D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.10.006 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol.31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.2009 料层减荷烧结支撑板数值模拟 左海滨刘征建张旭杨天钧蒋海冰 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083 摘要在烧结台车上安装支撑板，可以支撑起上部烧结饼，减轻下部料层荷重，从而改善下部料层透气性，提高垂直烧结速 度，进而提高烧结生产率.应用ANSYS软件对烧结过程中料层内支撑板的热应力进行模拟，结果表明：烧结过程中，支撑面 中间部位和支撑板窄面中上部是最容易损坏的部位：排矿时，支撑板支脚部位产生应力集中，当支脚厚度大于40mm时可以 满足要求.料层减荷烧结工业试验验证了模拟结果的正确性 关键词炼铁；烧结：支撑板：热应力模拟 分类号TF124.5 Numerical simulation of the stand in load-reduction sintering process ZUO Hai-bin.LIU Zheng jian,ZHA NG Xu,YA NG Tian-jun,JIA NG Hai-bing School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Upper sinter cakes could be supported by the stands installed on the pallets and the load of the lower bed was reduced. As a result the permeability of the lower bed was improved and the sintering velocity increased.moreover the productivity of sintering was boosted.The thermal stress of the stand was simulated during sintering process with ANSYS software.The results revealed that during sintering process the middle of the supporting surface and the middle and upper zone of the narrow surface of the stand were most easily damaged.During discharging,stress concentration occurred at the feet of the stand.When the thickness of the feet was over 40mm the stand worked safely.The validity of simulation results were proved by the industrial trial of load reduction sintering. KEY WORDS ironmaking:sintering:stand:heat stress simulation 烧结生产率的提高主要通过改善料层透气性来 在日本新日铁和我国福建三钢烧结厂得到成功应 实现，国内外对于通过加强原料准备、改善烧结混合 用8-2] 料制粒以及安装合适的松料器等措施改善料层透气 支撑板安置在料层内部，要经历整个烧结过程， 性的研究较多]，近年来，厚料层烧结技术不断 工作条件十分恶劣，当支撑板发生断裂或严重烧损 进步，料层厚度不断提高，烧结饼本身重力在抽风作 后，使用效果大大降低，而且频繁更换支撑板会造成 用下对烧结过程的影响越来越受到重视一).从减 烧结机作业率降低，因此提高支撑板使用寿命是使 轻烧结饼自重在抽风作用下对其下部燃烧熔融带和 该技术获得最大经济效益的关键.本文通过支撑板 预热干燥带的影响出发，提出了料层减荷烧结技术· 热应力模拟，揭示烧结过程中支撑板的工作状态，分 目前料层减荷烧结主要通过磁力悬浮法和料层内安 析支撑板破损的机理，为支撑板材质选择、结构优化 置支撑板的方法来实现，烧结杯实验中，两种方法 提供理论指导， 均能够提高生产率20%以上，并且烧结矿还原性改 1支撑板热应力模型的建立 善.磁力悬浮法由于设备复杂，目前未见工业应用 的报道：而料层内安置支撑板的方法只需对现有烧 1.1支撑板热应力分析数学模型 结机进行简单改造即可，工业实施方便，目前该技术 通过对支撑板工作环境和运行时的受力分析可 收稿日期：2008-12-11 作者简介：左海滨(976一)男，讲师，E-mail:zuohaibin(@metall.sdb.edu.cn
