工業回轉窯卡件結合點熱變形數值模擬范文

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摘要：以ANSYS數值模擬為手段，分析了在兩種工況下，工業回轉窯用錨固卡件結合點的熱變形狀況。結果表明：在高溫下，錨固卡、錨固磚和窯殼均會以回轉窯為圓心向外膨脹，因膨脹系數不同三者的膨脹量也有差異但并不明顯。在內襯脫落工況下，結合點最大尺寸差為2.237mm。

關鍵詞：回轉窯；錨固卡件；熱變形分析；數值模擬

引言

回轉窯作為水泥、冶金、建材、化工等工業領域的核心設備，其技術性能和使用壽命主要受高溫工況下熱應力影響[1]。回轉窯窯體主要由窯殼、耐火內襯組成，耐火內襯由錨固卡固定在窯殼上。在工業生產中，回轉窯窯體內部溫度高達1400℃，因材料性質不同，高溫下窯殼、組成耐火內襯的錨固轉、錨固卡的熱膨脹變形量不同，相對位置改變。若窯內錨固卡件結合處尺寸設計不合理，高溫下易出現錨固磚缺陷甚至脫落的現象，破壞耐火內襯完整性，進一步縮短回轉窯壽命，增加工業生產成本[2]。因此分析研究錨固卡件結合點的熱變形及變形后的位置關系，為優化其設計尺寸提供依據，對提高回轉窯使用壽命有重要意義。國內針對回轉窯內熱應力的研究較少，并且主要針對回轉窯整體或回轉窯燒嘴進行熱應力分析，未專門對受熱應力變形影響嚴重的錨固卡件結合處進行分析[3-6]。本文依據實際尺寸建立幾何模型，借助成熟的ANSYS軟件，采用熱-結構耦合的方法，對正常工況與內襯材料脫落情況下，錨固卡件溫度分布與熱應力、應變進行分析，最后得到其關鍵點的變形后的坐標并確定其高溫下的熱變形量。

1幾何模型的建立

回轉窯是一個近似等截面的長柱體，其長度尺寸遠大于橫截面的尺寸，在受力情況下，它只受到平行于其截面，且沿縱向長度均布的面力和體力，兩端受約束。其耐火襯體模型示意圖如圖1所示。本文分析的區域為預制磚與錨固卡結合點，因此，可以將模型簡化成一個平面應變問題。且由于其結構的對稱性，所以取其截面的1/120建立模型，模型如圖2所示。

2材料物性與仿真參數

在回轉窯中，窯殼采用45鋼，錨固釘采用1Cr18Ni9Ti，錨固磚采用莫來石，不同溫度下錨固卡、錨固磚和窯殼三種材料的熱導率、熱膨脹系數由《工程合金熱物性》、《最新金屬材料速查實用手冊》、《有色冶金爐設計手冊》查得，熱導率如表1所示，熱膨脹系數如表2所示。在溫度場計算時，將物料溫度設置為1400℃。物料與錨固磚忽略對流，熱量傳遞以導熱的方式進行。物料和窯殼壁與空氣間考慮對流換熱和輻射換熱，其綜合換熱系數為72.9kJ/m2•h•℃。物料與在錨固釘和錨固磚結合處設置接觸分析，且考慮輻射條件。在結構計算時，對具有對稱結構的材料施加對稱約束，即模型中錨固釘左側壁面，窯殼兩側壁面，和耐火磚右側壁面。

3兩種工況下仿真計算與對比分析

本文采用熱-結構間接耦合法對模型進行熱變形分析，采用利用八節點四邊形的熱分析單元PLANE77對錨固卡件溫度分布進行仿真，在熱分析完成后，將錨固卡件節點溫度作為體載荷進行結構應力、應變模擬，得到錨固卡件關鍵點位置變化。仿真計算分別針對回轉窯內襯正常、內襯脫落兩種工況進行，依據關鍵點位置變化，對兩種工況下變形量進行分析。

