一種新型轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置

張宏強

摘要：轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置是轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它的結(jié)構(gòu)是否合理直接影響托圈和爐殼的壽命及鋼產(chǎn)量。本文系統(tǒng)介紹了一種新型轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置的結(jié)構(gòu)及優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：連接裝置三點下吊掛靜定系統(tǒng)特點推廣應(yīng)用

0引言

轉(zhuǎn)爐爐體與托圈的連接裝置是轉(zhuǎn)爐本體系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，爐體通過連接裝置與托圈連接。由于爐體重量是公稱噸位的5-8倍，并通過連接裝置隨托圈傾轉(zhuǎn)加減3600，而且爐殼和托圈在機械與熱負荷作用下都將產(chǎn)生變形，因此，對連接裝置提出要求：連接必須牢固可靠，同時又要適應(yīng)爐殼和托圈熱膨漲時在徑向和軸向產(chǎn)生的相對位移，以免造成爐殼或托圈嚴重變形和破壞。

另外，連接裝置還存在一個嚴重問題是：伴隨著爐殼和托圈的變形，在連接裝置中引起傳遞載荷的重新分布，往往造成局部過載，并由此引起嚴重變形和破壞。

為了滿足連接裝置的要求，并能較好地克服可能出現(xiàn)的問題，設(shè)計連接裝置時，應(yīng)保證以下幾點：①保證爐殼、托圈結(jié)構(gòu)合理，提高使用壽命。②保證轉(zhuǎn)爐在任何位置時，都能將爐體負荷盡可能均勻地傳遞到托圈，并保持爐體在托圈中的正確位置。③能適應(yīng)爐體在軸向和徑向的脹、縮，不產(chǎn)生曠動。④考慮到變形的產(chǎn)生，能以預(yù)先確定的方式傳遞載荷，并避免因靜不定問題的存在，而使支承系統(tǒng)承受附加載荷。⑤連接裝置應(yīng)安裝、拆卸方便，加工、維修容易。

目前常用的連接裝置類型：懸掛支撐盤連接裝置、卡板夾持器連接裝置、薄帶連接裝置、三點球面支承連接裝置、拉桿吊掛連接裝置等。而這些種類的連接裝置都有各自的優(yōu)缺點。

1一種新型爐體與托圈的連接裝置

1.1結(jié)構(gòu)說明該裝置使用在我單位的50噸轉(zhuǎn)爐上，它采用兩組連桿，將爐體吊掛在托圈上。爐體直立時，靠一組垂直連桿吊掛，爐體傾轉(zhuǎn)到水平位置時，靠另一組水平連桿吊掛在托圈上。

爐體傾轉(zhuǎn)時，垂直拉桿與水平連桿及水平導向架一起承受托圈平面內(nèi)的橫向載荷。

圖1所示為連桿在托圈1上的配置情況，爐體5通過三個活動垂直連桿3吊掛在托圈1上。兩個活動垂直連桿3配置在與耳軸軸線成450的位置，一根連桿3在出鋼口對面位置上。在驅(qū)動側(cè)和非驅(qū)動側(cè)各有一個活動水平連桿2。在出鋼口對面位置的下方設(shè)有一個水平導向架4，作用是阻止爐體5在托圈1內(nèi)發(fā)生耳軸方向的擺動。爐體5傾轉(zhuǎn)時，水平連桿2與水平導向架4一起承受托圈平面內(nèi)的橫向載荷。

活動垂直連桿3和活動水平連桿2的結(jié)構(gòu)型式相同表示在圖2中。

由圖2可知：垂直連桿和水平連桿中的連桿10通過兩個球鉸5和兩個軸6鉸接，軸6又通過四個球鉸14分別與兩個托圈凸耳1及兩個爐體凸耳17鉸接，用其他零件將各個球鉸定位且使球鉸處于全封閉狀態(tài)，球鉸全部采用先進的耐高溫、免維護型球鉸軸承。托圈凸耳1焊在托圈的底板上，爐體凸耳17則與爐殼焊在一起。