料层减荷烧结支撑板数值模拟 左海滨 刘征建 张 旭 杨天钧 蒋海冰 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 在烧结台车上安装支撑板可以支撑起上部烧结饼减轻下部料层荷重从而改善下部料层透气性提高垂直烧结速 度进而提高烧结生产率．应用 ANSYS 软件对烧结过程中料层内支撑板的热应力进行模拟．结果表明：烧结过程中支撑面 中间部位和支撑板窄面中上部是最容易损坏的部位；排矿时支撑板支脚部位产生应力集中当支脚厚度大于40mm 时可以 满足要求．料层减荷烧结工业试验验证了模拟结果的正确性． 关键词 炼铁；烧结；支撑板；热应力模拟 分类号 TF124∙5 Numerical simulation of the stand in load-reduction sintering process ZUO Ha-i binLIU Zheng-jianZHA NG XuY A NG Tian-junJIA NG Ha-i bing School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT Upper sinter cakes could be supported by the stands installed on the pallets and the load of the lower bed was reduced． As a result the permeability of the lower bed was improved and the sintering velocity increasedmoreover the productivity of sintering was boosted．T he thermal stress of the stand was simulated during sintering process with ANSYS software．T he results revealed that during sintering process the middle of the supporting surface and the middle and upper zone of the narrow surface of the stand were most easily damaged．During dischargingstress concentration occurred at the feet of the stand．When the thickness of the feet was over40mm the stand worked safely．T he validity of simulation results were proved by the industrial trial of load reduction sintering． KEY WORDS ironmaking；sintering；stand；heat stress simulation 收稿日期：20081211 作者简介：左海滨（1976—）男讲师E-mail：zuohaibin＠metall．ustb．edu．cn 烧结生产率的提高主要通过改善料层透气性来 实现国内外对于通过加强原料准备、改善烧结混合 料制粒以及安装合适的松料器等措施改善料层透气 性的研究较多［1—4］．近年来厚料层烧结技术不断 进步料层厚度不断提高烧结饼本身重力在抽风作 用下对烧结过程的影响越来越受到重视［5—7］．从减 轻烧结饼自重在抽风作用下对其下部燃烧熔融带和 预热干燥带的影响出发提出了料层减荷烧结技术． 目前料层减荷烧结主要通过磁力悬浮法和料层内安 置支撑板的方法来实现．烧结杯实验中两种方法 均能够提高生产率20％以上并且烧结矿还原性改 善．磁力悬浮法由于设备复杂目前未见工业应用 的报道；而料层内安置支撑板的方法只需对现有烧 结机进行简单改造即可工业实施方便目前该技术 在日本新日铁和我国福建三钢烧结厂得到成功应 用［8—12］． 支撑板安置在料层内部要经历整个烧结过程 工作条件十分恶劣当支撑板发生断裂或严重烧损 后使用效果大大降低而且频繁更换支撑板会造成 烧结机作业率降低因此提高支撑板使用寿命是使 该技术获得最大经济效益的关键．本文通过支撑板 热应力模拟揭示烧结过程中支撑板的工作状态分 析支撑板破损的机理为支撑板材质选择、结构优化 提供理论指导． 1 支撑板热应力模型的建立 1∙1 支撑板热应力分析数学模型 通过对支撑板工作环境和运行时的受力分析可 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．006
