高炉无料钟炉顶均排压系统旋风除尘器漏气分析及优化设计 蒋治浩1 苏维1 张建1 董志宝2 李俊青1 (1北京首钢国际工程技术有限公司设备开发成套部，北京 100043； 2首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 063200)

摘要 针对某铁厂大型高炉无料钟炉顶放散系统旋风除尘器局部产生漏气问题，采用ANSYS有限元法对漏气部位的应力分布进行分析，表明最大应力出现在矩形直段大侧面直角边处，也是实际漏气部位，属材料疲劳破坏造成。以此为依据，对旋风除尘器进行结构优化设计，成功应用于实际，取得良好效果，具有重要的实际推广应用价值。 关键词 旋风除尘器 ANSYS有限元法 疲劳破坏 优化设计

Analysis of Gas Leakage of Cyclone Dust Catcher of BF Bell-less Top Equalizing and Depressurizing System as well as Optimal Design

JIANG Zhihao1 SU Wei1 ZHANG Jian1 DONG Zhibao2 LI Junqing1 (1 BSIET Mechanical Dept., Beijing 100043; 2 Shougang Jingtang United Iron & Steel Co.,Ltd.,Hebei 063200)

Abstract: For issues on air leakage in some area of the cyclone dust catcher of large scale BF bell-less top bleeding system in one steel works, ANSYS Finite Element is applied to analyse the stress distribution at leakage area, and it shows that maximum stress is at the right-angle edge at the large side of the straight section rectangle. It is really the place for gas leakage, and this is caused by material fatigue failure. On that basis, optimization design is carried out to structure of the cyclone dust catcher. And it is successfully used in practice with better efficiency. So that it owns important promotion and application value. Keywords: Cyclone dust catcher ANSYS Finite Element fatigue failure optimal design

1 概述 旋风除尘器作为一种重要的气固分离设备，在石油化工、燃煤发电和环境保护等许多行业均得到广泛应用。与其它气固分离设备相比，旋风除尘器具有结构简单、无运动部件、分离效率高等特点，尤其适用于高温、高压和含尘浓度高的工况下使用。 高炉无料钟炉顶均排压系统的作用是使料罐在不同压力状态下顺利装料和卸料。料罐装料

时，打开排压阀将料罐内气体放散掉，使罐内压力与大气压力相等，炉料装入料罐。料罐向炉内卸料时，关闭排压阀，先打开一次均压阀，采用半净煤气对料罐进行一次均压，然后关闭一次均压阀，打开二次均压阀向料罐内充入氮气，使料罐内压力大于或等于炉顶压力，然后炉料从料罐卸入高炉。由于放散气体内混有高炉煤气灰尘及炉料粉尘，这种含尘量10g/Nm3的气体，不能直接排入大气，因此在系统中加入旋风除尘器，排压时将沉积灰尘通过均压过程强制吹回料罐中，从而减少对环境的污染。 由于高炉正常生产中料罐需要不断装料和卸料，因此旋风除尘器就要不断充压和排压。对充压料罐的气体进行放散除尘，除尘效果符合大气污染治理要求。旋风除尘器主要由锥体装配、筒体装配、短节、支座等组成。筒体装配包含矩形直段和筋板，矩形直段由大侧面、小侧面和上下侧面四块钢板焊接而成，旋风除尘器的结构和有限元法分析时坐标系构成情况如图1所示。

图 1 旋风除尘器结构简图 2 旋风除尘器使用情况 高炉投产正常运行6个月后，炉顶均排压系统旋风除尘器筒体进气口矩形段部分大侧面的直角边处出现裂纹，裂纹扩展后旋风除尘器直角边处出现裂缝，致使炉顶料罐充压后旋风除尘器漏气而不能正常工作；现场对旋风除尘器漏气处进行特殊补焊，处理情况如图2所示，旋风除尘器能正常工作1个月左右，但仍然在原漏气处产生漏气现象，使旋风除尘器不能正常工作，给高炉安全生产带来隐患。 鉴于旋风除尘器在生产现场的具体使用情况和处理方法，对设计图纸及其技术要求进行全面分析，旋风除尘器圆筒部分(直径Ф2436mm)所用钢板厚度为18mm，矩形直段部分(宽×高=800mm×1300mm)所用钢板厚度为22mm，矩形段直角处(出现漏气处)采取典型的角焊缝形式。旋风除尘器工作在脉动应力状态下，最大工作压力为0.29MPa，经材料力学简化计算，各主要部分的应力远小于所用材料16MnR的屈服极限；生产厂家按图纸制造而且按图纸技术要求的打压形式对本旋风除尘器进行强度试验和气密性试验，出厂产品基本满足图纸设计要求。 根据旋风除尘器受力情况和仅使用6个月后就出现问题的实际情况来看，属于设备局部疲劳破坏。传统材料力学计算方法对旋风除尘器的计算有着巨大的局限性，对旋风除尘器首先疲劳破坏的直角边处的计算难度较大，且计算误差较大。为找出旋风除尘器在直角边处疲劳破坏的真正原因，采用有限元法对其进行计算分析，并以此为依据，对旋风除尘器各钢板厚度进行重新选择，对焊缝形式的要求和检验标准提出改进意见，对旋风除尘器进行优化设计。

