鑄渣機(jī)熱應(yīng)力的研究與分析

丁 慧，趙朝軍

(1.中國瑞林工程技術(shù)有限公司，江西 南昌330031;2.河南豫光金鉛集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 濟(jì)源459000)

在溫度改變時，物體由于外在約束以及內(nèi)部各部分之間的相互約束，使其不能完全自由脹縮而產(chǎn)生的應(yīng)力為熱應(yīng)力，又稱溫度應(yīng)力。

對于機(jī)械設(shè)備，如果熱應(yīng)力處理不當(dāng)，一旦阻礙設(shè)備自由熱脹冷縮，設(shè)備在使用過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)變形或焊縫開裂等現(xiàn)象，輕則降低使用效果，重則可能機(jī)毀人亡。所以，有必要合理處理熱應(yīng)力對設(shè)備的影響。

1 鑄渣機(jī)基本情況

鑄渣機(jī)用于銅渣或鉛渣的澆鑄，銅渣主要是用于澆鑄轉(zhuǎn)爐渣，鉛渣主要是澆鑄氧化爐流出的高鉛渣。

工作流程，渣從爐子流出后通過溜槽從澆鑄點流入鑄渣機(jī)的渣模，渣模固定在鏈運機(jī)上，渣模內(nèi)的渣被鑄渣機(jī)上的鏈運機(jī)逐漸從澆鑄點通過空冷和水冷區(qū)域后運送到渣錠出口，再排出，如圖1所示。

入口的渣溫:約1 000℃

出渣口渣溫:300～600℃

鑄渣機(jī)長度:約40～90m

機(jī)架斜度:α。

(具體長度需根據(jù)實際使用確定)

圖1 鑄渣機(jī)簡圖

根據(jù)工藝的要求，如果出渣口需要低溫渣或者鑄渣機(jī)長度受限制，就必須設(shè)置噴淋水冷系統(tǒng)，如果對出渣口的渣溫沒有溫度要求，可以直接空冷，但出渣口的渣內(nèi)部必須已經(jīng)凝固，否則一旦掉落后可能會結(jié)在一起。

2 鑄渣機(jī)熱變形分析

鑄渣機(jī)的溫度差主要由以下兩種情況產(chǎn)生:

(1)客觀溫差:由當(dāng)?shù)丶竟?jié)和氣溫變化而產(chǎn)生，

(2)主觀溫差:由高溫原料經(jīng)過熱傳導(dǎo)、熱輻射等途徑傳遞到設(shè)備而產(chǎn)生。

下面對因為高溫原料的主觀溫差產(chǎn)生的變形進(jìn)行分析。

某鑄渣機(jī)底部共有11個支柱子做支撐，支柱等距離排列，那么每個支柱之間的鑄渣機(jī)長度為L，整個鑄渣機(jī)的長度即為10L。根據(jù)噴淋區(qū)可以把鑄渣機(jī)分成三部分，高溫空冷區(qū)域、水冷區(qū)域、空冷區(qū)域，如圖1所示。

高溫空冷區(qū)域:鑄渣機(jī)渣從澆鑄點流入鑄渣機(jī)內(nèi)的模具，渣在高溫空冷區(qū)域把溫度散發(fā)到空氣。所占長度為3L，該區(qū)域渣的表面溫度約1 000℃，渣溫傳遞到設(shè)備后，該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備表面溫度約100℃。

水冷區(qū)域:高溫渣在該區(qū)域通過噴淋水冷方式把渣的表面溫度迅速降低，渣的內(nèi)部溫度不斷往外擴(kuò)散。可以按冷卻要求設(shè)置頂部噴淋和底部噴淋裝置。所占長度為5L。渣的溫度一旦進(jìn)入水冷區(qū)域后，表面溫度將會急劇降低，該區(qū)域渣的表面溫度約100～250℃。該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備表面溫度約30～60℃。

空冷區(qū)域:渣經(jīng)過水冷區(qū)域后，又進(jìn)入了空冷區(qū)域，通過空氣帶走熱量。在該區(qū)域內(nèi)，渣的內(nèi)部溫度繼續(xù)往外擴(kuò)散，表面溫度逐漸提高。所占長度為2L，該區(qū)域渣的表面溫度約200～400℃，該區(qū)域內(nèi)的設(shè)備表面溫度約30～60℃。

整個鑄渣機(jī)的長度為10L，高溫空冷區(qū)域長為3L，若設(shè)備溫差100℃，那么根據(jù)熱膨脹系數(shù)，其膨脹量約0.003L。水冷區(qū)域和空冷區(qū)域約7L，若設(shè)備溫差50℃，其膨脹量約0.0035L。

本文重點分析如何釋放以上的伸縮變形，而避免熱應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)焊縫斷裂或軌道變形等現(xiàn)象，影響鏈運機(jī)的長期穩(wěn)定運行。