第10期 左海滨等：料层减荷烧结支撑板数值模拟 .1299 知，支撑板不仅承受烧结成矿带的负荷，而且由于燃 1500~1530℃，密度为7700kgm-3,高温下的屈 烧带沿支撑板自上向下运动，支撑板内温度变化导 服极限为453~583MPa,强度极限为534~ 致板内发生热应变，从而产生热应力·因此要对支 711 MPa. 撑板温度场和应力场进行耦合分析 表1材质的物性参数及力学参数 根据能量守恒定律，支撑板传热控制微分方程 Table 1 Physical and mechanical parameters of materials 为： 弹性线膨胀 aT_k a2T 温度/ 导热系数/ 比热容/ 模量/系数/ (1) (WmK)(JkgK) GPa10-6K-1 根据热弹性力学原理，以位移分量表示的支撑板热 20 217 弹性力学平衡方程为： 50~100 473 )2e+GV2u-B2T+x-0 (λ+G)ax 100 25.1 10.5 x 100-200 507 +GV2o-82T+y-0 (+G)万y ay (2) 200 25.9 206 11.0 200-300 54 (a+G号2+G7a-+z=0 ∂x 300 26.8 198 11.5 式(1)和式(2)中，k为导热系数，Wm1K-1;P为 300-400 50 密度，kgm3;Cp为比热容，Jkg1K1；t为时 400 28.1 12.0 间，s;T为温度，℃；u、u和w为x、y和z三个方向 400-500 位移分量，m;X、Y和Z为x、y和z三个方向的体 500 28.9 70 12.0 积分力，Nm-3;λ=E/[(1十)(1一2)]，拉梅常 550 165 数：G=E/2(1+),剪切弹性模量；B=哑/(1一2)， 500-600 754 热应力系数。-++体积应变：7= 600-700 846 ax ay 700-750 904 司x3十，2十2为拉普拉斯算子：E为弹性模量， 750-800 691 515 Pa;a为线膨胀系数，K;μ为泊松比 800-850 给定温度及应力计算的边界条件，联立式(1)和 注：材质的泊松比为0.3. 式(2)可求解出支撑板温度场和应力场 1.3边界条件和初始条件 1.2支撑板结构及材质物性参数 (1)温度场分析初始条件和边界条件.烧结生 假设烧结过程沿台车宽度方向是均匀的，计算 产过程中，支撑板固定在台车上，当燃烧带未到达支 时取1/2支撑板进行分析，支撑板受力及各个面的 撑板时，支撑板温度与周围料层温度相同，为了减小 定义如图1所示.支撑板所用材质为Cr系耐热钢， 过湿层的影响，烧结混合料一般要经过预热，预热温 热物性参数和力学参数见表1.该材质熔点为 度可达60~70℃，计算时取支撑板初始温度为 料层压力P 65℃.支撑板在烧结过程中热量的传递主要以对流 支撑而 换热为主，气体与支撑板间的辐射换热以及烧结矿 侧面宽面 对称血 与支撑板之间的传热是少量的，计算过程中采用第 3类边界条件，利用强制对流换热公式计算出各个 侧由窄面 面的对流换热系数如表213]，对称面为绝热边界， 换热系数为0. 支撑力N 表2支撑板不同壁面的换热系数 Table 2 Heat transfer coefficient of different surfaces Wm-2.K-1 支撑力N 侧面宽面及侧面窄面 支撑面对称面 其他 图1支撑板受力分析及各个面的定义 成矿带燃烧带生料带 Fig.I Force analysis and definition of surfaces 249.2 388.4 103.7 249.2 0 15.47
知支撑板不仅承受烧结成矿带的负荷而且由于燃 烧带沿支撑板自上向下运动支撑板内温度变化导 致板内发生热应变从而产生热应力．因此要对支 撑板温度场和应力场进行耦合分析． 根据能量守恒定律支撑板传热控制微分方程 为： ∂T ∂τ ＝ k ρCp ∂2T ∂x 2＋ ∂2T ∂y 2＋ ∂2T ∂z 2 （1） 根据热弹性力学原理以位移分量表示的支撑板热 弹性力学平衡方程为： （λ＋ G） ∂e ∂x ＋ G ∇ 2u—β ∂T ∂x ＋X＝0 （λ＋ G） ∂e ∂y ＋ G ∇ 2v—β ∂T ∂y ＋ Y ＝0 （λ＋ G） ∂e ∂z ＋ G ∇ 2 w—β ∂T ∂z ＋Z＝0 （2） 式（1）和式（2）中k 为导热系数W·m —1·K —1 ；ρ为 密度kg·m —3 ；Cp 为比热容J·kg —1·K —1 ；τ为时 间s；T 为温度℃；u、v 和 w 为 x、y 和 z 三个方向 位移分量m；X、Y 和 Z 为 x、y 和 z 三个方向的体 积分力N·m —3 ；λ＝ Eμ／［（1＋μ）（1—2μ）］拉梅常 数；G＝E／2（1＋μ）剪切弹性模量；β＝αE／（1—2μ） 热应力系数；e＝ ∂u ∂x ＋ ∂v ∂y ＋ ∂w ∂z 体积应变；∇ 2＝ ∂2 ∂x 2＋ ∂2 ∂y 2＋ ∂2 ∂z 2为拉普拉斯算子；E 为弹性模量 Pa；α为线膨胀系数K —1 ；μ为泊松比． 给定温度及应力计算的边界条件联立式（1）和 式（2）可求解出支撑板温度场和应力场． 图1 支撑板受力分析及各个面的定义 Fig．1 Force analysis and definition of surfaces 1∙2 支撑板结构及材质物性参数 假设烧结过程沿台车宽度方向是均匀的计算 时取1／2支撑板进行分析．支撑板受力及各个面的 定义如图1所示．支撑板所用材质为 Cr 系耐热钢 热物性参数和力学参数见表 1．