130噸轉(zhuǎn)爐支承螺栓異常斷裂的探索與分析

郭亮，易榮偉，韓云珍，李少坤，朱婉清

（武漢工程科技學(xué)院，湖北 武漢 430200）

某鋼廠2號(hào)轉(zhuǎn)爐于2011年8月投產(chǎn)，是該鋼廠實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線升級(jí)、提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的重要設(shè)備。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，2016年5月以來(lái)，2號(hào)轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸出現(xiàn)斷裂等異常狀況，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)安全和人員安全。同時(shí)，轉(zhuǎn)爐故障檢修、維護(hù)工作量大、時(shí)間長(zhǎng)，不僅檢修人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且影響生產(chǎn)計(jì)劃的正常安排。因此，必須對(duì)轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸斷裂異常原因進(jìn)行探索與分析，以滿足安全生產(chǎn)的要求。

1 轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸的功能及組成

轉(zhuǎn)爐爐體三球鉸支撐裝置是轉(zhuǎn)爐的重要組成部分，三球鉸按120°均勻分布在水冷托圈上方，通過(guò)其與爐殼法蘭圈板的裝配來(lái)實(shí)現(xiàn)載荷的傳遞，由托圈耳軸上的懸掛減速機(jī)帶動(dòng)爐體進(jìn)行360度方向上旋轉(zhuǎn)，完成冶煉工藝流程。

轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸的主要組成部分為：支承螺栓、下部球面墊（1）、下部球面墊（2）、上部球面墊（1）、上部球面墊（2）、四波紋墊圈、Tr280×12螺母、φ350銷(xiāo)軸等。如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸示意簡(jiǎn)圖

在正常情況下，球鉸支承只承受軸向載荷，徑向力由上下定位塊承擔(dān)，并可自動(dòng)調(diào)節(jié)制造和安裝誤差。當(dāng)爐體傾斜和爐殼與托圈受熱膨脹時(shí)，上下部球面墊之間通過(guò)產(chǎn)生相對(duì)位移，可以補(bǔ)償爐殼與托圈受熱膨脹變形。因此,該裝置不僅能保證連接件間載荷的傳遞，而且當(dāng)轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)能很好的吸收爐殼和托圈的熱膨脹和變形，消除熱膨脹產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力。

2 探索存在問(wèn)題與原因分析

2.1 止動(dòng)托座被擠脫落

轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸在使用過(guò)程中，因長(zhǎng)期處于重載、高溫的環(huán)境，0度方向（以游動(dòng)端處）上的支承螺栓于2014年11月出現(xiàn)螺栓螺紋中部處斷裂脫落約100mm，后被迫減掉四個(gè)四波紋墊圈，得到82mm螺紋長(zhǎng)度，將Tr280×12螺母旋下鎖緊，僅能達(dá)到基本固定爐體的目的。2016年6月起，在對(duì)爐體的例行檢查中發(fā)現(xiàn)正120度方向上止動(dòng)托座二（見(jiàn)圖2）頻繁脫落，原因就是因?yàn)樵跔t殼支架位移巨大作用力下，將調(diào)整墊板直接擠脫，直至將焊接在托圈上的止動(dòng)托座擠脫落。

圖2 止擋托座示意簡(jiǎn)圖

同時(shí)，350銷(xiāo)軸（見(jiàn)圖3）也在爐體的巨大作用力下出現(xiàn)位移，位移距離最多的時(shí)候達(dá)到了150mm。為防止銷(xiāo)軸繼續(xù)向外滑，被迫在銷(xiāo)軸的外斷面焊接40mm擋板作為止擋板，但效果不理想。

圖3 350銷(xiāo)軸示意簡(jiǎn)

由于轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置球鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝在托圈上端面，止擋座和止擋板的焊接工作量極大，作業(yè)空間相當(dāng)狹窄，僅能一名作業(yè)人員焊接施工，焊接時(shí)間往往在4～6h，再加上檢修作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)爐的熱輻射量大，在水冷降溫等措施下局部溫度仍在60℃左右，對(duì)檢修工作帶來(lái)了非常大的難度。

2.2 三點(diǎn)支承螺栓分別出現(xiàn)斷裂

2015年12月，在例行檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)負(fù)120度方向上支承螺栓螺母出現(xiàn)松動(dòng)，350銷(xiāo)軸持續(xù)在爐殼作用力下向外位移，在隨后拆除掉支承裝置保護(hù)罩后，發(fā)現(xiàn)支承螺栓根部處整體斷裂，被迫停爐檢修。檢查發(fā)現(xiàn)，斷裂部位發(fā)生在支柱螺栓根部，斷裂面與基本底座平行，呈線狀分布。從斷裂面表象分析，原因應(yīng)該是支柱螺栓在長(zhǎng)期高溫重載情況下，爐體將極大的彎矩作用力傳遞到螺栓上，該徑向力在螺栓根部集中，產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限并導(dǎo)致疲勞斷裂。2016年2月，采用整體挖補(bǔ)爐殼支撐板的方式進(jìn)行支承螺栓整體更換。

