工业回转窑卡件结合点热变形数值模拟范文

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摘要：以ANSYS数值模拟为手段，分析了在两种工况下，工业回转窑用锚固卡件结合点的热变形状况。结果表明：在高温下，锚固卡、锚固砖和窑壳均会以回转窑为圆心向外膨胀，因膨胀系数不同三者的膨胀量也有差异但并不明显。在内衬脱落工况下，结合点最大尺寸差为2.237mm。

关键词：回转窑；锚固卡件；热变形分析；数值模拟

引言

回转窑作为水泥、冶金、建材、化工等工业领域的核心设备，其技术性能和使用寿命主要受高温工况下热应力影响[1]。回转窑窑体主要由窑壳、耐火内衬组成，耐火内衬由锚固卡固定在窑壳上。在工业生产中，回转窑窑体内部温度高达1400℃，因材料性质不同，高温下窑壳、组成耐火内衬的锚固转、锚固卡的热膨胀变形量不同，相对位置改变。若窑内锚固卡件结合处尺寸设计不合理，高温下易出现锚固砖缺陷甚至脱落的现象，破坏耐火内衬完整性，进一步缩短回转窑寿命，增加工业生产成本[2]。因此分析研究锚固卡件结合点的热变形及变形后的位置关系，为优化其设计尺寸提供依据，对提高回转窑使用寿命有重要意义。国内针对回转窑内热应力的研究较少，并且主要针对回转窑整体或回转窑烧嘴进行热应力分析，未专门对受热应力变形影响严重的锚固卡件结合处进行分析[3-6]。本文依据实际尺寸建立几何模型，借助成熟的ANSYS软件，采用热-结构耦合的方法，对正常工况与内衬材料脱落情况下，锚固卡件温度分布与热应力、应变进行分析，最后得到其关键点的变形后的坐标并确定其高温下的热变形量。

1几何模型的建立

回转窑是一个近似等截面的长柱体，其长度尺寸远大于横截面的尺寸，在受力情况下，它只受到平行于其截面，且沿纵向长度均布的面力和体力，两端受约束。其耐火衬体模型示意图如图1所示。本文分析的区域为预制砖与锚固卡结合点，因此，可以将模型简化成一个平面应变问题。且由于其结构的对称性，所以取其截面的1/120建立模型，模型如图2所示。

2材料物性与仿真参数

在回转窑中，窑壳采用45钢，锚固钉采用1Cr18Ni9Ti，锚固砖采用莫来石，不同温度下锚固卡、锚固砖和窑壳三种材料的热导率、热膨胀系数由《工程合金热物性》、《最新金属材料速查实用手册》、《有色冶金炉设计手册》查得，热导率如表1所示，热膨胀系数如表2所示。在温度场计算时，将物料温度设置为1400℃。物料与锚固砖忽略对流，热量传递以导热的方式进行。物料和窑壳壁与空气间考虑对流换热和辐射换热，其综合换热系数为72.9kJ/m2•h•℃。物料与在锚固钉和锚固砖结合处设置接触分析，且考虑辐射条件。在结构计算时，对具有对称结构的材料施加对称约束，即模型中锚固钉左侧壁面，窑壳两侧壁面，和耐火砖右侧壁面。

3两种工况下仿真计算与对比分析

本文采用热-结构间接耦合法对模型进行热变形分析，采用利用八节点四边形的热分析单元PLANE77对锚固卡件温度分布进行仿真，在热分析完成后，将锚固卡件节点温度作为体载荷进行结构应力、应变模拟，得到锚固卡件关键点位置变化。仿真计算分别针对回转窑内衬正常、内衬脱落两种工况进行，依据关键点位置变化，对两种工况下变形量进行分析。

