熄焦車車體結構改造設計

2016-08-11 09:09:46朱利軍方金龍王艷芬三一重工有限公司湖南長沙4000湖南千盟信息技術有限公司湖南長沙4000

低碳世界 2016年12期

朱利軍，方金龍，王艷芬（.三一重工有限公司，湖南　長沙　4000；.湖南千盟信息技術有限公司，湖南　長沙　4000）

熄焦車車體結構改造設計

朱利軍1，方金龍1，王艷芬2
（1.三一重工有限公司，湖南長沙410100；2.湖南千盟信息技術有限公司，湖南長沙410100）

本文對熄焦車關鍵部件進行了改造，通過Hypermesh軟件對改造前后底板結構進行了有限元分析，分析結果顯示改造后的底板受力狀況得到很大改善。

熄焦車；Hypermes；有限元分析

熄焦車在生產中要完成以下流程：熄焦車對位→接焦→帶紅焦運行→熄焦塔下熄焦→焦臺放焦。接焦時，幾十噸紅熱焦炭落入熄焦車車箱內，紅熱焦炭對車箱有很大沖擊力；同時由于紅熱焦炭出爐時溫度高達1000℃以上，所以接焦后車箱溫度很快上升到1000℃以上，但濕法熄焦時車箱溫度又隨之急劇下降，這就要求熄焦車車箱具有很好耐急冷急熱性能，較高地強度和剛度。總體而言，全自動熄焦車必須滿足以下具體要求。

（1）整車鋼結構強度、剛度足夠；

（2）車箱和車門材料必須具有耐高溫耐磨耐腐蝕的性能，不能出現撓性變形；

（3）車門開合嚴實，自動開合性能良好；

（4）斜支撐強度高，不能出現裂紋。

1　熄焦車現存主要問題

熄焦車鋼結構主要由普通材質如Q345（低合金鋼）制造，僅車箱內部鋪設一層耐熱鑄鐵板，同時結構上也存在一些設計缺陷。所以熄焦車的使用壽命一般較短，只有1～3年；而耐熱板則更短，一般只有幾個月。現將生產實際中出現的主要問題歸納如下［1］。

（1）高溫氧化作用。在熄焦車的工作過程中，車箱與焦炭是直接接觸的，車箱內紅焦溫度一般都在1000℃以上，在這種情況下，車箱表面溫度迅速達到非常高。在高溫作業環境下，普通耐熱材質的抗高溫氧化能力有限，車箱表面極易出現被氧化、剝落的現象，對車體及耐熱板的強度和剛度有非常大的影響。

（2）強烈的腐蝕作用。淋水塔的冷卻水是循環使用的。大量腐蝕性離子和各種有機物（熄焦時產生的）一直存在于水中，濃度很高，會對熄焦車產生強烈的腐蝕，大大縮短車箱及耐熱板的使用壽命。

（3）強烈地急冷急熱作用。接焦時，與高溫焦炭直接接觸的車體溫度很快上升到接近焦炭溫度，淋水塔中熄焦時，必須在很短的時間內將焦炭熄滅，熄焦車溫度很快下降到接近室溫。由于熄焦車的作業循環時間非常短（一般在2min內完成），在這一情況下，熄焦車車體一直處于這種強烈的急冷急熱工作環境下，材料的熱脹冷縮、組織應力及熱應力都加速了車體的失效。

（4）沖擊力大、磨損嚴重。紅焦從攔焦車落入熄焦車底板，對熄焦車底板產生很大沖擊力，由于熄焦車底板設計成傾斜的，紅焦在底板上有一個滑移的過程，紅熱焦炭反復在高溫環境下沖刷著底板。這就對底板的材料性能提出了較高的的要求。

（5）底板、放焦門及耐熱板變形。車箱不僅要承受焦炭的頻繁沖擊、急冷急熱作用的影響，另外還有熄焦水的沖刷腐蝕，在這種工作環境下，底板、放焦門及耐熱板容易出現變形，直接影響整體車況。

2　熄焦車改造

2.1材料選擇

2.1.1材料試驗

為充分了解原熄焦車所用材料及改造后選用材料的性能［2～3］，分別對Q345（低合金鋼）、GH93（高溫鎳基合金）和1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）進行了材料性能試驗。Q345（低合金鋼）、GH93（高溫鎳基合金）和1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）的抗拉強度和屈服強度隨溫度的變化曲線分別見圖1～3。