2.3 支承螺栓斷裂原因分析

2.3.1 支承螺栓斷裂處受力分析

爐體轉(zhuǎn)動(dòng)到90°時(shí)，由于整個(gè)爐體重心的偏移，斷裂的支柱螺栓此時(shí)所承受的徑向力最大（F=P）,可以簡(jiǎn)化成如圖4所示的懸臂梁。

圖4 支柱螺栓受力及彎矩圖

在圖4中，P為爐體、爐襯和鋼水的總重。L1=514.5mm；L2=135mm。由 公 式，抗拉強(qiáng)度σb≥985Mpa；屈服強(qiáng)度σs≥835Mpa；由裝置圖D=280mm，則抗彎截面系數(shù)。

以上數(shù)據(jù)為單個(gè)支承所承受的安全數(shù)值，裝置由三點(diǎn)球鉸支承共同承受，若分配到每個(gè)支承上的量處于材料安全承受值之內(nèi)，則裝置能正常運(yùn)行工作。

該廠實(shí)際轉(zhuǎn)爐最大重量為：鐵水120t，廢鋼40t，爐襯420t，爐殼198.6t，3套爐體22.6t，合計(jì)總重量約800t，當(dāng)=800t時(shí)，數(shù)據(jù)代入，可得：M=1520.96kN.m，=705.74MPa?？偝兄亓?800t由三點(diǎn)球鉸支承共同承受，參照表1中支柱螺栓性能參數(shù)可知，以上單個(gè)支承所承受M和σ的數(shù)值均在其材料所能承受的安全數(shù)值,內(nèi)。裝置能正常使用，設(shè)計(jì)合理。

表1 支柱螺栓性能參數(shù)

參照表1中支柱螺栓性能參數(shù)可推得，當(dāng)單個(gè)支承承重372.18t時(shí)，材料未發(fā)生塑性變形，能正常使用，當(dāng)單個(gè)支承承重超過(guò)上述值時(shí)，材料開(kāi)始從彈性狀態(tài)非均勻的向彈-塑性狀態(tài)過(guò)渡，它標(biāo)志著宏觀塑性變形的開(kāi)始，此時(shí)裝置不能正常使用，若繼續(xù)使用，隨時(shí)都有可能發(fā)生斷裂，不利于安全的工作操作。

2.3.2 支承螺栓傾角過(guò)大

由于爐殼與水冷托圈受熱膨脹量存在差異，支承螺栓向爐殼外側(cè)最大傾斜設(shè)計(jì)角度為4度，向爐殼內(nèi)側(cè)最大傾斜設(shè)計(jì)角度為3度(見(jiàn)圖5偏移角度)。

圖5 支承螺栓偏移角度

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙可知，支承螺栓可通過(guò)上、下部球面墊進(jìn)行爐體重心調(diào)整，但調(diào)整幅度有限，只能在爐殼內(nèi)側(cè)約26.90mm和外側(cè)約71.30mm范圍內(nèi)，當(dāng)因?yàn)闋t殼受熱膨脹變形，爐內(nèi)爐襯變化導(dǎo)致?tīng)t體重心偏移等因素影響，就會(huì)導(dǎo)致?tīng)t體的沖擊載荷頻繁施加到支承螺栓上，而支承螺栓承受的最大沖擊扭矩Mmax在350銷(xiāo)軸軸向上。

如圖4所示，支承螺栓根部（斷裂處）距銷(xiāo)軸的中心軸長(zhǎng)L=209.5mm，設(shè)此處的彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度為σ1，由彎曲正應(yīng)力強(qiáng)度條件得：σ1=1355.09MPa＞σb＞σs，而支承螺栓根部的單個(gè)支承所受M1=2920.4kN.m，超過(guò)Mmax值較多，參照表1中支承螺栓性能參數(shù)，支承螺栓承受的沖擊已遠(yuǎn)超其材料所能承受的安全數(shù)值內(nèi)，綜合以上多方因素，致使支承螺栓根部發(fā)生斷裂。

2.3.3 爐體止動(dòng)托座脫落

爐體止動(dòng)托座的作用就是將爐體固定在三支承螺栓合理的受力范圍內(nèi)，正是因?yàn)闋t殼嚴(yán)重的變形偏移，在生產(chǎn)實(shí)際中的表現(xiàn)就是頻繁地將止動(dòng)托座擠脫落，導(dǎo)致?tīng)t體重心偏移，超越支承螺栓上、下部球面墊調(diào)整極限，將更大的力矩施加到受力更大支承螺栓上。這也是該廠負(fù)120度方向上支承螺栓先斷裂的原因。

2.3.4 支承螺栓上、下部球面墊潤(rùn)滑不到位

該因素為支承螺栓裝置劣化的次要原因，但也是我們需要關(guān)注的因素。在生產(chǎn)實(shí)際使用中，由于轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的爐渣，會(huì)將支承螺栓罩覆蓋，導(dǎo)致球面墊的加油孔形同虛設(shè)，只能在首次安裝的時(shí)候加入一定量的二硫化鉬高溫潤(rùn)滑油。

