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渣罐是煉鋼過程中存放鋼渣的容器，出鋼前，冶煉爐首先向渣罐倒渣，其鋼渣的溫度達(dá)到了1600℃左右。因此，渣罐承受的熱載荷是巨大的。同時(shí)，盛渣和空罐時(shí)間不同，渣罐的溫度也是變化的，因此渣罐所受的熱載荷比較復(fù)雜。所分析的渣罐為某重工集團(tuán)2012年11月為西亞某國(guó)制造的，罐殼鑄造成型，材料為ZG25，罐殼上設(shè)有耳軸、支撐腿以及吊耳，耳軸座上下部有筋板支撐。渣罐的罐口直徑為4.1m，渣罐高為3.9m。該渣罐在使用不到一個(gè)月的過程中，吊耳、耳軸、支撐腿與罐殼過渡處出現(xiàn)多處開裂，渣罐不能使用，經(jīng)靜力有限元分析其機(jī)械強(qiáng)度足夠，因此，對(duì)該渣罐進(jìn)行熱強(qiáng)度分析，以便找出渣罐使用壽命低的原因。
進(jìn)行有限元熱強(qiáng)度分析，須取得溫度載荷，因此，須首先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。依據(jù)圖紙建立了整體的幾何模型，采用Solidworks軟件，未經(jīng)任何簡(jiǎn)化而構(gòu)建的，其整體幾何模型如圖。渣罐是關(guān)于Y和二兩個(gè)平面對(duì)稱，為減少計(jì)算量，有限元分析時(shí)簡(jiǎn)化成1/4模型，在ANSYS中將其轉(zhuǎn)化成有限元模型。模型采用三維實(shí)體單元SOLID70。利用ANSYS軟件的智能劃分網(wǎng)格工具，將渣罐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，溫度場(chǎng)計(jì)算中涉及到材料的熱膨脹系數(shù)、比熱容等物性參數(shù)來源于有關(guān)文獻(xiàn)。渣罐的內(nèi)表面定義為第一類邊界條件—平均溫度，為1600℃。渣罐的外表面受自然對(duì)流和輻射換熱影響，因此加載時(shí)要考慮受自然對(duì)流換熱系數(shù)h和熱輻射換熱系數(shù)h：共同影響的綜合對(duì)流換熱系數(shù)h1，由圖可知，吊耳與罐殼交接處T，點(diǎn)的溫度達(dá)到了560℃，支撐腿與罐殼交接處兀點(diǎn)溫度達(dá)到了400℃，耳軸座下筋板與罐殼接觸處爪點(diǎn)溫度達(dá)到了650℃，耳軸座上筋板與罐殼接觸處T4點(diǎn)溫度達(dá)到了240℃。
溫度載荷僅僅是一種表征，而熱應(yīng)力的大小是判斷渣罐長(zhǎng)壽化以及設(shè)計(jì)是否合理的定量指標(biāo)之一，因此采用間接法進(jìn)行熱一應(yīng)力藕合分析。熱應(yīng)力分析所需的物性參數(shù)如彈性模量、熱膨脹系數(shù)參照文獻(xiàn)選取。熱應(yīng)力的計(jì)算模型同溫度場(chǎng)相同，轉(zhuǎn)化單元類型，把熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，溫度載荷以整個(gè)溫度場(chǎng)的形式加入，即以文件形式加入，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力分析。加入兩個(gè)對(duì)稱約束，經(jīng)計(jì)算得到的熱應(yīng)力如圖所示，由圖可知，耳軸下筋板與罐體的接觸處熱應(yīng)力最大，達(dá)到2910MPa，遠(yuǎn)高于材料的屈服極限。耳軸上筋板與罐口邊緣的接觸處熱應(yīng)力達(dá)到648MPa，高于材料的屈服極限。吊耳和筋板與罐殼的接觸處的應(yīng)力達(dá)到324MP-1620MPa，高于材料的屈服極限。支腿和罐殼的接觸處達(dá)到324MPa。以上分析可知，渣罐在使用過程中存在很大的熱應(yīng)力，且多處熱應(yīng)力均超過材料的屈服極限。
