高炉布料溜槽的工况分析与高温设计

内， 在高温下作一系列硬度试验， 绘制出硬度-
时间曲线， 得出在高温下抗塑性变形或蠕变的
能力。
3.2 断裂设计方法［4］
构件强度设计以工作温度下材料的断裂许
用 应 力 ［σ］Tr 为 依 据 ， 构 件 最 大 应 力 σ≤ ［σ］Tr，
［σ］Tr =
σTr nr
。
式中 σTr 为材料的持久强度，
由材料
溜槽的结构是由鹅头板与槽身二段用螺栓 连接然后焊接而成， 或采用整体铸造。 一般制
收稿日期： 2010 - 09 - 18 作者简介： 孙一峰 （1955 -）， 男， 高级工程师， 主要从事冶金设备炼铁机械技术研究。
2010 年第 6 期
孙一峰： 高炉布料溜槽的工况分析与高温设计
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附图 溜槽整体应力分布
高炉布料溜槽最初制造方法是： 鹅头板用 整体铸造方法而成。 经对其断口分析， 可以看 到在断裂处有缩孔等缺陷。 这些缺陷也是产生 断裂破坏的重要原因。 因此， 改进铸造制造技 术， 或者运用不同的制造方法以提高力学性能， 是防止破坏的有效措施。 2.3 结构影响
高炉布料溜槽的结构为鹅头形状的结构形 式， 考虑了安装定位的可靠性， 但发生断裂的 部位正是其结构上的应力集中处， 即以上有限 元分析的最大应力发生部位。 因此， 有必要优 化结构设计， 可考虑采用不同的壁厚， 但截面 变化不要过大， 对最大应力部位的改善同样是 一种有效措施。
第 38 卷 第 6 期 2010 年 12 月
金属材料与冶金工程 METAL MATERIALS AND METALLURGY ENGINEERING
Vol.38 No.6 Dec 2010
高炉布料溜槽的工况分析与高温设计
孙一峰
（湘潭钢铁集团有限公司， 湖南 湘潭 411101）
摘 要： 对布料溜槽进行了有限元分析， 同时对其工作情况进行了分析和高温设计， 为优化结构和材
料选择提供了参考依据。
关键词： 高炉； 布料溜槽； 工况分析； 高温设计 中图分类号： TF542+.5 文献标识码： A 文章编号： 1005 - 6084 （2010） 06 - 0016 - 03
Operational Status Analysis together with High Temperature Design of Distributing
Chute in Blast Furnace
SUN Yi-feng
（Xiangtan Iron & Steel Group Co.，Ltd.， Xiangtan 411101， China）
ABSTRACT： The finite element analysis to the distributing chute was carried on， at the same time operational status analysis and high temperature design were also carried on， which provided a reference foundation to optimize selection of structure and stock. KEY WORDS： blast furnace； distributing chute； operational status analysis； high temperature design
≤ ≤ ［σ］Tc=
［ε］ at
1
b 。 式中 ［ε］为许用应变； a， b 为
材料常数； t 为工作寿命期限， h。
对溜槽材料可做蠕变试验， 当然不能在高
温构件实际工况相一致条件下试验， 可采取加
速蠕变试验［4］， 根据实际条件可用间接试验法中
的高温长时硬度法， 即在 0.5 ～ 10 h 的不同 时间
参考文献：
［1］ 龚 曙 光. ANSYS 基 础 应 用 及 范 例 解 析 ［M］. 北 京 ： 机械工业出版社， 2002.
［2］ 成大先. 机械设计手册 （第五版）［M］. 北京： 化学 工业出版社， 2007.
［3］ 宋 余 九. 金 属 材 料 的 设 计 选 用 预 测［M］. 北 京 ： 机 械工业出版社， 1998. 6.