支承螺栓防護(hù)罩的作用就是防止?fàn)t渣等顆粒物進(jìn)入支承螺栓球面墊中，但是，該罩又遮擋了點(diǎn)檢人員的視線，增加檢修時(shí)間不少于1h。尤其是在支承螺栓劣化的時(shí)候，為便于點(diǎn)檢和檢修，直接拆除了防護(hù)罩。這一行為又簡(jiǎn)潔地加劇了支承螺栓裝置的劣化，從拆下?lián)p壞的支承螺栓球面墊中就能發(fā)現(xiàn)極深的劃痕，應(yīng)該是爐渣進(jìn)入造成的。

2.3.5 四波紋墊片疲勞失效

該因素為支承螺栓裝置劣化的次要因素，波紋墊片的作用就是使Tr280×12螺母能夠鎖緊支承螺栓，防止螺帽松動(dòng)。當(dāng)在施加876kN預(yù)緊力時(shí)，保證支承螺栓裝置中的上下兩組球面墊可以正常工作。但在實(shí)際高溫、重載、沖擊載荷的條件下，波紋墊片會(huì)產(chǎn)生疲勞損傷而失效，致使Tr280×12螺母無(wú)法鎖緊支承螺栓，轉(zhuǎn)爐爐體重心偏移加劇，沖擊載荷變得更大。

3 改進(jìn)措施及方法

3.1 增強(qiáng)支承螺栓防斷裂能力，改善受力狀況

依據(jù)上文受力計(jì)算分析可知：該廠使用的35CrMo支承螺栓滿足塑性強(qiáng)度σ0=705.738674MPa要求，但在重心偏移，受力狀況改變的情況下，會(huì)突破抗拉強(qiáng)度σb≥985MPa；屈服強(qiáng)度σs≥835MPa的極限值。因此，參考表2，可選用40CrNiMoV作為支承螺栓的材質(zhì)，增強(qiáng)該螺栓的塑性強(qiáng)度，降低在極端受力情況下斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 支柱螺栓不同材質(zhì)性能參數(shù)

3.2 保證支承螺栓傾角在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)

支承螺栓傾角的設(shè)計(jì)理念就是在轉(zhuǎn)爐爐體在高溫、重載下的柔性運(yùn)動(dòng)，盡量避免沖擊載荷過(guò)大造成的破壞。因此，在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，要嚴(yán)格保證爐殼內(nèi)側(cè)偏移約40.14mm和外側(cè)偏移約71.30mm的范圍值。而這個(gè)范圍值的控制，主要就是依靠爐體水冷托圈上表面固定的6個(gè)止動(dòng)托座，水冷托圈下表面固定的8個(gè)止動(dòng)托座，總共14個(gè)止動(dòng)托座來(lái)限制7套爐殼上下部托架（圖6）。

圖6 止動(dòng)托座安裝位置示意簡(jiǎn)圖

3.3 加強(qiáng)支承螺栓上、下部球面墊潤(rùn)滑

球面墊的潤(rùn)滑是通過(guò)支承螺栓端面的干油孔添加的，由于渣量大，干油孔很快就會(huì)被堵塞。為解決這一問(wèn)題，可采取將三球鉸干油孔用3/4英寸不銹鋼管道引出支承螺栓防護(hù)罩，就近放置在兩耳軸端，在2h檢修期間就可通過(guò)耳軸處人孔補(bǔ)油。由于爐體溫度較高，必須使用二硫化鉬高溫潤(rùn)滑油，否則油脂硬化會(huì)造成油管堵塞。

同時(shí)，盡可能地保持支承螺栓防護(hù)罩完好，該防護(hù)罩可以最大限度地阻止?fàn)t渣等顆粒物進(jìn)入到支承螺栓球面墊中，保證球面墊結(jié)合部處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。

3.4 規(guī)范四波紋墊片的更換周期

四波紋墊片在現(xiàn)有工況下肯定會(huì)疲勞損傷直至失效，在其狀況劣化到一定程度時(shí)有序更換，就很有必要。因此，可以選擇在每1年半的爐役中修期間，將四波紋墊片的更換加入檢修項(xiàng)目中。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次分析，結(jié)合在實(shí)際工作過(guò)程中出現(xiàn)的支承螺栓根部異常斷裂、止動(dòng)托座脫落、爐殼變形扭曲等現(xiàn)象，找出了轉(zhuǎn)爐支承螺栓斷裂原因，提出了改變支承螺栓材質(zhì)、保證螺栓傾斜角度、保證潤(rùn)滑等措施，解決爐體傾動(dòng)過(guò)程中長(zhǎng)期受高溫、沖擊載荷而產(chǎn)生了嚴(yán)重的應(yīng)力集中的現(xiàn)象。較好地保障了轉(zhuǎn)爐設(shè)備運(yùn)行安全，提高了設(shè)備作業(yè)率，降低了維修工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)同類(lèi)型轉(zhuǎn)爐支承螺栓的設(shè)計(jì)、維護(hù)提供了很好的借鑒。