该材质熔点为 1500～1530℃密度为7700kg·m —3高温下的屈 服 极 限 为 453～ 583MPa强 度 极 限 为 534～ 711MPa． 表1 材质的物性参数及力学参数 Table1 Physical and mechanical parameters of materials 温度／ ℃ 导热系数／ （W·m —1·K —1） 比热容／ （J·kg —1·K —1） 弹性 模量／ GPa 线膨胀 系数／ 10—6 K —1 20 — — 217 — 50～100 — 473 — — 100 25∙1 — — 10∙5 100～200 — 507 — — 200 25∙9 206 11∙0 200～300 — 544 — — 300 26∙8 — 198 11∙5 300～400 — 595 — — 400 28∙1 — 189 12∙0 400～500 — 666 — — 500 28∙9 — 179 12∙0 550 — — 165 — 500～600 — 754 — — 600～700 — 846 — — 700～750 — 904 — — 750～800 — 691 — — 800～850 — 515 — — 注：材质的泊松比为0∙3． 1∙3 边界条件和初始条件 （1） 温度场分析初始条件和边界条件．烧结生 产过程中支撑板固定在台车上当燃烧带未到达支 撑板时支撑板温度与周围料层温度相同为了减小 过湿层的影响烧结混合料一般要经过预热预热温 度可达60～70℃计算时取支撑板初始温度为 65℃．支撑板在烧结过程中热量的传递主要以对流 换热为主气体与支撑板间的辐射换热以及烧结矿 与支撑板之间的传热是少量的．计算过程中采用第 3类边界条件利用强制对流换热公式计算出各个 面的对流换热系数如表2［13］对称面为绝热边界 换热系数为0． 表2 支撑板不同壁面的换热系数 Table2 Heat transfer coefficient of different surfaces W·m —2·K —1 侧面宽面及侧面窄面 成矿带 燃烧带 生料带 支撑面 对称面 其他 249∙2 388∙4 103∙7 249∙2 0 15∙47 第10期 左海滨等： 料层减荷烧结支撑板数值模拟 ·1299·
,1300 北京科技大学学报 第31卷 测定料层内不同高度位置的温度变化是十分困 (2)结构分析边界条件.支撑板与烧结台车算 难的，因此根据前人对烧结杯实验中料层温度变化 条接触部位施加完全约束，其他面为自由边界.支 规律的研究，结合烧结机尾红外摄像仪测量的料层 撑板随台车运行时，在不同阶段承受的上部料层压 温度分布，并考虑料层的自蓄热作用，给出料层不同 力是变化的，当烧结结束时，支撑板所受的负荷达 高度位置的温度变化如图2所示.在台车箅条以 到最大值，为简化计算，取支撑板最大载荷作为支 下，支撑板周围的废气温度利用实测风箱废气温度 撑板的外载荷，并忽略侧面窄面上的压力，烧结矿 给出， 密度随配料发生变化，根据烧结机台时产量及料层 1600 -12mm ▲-180mm =-300 厚度估算烧结矿密度为2000kgm-3,根据每块支 ←-360mm--420mm---40mm- 1400 撑板平均支撑的烧结饼面积计算出作用在支撑面上 1200 的载荷，温度载荷由温度场计算结果直接给出 1000 本文应用基于有限元的ANSYS软件模拟支撑 800 板在烧结过程中的温度及应力变化情况，计算采用 600 间接耦合的方式进行，根据料层高度及烧结时间计 400 算平均垂直烧结速度为21 mm'min1,烧结温度取 200 1300℃，燃烧带宽度取30mm, 101520 25 烧结时间min 2计算结果与分析 图2料层内不同高度位置的温度变化 2.1支撑板温度分析 Fig-2 Change in temperature at different heights of the sintering 烧结不同阶段支撑板内温度分布情况如图3所 bed 示 N N N N 74.985 74985 151.76 151.764 154,482 134482 238529 238.529 233.979 233979 325.29 325293 313.470 313470 412057 412.057 392,973 392973 49882 498.821 472.470 472.470 585.586 585.586 551.9%7 551967 672.350 672.350 63146 631465 759.114 759114 710.962 710.962 822215L 822215 768.778 768778 支撑板表面 支撑板内部 支撑板表面 支撑板内部 b 图3烧结不同阶段支撑板温度分布·()最高温度时刻；(b)烧结结束时刻 Fig.3 Temperature distribution of the stand in different sintering stages:(a)time of the highest temperature:(b)time of the burn through point 从图中看出：整个烧结过程中，当燃烧带到达支 1000 =■=0mm 43 mm ---128mm ---257mm 撑板1/2高度时，支撑板温度达到最高，位于支撑面 ◆--171mm ◆--300 4--86mm 4--214mm mm 800 *--345mm 角部，达到822.2℃.