燒結爐篦條的應力分析與結構優化

王軍鋒

(安陽鋼鐵股份有限公司)

燒結爐篦條的應力分析與結構優化

王軍鋒

(安陽鋼鐵股份有限公司)

基于SolidWorks simulation分析軟件，對我廠燒結爐篦條進行了三維特征建模。通過應力計算與分析，發現了篦條工作時的關鍵部位和"薄弱點"，在不降低高鉻鑄鐵力學性能的同時，對爐篦條的結構進行了優化設計，提高篦條使用性能和經濟性。

燒結 爐篦條 應力分析 結構優化

0 前言

燒結機爐篦條的作用是與臺車體構成多條縫隙組成的槽形空間，容納、承載物料，是臺車上的主要的受力、受熱部件。燒結過程中燒結礦的溫度最高可達1 300 ℃以上，而篦條在200 ℃～800 ℃的溫度范圍內交變受熱，其次燒結氣氛中CO、CO2、SO2和水蒸氣等對設備產生氧化、腐蝕、沖刷等作用,這樣要求篦條材料不僅能夠經受住激烈的溫度變化和酸堿腐蝕，還應具有足夠的機械強度。大型燒結機篦條一般采用高鉻耐熱鑄鐵件，其使用過程中其主要失效形式是燒損、變形及斷裂，可以說篦條的使用性能直接影響燒結機的生產作業率和燒結礦的生產成本。我廠爐篦條消耗36.9 g/t，折合0.38 元/t，使用壽命2年，與先進企業相比還有不少差距。

筆者基于SolidWorks對安鋼燒結爐篦條進行三維造型,通過SolidWorks simulation對篦條進行應力計算和分析,從中找到篦條在不同溫度下的應力分布規律,指出其工作時的關鍵部位和薄弱點,結合其隔熱、防護作用，在不降低高鉻鑄鐵力學性能的同時,對其結構進行優化設計，改善爐篦條的使用性能，提高其經濟性和壽命。

1 爐篦條的應力分析

以2#燒結機為例，臺車長度1.5 m，寬度5 m，燒結欄板高度700 mm，料層厚度720 mm，壓實后的混合料比重1.75 t/m3，臺車篦條間隙的透氣率約為 18%，主抽負壓17 500 Pa，工作時篦條內應力是負載與抽風負壓共同作用之和。

單塊臺車混合料重： 1.5 m×5.0 m×0.72 m×1.75 t/m3=9.45 t

靜態下爐篦條承受應力：9.45×103×9.8÷(1.5×5×(1-18%))+17 500=32 558.5 Pa

耐熱鑄鐵爐篦條常溫下抗拉強度約為340 Mpa，工作中爐篦條上部承受物料壓力和主抽風機負壓作用力，篦條端部是支持反力，考慮到爐篦條內應力與外加應力，常溫下耐熱鑄鐵件的抗拉強度是應力的1 020倍左右。參照耐熱鑄鐵件在各溫度段的短時抗拉強度，并對篦條在不同溫度下所受的熱應力進行計算[1]，可以得出不同溫度段下篦條的短時抗拉強度與篦條在該溫度段下所受的熱應力對應關系如圖1所示。

圖1 耐熱鑄件短時抗拉強度和熱應力雖隨溫度變化圖

通過圖1可以看出，爐篦條在常溫下所受靜態應力很小，材料的抗拉強度遠大于需求；隨著溫度的升高，篦條的短時抗拉強度不斷降低，而篦條內部的熱應力不斷增加，特別是爐條容易產生壓力集中的部位，其薄弱點位于爐條與隔熱件接觸的根部(如圖2 “灰色”位置所示)。因為篦條端部的氣流分布更加不均，散熱條件更差，其表面溫度相比中間段還要高出70 ℃～100 ℃[2]，最終造成篦條端部產生變形、燒損、夾心等失效。

圖2 爐篦條靜應力分析

因此在高溫工作環境下，篦條內部熱應力不斷增加，抗拉強度不斷降低，而篦條端部由于散熱不易，熱量聚集，溫度比中段還要高，其內部熱應力也更大，加上端部由于幾何形狀與所受載荷產生的局部應力疊加，導致爐篦條端部更易產生變形、燒損、夾心等失效，這時通?？考哟蠖瞬康慕孛娣e來增加強度，減少失效，不僅會增加更多的合金消耗，且不利于散熱，弊端顯而易見。

2 爐篦條建模

鑒于以上分析，為避免爐篦條的常見失效，我們要充分考慮工況下篦條端部的熱應力變化和抗拉強度的降低，使其端部能夠充分散熱而不是一味增加強度。據此結論，我們在不改變爐篦條材質的條件下，強化爐篦條表面和端部透風效果，讓熱量盡可能被抽入煙道，減少端部熱量累積，其次減少爐篦條與隔熱件的接觸面積，使其中間形成空腔，不僅減少熱量向下傳導，而且利于熱量抽走，在此思路下，我們改變爐篦條的結構形式，重新設計了新的爐篦條模型。

新的模型結構如圖3所示，從爐篦條上部開導風槽以減小風阻，提高風帶走熱量；下部改為倒梯形，一是使風帶走下部的熱量，二是減少篦條向隔熱件與臺車的熱傳遞。

圖3 新爐篦條模型

3 試制與應用

新的爐篦條材質仍為耐熱鑄鐵件，采用消失模精密鑄造工藝，嚴格控制幾何形狀尺寸；篦條鑄造成型后進行完全退火處理，以細化晶粒及消除內應力；篦條表面不允許有裂紋、氣孔、砂眼等影響機械強度缺陷存在。進廠篦條分批抽檢幾何尺寸形狀，并做爐條的跌落試驗，組批檢驗化學成分，保證爐條的形狀尺寸、機械性能及化學成份符合要求。

新的爐篦條通過在2#機以及1#機兩個機組的不同工況條件下，分別與改進前的爐篦條進行使用效果比對，應用實踐表明新爐篦條端部的變形、燒損、夾心等失效基本杜絕了，有效的延長了爐篦條的使用壽命，達到預期目的。

4 結束語

在燒結過程中，爐篦條承受的靜態應力下降，隨著燒結過程的進行，爐篦條的溫度逐漸提高，此時燒結爐篦條的抗拉強度與熱態應力的變化趨勢相反。本文結合分析軟件，通過應力計算與分析，指出了爐篦條工作時的關鍵部位和“薄弱點”， 提出了降低溫度，減緩抗拉強度的降低和熱應力的增加，減少爐條高溫下的變形是解決問題的導向和思路，在不降低高鉻鑄鐵力學性能的同時，對其結構進行優化設計，提高高鉻鑄鐵篦條使用性能和經濟性。

[1] 岡野修一 機械公式應用手冊[M]，北京,科學出版社，2005：42.

[2] 王會剛，李振虎，劉炳新 帶式燒結機臺車篦條有限元分析[J]，機械設計與制造，2009(4)：39-41.

THE STRESS ANALYSIS AND STRUCTURE OPTIMIZATION OF SINTERING GRATE

Wang Junfeng

(Anyang iron and steel stock Co.,Ltd)

Based on the SolidWorks simulation analysis software，a three-dimensional model of sintering grate was set up. The key parts and weakness has been found by the analysis of stress calculation, when the grates work. The optimized design of its structure was carried out While maintaining the mechanical property of High-chromium iron so as to increase the usability and economy of the grate.

intering grate stress analysis structure optimization

2016-11-5

*聯系人：王軍鋒，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份公司煉鐵廠；