一種對(duì)轉(zhuǎn)爐裝置進(jìn)行擴(kuò)容改造的方法

張皓天

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

煉鋼轉(zhuǎn)爐是鋼鐵企業(yè)煉鋼廠的核心設(shè)備，主要作用是將高爐冶煉出的鐵水同配加的廢鋼、鐵合金一起，利用鐵水本身物理熱量及通過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)，再采用規(guī)定工藝動(dòng)作進(jìn)行處理，冶煉出所需的鋼水。轉(zhuǎn)爐設(shè)備組主要由傾動(dòng)裝置、托圈裝置、軸承座裝置、爐殼裝配、懸掛系統(tǒng)及相應(yīng)的潤(rùn)滑與水氣配管組成。隨著國(guó)家對(duì)鋼鐵企業(yè)的環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，以及在國(guó)家化解鋼鐵產(chǎn)能過(guò)剩并提升鋼鐵品質(zhì)的大背景下，我國(guó)眾多鋼鐵企業(yè)開(kāi)始實(shí)施產(chǎn)能置換或者企業(yè)退城項(xiàng)目。因此，當(dāng)前我國(guó)各地鋼廠需要升級(jí)改造大量的轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備。

1 改造背景

以某鋼鐵企業(yè)原出鋼量為130~140t的轉(zhuǎn)爐設(shè)備為原型，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行一系列的技術(shù)改造，最終使其出鋼量達(dá)到180t。其原參數(shù)如下：傾動(dòng)輸出轉(zhuǎn)速為0.1~1.4 r/min；傾動(dòng)輸入轉(zhuǎn)速為735 r/min；傾動(dòng)電機(jī)功率為132 kW；爐殼直徑及高度為Φ6 950 mm×9 445 mm；托圈相關(guān)參數(shù)為Φ7 400 mm（內(nèi)徑）×Φ9 000 mm（外徑）×2 100 mm（高度）；轉(zhuǎn)爐懸掛形式為三點(diǎn)球鉸上懸掛；爐殼砌磚后容量為140 m3；轉(zhuǎn)爐出鋼量為140 t。

因受場(chǎng)地及投入資金限制，現(xiàn)用戶(hù)要求在原土建基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)爐爐體不改變的前提下對(duì)整套轉(zhuǎn)爐設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，要求升級(jí)后轉(zhuǎn)爐出鋼量達(dá)到180 t，輸出轉(zhuǎn)速提升至1.5 r/min，并且隨著資金投入、設(shè)備變更，改造周期要盡可能小。

2 改造技術(shù)分析

按照擴(kuò)容后相應(yīng)的力能要求對(duì)該轉(zhuǎn)爐設(shè)備的原有參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并與某公司歷年來(lái)設(shè)計(jì)制造的出鋼量在180~200 t的轉(zhuǎn)爐相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，可以得出：

1）原轉(zhuǎn)爐托圈裝置的耳軸直徑尺寸，相應(yīng)鋼板厚度、軸承座軸承型號(hào)、爐體鋼板厚度及設(shè)備相關(guān)土建基礎(chǔ)均可以滿(mǎn)足擴(kuò)容后（出鋼量180 t）設(shè)備的使用要求，不需要做相應(yīng)變更。

2）托圈內(nèi)外徑尺寸為Φ7 400 mm（內(nèi)徑）×Φ9 000 mm（外徑）及爐體尺寸為Φ6 950 mm×9 445 mm，與標(biāo)準(zhǔn)180 t轉(zhuǎn)爐設(shè)備相比較小，并不能很好滿(mǎn)足擴(kuò)容要求，但由于用戶(hù)已經(jīng)明確要求爐殼部分要利舊，因此爐殼與托圈不再做變更升級(jí)，可采用減小相應(yīng)爐殼砌磚厚度、增加爐殼容積的方法滿(mǎn)足用戶(hù)擴(kuò)容要求。

