文档介绍：转炉疲劳载荷谱的研究及其参数确定
武汉钢铁设计研究总院机械设备室盛汉桥
摘要
载荷谱对于转炉疲劳极限的研究、疲劳寿命的预测具有重要的意义,本文简洁地阐述了雨流计数法的原理及其应用,并将其用于转炉的设计中,为定量地确定转炉疲劳设计参数做了有益的探讨,并在我院的多个转炉项目中推广应用,取得了良好的效果。
关键词:转炉,疲劳,载荷谱,雨流计数法
The Analysis of Fatigue Load Spectra on the Converter and how to determine Fatigue Parameter
Abstract
Load spectra are important basis on which the study of fatigue limit of the converter ,the evaluation of its life limit are based. The paper briefly introduces the general principle of the Rain Flow Counting Method and its application,and applies them in the design of converter,It es basis of determining converter fatigue parameter on quantity and reference for future converter design.
Keywords: converter, Fatigue ,Load Spectra ,Rain Flow Counting Method
提出问题
一九四九年奥地利科学家Voest-Alpine试制成功转炉炼钢法,并于一九五二年投入工业生产。由于转炉具有效率高、投资省、成本低、原料适应性强、钢水质量好、品种多、适应于机械化和自动化生产等优点,它一诞生就获得了广泛地应用,并将过去占统治地位的平炉挤出了历史舞台,同电炉一道,成为当今炼钢的两大主要方法。
转炉炼钢设备五十年来通过不断改造创新,技术更加成熟,设备更加实用,如转炉倾动装置经历了落地式、半悬挂式和全悬挂式等几个阶段,每一次技术进步都带来了产量提高、成本下降等良好结果。我院转炉设备设计也在消化和开发中不断地前进,先后设计了武钢二炼钢半悬挂转炉,鄂钢二炼钢、湘钢二炼钢、武钢一炼钢等钢厂的全悬挂转炉,这些钢厂投产后转炉设备运行良好,取得了很好的经济效果。
转炉及其倾动装置是炼钢生产的关键设备,它具有负荷重、操作频繁、使用环境恶劣等特点,由于设备承受的是长时间的交替往复载荷作用,虽有多种形式的失效,如静强度损坏、炉衬烧穿造成设备烧损等,但绝大多数为疲劳失效。由于疲劳失效通常没有明显的宏观塑性变形,因而常常出现突然断裂,以致造成很大的人员伤亡及经济损失,因此转炉的疲劳强度是我们重点计算对象。
我们过去一直用转炉正常倾动力矩通过疲劳强度计算来确定转炉及其倾动装置,再通过塌炉冻钢等事故载荷来进行静强度校核,无疑这种设计过程是正确的,事实上我们设计的全悬挂倾动装置转炉经过十三年、半悬挂倾动装置转炉经过二十五年的工作还仍然在生产第一线服役,这也从侧面说明我们的设计在安全性上是没有任何问题的。问题是通过比较一些其他单位设计的转炉及其倾动装置,特别是同国外设计的一些转炉相比较,我们发现,我们设计的转炉及倾动装置在同样的技术条件下承载能力要比别人的小,而相同的承载能力下我们的技术要求又要高,这就奇怪了,我们用的是同一种转炉设计资料,用的是相同的国家标准,为何有较大的差别?原因何在?要找出这个答案还必须从转炉及倾动装置的疲劳载荷谱及其倾动装置的结构来找原因。
转炉工作时,其倾动装置的载荷从大小到频率都是随机变化的,我们现在取其一小段进行分析以揭示其整体规律,见图1,其中,M为转炉倾动力矩,k为冲击系数,这种从大小到频率都随机变化的载荷(或应力)称为随机载荷(或应力),也称为载荷时间历程(或应力时间历程)。乍一看,这同我们平时疲劳计算时用的很有规律的载荷有很大的区别,不知如何用于疲劳计算中去,实际上,这种随机变化的载荷看上去虽然没有一定的规律,但可以通过一定的计数法将其进行处理而找到它的统计规律,即载荷(或应力)的大小与其出现频次(或频率)关系的图形、数字或表格,我们把这种统计规律称为载荷谱,载荷谱是受随机载荷作用的结构或设备进行分级、寿命预估及疲劳计算的重要依据。
为了从转炉的载荷时间历程中得到载荷谱,必须首先对其进行处理,从杂乱的数据中找出一定的规律,计数法是处理载荷时间历程的一种常用方法,它是从构成疲劳损伤的角度出发,使用概率统计方