將水平導向架中的導向快與托圈底板焊在一起，導向支架與爐殼焊在一起。

為了盡量減少爐殼及托圈對結(jié)構(gòu)使用性能的影響。這種連接裝置安置在托圈的下部也是爐體下部，這里溫度較低，變形較小，對結(jié)構(gòu)是有利的。這種結(jié)構(gòu)的連桿，在爐體處于一定傾轉(zhuǎn)位置時，它們會成為“拉桿”或“壓桿”進行工作。

1.2結(jié)構(gòu)分析

1.2.1運動鏈的建立根據(jù)機械原理結(jié)合結(jié)構(gòu)說明。可以把該裝置看成為由爐體5、托圈1、水平連桿2以及垂直連桿3共七個構(gòu)件組合而成的一個閉式空間運動鏈。在該運動鏈中，構(gòu)件爐體、托圈與構(gòu)件兩組連桿間是采用…級運動副(球鉸)聯(lián)接，構(gòu)件爐體與構(gòu)件托圈間也是采用…級運動副(移動、轉(zhuǎn)動副)聯(lián)接。

1.2.2運動鏈的簡化及自由度的確定由理論力學可知，空間運動的自由構(gòu)件有六個自由度，即沿×、Y、Z軸的三個移動和繞三個軸的三個轉(zhuǎn)動。但在該運動鏈中，由于運動副的特殊配置(圖1)，即在×OY平面內(nèi)水平導向架4的設(shè)置，使得該運動鏈中的各構(gòu)件都失去了饒Y、Z軸轉(zhuǎn)動以及沿×軸移動的可能性，或者說，對該運動鏈所有構(gòu)件的運動加上了三個公共約束。由結(jié)1-托圈凸耳2-螺栓3-螺母4-墊片5-軸構(gòu)說明可知，由于兩個水平連承6-軸7-環(huán)8-密封環(huán)9-夾子10-連桿2所起的限制作用是互為桿11-蓋(1)12-蓋(2)13-蓋(3)14-軸承重復(fù)的，即互為虛約束，計算15-螺栓16-套17-爐體凸耳18-環(huán)時可除去一個不計。兩個配置圖2水平、垂直連桿結(jié)構(gòu)圖在與耳軸軸線成45°的位置垂直連桿3所起的限制作用是互為重復(fù)的，即互為虛約束，計算時可除去一個不計。機構(gòu)中的球餃(圖2中件14)對整個運動鏈的運動無任何影響，屬局部自由度計算時除去不計。這樣，該運動鏈可簡化成是由N=5個構(gòu)件組成，公共約束為3，各個構(gòu)件之間的聯(lián)結(jié)副為V級副。當固定其中之一為機架后，所?；顒訕?gòu)件數(shù)為n=N 1=4。對于這種空間運動鏈，其自由度的計算公式應(yīng)為:

式中k為運動副的級數(shù)

m為公共約束值

計算這個空間運動鏈相對于機架的自由度為

F=(6 3)×4-e5-3)×6=0

因此，這個自由度為零空間的運動鏈是不能產(chǎn)生相對運動的剛性桁架一靜定系統(tǒng)。

由于該運動鏈的自由度為零可以得出，在此靜定系統(tǒng)中，各構(gòu)件的位置保持相對靜止，即爐體和托圈位置以及各個連桿的位置保持相對靜止且各構(gòu)件無多余的約束。因此，當以托圈為機架時，且托圈繞耳軸轉(zhuǎn)動過程中，托圈與爐體的相對位置保持不變。

1.2.3虛約束和局部約束在靜定系統(tǒng)中的作用實際應(yīng)用中為使各構(gòu)件受力均衡，增加各構(gòu)件的剛性，改善其受力狀況，因此，采用了虛約束。水平連桿、垂直連桿數(shù)量的增加及對稱布置和水平導向架的設(shè)置，雖不影響機構(gòu)的約束，但卻改善了其受力狀況，使每個連桿的受力減小，增加了其剛性，并且改善了爐體和托圈受力狀況，使其受力均衡，因而增加了整個系統(tǒng)的剛性。而且三個垂直連桿3、兩個水平連桿2以及水平導向架按圖1所示的布置，使得爐體5的中心與托圈1的中心重合，且當爐體5、托圈1產(chǎn)生徑向和軸向脹、縮的情況下，各連桿通過其中的各聯(lián)接副(球鉸)發(fā)生擺動，同時水平導向架4通過自身聯(lián)接副適應(yīng)爐體和托圈產(chǎn)生徑向和軸向脹、縮，充分地滿足各種變形的需要，并保持爐體和托圈的相對位置不變且不產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。從而保證該裝置的機構(gòu)屬性。既使在托圈傾轉(zhuǎn)過程中，也只是改變各連桿的受力狀態(tài)。而且各連桿的局部約束(連桿兩端的軸的兩端支承各采用一球鉸)，在托圈和爐體脹、縮的情況下，對該軸不產(chǎn)生附加應(yīng)力，改變軸的工作狀態(tài)。