3）因涉及到轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容及提速，經(jīng)過(guò)計(jì)算，原傾動(dòng)裝置并不能滿(mǎn)足設(shè)備要求。具體表現(xiàn)為：輸出轉(zhuǎn)速較低，不滿(mǎn)足要求；扭力桿直徑為290 mm，在轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容后，扭轉(zhuǎn)角太大，其危險(xiǎn)截面應(yīng)力接近許用應(yīng)力，有發(fā)生斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；電機(jī)功率132 kW，無(wú)法滿(mǎn)足擴(kuò)容要求；擴(kuò)容后某些齒輪與齒輪軸強(qiáng)度較低，主要是二次減速機(jī)大齒輪接觸與彎曲強(qiáng)度不夠，一次減速機(jī)齒輪齒軸計(jì)算強(qiáng)度較富余，且第三軸與第四軸的軸承壽命不滿(mǎn)足使用要求。因此，需要整體更換升級(jí)傾動(dòng)裝置，并要滿(mǎn)足用戶(hù)土建尺寸及中心高度不變的要求。經(jīng)對(duì)齒輪計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表1，對(duì)軸承計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 改造前齒輪強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 改造前軸承（進(jìn)口）壽命情況

4）原轉(zhuǎn)爐懸掛系統(tǒng)為三點(diǎn)球鉸支撐形式，其支撐螺栓直徑為Φ260 mm。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行受力分析得出：其尺寸無(wú)法滿(mǎn)足轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容要求，需要對(duì)其加強(qiáng)升級(jí)改造，并且在國(guó)內(nèi)其他企業(yè)中，該型號(hào)支撐螺栓在出鋼量為180~200 t時(shí)有出現(xiàn)過(guò)斷裂的情況。

3 設(shè)計(jì)改造方案

通過(guò)技術(shù)分析，現(xiàn)需要對(duì)用戶(hù)的整套傾動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)爐懸掛裝置進(jìn)行爐殼砌磚的設(shè)計(jì)改造，具體如下：

1）爐形改造。因轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)鐵水及廢鋼等并不是直接盛裝在爐殼內(nèi)，而是需在砌筑有耐火磚的爐殼內(nèi)部發(fā)生相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)。因此，爐殼砌磚后的空間與轉(zhuǎn)爐出鋼量有著直接的關(guān)系。爐容比值太小容易發(fā)生噴濺、溢渣等風(fēng)險(xiǎn)，爐容比太大會(huì)增加無(wú)效能耗與投資，因此爐容比太大或者太小都不可行。對(duì)用戶(hù)原轉(zhuǎn)爐砌筑后，爐體容積僅為140 m3，在出鋼量為180 t的情況下，其爐容比為0.78，爐容比太小，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足擴(kuò)容要求，而且用戶(hù)明確要求爐殼部分要利舊，經(jīng)分析得出原轉(zhuǎn)爐爐殼砌磚厚度較厚，留有一定富余量。因此，可采取適當(dāng)減小爐殼砌磚厚度來(lái)增加爐殼容積的方案，但該方案也存在缺點(diǎn)，即砌磚厚度減薄后會(huì)減少轉(zhuǎn)爐爐役，增加爐殼鋼板產(chǎn)生的熱影響與熱應(yīng)力。不過(guò)用戶(hù)經(jīng)結(jié)合轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容后的投入產(chǎn)出比及對(duì)爐殼鋼板材質(zhì)與厚度分析，認(rèn)為該方案是可以被接受的。最終在改變爐殼砌磚后，爐體容積達(dá)到157 m3，在出鋼量為180 t時(shí)的爐容比達(dá)到0.87，勉強(qiáng)可以滿(mǎn)足其擴(kuò)容出鋼要求。

