鋼廠用爐底輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及成本控制?

侯瑞雪

（包頭鋼鐵集團機械設備制造公司，內(nèi)蒙古包頭 014010）

鋼廠用爐底輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及成本控制?

侯瑞雪

（包頭鋼鐵集團機械設備制造公司，內(nèi)蒙古包頭 014010）

采用有限元分析軟件ANSYS對鋼廠用爐底輥主要結(jié)構(gòu)（內(nèi)伸軸直徑、內(nèi)圓板厚度等），在不同溫度、載荷下的應力及變形狀態(tài)進行分析。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高爐底輥的強度和剛度，同時為兼顧產(chǎn)品經(jīng)濟性進行了成本控制設計。

ANSYS；爐底輥；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；成本控制

1 引 言

爐底輥是一種典型的離心鑄造管件，是冶金裝備中支撐和輸運板坯的重要部件之一，在鋼板連鑄連軋生產(chǎn)線中應用廣泛［1］。軋制成過程中，首先需要將鋼坯在加熱爐中連續(xù)穩(wěn)定加熱至1 050～1 150℃的軋制溫度，通過爐底輥實現(xiàn)板坯的穩(wěn)定支撐，保證平穩(wěn)而均勻的輸送。由于爐底輥中間段直接安裝于鋼坯煅燒爐中，生產(chǎn)過程中爐氣溫度高達1 150℃左右，通常采用ZG45Cr28Ni48W5Si2等高溫合金材料制造。同時，由于爐底輥中間的托料部分直接安裝于爐內(nèi)，而錐段和軸承支撐部分分別安裝于爐壁內(nèi)和鍛燒爐之外，爐底輥的不同部位的溫度梯度很大，因此爐底輥一般由筒體、錐體和軸相互焊接而成，為了減小對錐體內(nèi)表面的燒損，在錐體內(nèi)側(cè)設計有隔熱板。為保證高溫板坯的平穩(wěn)輸送，要求輥軸不變形、外輥環(huán)耐熱耐磨。

研究表明［2－3］，在冶金行業(yè)中爐底輥使用量大，制造成本高，長期處于高溫重載的工況條件，易于發(fā)生失效損壞，而焊縫斷裂、軸頸斷裂、連接體斷裂是爐底輥失效的幾種主要形式。其中主要原因包括：高溫鎳基合金的焊接性能差，容易產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷；焊縫處承受拉－壓交變應力載荷作用，易于發(fā)生疲勞斷裂；焊縫處是冷熱交界區(qū)，大溫度梯度的存在導致熱應力，熱應力將加速其斷裂。雖然從材料和焊接角度嘗試進行改進，但使用壽命方面一直沒有取得明顯的效果。因此通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，改善鋼廠用爐底輥性能并提高其使用壽命，可能是提高產(chǎn)品的質(zhì)量，增強市場競爭力有效途徑，具有重要的研究價值。

2 鋼廠用爐底輥的有限元分析

（1）建立有限元模型 根據(jù)爐底輥的實際結(jié)構(gòu)尺寸，采用有限元分析軟件ANSYS進行分析，建立爐底輥有限元模型。在建模過程中，對原結(jié)構(gòu)作了一些適當簡化，主要忽略了各種摩擦的影響，同時認為各位置焊接均為理想焊接。

根據(jù)計算精度的要求，對模型進行有限元網(wǎng)格剖分。其中薄壁部分均采用殼單元（Shell 63），軸、環(huán)板部分均采用實體單元（Solid 98），完成相應單元實常數(shù)和有關材料參數(shù)的定義工作（楊氏模量EX＝206，熱膨脹系數(shù)為0.45E－6，泊松比為0.28，密度為7 800）。

圖1 鋼廠用爐底輥及其基本結(jié)構(gòu)示意圖

（2）確定約束條件 在分析過程中，除爐底輥軸兩端表面上x方向的角位移自由外，其它線位移和角位移均加以限制，在有限元模型的對稱邊界施加對稱約束，以保證變形的對稱性。

（3）求解及結(jié)果處理 通過分析爐底輥在鋼坯壓力、自重、扭矩以及爐內(nèi)溫度（1 050℃）等載荷作用下Y方向變形以及應力分布狀態(tài)。

圖2 鋼廠用爐底輥的ANSYS分析結(jié)果

由圖2所示結(jié)果可知，爐底輥柱錐焊縫處應力最大，而此處焊縫強度較低，這可以從一定程度上解釋焊縫斷裂為主要失效形式的原因。因此，需要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計來改善應力分布狀態(tài)，盡可能減小柱錐焊縫處的應力。

