鍍鋅機組退火爐W型輻射管損傷的數值模擬研究

張富明，王道金，王曉斌，張秋生，周麗君

(1.首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063000；2.華北理工大學，河北 唐山 06300)

0 引言

熱鍍鋅退火爐是冷軋關鍵設備之一，而W型輻射管是冷軋產線重要的加熱裝置[1]。該裝置主要包括三部分：輻射管本體、燒嘴、換熱裝置。

W型輻射管最重要的部位是輻射管管體。輻射管體一旦變形、開裂，將嚴重影響爐內的氣氛，從而影響帶鋼的質量。輻射管長期處于高溫狀態之中，長時間在惡劣的環境下，產生熱應力，從而發生變形，甚至開裂[2]。

針對某熱鍍鋅產線中輻射管變形和開裂的情況進行分析和研究，通過建立有限元模型分析與現場的實際情況對比，然后查找缺陷薄弱環節，并建模優化其結構，進行相應的仿真模擬，提高其抵抗變形的能力，延長輻射管的使用壽命，為輻射管的結構優化提供借鑒。

1 熱鍍鋅W型輻射管使用現狀

某鋼鐵企業生產實際中的輻射管變形嚴重，部分輻射管管體甚至出現開裂現象。輻射管的結構如圖1所示。

圖1 輻射管結構圖

由于W型輻射管在使用過程中經常出現損壞和破裂，給企業的生產經營造成了巨大的損失。如果輻射管破裂沒有被及時發現，輻射管的空燃比一般都是大于1，就會導致過量的燃燒空氣進入爐膛內，影響爐內氣氛，從而影響帶鋼表面質量。

為此，研究分析某鍍鋅產線退火爐內的W型輻射管，該輻射管長期處于高溫以及變化溫度的惡劣環境下，輻射管經常出現彎曲破壞及變形破壞，導致應力失效[3]。為了解決該問題，對其結構進行數值模擬分析，并設計優化輻射管結構，對提高輻射管的使用壽命具有重要的指導借鑒意義。

2 熱鍍鋅輻射管開裂變形原因探討

2.1 輻射管材料選擇

熱鍍鋅W型輻射管的材質一部分為G-X40NiCrNb3525合金，含量為C0.4%、Cr25%、Ni35%、Nb1%。它是一種高溫合金，以鐵、鎳、鈷為基，能在900 ℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作。另一部分材料為G-NiCr28w，其中鉻具有耐蝕與耐氧化抗腐作用，鉻元素具有強化作用，在650 ℃～1 000 ℃高溫下有較高的強度和抗氧化、抗燃氣腐蝕能力，它主要應用于高溫零部件，包括應用在退火爐設備上[4]。

通過對輻射管材料的分析，材料的選擇和使用過程中材質的變化很小，故排除輻射管材料影響形變。

2.2 高溫對輻射管的影響

輻射管長期處于高溫環境下，輻射管的腔內發生煤氣燃燒反應，并且在空氣過剩的條件下，輻射管內壁容易發生氧化[5]。燒嘴的頻繁啟停導致腔體內高溫氣流不穩定，產生局部受熱不均，產生熱應力。

根據燃燒理論，應用Workbench軟件對輻射管的管壁溫度場進行數值模擬，如圖2所示。從整個燃燒腔體看，除了底部煤氣空氣混合區域的溫度高之外，其他部位溫度均勻，溫度相差在200 ℃以內，并且輻射管的工作溫度都在950 ℃左右，滿足輻射管的工作環境條件。

圖2 輻射管管壁溫度分布圖

從現場的結構上分析，熱應力不是使輻射管開裂變形的根本原因。

2.3 輻射管結構的影響

從輻射管變形的結構和形狀發現存在共性：輻射管下半部分管體整體下沉，由此可推斷輻射管結構存在設計缺陷，故對輻射管進行有限元分析。

將仿真分析結果與實際應用的輻射管損壞缺陷進行對比、驗證，分析損壞原因。并利用三維建模SolidWorks和Ansys進行聯合分析。根據輻射管損壞原因，優化輻射管結構，并與原始結構進行對比，分析優化后結構的可行性。

3 熱鍍鋅輻射管數值模擬

3.1 輻射管三維模型建立

為提高Ansys的計算效率以及順利實現網格劃分，在建模時避免點接觸。利用SolidWorks對輻射管進行建模，將三維模型保存成STP格式文件，然后利用Ansys軟件的CAD接口，將模型導入[6]。三維模型如圖3所示。