当烧结结束时，支撑板最高温 度下降到768.8℃，位于支撑板中上部靠近支撑面 600 的位置，支撑板下部靠近箅条的位置温度为500℃ 400 左右：台车箅条下面支脚部位温度始终较低，小于 100℃.整体来看，支撑板上半部分温度普遍高于下 200 半部分，而且最高温度位置在烧结过程中，始终位于 200 400 600 800 10001200 中上部，上半部分温度高，高温持续时间长，对材料 时间s 性能影响大.温度为1300℃左右的燃烧带沿支撑 板逐渐向下移动，燃烧带经过之处，温度迅速升高， 图4支撑板窄面温度变化 在支撑板侧面窄面边缘上温度变化最为剧烈，温度 Fig.4 Change in temperature on the narrow surface of the stand 变化如图4所示 从图中看出：燃烧带经过位置，在开始阶段温度
测定料层内不同高度位置的温度变化是十分困 难的因此根据前人对烧结杯实验中料层温度变化 规律的研究结合烧结机尾红外摄像仪测量的料层 温度分布并考虑料层的自蓄热作用给出料层不同 高度位置的温度变化如图2所示．在台车箅条以 下支撑板周围的废气温度利用实测风箱废气温度 给出． 图2 料层内不同高度位置的温度变化 Fig．2 Change in temperature at different heights of the sintering bed （2） 结构分析边界条件．支撑板与烧结台车箅 条接触部位施加完全约束其他面为自由边界．支 撑板随台车运行时在不同阶段承受的上部料层压 力是变化的．当烧结结束时支撑板所受的负荷达 到最大值．为简化计算取支撑板最大载荷作为支 撑板的外载荷并忽略侧面窄面上的压力．烧结矿 密度随配料发生变化根据烧结机台时产量及料层 厚度估算烧结矿密度为2000kg·m —3根据每块支 撑板平均支撑的烧结饼面积计算出作用在支撑面上 的载荷．温度载荷由温度场计算结果直接给出． 本文应用基于有限元的 ANSYS 软件模拟支撑 板在烧结过程中的温度及应力变化情况计算采用 间接耦合的方式进行．根据料层高度及烧结时间计 算平均垂直烧结速度为21mm·min —1烧结温度取 1300℃燃烧带宽度取30mm． 2 计算结果与分析 2∙1 支撑板温度分析 烧结不同阶段支撑板内温度分布情况如图3所 示． 图3 烧结不同阶段支撑板温度分布．（a） 最高温度时刻；（b） 烧结结束时刻 Fig．3 Temperature distribution of the stand in different sintering stages：（a） time of the highest temperature；（b） time of the burn-through-point 从图中看出：整个烧结过程中当燃烧带到达支 撑板1／2高度时支撑板温度达到最高位于支撑面 角部达到822∙2℃．当烧结结束时支撑板最高温 度下降到768∙8℃位于支撑板中上部靠近支撑面 的位置支撑板下部靠近箅条的位置温度为500℃ 左右．台车箅条下面支脚部位温度始终较低小于 100℃．整体来看支撑板上半部分温度普遍高于下 半部分而且最高温度位置在烧结过程中始终位于 中上部上半部分温度高高温持续时间长对材料 性能影响大．温度为1300℃左右的燃烧带沿支撑 板逐渐向下移动燃烧带经过之处温度迅速升高 在支撑板侧面窄面边缘上温度变化最为剧烈温度 变化如图4所示． 图4 支撑板窄面温度变化 Fig．4 Change in temperature on the narrow surface of the stand 从图中看出：燃烧带经过位置在开始阶段温度 ·1300· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 左海滨等：料层减荷烧结支撑板数值模拟 .1301. 迅速上升，随着燃烧带下移，升温速率逐渐减小，之 2.2支撑板应力分析 后随着该位置烧结矿在抽风作用下逐渐冷却，支撑 不同烧结阶段支撑板应力分布如图5所示.