2）傾動(dòng)改造。對(duì)擴(kuò)容后的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行力矩計(jì)算，得出其最大傾動(dòng)力矩為3 800 kN·m，按此力矩對(duì)傾動(dòng)裝置進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算得出：原有傾動(dòng)裝置不能滿(mǎn)足使用要求，主要為傾動(dòng)電機(jī)、扭力桿、傾動(dòng)裝置二次減速機(jī)齒輪強(qiáng)度及一次減速機(jī)部分軸承壽命不滿(mǎn)足使用要求，且傾動(dòng)裝置最大輸出轉(zhuǎn)速也需由1.4 r/min提升至1.5 r/min，因此，需對(duì)整套傾動(dòng)裝置進(jìn)行升級(jí)。具體改造方案為：根據(jù)表1齒輪相關(guān)計(jì)算結(jié)果可知，傾動(dòng)裝置一次減速機(jī)齒輪齒軸的計(jì)算結(jié)果較為富余，二次減速機(jī)強(qiáng)度不夠,因此可以重新優(yōu)化各齒輪箱中心距及各級(jí)齒輪傳動(dòng)速比分配，使得各級(jí)齒輪計(jì)算結(jié)果均衡化；更改二次減速機(jī)大齒輪的熱處理方式，由調(diào)質(zhì)改為表面淬火，將齒面硬度由300~350（HBW）提升至50~55（HRC），從而提高齒面接觸強(qiáng)度與齒根彎曲強(qiáng)度；在保持土建基礎(chǔ)不變的前提下，將扭力桿直徑由Φ290 mm擴(kuò)大至Φ320 mm，提高其彎曲與扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)；調(diào)整一次減速機(jī)內(nèi)部分軸承，使其滿(mǎn)足新工況下的設(shè)備使用壽命要求。經(jīng)傾動(dòng)改造后，齒輪計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，雖然各級(jí)齒輪彎曲強(qiáng)度有所降低，但都滿(mǎn)足使用要求，且接觸強(qiáng)度較改造之前還有所增加。軸承計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，在調(diào)整第三軸、第四軸軸承后，其壽命也滿(mǎn)足使用要求。

表3 改造后齒輪強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

表4 改造后軸承（進(jìn)口）壽命情況

3）懸掛系統(tǒng)改造。原有三點(diǎn)球鉸支撐裝置不足以滿(mǎn)足轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容要求，因此對(duì)球鉸支撐中的支撐螺栓直徑、支撐銷(xiāo)軸直徑及內(nèi)部球面墊均進(jìn)行了強(qiáng)化設(shè)計(jì)。一是需優(yōu)化其原有材料，以進(jìn)一步提升各重要受力件的機(jī)械性能；二是需擴(kuò)大支撐螺栓直徑與支撐銷(xiāo)軸直徑，以提高其強(qiáng)度。但對(duì)懸掛系統(tǒng)改造完成后，由于主要零件尺寸增加，使得整個(gè)爐體裝配后回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)上移50mm，這便導(dǎo)致兩個(gè)問(wèn)題：一是轉(zhuǎn)爐重心上移，產(chǎn)生了負(fù)力矩，在煉鋼生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐負(fù)力矩會(huì)導(dǎo)致設(shè)備在緊急狀態(tài)下不能自動(dòng)回位，進(jìn)而引發(fā)安全事故，這是不被允許的，需要消除，因此需在爐殼底部增加配重，將整個(gè)轉(zhuǎn)爐重心下移，而配重可以通過(guò)改造轉(zhuǎn)爐底吹配管罩的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，爐殼底部增加的配重約9 t；二是爐殼上移后，爐殼上安裝懸掛裝置下部托架的螺栓孔位置與托架發(fā)生錯(cuò)位，因此需重新設(shè)計(jì)下部托架。

4 現(xiàn)場(chǎng)改造方案

在方案設(shè)計(jì)及設(shè)備制作完成后,還需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際的設(shè)備改造與安裝，其具體方案如表5所示。

表5 現(xiàn)場(chǎng)改造具體方案

5 結(jié)論

1）在制定轉(zhuǎn)爐擴(kuò)容改造方案時(shí)，需要精確計(jì)算擴(kuò)容后的爐容比、傾動(dòng)力矩，并以此為基礎(chǔ)對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行計(jì)算，只有當(dāng)爐容比滿(mǎn)足要求時(shí)才可對(duì)整套轉(zhuǎn)爐進(jìn)行擴(kuò)容改造。

2）對(duì)三點(diǎn)球鉸支撐形式的懸掛裝置進(jìn)行擴(kuò)容改造后，有可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐整體產(chǎn)生負(fù)力矩，而由于受現(xiàn)場(chǎng)安裝條件限制，通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)來(lái)消除負(fù)力矩的方法已經(jīng)不再適用，此時(shí)便需要在爐底增加配重來(lái)消除負(fù)力矩。

3）當(dāng)齒輪箱個(gè)別齒輪強(qiáng)度以及軸承計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足使用要求時(shí)，可以通過(guò)重新調(diào)整各級(jí)齒輪速比與中心距，以及更改材料與熱處理方式的方法來(lái)對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，使得計(jì)算結(jié)果更加均衡。