收缩率 ψ／%
60 30
强度极限 屈服极限 σ ／ MPa σ ／ MPa
520
205
450
250
当 采 用 0Cr18Ni9Ti 材 料 时 ， 安 全 可 靠 度 = ［σ］ ／ σ = 520 ／ 116.78 = 4.48。 当采用 ZG20CrMo 材 料 时 ， 安 全 可 靠 度 = ［σ］ ／ σ = 450 ／ 116.78 = 3 . 85 。
常温的一半。 溜槽材料的常温强度设计与时间无关， 而
在高温下长期工作构件有其蠕变特性， 使材料 产生蠕变的应力远小于材料屈服点。 由 “抗拉 性 能 以 及 设 计 应 力 温 度 和 寿 命 关 系 ” 曲 线 ［4］可 知， 低合金耐热钢蠕变温度为 350 ℃， 铁基高温 合金蠕变温度为 540 ℃。
着Ⅲ阶段快速来临， 断裂发生。 所以要考虑蠕变
的影响， 设计时使用持久强度这个指标， 它表示
材料长期在载荷作用下抵抗蠕变断裂的能力。
关注溜槽材料在高温下与时间有关的变形
和断裂， 今后在设计时考虑采用高温设计的二
种方法如下。
3.1 蠕变设计方法［4］
构件强度设计以工作温度下材料的蠕变许
用 应 力 ［σ］Tc 为 依 据 ， 构 件 最 大 应 力 σ≤［σ］Tc，
布料溜槽是处于高温环境下工作， 正常温 度 是 250 ℃ 以 下 ， 而 有 时 在 400 ℃ 以 上 时 间 可 达 30% ～ 40%， 甚至在某段时间达 800 ℃ 甚至更 高。 布料溜槽主要受非常强烈的矿石和焦炭的 连续性冲击， 属于磨料磨损。 这一工作环境导 致了布料溜槽材料性能下降， 发生变形、 磨损 或加剧破坏。 因此， 对于处于高温状态下工作 的金属材料用一般常温下的应力 — 应变关系加 以评定是不合适的， 还必须考虑温度和时间这 两个因素的作用来研究布料溜槽在一定温度下 的应力、 应变和时间之间的关系。 2.2 制造影响
据有关实验数据 “各种抗蠕变材料的最高
服 役 温 度 ”［4］表 明 ， 奥 氏 体 不 锈 钢 在 1 000 ℃ 尚
有一定的应力断裂强度， 而碳钢仅能在 750 ℃保
证强度； 奥氏体不锈钢具有较高的蠕变强度，
但常用于 850 ℃ 以下。
根据金属材料典型蠕变关系曲线［4］ 可知， 当
温度和应力增大， 会使Ⅱ期蠕变阶段缩小， 意味
1 溜槽的最大应力和应力场分布［1］
1.1 整体应力分布
利用有限元分析软件对溜槽模型进行计算， 获得应力分布云图 （见附图）。 从附图上可以看 出， 溜槽销孔处的应力和其下方凹槽处的应力 较大， 在实际生产中的断裂部位正是发生在此 部位。 销孔处受力情况为一向受拉两向受压， 采用等效应力进行校核， 该处最大应力达到 116.872 MPa， 是溜槽最危险 的地方。 另一 处鹅 头板下方凹槽处， 该处受力情况为三向受压， 最大应力达到 58.678 MPa。 1.2 强度计算结果［2］
气密箱布料溜槽是钢铁厂高炉生产中的一 个重要的关键设备， 布料溜槽的结构、 制造工 艺及材质对其使用寿命影响很大。 某炼铁厂气 密箱布料溜槽曾在生产过程中发生了断裂， 严 重影响正常生产。 为找出影响溜槽使用寿命的 原因， 对此布料溜槽作三维有限元分析， 求得 溜槽的最大应力部位和应力场分布。 应用高温 设计理念对其工作状况进行分析研究， 为合理 选择材料、 结构设计及确定制造工艺提供参考。
金属材料与冶金工程
Vol.38 No.6
热疲劳热冲击引起瞬间过大的热应力造成构件
开裂破坏； 其四， 腐蚀准则， 过度氧化材料断
面减小和性能劣化； 其五， 磨损准则， 防止过
度磨损。
举例某厂布料溜槽本体采用耐热不锈钢
0Cr18Ni9Ti 或低合金耐热钢 （正火加回火）， 衬
板采用 GH140 铁基高温合金 （含 CrMoW）。
3 溜槽的蠕变和断裂设计方法
本设计引入高温金属构件结构强度的设计 概念， 充分考虑材料与时间有关的变形和断裂 问题以及高温下腐蚀和疲劳问题。 有几个设计 准则： 其一， 蠕变准则， 保证安全控制过分的 蠕变变形； 其二， 断裂准则， 防止构件的蠕变 断裂； 其三， 疲劳准则， 蠕变-疲劳交互作用，
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［4］ 徐自立. 高温金属材料的性能强度设计及工程应用 ［M］. 北京： 化学工业出版社， 2005.