圖1　Q345性能隨溫度變化曲線

圖2　GH93性能隨溫度變化曲線

圖3　1Cr18Ni9Ti性能隨溫度變化曲線

從曲線圖1可以看出，當溫度到達400℃時，抗拉強度和屈服強度急速下降，由此可知，Q345（低合金鋼）在熄焦車這種在較高溫度（500～700℃）環境下工作，并且工作溫度驟冷驟熱，溫度短時間內急劇變化的設備上使用并不合適。

從曲線圖2可以看出GH93（高溫鎳基合金）隨溫度升高，其屈服強度和抗拉強度變化比較平緩，由此知GH93（高溫鎳基合金）可應用于短時間內高低溫度劇烈變化的的場合。特別是GH93（高溫鎳基合金），在溫度升至400℃以上時，其抗拉強度從1050MPa降到870MPa左右；其屈服強度從680MPa降到591MPa，隨后400～700℃溫度范圍內性能參數變化很平緩，即在700℃左右的高溫下，GH93（高溫鎳基合金）的抗拉強度和屈服強度仍很大，仍能滿足熄焦車的使用需要。

曲線圖3可明顯看到1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）的屈服強度相對于GH93（高溫鎳基合金）小，但是其屈服強度和抗拉強度隨溫度變化幾乎沒有變化，由此知1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）可應用于短時間內高低溫度劇烈變化的的場合。溫度從常溫變化至700℃，其屈服強度從610MPa降至356MPa，可知在較高溫度下，1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）仍有較高的抗拉強度。

2.1.2材料選擇

根據以上分析：對車體材料進行了更換。

①車體框架鋼結構及車箱內耐熱板由原來的普通材料改為高溫合金GH93（高溫鎳基合金）。然后將車架吊放在轉向架上，將上下心盤用螺栓對正把合這種材料不僅具有良好地防腐、耐熱和抗急冷急熱性能，同時還具有良好的焊接性能。鋼結構的焊接采用了特種合金鋼焊條和特殊的焊接工藝。

②由于1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）具有高溫環境下較高的抗拉強度，即熄焦車車體連接螺栓可選用1Cr18Ni9Ti（不銹鋼），連接主要部件。該材料為屬于耐熱不銹鋼材料。這樣在維修和更換耐熱板時省時省力很多。

2.2熄焦車結構改造

熄焦車易損件（主要指地板和斜支撐）結構示意圖見圖4。主要部件參數見表1。

圖4　熄焦車底板及支撐組

表1　改造前熄焦車主要部件參數

（1）由于熄焦車底板是主要承載機構，尤其要經受推焦過程中紅熱焦炭的沖擊，故將底板由δ=6mm改為δ=10mm，這樣就增強了車箱的承載能力及使用壽命，同時也減小了放焦門與底板的間距，減少了漏焦現象的發生。

（2）為了防止由于車體重量增加對底板支撐產生影響，防止底板落焦處變形。將原底板支撐架所用的20＃工字鋼（圖4中序號3）改為22＃工字鋼（共計21件）；將底板橫向及斜支撐20＃槽鋼（圖4中序號5、6）改為25#槽鋼，見表2。

表2　改造后熄焦車主要部件參數

2.3車體主要部件有限元分析

2.3.1前處理

本文有限元分析運用靜力學軟hypermesh進行分析。對圖4模型進行簡化處理，底板、工字鋼及橫梁采用PSHELL單元進行模擬，斜支撐部件用rigids單元進行固定處理，仿真環境為常溫，比較常溫下結構改造前后應力狀況。一個炭化室出焦大概30t，所以以30t作為質心處載荷。有限元簡化模型見圖5。

圖5　底板有限元模型

2.3.2后處理

圖6～7分別是車體改造前、后底板應力云圖，兩個圖中應力值在400MPa以上用橙紅色表示，400～1200MPa用紅色表示。根據圖1中Q345性能曲線可知，常溫下Q345屈服強度為345MPa左右，隨溫度升高，屈服強度和抗拉強度下降很快，但是從圖6可看出，底板有很多個局部區域應力值都在400MPa以上，可見隨溫度升高，Q345材料底板壽命非常有限。

圖6　底板改造前應力云圖

從圖7看出，底板應力狀況得到了極大改善，只有幾個部件焊接處的應力值達到400MPa，結合圖2知：隨溫度升至600℃時，GH93的屈服強度仍可達到600MPa左右，同時其抗拉強度和屈服強度隨溫度的變化其值降低較少，GH93高溫穩定性很好。由此可見，GH93（高溫鎳基合金）適用于長期工作于這種驟冷驟熱環境中的設備。