氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的開發(fā)設(shè)計

趙恒濤，張全國，郭成治

（山東冶金機(jī)械廠，山東 淄博255064）

1 前言

100 t、120 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐適合于小鋼鐵企業(yè)技術(shù)升級改造的需要，市場需求量較大。山東冶金機(jī)械廠針對市場需求，組織技術(shù)人員適時開發(fā)設(shè)計該產(chǎn)品，得到了用戶的好評，增強(qiáng)了企業(yè)市場競爭力，積極拓展了生存空間，進(jìn)一步提升了企業(yè)的制造實力和知名度，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)設(shè)計

轉(zhuǎn)爐主體設(shè)備包括轉(zhuǎn)爐爐體、耳軸托圈裝配、傾動裝置及潤滑、耳軸軸承裝配及潤滑、爐體支撐裝置、風(fēng)冷系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、底吹配管等十幾部分。

2.1 轉(zhuǎn)爐參數(shù)

100 t、120 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐啟動時間3～5 s，減速機(jī)速比551.7，傾動轉(zhuǎn)速0.13～1.3 r/min，旋轉(zhuǎn)角度±360°，其他主要性能參數(shù)見表1。

表1 100 t、120 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐主要性能參數(shù)

2.2 轉(zhuǎn)爐爐體

轉(zhuǎn)爐爐體包括水冷爐口、爐帽、爐身、爐底、爐體擋渣板5個部分。爐體處于高溫變溫度場狀況下工作，爐體材質(zhì)采用了具有良好焊接性能和抗蠕變性能的16Mng鋼板。

1）水冷爐口。采用4瓣式結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為耐熱球墨鑄鐵，內(nèi)埋蛇形水管，獨(dú)立進(jìn)出水強(qiáng)制冷卻。其中每一路均由單獨(dú)閥門控制，可減少爐口粘渣，提高煤氣回收質(zhì)量，利于單塊損壞水冷爐口的更換。

2）水冷爐帽。因為受高溫爐氣的影響，爐帽的工作溫度較高，剛性變差。采用半截面鋼管焊接在爐帽外表面的強(qiáng)制水冷方式，以降低該部位的熱應(yīng)力，緩解蠕變。為增強(qiáng)剛性，在爐帽與爐身結(jié)合部采用圓弧過渡連接。

3）爐身及爐底。爐身及爐底的形狀設(shè)計根據(jù)所處工況不同而采取不同的措施。針對爐身直筒段在托圈內(nèi)溫度高易變形的特點，適當(dāng)加大爐身外徑與托圈內(nèi)徑之間的間隙，并配置了風(fēng)冷系統(tǒng)以降低爐身溫度，減小變形。爐底采用球形、直線段相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，有效防止了熱變形。爐身與爐底焊為一體，此結(jié)構(gòu)機(jī)械加工量少，重量輕，制造簡便，節(jié)省投資，杜絕了大容量轉(zhuǎn)爐的漏鋼問題，安全可靠。

4）爐體擋渣板。耳軸上方的弧形擋渣板采用快卸式，增設(shè)一處疏導(dǎo)噴濺爐渣的翼板，擋渣板安裝底座設(shè)有螺栓頭部插槽，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于更換、不易掛渣等優(yōu)點。出鋼口上方的擋渣板采用耐熱鑄鐵板，為了便于觀測出鋼情況，在擋渣板安裝底座立筋板上加工觀測圓弧，并設(shè)有側(cè)面加強(qiáng)筋，防止變形。

2.3 耳軸托圈裝配

托圈采用內(nèi)置立筋的箱形結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外腹板、上下蓋板構(gòu)成，截面高寬比為3。具有較高的剛性，抗變形能力強(qiáng)，內(nèi)外腹板間貫穿大直徑鋼管，有利于空氣對流，改善了爐體的散熱條件。由于非水冷托圈的內(nèi)外腹板溫差100℃，上下蓋板溫差80℃以上，較大的溫度梯度造成托圈截面形成較大的熱應(yīng)力，因此設(shè)計托圈水冷系統(tǒng)，以使托圈各部位溫度趨于一致，減小熱應(yīng)力。另外，托圈經(jīng)過三維有限元仿真優(yōu)化設(shè)計，比國內(nèi)其他鋼廠同規(guī)格轉(zhuǎn)爐托圈尺寸小，從而節(jié)省了制造費(fèi)用，便于設(shè)備的合理布置。

耳軸托圈裝配采用兩種結(jié)構(gòu)型式：1）耳軸與托圈焊接式。耳軸材質(zhì)為20MnMoNb，托圈用鋼板材質(zhì)為16Mng。2）耳軸法蘭與托圈軸座通過螺栓緊固，軸向銷定位，耳軸材質(zhì)為35CrMo，托圈軸座材質(zhì)為ZG20Mn。耳軸中心設(shè)有中心通孔，便于冷卻水管和底吹配管的敷設(shè)。