根據(jù)應(yīng)力幅度和預(yù)期導(dǎo)致破壞所需的循環(huán)次數(shù)，可將疲勞分為以下兩類:交變應(yīng)力大小適中，在材料中幾乎不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的塑性變形。處在這種載荷下的零件，在疲勞失效發(fā)生前可以承受最高循環(huán)次數(shù)為1000到106次。用來描述高周疲勞的方法稱為是基于應(yīng)力-壽命(S-N)的方法。該曲線反映導(dǎo)致疲勞失效所需的應(yīng)力水平與循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。交變應(yīng)力具有較高的數(shù)值，并產(chǎn)生顯著的塑性變形。由于較高的應(yīng)力水平，零件在相對(duì)少的周期載荷下而失效，故此命名為低周疲勞。目前對(duì)于低周疲勞的研究和計(jì)算都不成熟。根據(jù)渣罐實(shí)際工藝：盛渣、空罐完成一個(gè)周期需6小時(shí)，一晝夜使用次數(shù)為4次，一個(gè)月使用次數(shù)為120次，因此該渣罐的使用次數(shù)過少。根據(jù)熱應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，該渣罐多處應(yīng)力值超過屈服極限，渣罐將產(chǎn)生塑性變形。因此渣罐破壞屬于低周熱疲勞破壞。1)改進(jìn)的方法是把渣罐現(xiàn)有的塑性變形通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)使其變?yōu)閺椥宰冃�，即降低渣罐的熱�?yīng)力數(shù)值。使其由低周疲勞變?yōu)楦咧芷凇?)渣罐本體可以看成一薄殼結(jié)構(gòu)，薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)：(1)應(yīng)盡可能避免殼的局部地方有較大的垂直殼面的載荷，以免在這些地方造成較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩；(2)為減小局部應(yīng)力的邊緣效應(yīng)，有結(jié)構(gòu)突變處要采用圓滑過渡形式。
采取以上措施將使渣罐的熱應(yīng)力顯著降低。1)因此渣罐結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行著手：(1)罐體下方支撐腿與罐體之間的過渡有“死角”。存在應(yīng)力集中。(2)由于耳軸及吊耳等對(duì)罐殼熱膨脹的限制，形成了垂直于殼面的載荷，造成了局部罐殼的強(qiáng)度不足。(3)支腿筋板與罐體的過渡圓角過小。罐殼熱膨脹時(shí)，使殼在過渡處產(chǎn)生過大的彎曲力矩。2)基于以上幾點(diǎn)考慮，主要在以下方面做出了改進(jìn)。(1)增大支撐腿與罐體、筋板與罐體等接觸處圓角，以減少過渡處形成的應(yīng)力集中。(2)在耳軸下方、吊耳下方附加加強(qiáng)板，增大罐殼厚度，提高殼抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩的能力，改進(jìn)如圖所示。將改進(jìn)后的模型取1/4，利用ANSYS軟件將幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型進(jìn)行熱應(yīng)力分析，參數(shù)設(shè)置與改進(jìn)前的相同。得到的等效熱應(yīng)力云圖如圖。通過熱應(yīng)力云圖對(duì)比分析可知，耳軸下筋板與罐體的接觸處熱應(yīng)力由原來的2910MPa減小到111MPa，低于材料的屈服極限。耳軸上筋板與罐口邊緣的接觸處熱應(yīng)力由原來的648MPa減小到200MPa，低于材料的屈服極限。吊耳和筋板與罐殼的接觸處的應(yīng)力由原來的324MPa-1620MPa這一區(qū)間降到了68MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限。因此渣罐的疲勞破壞形式由低周疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧芷凇?br />
1)改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案解決了渣罐熱應(yīng)力過大的問題，渣罐疲勞破壞形式由低周疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧芷冢龃罅嗽薜氖褂么螖?shù)，延長(zhǎng)了渣罐的壽命。2)依據(jù)本文改進(jìn)后的渣罐至今仍在使用，說明改進(jìn)是成功的。
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