从 板温度在达到最高后开始下降，但温度下降速率明 图中看出，支撑板表面应力大于内部应力，在开始 显小于升温速率；这种快速升温、缓慢降温的温度循 阶段，支撑板内最大应力位于支撑面中心部位，达到 环方式对材料的热疲劳强度非常不利，同时在快速 724MPa;随着燃烧带下移，最大应力位置逐渐转移 升温阶段，支撑板边缘受到的热冲击严重，产生很大 到支撑板窄面边缘上，当燃烧带到达支撑板高度 的热应力，此外，从支撑面向下，随着高度的降低， 1/2左右时，支撑板内最大等效应力达到862MPa 最高温度逐渐下降，而且高温持续时间逐渐缩短，支 对于支撑板内部，在整个烧结过程中，除了很小区域 撑板上部更容易损坏 应力较大外，绝大部分区域应力小于300MPa, N W N AN 510.189 510.189 5463 5463 0.830x10 0.830x10 0.988x10 0.9xx10 0,166x10m 0.166x10m 0.198×10 0.9x10 0.24%x10 0249x10 0.2%×10 0.296x10 0332x10 033210 0395x10 0.395x10P 0.415×10 0.415×100 0,494x10 0.494×10 0498×10 0.498×10 0.593x10 0.59x10 0.581×10 0.581×10 0.692x10 0.692x10 0.664x10 0.664x10 0.790x10° 0.790x10° 0.724x10 0.724×10 0.862x10 0.862x10 支撑板表面 支撑板内部 支撑板表面 支撑板内部 (a) (b) 图5不同烧结阶段支撑板应力分布，()燃绕带经过支撑面时刻；(b)最大应力时刻 Fig.5 Stress distribution of the stand in different sintering stages:(a)time when the combustion zone passes though the supporting area:(b)time of the maximum stress 支撑面上应力随时间变化如图6所示，由图6 影响，支撑面应力较大时，温度与应力的分布如图7 可以看出，在整个烧结过程中，支撑面中心区域较大 所示 范围内应力始终大于两边的应力，随着烧结进行， 800 --90s -*-1805-4-270s--3605 850 燃烧带逐渐远离支撑面，在630s左右时，支撑面周 600 750 围温度分布逐渐均匀，支撑面上的应力减小，平均小 于10MPa,随后在抽风作用下，支撑板表面温度开 400 650 始下降，支撑板内温度梯度发生变化，应力逐渐增 大，烧结结束时的应力水平与450s时相当，最大应 550 力在200MPa左右·由于温度对材料的力学性能影 450 响较大，因此在分析热应力的同时还要考虑温度的 0.15-0.10-0.0500.050.100.15 距中心距离m 1000 -m-90s-*-180s-4-270s-,-360s -◆-4505-4-540s--630s-◆-720s 图7支撑板支撑面应力与温度分布 800 -*-810--9005--990s Fig.7 Stress and temperature distribution on the supporting surface of the stand 由图7可以看出，在燃烧带到达支撑面时，支撑 400 板应力最大，而且温度较高，达到500℃以上，非常 200 容易产生龟裂纹，随着烧结进行，应力逐渐下降，但 温度迅速升高，当应力下降到350MPa左右时，温度 0.150.10-0.0500.050.10 0.15 升高到750℃以上·可见，在燃烧带经过支撑面以 距中心距离m 后一段时间内，支撑面中心部位始终处于高温下应 图6支撑面应力变化 力较大的状态，因此支撑面中心部位是最容易损坏 Fig.6 Change in stress on the supporting surface of the stand 的，同时，由于最大应力位置始终位于中心部位，所
迅速上升随着燃烧带下移升温速率逐渐减小之 后随着该位置烧结矿在抽风作用下逐渐冷却支撑 板温度在达到最高后开始下降但温度下降速率明 显小于升温速率；这种快速升温、缓慢降温的温度循 环方式对材料的热疲劳强度非常不利．同时在快速 升温阶段支撑板边缘受到的热冲击严重产生很大 的热应力．此外从支撑面向下随着高度的降低 最高温度逐渐下降而且高温持续时间逐渐缩短支 撑板上部更容易损坏． 2∙2 支撑板应力分析 不同烧结阶段支撑板应力分布如图5所示．从 图中看出支撑板表面应力大于内部应力．在开始 阶段支撑板内最大应力位于支撑面中心部位达到 724MPa；随着燃烧带下移最大应力位置逐渐转移 到支撑板窄面边缘上当燃烧带到达支撑板高度 1／2左右时支撑板内最大等效应力达到862MPa． 对于支撑板内部在整个烧结过程中除了很小区域 应力较大外绝大部分区域应力小于300MPa． 图5 不同烧结阶段支撑板应力分布．（a） 燃烧带经过支撑面时刻；（b） 最大应力时刻 Fig．5 Stress distribution of the stand in different sintering stages：（a） time when the combustion zone passes though the supporting area；（b） time of the maximum stress 图6 支撑面应力变化 Fig．6 Change in stress on the supporting surface of the stand 支撑面上应力随时间变化如图6所示．由图6 可以看出在整个烧结过程中支撑面中心区域较大 范围内应力始终大于两边的应力．