高炉混风罐拉杆应变监测及应力分析

0引言

高炉炼铁是钢铁生产的重要环节, 目前仍是现代钢铁主要生产方式。随着我国钢铁工业快速发展,高炉熔炉不断大型化,冶炼风温、风压、风量持续提升,给整个热风系统带来了严峻考验。因高炉混风罐内部耐材受温度膨胀力及鼓风压力的双重作用,加上外部管道及内部耐材的膨胀系数不同,会造成膨胀量的差异。在此过程中,支撑管道的外部钢壳承受了极大的交变载荷,因此有必要采用外部大拉杆来进行加强[1—2]。

某钢厂2号高炉2021年完成扩容,希望了解扩容后2号高炉混风罐拉杆的应力。2022年1月和2月,受钢厂委托,在高炉开始烘炉与开炉时,对拉杆的应变提供监测技术服务。根据需求分析,需要进行两工况监测,监测时长分别为11 h20 min和31h22min,13个测点同步监测。

1 拉杆应变监测

1.1 测点选择

首先对高炉现场情况进行分析,2号高炉混风罐共有4根拉杆,混风罐东侧和西侧各两根。为便于监测和分析,对各拉杆以数字命名,其中西侧下拉杆命名为1号、上拉杆为2号,东侧下拉杆为3号,上拉杆为4号,如图1所示。

为了更好地完成现场监测,对2号高炉及其相关设备运行工况进行了摸底,重点了解高炉烘炉的工艺流程、各阶段温度变化及混风罐、拉杆等历史维护资料,为测点选择及测试工况安排提供参考依据。

根据调查,两侧上拉杆距地面约6 m。由于监测期间是雨雪天气,为防止应变计受潮导致监测数据失效,同时为了对不同位置处的应变值进行对比,每根拉杆选取3个测点,分别位于拉杆的两端和中部。如图2所示,针对4根拉杆,现场共布置13个测点(第一次测试时布置了12个测点,第二次测试时发现需要重点监测的2号拉杆有1个测点受潮,信号干扰很大,新增了1个测点),其中测点1~3位于杆1(西侧下),测点4~6位于杆2(西侧上),测点7~9位于杆3(东侧下),测点10~12位于杆4(东侧上),测点13位于测点6附近。

1.2 现场监测

为了能够通过监测的应变计算出各个测点的应力,13个测点均选用单方向的应变计采用全桥方式组桥,所需仪器的通道数均为1,故一共需要52个单向应变计和13个通道,应变计和组桥如图3所示[3]。

考虑到现场噪声较大,为防止电磁及噪声干扰,确保测试结果准确可靠,决定采用有线方式进行监测。同时,由于监测期间一直是雨雪天气,因此本次监测对应变计做了多层防潮处理,对防潮胶水进行烘干,确保应变计能够进行长时间监测。

应变片布置完成后,按照惠斯顿电桥组桥方式,将各应变片接入动态电阻应变仪各个通道。为保证监测结果准确可靠,各通道均在导线上明确标明了测点号及方向,避免由于测试通道数较多引起的混乱。由于测点多,现场通过同步时钟保证所有通道同步采样,测试现场通道如图4所示[4]。

现场共进行了两次监测,第一次监测为烘炉期间,2022—01—29T15:00开始,直至2022—01—30T02:20结束,总监测时长11 h 20 min。第二次监测为开炉期间,2022—02—15T08:08开始,直至2022—02—16T15:30结束,总监测时长31 h 22 min。第一次和第二次监测期间温升及相关工艺参数分别如表1和表2所示。

按照表1和表2烘炉及开炉的工艺规程,测试过程需要监测的工况为:

1)烘炉期间总温升为105℃ ,温度变化梯度为15℃/h。监测数据为烘炉生产过程中全工艺流程下的动态应变数据,1~12个测点同步测试。

2)开炉期间总温升769.21℃,总风压增加306.2kpa,达到额定温度1180℃的82.2%和额定压力400 kpa的76.6%。监测数据为烘炉生产过程中全工艺流程下的动态应变数据,1~13个测点同步测试。

2 拉杆监测结果及分析

2.1 拉杆监测结果

图5为4根拉杆监测结果对比,从监测结果可以看出4根拉杆的应力水平不一致,且相差较大。

由于杆2应力水平最高,故采用杆2监测数据进行应力梯度分析,其温度和压力随时间变化趋势分别如图6和图7所示,图8是现场监测的应变变化趋势。

2.2 监测结果分析

根据表2及图5~8所示监测数据可得:

1)随着温度升高,应力变化呈现阶梯式增加趋势,温度每升高15℃ ,应力变化约2 Mpa。

2)杆2(楼梯口上杆)应力最大,其最大应力值为108 Mpa,此时对应的杆3应力值为52.9 Mpa,约为杆2应力的1/2;对应的杆1应力值为18.6 Mpa,约为杆2应力的1/5.8;对应的杆4应力值为3.6 Mpa,为杆2应力的1/30。

3)混风罐内压力是影响拉杆变形的主要因素,温度影响次之。在图7和图8中,所监测的应力变化趋势与混风罐中压力变化趋势完全对称,对监测应变取绝对值后应变变化趋势与混风罐中压力变化趋势完全一致,即随着混风罐内压力增大,拉杆应力同步增大。再对比图6和图8可知,温度随时间变化趋势与监测应变随时间变化趋势不一致[5]。

4)在未升温之前,混风罐内温度和压力分别为200℃和0.07 kpa,此时作为监测的零点,即应力为0。根据第一次监测结果可知,温度每升高15℃ ,应力变化约2 Mpa,由此可以推断杆2应力最大时,相对0℃的总应力变化值约为135 Mpa。

3结论

拉杆的材料为35CrMo锻件,其抗拉强度σb≥985 Mpa,屈服强度σS ≥835 Mpa[6]。对比上述监测结果可知,基于监测基础温度200 ℃、基础压力0.07kpa,结束温度达到额定温度的80.2%、压力达到额定压力的78.2%时,拉杆的安全余量是足够的。

[参考文献]

[1]廖海欧.智能线性控制高炉热风换炉应力验证[J].冶金设备,2023(增刊2):107—111.

[2]顾锡伟.高炉热风炉系统大拉杆修复实践[J].中国钢铁业,2023(7):47—49.

[3]葛宝珊,葛扬,刘少鹏,等.应变测量桥压实时补偿仿真与分析[C]//第十七届全国信号和智能信息处理与应用学术会议论文集,2023:262—264.

[4]顾丹.惠斯顿电桥电路在空气流量传感器中的应用分析[J].时代农机,2016,43(5):27.

[5]于淼.高炉炼铁过程中炉顶温度和压力的控制方法研究[J].冶金与材料,2023,43(8):109—111.

[6] 窦建伟,郭先创,郭金龙.35CrMo钢材料性能差异浅析[J].金属加工(热加工),2020(9):63—64.

《机电信息》2025年第15期第19篇