图 2 旋风除尘器漏气现场处理情况 3 旋风除尘器ANSYS有限元分析 3.1 材料参数 旋风除尘器由压力容器用钢板16MnR焊接而成，材料参数如表1所示。 表1 16MnR室温力学性能 屈服强度 抗拉强度 弹性模量 泊松比 密度 热导率 线膨胀系数 s b E   

l

MPa kg/m3 /()WmK 1/K 325 490-635 2.07510 0.3 7.85310 60.3 1.2510

3.2模型简化 考虑旋风除尘器结构复杂性和筒体装配是本设备受力最特殊的部件，对筒体装配进行计算能反映其最大受力情况。筒体装配中与矩形直段相连的圆形筒体，根据圣维南原理，只需要考虑长度L (L=Rt.52，R是与矩形直段相连筒体的平均半径，t是该筒体厚度)的一段，就可以消除筒体边缘轴向应力分布对矩形直段部分应力分布的影响，由此确定旋风除尘器筒体装配计算高度2100mm。 3.3 建模 用有限元软件ANSYS建立旋风除尘器的有限元计算模型，采用八节点单元类型SOLID45六面体单元，对计算模型通过扫掠生成体网格，如图3所示。

直角边漏气补焊 原始筋板 增加筋板 图3 旋风除尘器有限元计算模型 3.4 施加载荷和约束 旋风除尘器均压时在其内部最大充压0.29MPa，放散后内部压力等于当地大气压力，对计算模型内表面施加均布面载荷0.29MPa，在筒体下表面施加3个方向上的约束，使其位移量为零；在筒体上表面和直段侧面法兰面上施加端部平衡面载荷和耦合约束。 4有限元计算结果分析 4.1 应力合成 由图4的应力强度分布可以看出，旋风除尘器直段大侧面角边处应力最大，其强度应力值为369.9MPa,已经超过材料16MnR的屈服极限。大侧面中部变形达到10.3mm,出现明显的鼓肚变形现象。由于旋风除尘器受脉动载荷作用，旋风除尘器在发生应力最大的地方将首先产生疲劳失效而不能正常工作。

图 4 旋风除尘器最高工作压力下的应力云图 4.2 筋板的作用 实际使用中的旋风除尘器在直段表面增加宽×高为18mm×50mm的筋板，旋风除尘器直段除大侧面受力恶劣外，其余三面受力后响应应力较小，验证筋板作用时考虑模型简化需要，只在大侧面加筋板进行计算，有限元计算结果如图5所示。从图5中可以看出筋板没有起到降低大侧面应力的作用，大侧面除变形得到有效改善外(变形减小为5.3mm)，整体应力加大了，筋板强度应力值441.2MPa，已接近筋板材料Q235的抗拉强度，将很快失效而不起作用。

最大应力位置 最大应力位置放大

图 5 旋风除尘器加筋板后的应力云图 4.3 旋风除尘器疲劳分析 1)旋风除尘器筋板失效后，它的应力状况仍表现为图4的分布情况。ANSYS疲劳计算是以ASME锅炉与压力容器规范的第3部分、第8部分第2分册作为计算依据，采用简化的弹塑性假设和Miner累积疲劳求和法则。设定一个位置、一个事件及两个载荷的疲劳分析，疲劳曲线数据根据JB4732-1995确定，如表2所示，材料设定为16MnR。 表2 材料16MnR疲劳曲线数据 S,MPa 4000 2828 1897 1414 1069 724 572 441 N 1e1 2e1 5e1 1e2 2e2 5e2 1e3 2e3 S,MPa 331 262 214 159 138 114 93.1 86.2 N 5e3 1e4 2e4 5e4 1e5 2e5 5e5 1e6 2)从图4得到的旋风除尘器最高工作应力下的结构应力云图，可得最大应力强度发生在旋风除尘器直段大侧面外表靠近圆筒处，节点号为18308 (坐标值x=-1222.0，y=650.00，z=519.06)。设定一个位置、一个事件及两个载荷的疲劳分析，根据JB4732-1995输入16MnR的疲劳曲线数据，存储一个事件的两个载荷，设定一个事件的循环次数，即可进行疲劳计算，得到最大应力强度发生处允许使用循环次数为27470次，如图6所示。

图 6 旋风除尘器疲劳计算结果 3)旋风除尘器的使用频率(完成一次充压和放散为一个循环) 按 6次/h计算，本旋风除尘器计算使用6.36个月，实际使用为6个月，使用时间和疲劳失效位置与有限元计算分析基本一致，鉴于此，需对本旋风除尘器进行优化设计。 5 旋风除尘器优化设计 5.1初步优化设计(1)