基于ANSYS的电弧炉导电横臂结构优化设计.pdf

冶金与材料第 44 卷基于 ANSYS 的电弧炉导电横臂结构优化设计杨皓瑜，吉晓民（西安理工大学 艺术与设计学院，陕西 西安710000）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 4 期2024 年 4 月Vol.44 No.4Apr.2024摘要：文章着重探讨 ANSYS 结构优化在电弧炉冶金设备设计中日益重要的作用。传统的电弧炉冶金中存在着大量设备材料繁重与浪费现象，电弧炉导电横臂在结构设计时存在着大量钢体浪费情况，这些问题不仅影响了导电横臂结构优化设计，也影响了冶金行业设备发展。针对上述问题，采用 ANSYS 优化分析及正交实验进行研究，提出了电弧炉导电横臂优化结果与优化方案。文章旨在通过 ANSYS 及正交实验，促进电弧炉导电横臂结构优化及减少材料浪费。关键词：ANSYS；正交实验；有限元仿真；导电横臂；优化设计；结构建模作者简介：杨皓瑜（1999），男，陕西西安人，主要研究方向：冶金电弧炉的仿真分析。通讯作者：吉晓民（1958），男，陕西咸阳人，主要研究方向：机电产品研究开发。现阶段电弧炉机械导电横臂模型试验阶段已经无法满足企业对模型设计周期时间上的要求，许多材料变量与环境变量无法进行充分的模拟实验。因此，对电弧炉电极升降机构中的机械导电横臂进行结构优化，在最短时间内对电弧炉导电横臂进行不同载荷，温度及结构强度的模拟，从而缩短传统试验时间以及扩展钢结构模拟流程，得到电弧炉机械导电横臂最佳优化结果与方案。在针对优化结果进行有限元分析，可以在最短的时间内模拟出电弧炉电极升降机构在真实材料，尺寸与环境温度下的整体结构变形量，根据最大变形量以及结构应力应变结果从而随时对电弧炉机械导电横臂的材料，尺寸及内部机械结构进行优化与更改。文章针对电弧炉导电横臂进行结构分析及结构优化，通过不同因素及水平的结构方案进行 ANSYS 仿真，通过结构仿真数据，达到减轻重量、降低成本、优化结构的目的。1电弧炉结构组成及类别分析1.1电弧炉结构组成电弧炉是一种用于冶炼金属及熔化矿石的有效容器咱1暂，精炼炉电弧炉依照结构由炉体、炉盖、石墨电极、电极抱箍、导电横臂及导电横臂升降立柱等部件构成。电弧炉炼钢工艺是以废钢为主要原料，电力为能源介质，利用电弧的热效应加热炉料进行冶炼的炼钢工艺咱2暂。1.2电弧炉类别分析现有电弧炉按照不同的变压器容量可分为普通功率电弧炉，高功率电弧炉及超高功率电弧炉。普通功率电弧炉精炼炉是一种常见的电弧炉，功率在 1030MW，无法应对大型金属合金的短时间熔化。超高功率电弧炉精炼炉功率可达到 100MW 以上咱3暂，可以在短时间内应对大量金属熔化，但存在着价格、重量、使用规模的问题。依照不同的电弧导电横臂规格又可分为电阻导电横臂、单相电弧炉导电横臂、三相电弧炉导电横臂等。1.3三相电弧炉及其结构组成三相电弧炉精炼炉设备广泛应用于大型炼钢。三相电弧炉一般以三相交流电为电源，采用石墨电极或碳素电极，在电极与炉体内被熔化得到的材料之间形成电弧，电弧炉炉体内的炉料受到电弧形成的电能而直接加热，在电弧炉炉体内的电极长度由导电横臂电极升降机构直接影响咱4暂。电弧炉整体由金属部件及耐火材料构成，部件可分为炉体，导电横臂两部分。其中炉体由炉壳、水冷炉盖、炉门、出钢槽、偏心底结构、炉底、炉身等部分组成。2导电横臂及其存在问题2.1导电横臂的发展导电横臂出现以前，输入电弧炉中的电能都是通过电极横臂上的水冷导电铜管完成的，随着超高功率电弧炉生产率的不断提高，为了提高电弧炉的能量传输效率并安全高效运行设计了导电横臂。而且大电流线路的电阻和电抗值均显著降低，减少了电流在横臂上的损耗。因此在变压器容量不变的情况下，提高了输入电炉中的能量。