圖3 輻射管三維模型圖

3.2 材料選擇及模型網格建立

輻射管管體主要分為兩種材料，輻射管由于溫度較高，故下半部分為G-NiCr28w，上半部分為G-X40NiCrNb3525。耐熱鋼的使用溫度為900 ℃～1 200 ℃。表1為兩種材料在不同溫度下對應的抗拉強度、屈服強度和延伸率等性能參數[7-8]。

表1 輻射管材料屬性

網格劃分選用的是四面體網格劃分，如圖4所示。選擇單元大小為4 mm，邊長為1 mm的實體單元，并且由Ansys Workbench直接進行網格劃分，劃分后的節點和單元格數分別為50 021、25 693。

圖4 輻射管網格劃分

3.3 邊界條件設置

根據輻射管的實際情況，區域溫度按照930 ℃設定；考慮管體自身的重力，重力加速度g=9.8 N/kg；在兩個牛腿處、輻射管入出口4處分別添加固定約束[9]。

3.4 結果分析

圖5和圖6分別為輻射管應力、應變分布圖。

圖5 輻射管應力分布圖

圖6 輻射管應變分布圖

從應力和應變的分析結果可知，受力比較危險的區域有兩處。分別是輻射管下部的入口處、右側吊耳處區域。

從模擬分析結果得到，最大應力位于吊耳處342 MPa；最大變形發生在輻射管底部彎曲和吊耳處為45 mm。最大應力遠遠超過屈服強度，故發生結構形變、甚至破裂，不滿足使用要求。

4 熱鍍鋅輻射管結構優化的數值模擬

對輻射管的薄弱環節進行分析，并提出合理化模型，然后用軟件進行分析，以便更好地指導生產實踐。

4.1 輻射管損壞的分析

某冷軋鍍鋅產線，年修期間檢查發現輻射管變形開裂，退火爐輻射管的損壞，嚴重影響設備的使用壽命。輻射管變形開裂，如果不及時發現會導致燃燒廢氣滲進爐內，影響爐內氣氛，造成帶鋼表面的氧化[10]。

經過檢查發現輻射管大部分破損發生在X、Y處，分別為燒嘴入口處、吊耳處。如圖7所示。

圖7 輻射管變形開裂圖

輻射管材料長期在高溫下工作，它的抗蠕變性會下降，所以X處溫度最高，屈服強度會變低，最容易發生變形。但考慮到是在Y處吊耳處首先斷裂，造成輻射管體下半部分無支撐，才引發X處變形嚴重，故斷定Y處結構是輻射管發生破裂的主要原因。

4.2 輻射管結構改進的數值模擬

通過對原有輻射管的結構進行仿真模擬，發現薄弱環節的關鍵在吊耳處的結構。因此建模設計出一種新的改進方案，進行有限元分析。

首先對吊耳處的結構進行改進，其次對輻射管下半部分增加牛腿，從而提高結構的力學性能。改進后模型如圖8所示。然后對優化后模型進行有限元分析，結果如圖9、圖10所示。

圖8 優化的結構模型

圖9 優化模型的應力分布圖

圖10 優化模型的應變分布圖

從數值模擬的結果上看，改進后的方案4個支管的受力相對比較均勻，沒有出現較大區域的應力集中。模型優化后最大應力為102 MPa，最大應變1 mm，相比于原來的輻射管結構，應力和應變較之前有了大幅度降低，達到設計要求。

5 結語

基于某冷軋廠W型輻射管變形破損問題，通過SolidWorks和Ansys軟件進行有限元分析，得到結論如下：

1)通過應用實踐，發現輻射管開裂的位置主要集中在兩個位置，分別為燒嘴入口處、吊耳處。通過對輻射管SolidWorks建模，并進行數值模擬，最大應力為342 MPa，超過材料的屈服強度。燒嘴應力集中區域發生吊耳區域和燒嘴的入口處。

2)通過對輻射管損壞原因進行分析，發現吊耳處結構設計不合理，并且輻射管下半部分無支撐，導致輻射管下半部分受力集中。

3)對原有輻射管結構進行優化建模，并進行數值模擬分析。先對吊耳處的結構進行改進，再對輻射管下半部分增加牛腿，從而提高結構的力學性能。通過力學性能分析，輻射管的結構應力下降至102 MPa。設計后的結構較之前有明顯改善，為輻射管結構改進提供了借鑒方向。