3.1正常工况

正常工况温度分布云图如图3所示。锚固卡件温度分布与工程实际情况基本相同，预制砖温度沿径向降低，但锚固钉和窑壳的变化温度不大，锚固钉温度范围为331℃-333℃之间，锚固钉最高温度出现在与锚固砖结合的卡缝中，窑壳的温度范围为327℃-340℃之间。各节点位移分布如图4所示，应力分布如图5所示。由图4可知，三种材料均受热膨胀，沿径向向外膨胀，最大位移量为12.733mm。且锚固钉与锚固砖结合处，径向方向上距离增大。由图5可知，锚固钉所受应力最大，窑壳及三者接触的中间部分所受应力也较大。采集结构应力、应变模拟后锚固卡件关键点位移数据作为锚固卡件结合处尺寸优化的数值依据。关键点对应于几何模型（实体模型）上，如图6所示。关键点坐标位移如表3所示，由表1可知锚固钉长度变形量为0.471mm，窑壳径向厚度变形量为0.229mm，锚固砖的长度变形量为1.375mm。

3.2内衬脱落工况

若考虑内衬材料脱落，高温气流进入锚固钉和锚固砖结合处，导致变形更严重。现假设内衬脱落后，与内衬材料接触的锚固砖壁面、三者结合处的壁面温度都变为1000℃。仿真计算结果图7如下，温度分布图如图7（a）所示，位移变化图如图7（b）所示，应力分布图如图7（c）所示。对比正常工况，内衬脱落工况的锚固卡件整体向外膨胀量更大，最大位移量为39.074mm。内衬脱落工况下，关键点在全局坐标系下变形前后的坐标如表4所示。由表3可知锚固钉长度变形量为1.476mm，窑壳径向厚度变形量为0.746mm。耐火砖的长度变形量为1.414mm。

3.3对比分析

基于ANSYS仿真结果，正常工况和内衬脱落工况下尺寸如图8所示。锚固砖、锚固钉、窑壳三者整体上都是向外膨胀，内衬脱落工况下三者变形量比正常工况下大。总体来说，在两种工况下，锚固钉与锚固砖卡槽处的相对位置变化均不太大，结合处最大尺寸差出现在内衬脱落工况下，最大尺寸差为2.237mm。

4结论

本文依据实际尺寸截取回转窑截面1/120建立几何模型，基于ANSYS软件，采用热-结构耦合的方法，对正常工况与内衬脱落工况下，锚固卡件温度分布、热应力、应变进行分析，为优化锚固卡件尺寸提供依据。（a）正常工况下，锚固卡件在热应力下最大位移量为12.733mm，锚固钉长度变形量为0.471mm，窑壳径向厚度变形量为0.229mm，锚固砖的长度变形量为1.375mm。（b）内衬脱落工况下，锚固卡件在热应力下最大位移量为39.074mm，锚固钉长度变形量为1.476mm，窑壳径向厚度变形量为0.746mm。耐火砖的长度变形量为1.414mm。（c）依据分析两种工况下锚固卡件位移量，绘制模型尺寸图，锚固卡件相对位置变化不太大，其结合处最大尺寸差出现在内衬脱落工况下，最大尺寸差为2.237mm。

参考文献

[1]史德深.浅谈延长中小回转窑窑口衬料使用寿命的途径[J].四川水泥，1995（1）：19-21.

[2]许彩云，辛宇，任红霞，etal.整体炉衬镍铁回转窑锚固件的设计与应用[J].耐火与石灰，2015，40（3）.

[3]邹光明，杨威，李萍，etal.含钒页岩焙烧用回转窑热应力分布的研究[J].铸造技术，2014（7）：1553-1555.

[4]方芳.10000t/d回转窑温度场与热应力有限元分析研究[J].武汉理工大学学报，2008，30（8）：65-68.

[5]孙夏明.回转窑筒体的热应力分析[J].有色设备，1992（6）：27-30.

[6]宋小艳，范勤.回转窑燃气烧嘴流场计算及热应力分析[C]//2013耐火材料综合学术会议（第十二届全国不定形耐火材料学术会议和2013耐火原料学术交流会）.2013.

作者：周浩宇 李谦 刘前 李苹 单位：中冶长天国际工程有限责任公司