲的生产能力，相较于传统的推送式炉而言，炉底强度普遍超过800 kg/（m2·h），同时炉子长度能够进行灵活变动，缩短幅度达到10%～15%。

（3）摆脱了推送比的制约，能够灵活地调整炉长，同时不会出现拱料以及粘连等问题。

（4）炉子在运行时具有高度的灵活性，在炉长不发生改变的前提下，可以对料坯彼此间距进行调整，从而起到改变炉内料块数量的效果，对于产量具有变动性的生产目标而言具有良好的适应性；步进周期能够进行灵活的调整，当加大步距时，将会缩短料坯在炉内的加热时间，因此可以满足各类金属的加热需求。

（5）对于单面加热的步进式炉而言不存在黑印现象，同时在施工时无需均热床；在进行双面加热时相对复杂，但只要做好绝热工作，黑印现象也能得到良好的控制。

（6）若出现轧机故障时，此时可以灵活地将物料退出炉膛，由此避免氧化以及脱碳现象，避免料坯质量受到影响。

（7）能够精准地确定加热时间并进行控制，提升了加热的自动化程度。

3 有限元分析

3.1 牵引框架几何模型的建立

本文将实际步进梁式加热炉工程案例作为基本研究对象，在此基础上围绕其炉底机械牵引框架展开分析，由此建立出相应的二维模型。在建模过程中密切关注了各个单位之间的协调性，确保了计算结果的精确性。基于提升结果精确性的目的，此处将单位设置为mm-t-s。牵引框架通过焊接而成，此结构实体具有较高的复杂性，由此随之加大了分析难度。对此，将整体作为分析对象，在此基础上对一些无关紧要的因素进行简化，诸如倒角拉直等。基于此方式，能够增强有限元网格的精炼度，确保网格划分趋于合理化，从而提升计算结果与实际值的相似性。

从炉底机械框架组成上看，其主要由升降框架以及牵引框架两大部分组成，由此满足步进梁的各类连贯动作要求。将升降框架置放在支撑滚轮上，当进行升降运动时，可以提升步进梁上托或是下放的便捷性，由此避免炉底机械出现大幅振动现象。牵引框架需要与平移框架进行相应的连接，此时则需要依托于液压缸设备，由此实现在平移滚轮上的各类运动。需要注意的是，此过程一旦稍有差错，则会对炉底机械的正常平移造成影响，此时板坯难以正常出炉，整个生产作业被迫停止，所带来的经济损失极为惨重。对此，基于提升加热炉炉底机械运行稳定性的目的，应当引入有限元计算法，而后对其牵引框架结构的强度以及刚度展开计算，由此明确结构中的薄弱环节，在此基础上具有针对性地采取措施，在设计阶段将此问题解决，为后续正式运行创造稳定的环境[3]。

在传统方式下，对牵引框架的计算仅仅停留在理论公式层面，因此所得的结果与实际情况必定存在较大差别。对此，本文引入了ABAQUS 软件，综合考虑项目的实际状况，在此基础上围绕牵引框架展开有限元分析，全面掌握应力以及位移情况，而后以所得结果为参考，围绕牵引框架展开优化设计工作。

3.2 边界条件和载荷

计算结果受多方面因素的影响，诸如边界条件以及载荷均是主要的影响因素。对于边界条件而言，它是实现机械结构与外部联系的主要条件，在满足实际需求的同时还对计算简便性提出了更高的要求。对于炉底机械牵引框架而言，需要以液压缸为基本条件，在此基础上通过滚轮进行前移或是后退等动作，但由于整个运动过程速度较低，所以表现为低转速下的加载特征，宜对其展开静态分析。对于牵引框架与液压缸相接处的区域而言，可以对其施加一个拉力，考虑到炉底机械在进行平移运动时对应的负荷极限值达到了1 650 t，因此需要以此为参考确定一个合理的摩擦系数值，最终得出牵引框架对应的拉力极限值。

3.3 网格划分

通过实体建模，可以进行合理的网格划分，而后确定各个节点以及对应单元。网格划分的合理与否将会对计算结果的准确性造成直接影响，考虑到此特点，要想提升牵引框架应力计算值的准确性，就必须对网格进行精密的划分，当网格越来越密时，其对应的结果精度也随之提升[4]。就理论层面而言，若单元尺寸接近无限小，此时可以得出与网格无关的解。伴随着单元数量的增加，对应的计算量也随之加大，并表现出典型的指数特征，待网格数量达到某一上限值时，计算机将不具备稳定运算的能力。对此，需要将网格密度控制在合理范围内。基于ABAQUS的全局种子，可以在其中的重点部位设置种子，此时网格划分变得更具合理性。但考虑到牵引框架的复杂性，因此在使用ABAQUS 软件时应选用其中的六面体单元形式，具体到本文中则为C3D8R六面体单元，最终划分出93 047个单元，具体模型见图2：

图2 牵引框架有限元模型示意图

3.4 结果分析

当完成计算后，经过后处理便可得出对应的应力以及位移云图，位移云图见图3。综合所给结果进行分析可知，产生的应力极值为61.6 MPa，产生的位移极值为1.43 mm，具体表现在牵引框架与液压缸的连接区域。对此，需要对该部分区域进行加厚处理，提升其焊接质量，确保应力分布的均匀性。由于移动钢结构设备对应的安全系数普遍较高，因此宜将其视为n>2。由于牵引框架选用材质较为特殊，同时是通过焊接制作而成，因此所得的应力计算结果明显偏大。但就实际情况而言，在支撑筋板的作用下将会明显提升其刚度，此时结构的真实应力明显下降，由此可知本文所探讨的牵引框架符合相应的强度要求。

图3 牵引框架位移云图

4 结 论

总结来说，炉底机械牵引框架对于整个步进式加热炉而言至关重要。对此，本文引入了ABAQUS 软件，对其展开非线性有限元分析，明确不同区域对应的应力以及位移情况，参考所得分析结果对牵引框架进行优化。相较于传统方式而言，有限元分析法可以提升所得结果的精确性，能够为牵引框架的优化工作提供有效参考。