2新型爐體與托圈的連接裝置的特點

這種連接裝置的特點，在于采取了三點靜定的支承系統(tǒng)，連接裝置中的球鉸的連接能充分地滿足各種變形的需要。因此，從原理上來講，能更好地滿足上述五點連接裝置設(shè)計要求。它具有如下優(yōu)點：

2.1該連接裝置設(shè)置在托圈底部，結(jié)構(gòu)合理，工作環(huán)境相對較好，并且利于冷卻，又采用了多個先進的耐高溫、免維護型軸承且這些球鉸軸承處于全封閉狀態(tài)，維護的工作量小。并且載荷傳遞元件的表面沒有間隙，從而不產(chǎn)生曠動。

2.2轉(zhuǎn)爐在任何位置時，都能將爐體負荷盡可能均勻地傳遞到托圈上面，并且從爐殼到托圈的載荷傳遞是靜態(tài)的。

2.3適應(yīng)爐體在軸向和徑向的脹、縮，即使在爐殼非對稱的膨脹和變形的情況下，并保持爐體在托圈中的正確位置。

2.4考慮到變形的產(chǎn)生，能以預(yù)先確定的方式傳遞載荷，避免了因靜不定問題的存在而使支承系統(tǒng)承受附加載荷。

2.5該連接裝置重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，零件加工制作容易。

2.6由于該連接裝置設(shè)置在托圈的下部，結(jié)構(gòu)合理，工作環(huán)境相對較好，爐體的變形較小，因此爐體的安裝和更換容易。

2.7該連接裝置的設(shè)置對托圈的結(jié)構(gòu)沒有任何特殊的要求，因而不會提高托圈的制作難度。

2.8該連接裝置設(shè)置在托圈的下部，利于中、小型轉(zhuǎn)爐的爐體設(shè)置爐帽防熱板和擋渣板：利于大、中型轉(zhuǎn)爐爐體設(shè)置擋渣板及水冷爐帽，提高爐體的壽命。這一點對大、中型轉(zhuǎn)爐尤為重要。

2.9由于該連接裝置設(shè)置在托圈的下部，使得整體轉(zhuǎn)爐爐體的重心下移，因此利于轉(zhuǎn)爐采用死爐底結(jié)構(gòu)和活爐底中的小爐底結(jié)構(gòu)。

2.10各連桿的局部約束(連桿兩端的軸的兩端支承各采用一球鉸軸承)，能夠適應(yīng)托圈和爐體的變形，使得托圈和爐體在脹、縮的情況下，對該軸不產(chǎn)生附加應(yīng)力，不改變軸的工作狀態(tài)。

2.11各連桿受力狀況簡單，均為二力桿。該裝置的缺點，在于系統(tǒng)中只要有一根桿破壞，整個承載結(jié)構(gòu)就會失去作用。

因此，對桿的材質(zhì)、加工、處理提出較高要求，同時在生產(chǎn)過程中必須經(jīng)常進行仔細檢查，而靜不定結(jié)構(gòu)在個別地方損壞時，尚可利用其承載潛力，不致發(fā)生重大事故。

3結(jié)論

該爐體與托圈連接裝置結(jié)構(gòu)合理、簡單、制作、安裝容易，實際使用中優(yōu)勢突出，投產(chǎn)一年多使用正常，托圈和爐體的壽命較采用其它連接型式連接裝置的同等級轉(zhuǎn)爐相對延長，是一種較為理想的爐體與托圈連接裝置。