3 爐底輥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析［4］

（1）伸長軸直徑對爐底輥力學性能的影響 通過下面圖3分別給出的結(jié)果可知，隨著爐底輥的增大，扭轉(zhuǎn)變形合成矢量值隨之減小，由0.664E－3降低為0.512E－3，提高了爐底輥的剛度；但伸長軸直徑由40 mm增大至60 mm時，爐底輥最大應力值并無明顯改變，設計時伸長軸直徑d一般取60 mm左右。

圖3 伸長軸直徑d對爐底輥靜態(tài)性能的影響

（2）環(huán)板厚度對爐底輥力學性能的影響 通過下面圖4分別給出的分析結(jié)果可知，爐底輥的環(huán)板厚度變化時（t＝50 mm、t＝100 mm），對爐底輥的強度和剛度影響較為明顯；環(huán)板的厚度減小時，影響到整個爐底輥的強度和剛度減弱，從而增加了爐底輥在鋼坯自重、電機驅(qū)動和爐內(nèi)溫度共同作用下發(fā)生破壞的可能性，因此設計時可適當增大環(huán)板厚度尺寸。

圖4 環(huán)板厚度t對爐底輥靜態(tài)性能的影響

4 鋼廠用爐底輥的成本控制

機械裝備的制造成本一般由材料成本和加工成本構(gòu)成，前者由材料種類和毛坯尺寸所決定，后者由人工費用和設備費用組成。由于機械裝備的復雜性，機械裝備的成本控制一直是難題，降低制造成本的有效途徑是在實施源頭控制，即在產(chǎn)品開發(fā)設計階段分析成本組成，分析零部件結(jié)構(gòu)形式對制造成本的影響，通過修改設計方案、優(yōu)化加工過程以達到降低成本的目的。

（1）在鋼廠用爐底輥設計中既要綜合考慮軸頸大小、環(huán)形板厚度、環(huán)板位置等關鍵結(jié)構(gòu)尺寸，同時在設計過程兼顧產(chǎn)品的經(jīng)濟性，以控制每個零件的制造成本。

（2）選擇材料種類時，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點確定毛坯類型。由于長期在高溫環(huán)境下工作，筒體選用耐高溫鎳基合金通過離心鑄造而成，錐體采用砂鑄后加工而成，而軸則選用高溫合金鍛造而成。

（3）降低材料用量。在滿足爐底輥強度、剛度、焊縫強度的基礎上，控制環(huán)形板厚度、軸頸尺寸及上環(huán)形板位置，減少材料總體用量。

設計選用適當?shù)暮附有问胶凸に?。由于焊縫承受交變載荷，通過選擇適當?shù)暮覆?、坡口形式、工藝參?shù)及熱處理方式，在保證工藝穩(wěn)定性的同時，節(jié)約材料，提高產(chǎn)品的經(jīng)濟性。

總之，在機械裝備產(chǎn)品設計階段降低制造成本是一個復雜的過程，影響因素較多，只有通過分析產(chǎn)品材料、結(jié)構(gòu)、工藝與成本之間的聯(lián)系，建立合理完善的產(chǎn)品－成本模型，才能提高產(chǎn)品質(zhì)量，并從源頭上實現(xiàn)機械裝備的成本控制。

［1］ 鄒家祥.冶金機械設計理論［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1998.

［2］ 徐國濤，張洪雷，王 悅.鋼鐵工業(yè)用陶瓷爐底輥的結(jié)構(gòu)與改進方法探討［J］.陶瓷科學與技術，2008（7）：18－20.

［3］ 余春燕，張小清.爐底輥傳動結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計及應用［J］.冶金設備，2009（2）：26－28.

［4］ 董龍梅，楊 濤，孫 顯.基于ANSYS對壓力容器的應力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.機械設計與制造，2008（6）：99－100.

Structure Optimization and Cost Reduction of the Furnace Bottom Roller

HOU Rui－xue

（Baotou Steel Group Machinery Manufacturing Company，Baotou Mongolia 014010，China）

FEA software ANSYS is applied in stress and strain distributions analysis of key structures in various working condi?tions for the furnace bottom roller.Both the structure optimization design and the cost reduction evaluation is carried out，With the results，the mechanical strength，stiffness and product economical efficiency of the furnace bottom roller are improved.

ANSYS；furnace bottom roller；structure optimization；cost reduction

TH12

B

1007－4414（2013）04－0144－02

2013－06－17

侯瑞雪（1964－），女，山西太原人，工程師，主要從事冶金機械裝備制造、產(chǎn)品成本管理等方面的科研工作。