随着烧结进行 燃烧带逐渐远离支撑面在630s 左右时支撑面周 围温度分布逐渐均匀支撑面上的应力减小平均小 于10MPa．随后在抽风作用下支撑板表面温度开 始下降支撑板内温度梯度发生变化应力逐渐增 大．烧结结束时的应力水平与450s 时相当最大应 力在200MPa 左右．由于温度对材料的力学性能影 响较大因此在分析热应力的同时还要考虑温度的 影响．支撑面应力较大时温度与应力的分布如图7 所示． 图7 支撑板支撑面应力与温度分布 Fig．7 Stress and temperature distribution on the supporting surface of the stand 由图7可以看出在燃烧带到达支撑面时支撑 板应力最大而且温度较高达到500℃以上非常 容易产生龟裂纹．随着烧结进行应力逐渐下降但 温度迅速升高当应力下降到350MPa 左右时温度 升高到750℃以上．可见在燃烧带经过支撑面以 后一段时间内支撑面中心部位始终处于高温下应 力较大的状态因此支撑面中心部位是最容易损坏 的．同时由于最大应力位置始终位于中心部位所 第10期 左海滨等： 料层减荷烧结支撑板数值模拟 ·1301·
,1302 北京科技大学学报 第31卷 以该部位裂纹发展速度较快，形成的裂纹较深 撑板对料层阻力较大，造成料层有时不能靠自身重 在支撑板侧面窄面上，随着烧结的进行，最大应 力自行排矿，要靠机尾刮刀的冲力把料层冲开，才能 力位置逐渐下移，最大应力值先增大后减小.在支 排矿，这时支撑板支脚要承受较大的冲击力，对烧 撑板1/2高度偏上位置，应力达到最大的860MPa 结矿高温抗压强度的研究表明，在不同温度下其值 左右，支撑板窄面应力达到最大值的前后时刻应 存在较大差异，从几兆帕到30MPa之间[14)，随着温 力、温度分布如图8所示. 度升高，抗压强度下降，对厚度分别为70和40mm 1000 1000 的整体式支脚和由两片厚度为10mm的小脚组成的 --3603--450s-4-540s--6305 中空式支脚在排矿时产生的应力进行模拟.中空式 800 800 主要是考虑降低支撑板重量，降低成本，当烧结饼强 600 600 E 度为7MPa时三种支脚的应力分布如图9所示 从图中看出，三种形式支脚的应力集中都在支 400 400 脚部位，支撑板本体应力都很小，在本体上主要是热 200 200 应力的破坏.支脚厚度为70mm时，支脚部位最大 应力仅为90.3MPa,远小于材料的屈服极限，当支 0 0.050.100.150200.250.30 脚厚度减到40mm时，支脚部位的应力达到 高度m 244MPa,对于一般的耐热钢而言也是安全的，当采 图8支撑板窄面应力与温度分布 用中空式时，支脚由两个l0mm的小脚组成，此时 Fig.8 Stress and temperature distribution on the narrow surface of 小脚的应力达到了2000MPa以上，所以断裂的可 the stand 能性非常大.因此，采用两个10mm厚度支脚组成 整体看来支撑板上下部分应力值相当，但上部 的中空式设计是不可取的.为了进一步考察降低整 温度明显高于下部，而且由温度分析可知，支撑板上 体式支脚厚度的可能性，对烧结饼强度较大的极端 部高温时间长，材质热强度下降，因此支撑板上半部 情况进行模拟.当烧结饼强度增加到30MPa时，支 分的侧面窄面处更容易出现裂纹，同时看到，在支 脚厚度为40mm的支撑板应力分布如图10所示， 撑板侧面窄面上应力最大位置的温度均不高，为 从图中看出，支脚部位的应力集中达到 100200℃，但在最大应力点以上0.025~0.075m 1050MPa,其中大于680MPa的区域主要集中在突 的范围内往往温度较高，应力也较大，容易发生裂 出的小脚根部，进入支脚深度较浅，可能不会马上断 纹，在支撑板窄面上，由于应力最大位置是不固定 裂，但会逐渐产生裂纹，在循环不断的冲击下，断裂 的，因此在窄面上容易出现裂纹的范围较宽，裂纹出 萌生是不可避免的，当烧结矿强度为20MPa时，支 现后，会释放内应力，导致窄面上以细小裂纹居多. 脚部位的最大应力为697MPa,此时接近材料的屈 2.3支撑板支脚部位应力分析 服极限，应该说还是比较安全的，对于支脚厚度为 在烧结过程中，支脚断裂会造成支撑板脱落，给 70mm的支撑板，当烧结饼强度为30MPa时，支脚 烧结过程带来安全隐患，由前面的热应力计算可以 部位的最大应力仅为386MPa,因此支脚厚度为70 看出，烧结过程中支脚部位热应力较小，最高只有几 mm时是安全的，由于烧结饼强度在高温下不是很 十兆帕，而且该部位温度较低，因此烧结过程中发生 高，因此选择支脚厚度时，为了降低重量选择支脚厚 断裂的可能性很小.在排矿时，由于台车粘料或支 度为40mm就可以了， (a) 4961 (b) 723.586 (c) 2400 0.988x10 0266×10 0324×10° 0.198×10° 0.533×10 0.648×10° 0.296×10㎡ 0.799x10 0.972x10° 0.395×10° 0.107×10° 0.130x10m 0.494×100 0.133×10 0.162x10" 0.593×10 0.160x10 0.194×10 0.691×10 0.186x10 0227×100 0.790x10 0.213x10 0.259x10 0.903x10° 0.244×10° 0.296×10° 图9烧结饼强度为7MPa,排矿时支撑板应力分布.