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渣罐是煉鋼過程中存放鋼渣的容器，出鋼前，冶煉爐首先向渣罐倒渣，其鋼渣的溫度達到了1600℃左右。因此，渣罐承受的熱載荷是巨大的。同時，盛渣和空罐時間不同，渣罐的溫度也是變化的，因此渣罐所受的熱載荷比較復雜。所分析的渣罐為某重工集團2012年11月為西亞某國制造的，罐殼鑄造成型，材料為ZG25，罐殼上設有耳軸、支撐腿以及吊耳，耳軸座上下部有筋板支撐。渣罐的罐口直徑為4.1m，渣罐高為3.9m。該渣罐在使用不到一個月的過程中，吊耳、耳軸、支撐腿與罐殼過渡處出現(xiàn)多處開裂，渣罐不能使用，經(jīng)靜力有限元分析其機械強度足夠，因此，對該渣罐進行熱強度分析，以便找出渣罐使用壽命低的原因。
進行有限元熱強度分析，須取得溫度載荷，因此，須首先進行溫度場分析。依據(jù)圖紙建立了整體的幾何模型，采用Solidworks軟件，未經(jīng)任何簡化而構(gòu)建的，其整體幾何模型如圖。渣罐是關于Y和二兩個平面對稱，為減少計算量，有限元分析時簡化成1/4模型，在ANSYS中將其轉(zhuǎn)化成有限元模型。模型采用三維實體單元SOLID70。利用ANSYS軟件的智能劃分網(wǎng)格工具，將渣罐進行網(wǎng)格劃分，溫度場計算中涉及到材料的熱膨脹系數(shù)、比熱容等物性參數(shù)來源于有關文獻。渣罐的內(nèi)表面定義為第一類邊界條件—平均溫度，為1600℃。渣罐的外表面受自然對流和輻射換熱影響，因此加載時要考慮受自然對流換熱系數(shù)h和熱輻射換熱系數(shù)h：共同影響的綜合對流換熱系數(shù)h1，由圖可知，吊耳與罐殼交接處T，點的溫度達到了560℃，支撐腿與罐殼交接處兀點溫度達到了400℃，耳軸座下筋板與罐殼接觸處爪點溫度達到了650℃，耳軸座上筋板與罐殼接觸處T4點溫度達到了240℃。
溫度載荷僅僅是一種表征，而熱應力的大小是判斷渣罐長壽化以及設計是否合理的定量指標之一，因此采用間接法進行熱一應力藕合分析。熱應力分析所需的物性參數(shù)如彈性模量、熱膨脹系數(shù)參照文獻選取。熱應力的計算模型同溫度場相同，轉(zhuǎn)化單元類型，把熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元，溫度載荷以整個溫度場的形式加入，即以文件形式加入，進行準靜態(tài)應力分析。加入兩個對稱約束，經(jīng)計算得到的熱應力如圖所示，由圖可知，耳軸下筋板與罐體的接觸處熱應力最大，達到2910MPa，遠高于材料的屈服極限。耳軸上筋板與罐口邊緣的接觸處熱應力達到648MPa，高于材料的屈服極限。吊耳和筋板與罐殼的接觸處的應力達到324MP-1620MPa，高于材料的屈服極限。支腿和罐殼的接觸處達到324MPa。以上分析可知，渣罐在使用過程中存在很大的熱應力，且多處熱應力均超過材料的屈服極限。
根據(jù)應力幅度和預期導致破壞所需的循環(huán)次數(shù)，可將疲勞分為以下兩類:交變應力大小適中，在材料中幾乎不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的塑性變形。處在這種載荷下的零件，在疲勞失效發(fā)生前可以承受最高循環(huán)次數(shù)為1000到106次。用來描述高周疲勞的方法稱為是基于應力-壽命(S-N)的方法。該曲線反映導致疲勞失效所需的應力水平與循環(huán)次數(shù)的對應關系。交變應力具有較高的數(shù)值，并產(chǎn)生顯著的塑性變形。由于較高的應力水平，零件在相對少的周期載荷下而失效，故此命名為低周疲勞。目前對于低周疲勞的研究和計算都不成熟。根據(jù)渣罐實際工藝：盛渣、空罐完成一個周期需6小時，一晝夜使用次數(shù)為4次，一個月使用次數(shù)為120次，因此該渣罐的使用次數(shù)過少。根據(jù)熱應力計算結(jié)果，該渣罐多處應力值超過屈服極限，渣罐將產(chǎn)生塑性變形。因此渣罐破壞屬于低周熱疲勞破壞。1)改進的方法是把渣罐現(xiàn)有的塑性變形通過結(jié)構(gòu)改進使其變?yōu)閺椥宰冃危唇档驮薜臒釕?shù)值。使其由低周疲勞變?yōu)楦咧芷凇?)渣罐本體可以看成一薄殼結(jié)構(gòu)，薄殼結(jié)構(gòu)設計時：(1)應盡可能避免殼的局部地方有較大的垂直殼面的載荷，以免在這些地方造成較大的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩；(2)為減小局部應力的邊緣效應，有結(jié)構(gòu)突變處要采用圓滑過渡形式。
采取以上措施將使渣罐的熱應力顯著降低。1)因此渣罐結(jié)構(gòu)改進主要從以下幾個方面進行著手：(1)罐體下方支撐腿與罐體之間的過渡有“死角”。存在應力集中。(2)由于耳軸及吊耳等對罐殼熱膨脹的限制，形成了垂直于殼面的載荷，造成了局部罐殼的強度不足。(3)支腿筋板與罐體的過渡圓角過小。罐殼熱膨脹時，使殼在過渡處產(chǎn)生過大的彎曲力矩。2)基于以上幾點考慮，主要在以下方面做出了改進。(1)增大支撐腿與罐體、筋板與罐體等接觸處圓角，以減少過渡處形成的應力集中。(2)在耳軸下方、吊耳下方附加加強板，增大罐殼厚度，提高殼抵抗彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩的能力，改進如圖所示。將改進后的模型取1/4，利用ANSYS軟件將幾何模型轉(zhuǎn)化為有限元模型進行熱應力分析，參數(shù)設置與改進前的相同。得到的等效熱應力云圖如圖。通過熱應力云圖對比分析可知，耳軸下筋板與罐體的接觸處熱應力由原來的2910MPa減小到111MPa，低于材料的屈服極限。耳軸上筋板與罐口邊緣的接觸處熱應力由原來的648MPa減小到200MPa，低于材料的屈服極限。吊耳和筋板與罐殼的接觸處的應力由原來的324MPa-1620MPa這一區(qū)間降到了68MPa，遠遠低于材料的屈服極限。因此渣罐的疲勞破壞形式由低周疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧芷凇?br />
1)改進后的設計方案解決了渣罐熱應力過大的問題，渣罐疲勞破壞形式由低周疲勞轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧芷冢龃罅嗽薜氖褂么螖?shù)，延長了渣罐的壽命。2)依據(jù)本文改進后的渣罐至今仍在使用，說明改進是成功的。
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