经过 20 多年的运行，证明了该种导电横臂设计的科学性和先进性，现在几乎用于所有的电弧炉、钢包精炼炉。近年来，不断改善和完善该项技术，发展的速度开始加快。2.2导电横臂工作原理及影响因素2.2.1工作原理电弧炉的电极升降机构是由导电横臂和电极立柱装置两大部分组成。导电横臂是集导电与刚性结构件34第 4 期于一体的结构。其外型一般采用矩形梁结构，用铜钢复板经特殊工艺焊接而成的，具有导电及刚性承重双重作用。为保证可靠的水冷效果，导电横臂制成夹层结构，夹层中通水冷却，使水按预定的冷却路线流动，并保证密封性长期使用的可靠性咱5暂。弧炉炼钢过程中，电弧炉导电横臂内的电极抱箍将石墨电极一端进行固定支撑，通过电极升降机构的上升下降来改变石墨电极进入电弧炉内部的长度，将电能传送给电极，使石墨电极加热咱6暂。2.2.2影响因素企业使用电弧炉进行生产时，导电横臂在工作中出现的应力应变是影响导电横臂结构稳定及正常工作的最重要因素之一，在保障导电横臂结构强度及变形要求的前提下，如何更加有效利用材料，减少经济成本等问题就显得十分重要，而影响电弧炉导电横臂强度及变形的因素除了横臂本体结构之外，与筋板的结构形式，材料强度，厚度密切相关。因此通过选择最优筋板结构方式，筋板厚度及筋板材料的参数组合即可保证导电横臂应力应变前提下，最大程度减少材料用量和节约成本。2.3现阶段存在问题现阶段导电横臂设计方案存在以下两个问题：第一，企业中导电横臂大多凭经验设计，并无理论体系指导；第二，对设计的导电横臂结构无具体应力应变分析，存在筋板结构复杂情况。3结构建模及变量因素3.1结构建模结构优化建模下机械导电横臂的优化选择是基于企业在设计大批量机械导电横臂的过程中对材料，尺寸及加强筋的合理选择设计。影响机械导电横臂最终应力及最大形变的因素又十分复杂，诸如材料屈服强度、导电横臂挠度、环境温度、钢水温度、电极升降高度。企业在对电弧炉电极升降机构正式投入生产之前，必须对各种外界变量进行有效模拟分析，从而选择出最适合实际情况的电弧炉机械导电横臂，在这个过程中存在着大量的材料浪费。而电弧炉电极升降机构的设计周期与生产周期随着时代的发展其加工技术的日益成熟而缩短，这也导致了企业对电弧炉机械导电横臂在设计与试验阶段的时间压缩与成本压缩。3.1.1筋板结构建模筋板，在板、网架等结构局部区域增加刚度和强度，能够抵制扭矩和位移，保证结构的整体稳定性和安全性。筋板产生的刚性可以减弱钢结构的侧向位移，缩短地震荷载的作用路径，提高了结构的稳定性。按结构来分可分为交叉型筋板（见图 1）与矩形筋板（见图2）两种，材料为 Q235 与 Q345，厚度为 10mm 与 12mm。3.1.2三相导电横臂本体结构建模三相导电横臂本体（见图 3）由左相导电横臂本体、中相导电横臂本体、右相导电横本体与电极夹放机构共同组成，内置筋板与水冷芯管等部件。3.2变量因素本次导电横臂结构建模方案，按照三方面影响因素（见表 1）进行设计，分别为筋板结构，筋板厚度，筋板材料，针对不同筋板结构厚度进行装配体建模。电弧炉导电横臂筋板是连接导电横臂上下面板与水冷芯管的重要连接件咱8暂，起到固定水冷芯管，增强导电横臂结构稳定性的重要作用。依照筋板结构分类，分为矩形与交叉形两种，依照筋板厚度可分为 10mm 与 12mm，依照筋板材料可分为 Q235 与 Q345。表 1变量因素方案方案12345678筋板厚度/mm1010101012121212筋板材料Q235aQ235aQ345aQ345aQ235aQ235aQ345aQ345a筋板结构交叉形矩形交叉形矩形交叉形矩形交叉形矩形4正交实验分析4.1正交实验设计根据上述变量因素设计三因素两水平正交实验图 1交叉型筋板图 2矩形筋板图 3三相电弧炉导电横臂杨皓瑜等：基于 ANSYS 的电弧炉导电横臂结构优化设计35冶金与材料第 44 卷表，由表 1 可知三因素即筋板厚度，筋板材料和筋板结构，三因素的水平数相同，可设计三因素两水平的标准正交实验，三因素两水平正交实验所选因素如表 2。