3 熱應(yīng)力的解決方案研究

鑄渣機(jī)本體的變形量最終反應(yīng)到了鑄渣機(jī)的底部支柱上，使支柱受彎。熱應(yīng)力大小即為受彎支柱施加在鑄渣機(jī)上的力與受力橫截面的關(guān)系，所以熱應(yīng)力大小由支柱的剛度決定。支柱越短，應(yīng)力越大，從圖2可以看出，高溫區(qū)支柱短，且變形量大，那么其應(yīng)力主要集中在高溫區(qū)。

對于該設(shè)備，如果要完全消除設(shè)備的熱應(yīng)力，其底部的支柱變形必須全部能釋放，但其成本特別高。合理的處理方式應(yīng)該是在降低成本的前提下使變形得到較好釋放。鑄渣機(jī)底部為鋼架支撐，鋼架越高，其柔性越大，自身可以釋放熱應(yīng)力，并且越靠近鑄渣機(jī)兩端，變形越大。

根據(jù)以上分析，做3項處理。

(1)為了避免受熱設(shè)備向一個方向變形，可以在設(shè)備中間某點對鑄渣機(jī)完全固定，受熱后使其同時往兩端變形，相應(yīng)的變形量縮小約一半。

(2)低溫區(qū):由于低溫區(qū)域的鋼架支撐柔性較大且溫度較低，產(chǎn)生的應(yīng)力較小，可以直接固定，其設(shè)備變形由底部支柱彎曲變形來補償。

(3)高溫區(qū):尾部高溫區(qū)域的支撐剛性大且溫度很高，如果直接固定將會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，于是設(shè)計成滑動連接，這樣可以完全釋放熱變形。

通過以上分析，可以得出如圖2所示的方案。完全固定了高溫區(qū)域和低溫區(qū)域交界處的支柱，對高溫空冷區(qū)域的支柱設(shè)計成底部活動連接，水冷區(qū)域和空冷區(qū)域支柱設(shè)計成底部固定連接。

圖2 支柱圖

4 熱應(yīng)力的大小分析

對于受約束的構(gòu)件，熱應(yīng)力可以根據(jù)下式計算

式中:a為線膨脹系數(shù);E為彈性模量;Δt為設(shè)備溫差

從式(1)可知，如果是碳鋼設(shè)備，100℃的溫差，在受約束的情況下其應(yīng)力可以達(dá)到250MPa，達(dá)到了碳鋼的屈服極限，所以若不釋放變形，將有損設(shè)備。

所有力和作用力都是相對的，只有受約束才會產(chǎn)生熱應(yīng)力，對于該鑄渣機(jī)而論不需通過式(1)單獨分析鑄渣機(jī)本身應(yīng)力的大小，只需計算約束體對鑄渣機(jī)的作用力，計算鑄渣機(jī)的熱變形使底部支柱產(chǎn)生的形變，再用支柱的變形量計算鑄渣機(jī)的真實受力。

機(jī)架被底部支柱分成10等份，若1號支柱的剛度為K，那么根據(jù)式(2)，可以計算出其他支柱的剛度。

支柱的變形和受力的關(guān)系如式(2)所示

式中:P為支柱的受力;E為支柱彈性模量;I為支柱慣性矩;h為支柱的高度;f為支柱變形量;K為支柱剛度，

鑄渣機(jī)的變形量根據(jù)式(4)可以計算出來。

式中:a為線膨脹系數(shù)，取11/10－6℃－1［2］;L為設(shè)備長度;Δt為設(shè)備溫差。

根據(jù)式(2)和式(4)，可以計算出鑄渣機(jī)的總力，如表1所示。表中計算結(jié)果已經(jīng)忽略了柱子變形而導(dǎo)致鑄渣機(jī)機(jī)架的受壓變形，實際受力略小于表中數(shù)值。從表中可以看出，經(jīng)過合理的設(shè)計，高溫段的受力已經(jīng)完全釋放，低溫段底部的支柱柔性變形而降低了受力。變形量大的1號支柱，其產(chǎn)生的力卻很小，因此整個設(shè)備的力得到了合理的控制。

表1 計算結(jié)果表

式(3)可以看出，力只與變形量和支柱的剛度有關(guān)，如果要繼續(xù)降低其大小，必須在滿足安全使用的條件下減小支柱的剛度，對支柱的具體設(shè)計在此不做贅述。

5 結(jié)論

本文提出了一種針對鑄渣機(jī)熱應(yīng)力的處理方法。并且提出底部支柱的分布與支柱對熱應(yīng)力的影響和具體計算方法，該方法經(jīng)濟(jì)有效的解決了熱應(yīng)力對設(shè)備的影響。該解決方法具有通用性，對于其它類似產(chǎn)品處理熱應(yīng)力有借鑒作用。

［1］帥健，管道及儲罐強(qiáng)度［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2006.

［2］成大先，機(jī)械設(shè)計手冊(第一卷).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.9:1－11