鋼包回轉臺底座及圓壁對接焊縫處開人孔分析

劉俊日，孫云雙，魏 玲

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900)

鋼包回轉臺底座及圓壁對接焊縫處開人孔分析

劉俊日，孫云雙，魏 玲

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900)

鋼包回轉臺底座是連鑄設備的主要承載結構件，其強度和剛度必須符合要求。因其是焊接件，開孔位置和焊接工藝對于整體結構的應力集中和負載下的應變分布都有重大影響。本文通過有限元分析對鋼包回轉臺底座的應力、應變分布進行了數值模擬研究。考慮了底座、圓壁上內、外側筋板的分布對設備的變形和安全系數的影響，并找出了最大變形量和最小安全系數的位置。根據模擬計算結果，檢驗了當人孔開在圓壁對接焊縫處時，設備可靠性滿足要求。

底座;筋板;焊縫

0 前言

鋼包回轉臺的底座承載著上部旋轉體、鋼包、鋼液的重量以及裝滿鋼液的鋼包坐包時的沖擊。底座的圓壁是由一塊鋼板彎曲成形，開坡口對焊而成。圓壁表面切割人孔，以便于進入鋼包回轉臺內部，對流體旋轉接頭、電氣滑環等進行流體配管、電氣配線等的安裝和維護。本文對某鋼包回轉臺的底座建模，按照不同的工況，進行應力、應變分析，并檢驗當人孔開在圓壁對接焊縫處時，設備的可靠性。

鋼包回轉臺底座如圖1所示，主要由頂板(通過高強度螺栓副與回轉軸承相連)、圓壁(表面切割人孔)、內部筋板、外部筋板組件、底板組件(通過螺栓副與鋼包回轉臺預埋基礎框架相連)等組成。圖1也標注了人孔位置、鋼包回轉臺回轉驅動位置、鋼包回轉臺受包位置和澆鑄位置的相對關系，受包位置在鋼包坐包時，會產生一定的沖擊。

1 與鋼包回轉臺底座受力有關的基本參數

回轉體重量/kN 1 910

回轉半徑/mm 5 500

空鋼包重量/kN 1 000

滿鋼包重量/kN 2 000

沖擊系數 鋼包坐包時，取1.2;最大取2.0

圖1 底座總圖Fig.1 Base of ladle turret

鋼包回轉臺底座為整體焊接結構，材料選用Q345D，該材料的屈服極限因厚度不同為275～345 MPa，本文選取屈服極限為275 MPa，對整個鋼包回轉臺底座進行應力、應變分析。

在生產中，鋼包回轉臺底座受力主要為軸向載荷、徑向載荷和傾翻力矩。針對不同工況，計算得出鋼包回轉臺底座受力見表1。從表1可以看到，工況6(一側滿包，一側無包，鋼包坐包時，沖擊系數為2.0)鋼包回轉臺底座受力最大。故按照工況6，對其進行應力、應變分析。

表1 不同工況下的鋼包回轉臺底座受力情況Tab.1 Force exerted on base of ladle turret under different working condition

2 有限元分析

按照工況6，以鋼包回轉臺底座的底平面為固定約束，將軸向載荷5 910 kN，傾翻力矩22 000 kN·m，加載在頂板上，進行有限元分析和計算，結果如下。

從圖2(安全系數)可以看到，鋼包回轉臺底座安全系數的最小值處于與人孔孔板相連的外部筋板下部的應力集中處，發生在外部筋板上。其值為2.52，大于安全系數許用值1.7～2.2，滿足要求。如果想加大該處的安全系數，只需加大該筋板與孔板的接觸面積即可。此外，可以看到本文校核的目的，人孔處圓壁鋼板的安全系數遠遠大于許用值。