造溜槽使用 了两种材料 ： 即 0Cr18Ni9Ti 和耐热 铸 钢 ZG20CrMo。 材 料 参 数 见 附 表 。 考 虑 到 在 实际使用中对其变形量不作严格要求， 初步按 常温条件计算静强度， 以强度极限作为强度计 算依据， 取最大应力点计算。
附表 材料参数
名称
密度 ／ g·cm-3
0Cr18Ni9Ti 7．8 ZG20CrMo 7．8
（3） 在溜槽的制造方面， 可采用先进的铸 造技术以保证质量， 或采用整块经过压力加工 的钢板切割弯曲成形的制造方法， 完全避免由 于铸造缺陷导致的破坏， 有效地提高使用寿命。 例如采用奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9Ti 的板材制造， 它有优良的耐腐蚀性和耐热性， 焊接性能良好， 无淬硬性， 也无晶粒粗大化， 但也会产生热裂 纹。 因此在焊接工艺设计上尽量降低熔池温度和 接头应力。 构件结构的疲劳寿命与焊接接头几何 形状有关， 要防止突变接头， 要圆滑过渡。 焊后 必须进行热处理， 对焊缝做无损探伤。
2 寿命分析
高炉布料溜槽是低速、 高温下工作， 根据 有限元分析与强度计算结果， 从理论上分析， 此结构设计在其正常工作条件下应该足够， 但 在实际生产过程中发生了断裂事故， 断裂处为 鹅头板销孔处和鹅头板下方凹槽处， 为此对溜 槽进行综合分析。 2.1 高温影响［3］
钢的高温性能包括抗氧化性和热强性； 碳 钢 和 低 合 金 钢 在 400 ℃ 以 下 有 抗 氧 化 性 和 一 定 强度， 但在高温下强度发生变化， 呈降低的趋 势 。 根据 “温度对 金属材料疲 劳 极 限 影 响 ”［4］曲 线， 低 碳 钢 超 过 450 ℃， 强 度 急 剧 下 降 ； 不 锈 钢 超 过 650 ℃， 强 度 下 降 。 铁 基 合 金 高 温 时 材 料的疲劳强度 - 寿命曲线也表明高温时强度是
的 L - M 曲线图确定的应力； nr 为以持久强度为
基础的安全系数。
另外还要考虑高温疲劳设计的内容， 影响
高温疲劳性能的因素有材料、 温度、 应力集中、
频率、 表面状态。 对高炉布料溜槽这种重要部件， 可摸索一
种高温疲劳寿命预测方法， 有一种线性累积损 伤 法 。 该 方 法 假 设 蠕 变 损 伤 D1 和 疲 劳 损 伤 D2 可以线性相加， 当 D1 + D2 = 1 发生失效。 但对于 布料溜槽这种小应变范围、 长保持时间的高温 疲劳工况设计， 其 D 值比较难确定。
4结论
高炉布料溜槽在目前使用条件下， 由于不 能给出其准确的使用寿命， 在实际生产中为保 障安全大多是凭经验确定更换时间 （可能还有 较大的使用余量）， 故不能获得最大经济效益。 为此：
（1） 对于布料溜槽的设计采用高温金属构 件结构强度设计方法， 能够较准确、 较经济的 选择材料和结构。
（2） 为保证布料溜槽较长的使用寿命， 布 料溜槽工作温度要控制在 350 ～ 450 ℃ 以下。