杨泽然

(中钢集团邢台机械轧辊有限公司，河北邢台054000)

摘要: 腹板为焦炉重要密封部件，其密封效果和使用寿命对整个焦炉的影响至关重要。预测腹板疲劳寿命，需要判断腹板应力集中区域，使用ANSYS 有限元分析软件对使用工况下的1． 5 mm 和2． 5 mm 两种厚度的焦炉腹板进行了力学分析，得到腹板工况应力图。分析结果表明，最大应力出现于腹板圆角处及固定位置边缘处，该区域易发生疲劳受损; 且腹板越厚，所受应力越大。分析结果为腹板设计、材质选择、生产和使用提供了技术支撑和理论指导。

关键词: 焦炉；炉门腹板；有限元；受力分析

0 引言

近年来，由于国家对焦化行业的环保要求越来越严格，焦炉的密封性能越来越受到业内关注。炉门作为焦炉的重要组成部分，起着密封烟气和焦油的作用，是整座焦炉的关键设备之一。腹板作为炉门的密封部件，对整个炉门的密封起着至关重要的作用。若设计不合理，则容易发生炉内烟气和焦油泄漏现象，造成大量对人体有害的化学物质和粉尘外排到大气中，不仅危害现场人员健康，还严重污染环境。

有 限元分析法计算精度高，被广泛应用于工程分析领域。为了预测腹板受力情况和使用寿命，通过ANSYS 有限元分析软件，分别对1． 5 mm 和2． 5mm 厚腹板进行力学模拟分析，综合多种工况分析结果可判断两种腹板最大应力值理论分布区域及应力对比，同时指出产品的薄弱环节，为腹板设计、生产和使用提供技术支撑和理论指导，对如何延长腹板密封效果和使用寿命具有重要指导意义。

1 腹板受力变形分析

1． 1 腹板功能及结构

( 1) 在整个焦炉密封件中，腹板位于滑板与炉门本体之间，起到密封烟气和防止焦油泄露的作用，是整个焦炉护炉设备中的关键部件之一。

( 2) 腹板的结构为大型薄壁件，厚度为1． 5 ～2． 5 mm，宽度为550 ～ 690 mm，长度为5 ～ 8 m。

1． 2 腹板变形受力情况

腹板正常工作时不受力，只有摘、装炉门时发生位移。其损坏的主要原因就是摘、装炉门时发生的变形，根据装配关系和使用情况，确定中心区域为固定区域，位移为零; 周边为发生位移区域，位移为5mm，方向为垂直于腹板表面。因此专门针对该情况建立力学模型，如图1 所示^［1］。

2 建立几何模型

( 1) 由于腹板面积较大，而厚度较小，属于大型薄壁结构，因此建立几何模型时直接设定为面结构，相对于通用的体结构，可加快后期计算速度，提高计算精度^［2］。

( 2) 由于腹板为以长度方向为轴线的对称结构，因此只选择一半建模，可以有效减少计算量。建立的几何结构如图2 所示。

3 力学模拟分析和计算

3． 1 材料参数

腹板为不锈钢材质，参数选择如表1 所示。

3． 2 腹板网格划分

腹板模型为面体，为保证计算精度，采用六面体单元，对边界位置适当细化，网格划分如图3 所示。

3． 3 计算结果

( 1) 1． 5 mm 厚腹板发生5 mm 位移变形后的应力分布如图4 所示。

由图4 可知，1． 5 mm 厚腹板发生5 mm 变形时最大应力值为416 MPa，发生在腹板圆角及固定位置边缘处。

图4 中的箭头所指区域应力为270 MPa 以上，判断腹板圆角处及固定位置边缘所受应力最大，最容易出现损坏。而腹板材料的屈服强度为205MPa，抗拉强度为520 MPa。说明腹板在实际使用中摘装炉门时会出现超过材料屈服强度的情况，长期使用会在箭头所指区域内出现裂纹等损坏。

( 2) 2． 5 mm 厚腹板发生5 mm 位移变形后的应力分布如图5 所示。

由图5 可知，2． 5 mm 厚腹板在中心区域发生5mm 变形时最大应力值为507． 9 MPa，发生在腹板圆角及固定位置边缘处; 从图5 也可以看到腹板的整体变形情况，整个腹板上的应力分布与1． 5 mm腹板上的应力分布基本一致。图5 中箭头所指区域的应力为320 MPa 以上。

4 结果分析

(1) 上述分析结果表明，腹板圆角处及固定位置边缘处所受应力最大，并出现瞬间超过材料屈服强度的情况，最容易出现损坏。设计生产时应考虑加大圆角以减小变形应力值。

(2) 通过对比两种不同厚度腹板的应力数值可知，在相同的工况情况下，1． 5 mm 厚腹板最大应力小于2 ． 5mm厚腹板; 同样，其他相同位置1 ． 5mm厚腹板应力值也都偏小。可得出结论: 1． 5 mm 厚腹板的力学性能优于2． 5 mm 厚腹板，使用1． 5 mm厚腹板会有更长的使用寿命，更好的密封效果。设计制作同类产品时应考虑采用1． 5 mm 厚腹板作为首选。

(3) 根据ANSYS 有限元分析结果，设计腹板时应考虑采用塑性及韧性较好的材料。

5 结语

基于ANSYS 分析软件对不锈钢腹板有限元分析结果，得到了腹板理论应力集中区域，为检测腹板真实受力情况、预估其使用寿命提供了重要的理论依据。为腹板设计、材质选择、生产和使用提供技术支撑和理论指导。对于实际生产中如何提高腹板使用寿命，避免材料浪费，保证密封效果，防止环境污染具有重要指导意义。

参考文献

［1］胡仁喜，康士庭，等． ANSYS 14． 0 机械与结构有限元分析从入门到精通( 第2 版) ［M］． 北京: 机械工业出版社，2013．

［2］袁越锦，徐英英，张艳华． ANSYS Workbench 14． 0 建模仿真技术及实例详解［M］． 北京: 化学工业出版社，2014．

［3］成大先，王德夫，姬奎生，等． 机械设计手册( 第5 版) ［M］． 北京:化学工业出版社，2008．

［4］林慧国，林钢，吴静雯，等． 袖珍世界钢号手册( 第4 版) ［M］． 北京: 机械工业出版社，2009．