從圖3(變形圖)可以看到，設備的最大變形量處于開人孔上方頂板與外部筋板組件的連接處。

3 對圓壁對接焊縫處開人孔的應力、應變分析

3.1 圓壁對接焊縫處開人孔

在制造鋼包回轉臺底座時，制造廠操作工將人孔開在了圓壁對接焊縫處。如圖4所示。

為此，提出了四種解決方案:⑴目前開孔的位置不變，對孔周邊的筋板布置進行調整或加強。(2)切割人孔區域兩側的整體鋼板，重新拼接、整形。(3)在人孔的位置落人孔狀料，補焊。(4)報廢重做并提供進度計劃。顯然，方案(1)最理想。方案(4)不但會造成一定的經濟損失，而且嚴重的影響了設備的交貨周期。用有限元分析檢驗方案(1)是否可行性。

圖4 開在圓壁對接焊縫處的人孔Fig.4 The hole of opened at the buttweld on the wall

3.2 鋼材的可靠性、焊縫的可靠性及焊縫熱影響區分析

首先，圓壁是由厚度40 mm的Q345D鋼板彎曲成形，開坡口對焊而成，鋼板要按照厚鋼板超聲波檢驗方法進行檢測，并滿足要求。其次，焊縫必須是雙坡口T型熔透焊接，進行100%UT和100%MT無損探傷，并完全符合相關焊接工藝、標準的要求。第三，對焊縫的熱影響區范圍及該處的抗拉強度進行分析。

3.3 有限元分析

圓壁人孔、焊縫位置如圖5所示，對接焊縫距人孔中心線弧長110 mm，焊縫的左、右兩側各有5 mm寬的熱影響區。根據對接焊縫的位置，內、外筋板的位置不必進行調整。

鋼包回轉臺底座的等效應力如圖6所示，其最大值仍是外部筋板的位置。對等效應力進行區域劃分，焊縫兩側熱影響區中的最大等效應力均低于21.9 MPa，按照等效應力21.9 MPa，進行安全系數計算。焊縫熱影響區中，屈服強度降低系數為0.85，圓壁材質Q345D的屈服極限為275 MPa，則此處安全系數=275×0.85÷21.9=10.7遠遠大于安全系統的許用值。

對本鋼包回轉臺底座而言，只要滿足本文因此關于材質、焊接、探傷等工藝要求，人孔開在鋼包回轉臺底座圓壁對接焊縫處，也可滿足鋼包回轉臺的使用要求。當然，在實際設計和制造中，應該避免這種情況的發生，將人孔和焊縫錯開一定的角度，明確標注將焊縫放在距離人孔30°，鋼包受包側60°之間，鋼包回轉臺底座的應力分布將更均勻、可靠。

4 結論

通過對鋼包回轉臺底座進行有限元受力分析，可以找出設備的最大變形區域，安全系數最小區域，從而保證內、外筋板的合理布置，并有針對性地進行加強。另一方面，針對焊接、裝配過程中出現的問題，通過有限元受力分析，對設計和制造提供參供，有效地保證設備設計和制造的安全性和經濟性。

［1］劉俊日．鋼包回轉臺回轉臂有限元分析 ［J］．中國重型裝備，2009(2)．

［2］馬朝暉，屈朝霞，王海濤．Q345GJD特厚板的焊接性能研究［J］．鋼結構，2009(1)．

［3］糟谷正．鋼焊接熱影響區硬度的預測和必要預熱溫度的選定［J］．世界鋼鐵，1996(2)．

Analysis of side hole at buttweld on wall of base for ladle turret

LIU Jun-ri，SUN Yun-shuang，WEILing
(Baosteel Engineering Technology Group Co．，Ltd．，Shanghai201900，China)

Asmost important supporting part of ladle turret，the base is strict in its hardness and stiffness in engineering．Since it is a welded unit，the position of the side hole and welding process influence the distribution of stress and strain of the over-all structure greatly．The numerical simulation for stress and strain distribution of ladle turretbasewas conducted with finite elementanalysis．In consideration of the effectof the distribution of internal and external ribbed plates on deformation of the base and security coefficient，the weakest point was found．The simulation resultshows thatwhen the hole is opened at the buttweld on thewall，the security of the base canmeet the requirements of the whole equipment．

base;ribbed plate;weld line

TF066

A

1001－196X(2012)05－0086－03

2012－02－06;

2012－04－13

劉俊日(1972－)，男，寶鋼工程技術集團有限公司，高級工程師。