3.1正常工況

正常工況溫度分布云圖如圖3所示。錨固卡件溫度分布與工程實際情況基本相同，預制磚溫度沿徑向降低，但錨固釘和窯殼的變化溫度不大，錨固釘溫度范圍為331℃-333℃之間，錨固釘最高溫度出現在與錨固磚結合的卡縫中，窯殼的溫度范圍為327℃-340℃之間。各節點位移分布如圖4所示，應力分布如圖5所示。由圖4可知，三種材料均受熱膨脹，沿徑向向外膨脹，最大位移量為12.733mm。且錨固釘與錨固磚結合處，徑向方向上距離增大。由圖5可知，錨固釘所受應力最大，窯殼及三者接觸的中間部分所受應力也較大。采集結構應力、應變模擬后錨固卡件關鍵點位移數據作為錨固卡件結合處尺寸優化的數值依據。關鍵點對應于幾何模型（實體模型）上，如圖6所示。關鍵點坐標位移如表3所示，由表1可知錨固釘長度變形量為0.471mm，窯殼徑向厚度變形量為0.229mm，錨固磚的長度變形量為1.375mm。

3.2內襯脫落工況

若考慮內襯材料脫落，高溫氣流進入錨固釘和錨固磚結合處，導致變形更嚴重。現假設內襯脫落后，與內襯材料接觸的錨固磚壁面、三者結合處的壁面溫度都變為1000℃。仿真計算結果圖7如下，溫度分布圖如圖7（a）所示，位移變化圖如圖7（b）所示，應力分布圖如圖7（c）所示。對比正常工況，內襯脫落工況的錨固卡件整體向外膨脹量更大，最大位移量為39.074mm。內襯脫落工況下，關鍵點在全局坐標系下變形前后的坐標如表4所示。由表3可知錨固釘長度變形量為1.476mm，窯殼徑向厚度變形量為0.746mm。耐火磚的長度變形量為1.414mm。

3.3對比分析

基于ANSYS仿真結果，正常工況和內襯脫落工況下尺寸如圖8所示。錨固磚、錨固釘、窯殼三者整體上都是向外膨脹，內襯脫落工況下三者變形量比正常工況下大。總體來說，在兩種工況下，錨固釘與錨固磚卡槽處的相對位置變化均不太大，結合處最大尺寸差出現在內襯脫落工況下，最大尺寸差為2.237mm。

4結論

本文依據實際尺寸截取回轉窯截面1/120建立幾何模型，基于ANSYS軟件，采用熱-結構耦合的方法，對正常工況與內襯脫落工況下，錨固卡件溫度分布、熱應力、應變進行分析，為優化錨固卡件尺寸提供依據。（a）正常工況下，錨固卡件在熱應力下最大位移量為12.733mm，錨固釘長度變形量為0.471mm，窯殼徑向厚度變形量為0.229mm，錨固磚的長度變形量為1.375mm。（b）內襯脫落工況下，錨固卡件在熱應力下最大位移量為39.074mm，錨固釘長度變形量為1.476mm，窯殼徑向厚度變形量為0.746mm。耐火磚的長度變形量為1.414mm。（c）依據分析兩種工況下錨固卡件位移量，繪制模型尺寸圖，錨固卡件相對位置變化不太大，其結合處最大尺寸差出現在內襯脫落工況下，最大尺寸差為2.237mm。

參考文獻

[1]史德深.淺談延長中小回轉窯窯口襯料使用壽命的途徑[J].四川水泥，1995（1）：19-21.

[2]許彩云，辛宇，任紅霞，etal.整體爐襯鎳鐵回轉窯錨固件的設計與應用[J].耐火與石灰，2015，40（3）.

[3]鄒光明，楊威，李萍，etal.含釩頁巖焙燒用回轉窯熱應力分布的研究[J].鑄造技術，2014（7）：1553-1555.

[4]方芳.10000t/d回轉窯溫度場與熱應力有限元分析研究[J].武漢理工大學學報，2008，30（8）：65-68.

[5]孫夏明.回轉窯筒體的熱應力分析[J].有色設備，1992（6）：27-30.

[6]宋小艷，范勤.回轉窯燃氣燒嘴流場計算及熱應力分析[C]//2013耐火材料綜合學術會議（第十二屆全國不定形耐火材料學術會議和2013耐火原料學術交流會）.2013.

作者：周浩宇 李謙 劉前 李蘋 單位：中冶長天國際工程有限責任公司