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300t转炉倾翻力矩有限元计算与耳轴位置确定的研究 摘要 采用大型通用有限元分析软件ANSYS提供的模型力学计算工具及其逐行解释性的APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化设计语言ANSYS 参数化设计语言Study of Finite Element Analysis Calculation of Tilting Moment and Trunnion Position confirming for 300t Converter JIANG Zhihao (BSIET Mechanical Dept., Beijing 100043) Abstract This paper analyzes and calculates the tilting moment of 300t converter with the calculation tool of model mechanics and a scripting parametric design languages APDL supported by finite element analysis software ANSYS. It presents the moment curve, optimizes the moment, and provides the reliable causes for trunnion position confirming. It has the important reference value to converter design. Key words APDL converter trunnion position tilting moment ANSYS软件是一个功能强大而灵活的大型通用有限元分析软件，提供的模型力学特性计算工具能方便地对模型包括模型体积、质量、转动惯量、质心坐标等参数的模型力学特性进行计算；ANSYS提供APDL(ANSYS Parametric Design Language)参数化设计语言具有一般程序语言的功能—炉壳和炉衬产生的空炉力矩(由炉壳和炉衬重量引起的静助力矩)，空炉的质心与耳轴中心的距离可以改变，在倾动过程中，空炉力矩Mk1与倾动角度α和耳轴位置存在线性函数关系； Mk2--托圈等炉壳联接装置产生的空炉力矩，它只是倾动角度简单的正弦函数； Md—炉液力矩(炉内液体(包括铁水和渣)引起的静力矩)，在倾动过程中，炉液的质心位置是变化的，出钢时其质量也发生变化，均随倾动角度α的变化而变化，故Md与倾动角度和耳轴位置也存在函数关系； Mm—转炉耳轴上的摩擦力矩，它在转炉倾动过程中变化较复杂，炉液末倒出前呈定值关系，在有炉液倒出与倒完之间呈复杂非线性关系，以后呈定值关系；由于这些数值较小可视为常量或者略去。本文将对耳轴摩擦力矩进行较精确计算(μ--摩擦系数对滑动轴承取=0.1-0.15；对滚动轴承取=0.05；本文计算时取μ=0.05)。耳轴摩擦力矩Mm的方向总是与转动方向相反，所以在倾动全过程中都是正值[1]。 将炉壳和炉衬产生的力矩与托圈等炉壳联接装置产生的力矩合成为空炉力矩：Mk=Mk1+ Mk2，转炉倾动力矩改为M=Mk+Md+Mm，即转炉倾动力矩可改为由三部分组成。 2 基础数据求解 2.1 用ANSYS软件建立转炉的三维模型 用ANSYS软件提供的APDL语言编程建立300t转炉的三维实体模型，整体简化模型如图1所示[2~3]；三维模型主要由转炉本体、转炉连接装置和炉液三部分等组成，计算时模型中主要材料参数见表1[4]。计算坐标按如下规定选取：以转炉对称轴线为y轴，y轴与耳轴中心线的交点为坐标原点o，x轴在转炉的倾动方向上，z轴通过耳轴轴线。 图 1 300t转炉整体简化模型 表1 材料属性 材料 弹性模量 MPa 泊松比 密度 kg·m-3 钢 2.068E5 0.30 7850 耐热砖 5000 0.20 2950 炉液 2000 0.25 7000 2.2 初定转炉耳轴位置 转炉炉型是指转炉砌筑后的内部形状，其炉型选择由炼钢工艺要求确定，满足一定吨位炼钢要求，其形状相对较为固定；影响倾动力矩曲线的主要因素是炉型和耳轴位置。耳轴位置确定为：H+H0，见图4，H设为定值，在本例中设为H=5800mm，H0可正可负，表明耳轴位置可以任意移动，以获得不同的转炉倾动力矩及倾动力矩曲线。 2.3 转炉炉体的力学特性求解 图2为300t转炉本体炉壳、耐材实体模型(新炉情况)，炉口粘钢可以很方便地加到模型中，本文不模拟炉口粘钢情况。经计算，在坐标系XOY下的质心坐标为Xc1=0.0mm，Yc1=-(254.398+H0)mm，质量Mass1=1