表 2正交实验所选因素序号1234因素AA1A1A2A2因素BB1B2B1B2因素CC1C2C2C14.2正交实验结果根据 ANSYS 仿真分析数据，不同方案实验结果为总变形量，总变形量实验数据如表 3。表 3总变形量数据结果实验结果/mm2.9812.2722.2502.959筋板厚度A1A1A2A22.6272.6050.022筋板材料B1B2B1B22.6162.6160.000筋板结构C1C2C2C12.9702.2620.708因素1234均值K1均值K2极差R由表 3 中极差 R 大小可知，影响导电横臂总变形量的因素因此为筋板结构筋板厚度筋板材料，采用不同钢材料 Q235a 与 Q345a 满足钢材料屈服强度大于 ANSYS 仿真后等效应力即可。由 K 值可知，以筋板厚度 2，筋板材料 1，筋板结构 2 为导电横臂筋板选择的最佳方案，即筋板厚度 12mm，筋板材料 Q235a，筋板结构为矩形为最佳方案。5最优仿真验证5.1仿真数据根据上述实验结果分析，现对正交实验以上 8 种方案进行仿真验证。此次仿真重点分析在不同筋板结构，筋板厚度以及筋板材料的情况下，电弧炉导电横臂在相同温度，作用力及工作环境下的等效应力及等效应变结果。等效应力是指在一定条件下，具有相同作用效果或者相同效果的应力，其作用效果或效果可以与所考虑的一组不同应力相等。等效应力是通过应力分析中的转换等价原理得到的，通过将多个不同方向或大小的应力转化为等效的单一应力，便于分析和比较。5.2仿真数据验证根据仿真结果，得出不同方案导电横臂等效应力及总变形量数据如表 4。表 4不同方案等效应力数据所在列12345678筋板厚/mm1010101012121212筋板材料Q235aQ235aQ345aQ345aQ235aQ235aQ345aQ345a筋板结构交叉形矩形交叉形矩形交叉形矩形交叉形矩形等效应力/MPa179153.55178.7153.59153.27136.71161.42136.74由表 4 中数据可知，在同等温度，变量及工作环境下，不同因素的导电横臂的等效应力在 153.27179，均符合 Q235a 与 Q345a 的屈服强度。其中等效应力最小的方案 6，即筋板厚度为 12mm，筋板材料为 Q235a，筋板结构为矩形，与正交实验结论一致。6结论文章通过分析电弧炉及导电横臂结构，找出了影响导电横臂应力应变的筋板三因素，即筋板厚度，筋板材料与筋板结构。分步骤建模，通过正交实验，根据仿真分析数据，得出最佳因素搭配方案。采用本方法可以推广到电弧炉其他结构的优化中，为电弧炉整体的优化提供理论依据。参考文献1 姜周华，姚聪林，朱红春，等.电弧炉炼钢技术的发展趋势J.钢铁，2020，55（7）：1-12.2 刘璐华，周伟，刘永刚，等.电弧炉炼钢绿色化生产技术研究进展 J.江西冶金，2023，43（5）：377-384.3 陈煜，赵瑞敏，魏光升.电弧炉炼钢过程的系统工程思考J.特殊钢，2023，44（4）：74-79.4 刘鹏，于骞翔，张弛，等.冶炼电弧炉腔内三相交流电弧热导过程研究 J.有色金属工程，2022，12（9）：59-64.5 杨柳，温江辉，张梁.电弧炉水冷设备和维护探讨 J.科技传播，2014，6（13）：181+163.6 张立峰.炼钢技术的发展历程和未来展望（玉）炼钢技术的发展历程 J.钢铁，2022，57（12）：1-12.7 赵沛.现代电弧炉炼钢的高效化与智能化 J.河北冶金，2022（6）：1-6.8 李海波.电弧炉炼钢绿色及智能化技术分析研究 J.中国设备工程，2021（12）：219-220.36