(a)支脚厚度70mm;(b)支脚厚度40mm;(c)中空式支脚厚度10mm Fig9 Stress distribution of the stand at discharging when the strength of sinter cakes is 7 MPa:(a)the thickness of supporting feet is 70mm: (b)the thickness of supporting feet is 40mm:(c)the thickness of hollow supporting feet is 10mm
以该部位裂纹发展速度较快形成的裂纹较深． 在支撑板侧面窄面上随着烧结的进行最大应 力位置逐渐下移最大应力值先增大后减小．在支 撑板1／2高度偏上位置应力达到最大的860MPa 左右．支撑板窄面应力达到最大值的前后时刻应 力、温度分布如图8所示． 图8 支撑板窄面应力与温度分布 Fig．8 Stress and temperature distribution on the narrow surface of the stand 图9 烧结饼强度为7MPa排矿时支撑板应力分布．（a） 支脚厚度70mm；（b） 支脚厚度40mm；（c） 中空式支脚厚度10mm Fig．9 Stress distribution of the stand at discharging when the strength of sinter cakes is7MPa：（a） the thickness of supporting feet is70mm； （b） the thickness of supporting feet is40mm；（c） the thickness of hollow supporting feet is10mm 整体看来支撑板上下部分应力值相当但上部 温度明显高于下部而且由温度分析可知支撑板上 部高温时间长材质热强度下降因此支撑板上半部 分的侧面窄面处更容易出现裂纹．同时看到在支 撑板侧面窄面上应力最大位置的温度均不高为 100～200℃但在最大应力点以上0∙025～0∙075m 的范围内往往温度较高应力也较大容易发生裂 纹．在支撑板窄面上由于应力最大位置是不固定 的因此在窄面上容易出现裂纹的范围较宽裂纹出 现后会释放内应力导致窄面上以细小裂纹居多． 2∙3 支撑板支脚部位应力分析 在烧结过程中支脚断裂会造成支撑板脱落给 烧结过程带来安全隐患．由前面的热应力计算可以 看出烧结过程中支脚部位热应力较小最高只有几 十兆帕而且该部位温度较低因此烧结过程中发生 断裂的可能性很小．在排矿时由于台车粘料或支 撑板对料层阻力较大造成料层有时不能靠自身重 力自行排矿要靠机尾刮刀的冲力把料层冲开才能 排矿这时支撑板支脚要承受较大的冲击力．对烧 结矿高温抗压强度的研究表明在不同温度下其值 存在较大差异从几兆帕到30MPa 之间［14］随着温 度升高抗压强度下降．对厚度分别为70和40mm 的整体式支脚和由两片厚度为10mm 的小脚组成的 中空式支脚在排矿时产生的应力进行模拟．中空式 主要是考虑降低支撑板重量降低成本．当烧结饼强 度为7MPa 时三种支脚的应力分布如图9所示． 从图中看出三种形式支脚的应力集中都在支 脚部位支撑板本体应力都很小在本体上主要是热 应力的破坏．支脚厚度为70mm 时支脚部位最大 应力仅为90∙3MPa远小于材料的屈服极限．当支 脚厚 度 减 到 40mm 时支 脚 部 位 的 应 力 达 到 244MPa对于一般的耐热钢而言也是安全的．当采 用中空式时支脚由两个10mm 的小脚组成此时 小脚的应力达到了2000MPa 以上所以断裂的可 能性非常大．因此采用两个10mm 厚度支脚组成 的中空式设计是不可取的．为了进一步考察降低整 体式支脚厚度的可能性对烧结饼强度较大的极端 情况进行模拟．当烧结饼强度增加到30MPa 时支 脚厚度为40mm 的支撑板应力分布如图10所示． 从图 中 看 出支 脚 部 位 的 应 力 集 中 达 到 1050MPa其中大于680MPa 的区域主要集中在突 出的小脚根部进入支脚深度较浅可能不会马上断 裂但会逐渐产生裂纹．在循环不断的冲击下断裂 萌生是不可避免的．当烧结矿强度为20MPa 时支 脚部位的最大应力为697MPa此时接近材料的屈 服极限应该说还是比较安全的．对于支脚厚度为 70mm 的支撑板当烧结饼强度为30MPa 时支脚 部位的最大应力仅为386MPa因此支脚厚度为70 mm 时是安全的．由于烧结饼强度在高温下不是很 高因此选择支脚厚度时为了降低重量选择支脚厚 度为40mm 就可以了． ·1302· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