平頂陶瓷窯爐鋼結構架設計改進及有限元分析

林 海，陳欽鴻，潘 明，楊 昭

(1.廣東省特種設備檢測研究院 潮州檢測院，廣東 潮州 521000； 2.廣東省質量監督陶瓷燃氣窯爐檢驗站(潮州)，廣東 潮州 521000)

0 引 言

陶瓷屬于高耗能產業，窯爐廣泛應用于日用陶瓷等燒制生產中，以日用瓷為例，燒制成本約占總成本30～40%，節能降耗是成本控制的核心。

窯爐窯體包括：窯墻和窯頂，一方面要求具有耐高溫隔熱的性能，另一方面還要求具備一定高溫強度。窯頂采用拱頂結構，拱越平，橫向推力越大，加固窯爐所需的鋼材越多且拱頂不穩固，容易下落[1]，增加停產風險及維修成本；拱過高有不利于窯內上下溫度的均勻,特別是超寬隧道窯仍采用拱頂，勢必有很大的拱高，嚴重影響內內上下溫度和水平溫度的均勻性[1]，影響燒成率。相應從窯頂結構改進來說，通過使用高性能耐火保溫材料，降低窯頂厚度。采用平頂結構，可提升窯內斷面溫度均勻性，提升陶瓷燒成率。且相較于拱頂結構，鋼結構架的作用主要是為了克服拱頂的橫向推力[1]，采用平頂結構無橫向推力。因此，鋼結構架設計要求存在較大轉變。

筆者通過采用平頂結構取代拱頂結構，設計窯爐鋼結構架，并通過有限元分析，對設計進行改進，通過此設計達到降低窯內溫升目的，提高燒成率，解決橫向推力問題，減少鋼結構架材料用量，提升經濟性。

1 平頂支吊架設計

選擇某窯爐制造企業陶瓷燃氣窯爐鋼結構架作為分析模型，以窯爐燒成帶斷面為例，其采用拱頂窯頂形式，如圖1所示。

圖1 拱頂窯爐斷面圖

鋼結構架材料采用Q235碳素結構鋼。隧道窯斷面相關參數如下：鋼結構架外寬2 730 mm，鋼結構架外高1 730 mm，可利用燒制斷面寬950 mm，斷面高800 mm。

對原鋼結構架進行改進設計，采用平頂窯頂結構，平吊頂結構相對復雜，鋼材用量大，建造成本高[1]。由于斷面寬大于0.8 m，使用大蓋板平頂長期使用后存在倒塌風險。因此需使用吊掛平頂或拱頂窯頂，此處使用吊掛平頂，并設計平頂支吊架。

平頂支吊架材料選用Q235碳素結構鋼，方形空心型鋼(標準尺寸：邊長a=25 mm，厚度s=2 mm)，設計為上下雙拱結構，多拱平行布置形式。拱架通過冷彎焊接制造，上下雙拱間距為100 mm，平行布置兩拱間距為510 mm。

其余部分鋼結構架沿用原先設計形式，采用厚度均為3 mm，100×50短形空心型鋼及50×50方形空心型鋼分別焊接而成。

由于選用窯爐模型總長度為69 m，鋼結構架有一定重復性，因此模型僅截取其中2 m，具體如圖2所示。

圖2 改進后鋼結 圖3 應力集中設計優化 構架模型

2 設計改進

2.1 應力集中

在某窯爐生產企業設計的鋼結構架基礎上，根據該鋼結構架圖紙進行三維建模，并對其設計進行分析，發現：鋼結構架兩部件焊接連接處較嚴重應力集中(圖3所示應力集中處，應力最大值為375 MPa)。

2.2 加強支撐

如圖4所示，由于底部橫梁跨度大，載荷大，易變形，鋼結構架底部兩支撐點間易發生變形。

圖4 加強底部橫梁支撐

2.3 結構優化

在原先的設計中，選用5 mm厚度鋼材作為材料進行焊接。當我們在有限元軟件初步分析后，發現有較大材料強度余量，因此我們改而用3 mm厚度鋼材，并建立三維模型。在新設計中，鋼材減重在滿足材料強度要求的前提下，節省鋼材及成本。

3 有限元分析

3.1 前處理

文中采用Ansys Workbench作為分析工具，對上述設計改進后鋼結構架導入static structural模塊中進行前處理。

材料設置為結構鋼。劃分網格大小設置為5 mm，網格節點總數共計9 416 301個，網格總數共計4 907 090個。

表1 網格劃分參數

網格劃分后，設置約束并加載，底面為固定支撐約束，作用在鋼結構架上的作用力如下：按2 m窯墻測算窯墻作用在底部鋼結構架上的載荷為4T(即40 000 N)，由于溫度升高后，窯墻作用在鋼結構架兩側作用力按2 000 N校驗，平頂支吊在平頂支吊架，按2 m平頂測算作用在平頂支吊架上的載荷為500 kg(即5 000 N)，如圖5所示。

圖5 網格劃分局部放大圖圖6 約束加載

3.2 計算求解

考慮到由于現有耐火保溫材料的引入，實際窯爐生產車間溫度已基本控制在30～50 ℃間，因此本分析中未考慮溫度載荷作用。

(1) 位移：根據需求，求解該鋼結構架變形位移、總體應力分布情況，主要關注平頂支吊架中間部分的剛度。如圖6所示，其最大變形位移為2.02 mm，變形位移總體主要集中在平頂支吊架中間部分。

同時，窯爐在生產過程中，由于窯內燒成段溫度較高(溫度在800～1 400 ℃之間)，氣體在溫度及重力作用下自然向上，作用在平頂窯頂及平頂支吊一定的向上承托力，可抵消部分平頂窯頂對鋼結構架部分重力，滿足使用要求。

(2) 應變：如圖8所示，主要關注平頂支吊架應變分布情況，最大應變值約0.000 85，且發現最大應變至出現在鋼結構架底部，而非位移最大值出現的平頂支吊架上。同時，如圖8所示應變最大值處，也未超過Q235應力屈服極限值。因此，經評估，以上應變可以滿足安全要求。

圖9 總體應力分布圖

(3) 應力：如圖7所示，最大應力為157.36 MPa，位于底部窯墻承重處，其應力遠未超Q235材料屈服強度(σs=235 MPa),符合使用要求。

圖7 變形位移分布圖 圖8 總體應變分布圖

同時，兩切割型鋼焊接件間連接處部分存在局部應力集中情況，考慮在窯爐生產企業原設計方案基礎上進一步優化，并在焊接制造過程中加以控制。

4 結 論

(1) 隨著耐火保溫材料使用普及，陶瓷燃氣窯爐將日益“薄殼化”，窯爐窯體外鋼結構架的支撐、支吊作用較以往主要承擔橫向載荷有較大轉變，重要性不言而喻，鋼結構架設計經濟性、安全性愈發凸顯。

(2) 使用平頂窯頂是窯爐設計制造的趨勢，有利于保持窯內斷面溫度均勻性，采用型鋼雙拱焊接形式的平頂支吊架，是種經濟實用并可廣泛借鑒的做法。

(3) 通過對窯爐鋼結構架進行有限元強度、剛度分析，對窯爐鋼結構架或類似工程設計具有一定借鑒意義。