2.4 全懸掛式傾動裝置及潤滑

轉(zhuǎn)爐采用4點嚙合全懸掛柔性傳動和扭力桿平衡裝置，主要由變頻調(diào)速電機(jī)、一次減速機(jī)、二次減速機(jī)和扭力桿裝置組成。一次、二次減速機(jī)均采用硬齒面齒輪，提高了減速機(jī)的承載能力和使用壽命，扭力桿平衡裝置通過扭力桿的扭轉(zhuǎn)來吸收爐體傾動過程中產(chǎn)生的沖擊振動，有利于設(shè)備的安全運(yùn)行。一次減速機(jī)的潤滑采用極壓工業(yè)齒輪油油池潤滑。二次減速機(jī)采用稀油站集中潤滑。

全懸掛式傾動裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)點。1）全懸掛式傾動裝置消除了以往傾動設(shè)備中齒輪嚙合不良的現(xiàn)象。2）結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠，占地面積小。所選用的4臺變頻調(diào)速電機(jī)具有較大的過載系數(shù)，當(dāng)4臺電機(jī)中的1臺發(fā)生故障時，其余3臺電機(jī)仍可以工作24 h；當(dāng)2臺電機(jī)發(fā)生故障時，其余2臺電機(jī)仍可在0.1 r/min的速度下正常冶煉1爐。每臺電機(jī)配置的增量型編碼器可實時檢測電機(jī)的運(yùn)行狀況。3）交流變頻調(diào)速電機(jī)的應(yīng)用，既滿足了轉(zhuǎn)爐不同轉(zhuǎn)速的要求，又降低了能耗。4）采用硬齒面減速機(jī)，減少了傳動裝置的體積和重量，提高其使用可靠性。采用正傳動齒輪，提高了齒輪嚙合性能和強(qiáng)度，改善了齒輪磨削的工藝性，確保了硬齒面齒輪的制造質(zhì)量［1-2］。5）扭力桿裝置能夠防止箱體轉(zhuǎn)動，并起到緩振作用。扭力桿采用40CrMnMo，經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面處理，具有較高的綜合力學(xué)性能，彈性好，其表面加工殘余應(yīng)力呈壓應(yīng)力分布，提高了吸收電動機(jī)啟動和制動所引起的沖擊能量的能力，從而減輕了爐體振動，防止扭振力矩破壞齒輪等傳動零件。6）采用新設(shè)計的彈簧緩沖裝置，內(nèi)嵌在常規(guī)的止動座內(nèi)，在正常狀態(tài)下可有效減緩轉(zhuǎn)爐操作過程的沖擊。當(dāng)扭力桿發(fā)生故障時，可臨時替代其工作。7）新型電子主令控制器與絕對型編碼器的配合使用，既可以設(shè)定關(guān)鍵工藝點，也可以360°連續(xù)顯示轉(zhuǎn)爐的傾動角度。

大齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計有兩種形式：采用鑄鋼件（材質(zhì)為ZG40Mn2），其特點是重量大、加工量大、毛坯制作簡單；采用焊接件，由齒圈（材質(zhì)為35CrMo，粗加工后調(diào)質(zhì)處理）、雙輻板（材質(zhì)為16Mn）及輪轂（材質(zhì)為ZG270-450，粗加工后調(diào)質(zhì)處理）組成，其特點是重量輕，加工量小，毛坯制作費(fèi)用較高。

2.5 耳軸軸承及其潤滑

驅(qū)動側(cè)和游動側(cè)耳軸軸承均采用調(diào)心圓柱滾子軸承，可消除因設(shè)備制造安裝產(chǎn)生的兩端耳軸的同軸度偏差。同時為了適應(yīng)托圈和耳軸的受熱膨脹，將游動側(cè)的耳軸軸承支座設(shè)計成鉸鏈結(jié)構(gòu)，即支座通過2個同軸鉸鏈支撐在底座上，依靠支座繞鉸鏈的偏斜擺動補(bǔ)償耳軸軸向的脹縮位移。

耳軸軸承的潤滑設(shè)計有兩種型式：采用稀油站集中潤滑，此方式的特點是潤滑油在潤滑的同時帶走軸承中的灰塵，并對軸承起到冷卻作用；干油潤滑，此方式的特點是通過1個干油泵和1個分配器使耳軸軸承有4個受油點，軸承可以得到充分的潤滑，潤滑脂還起到一定的密封作用，避免了稀油潤滑因密封失效引起潤滑油外泄。

2.6 爐體3點支撐裝置

100 t、120 t轉(zhuǎn)爐的爐殼采用3點球鉸裝置支撐在托圈上。整個支撐裝置有兩部分組成：一是托圈上3個互成120°的球鉸裝置與爐殼上部的支撐法蘭組成傾動承載部分，承受爐體在垂直位置和傾動過程的載荷。其中位于加料側(cè)的球鉸裝置傳遞傾動力矩，此點距離耳軸中心最遠(yuǎn)；每個球鉸裝置中有兩對相互配合的球面墊圈，以便T型支撐螺栓更好地適應(yīng)爐殼的膨脹變形，爐體可在托圈內(nèi)相對位移而不受約束。二是安裝在托圈上下的限位塊、托架組成傾動定位部分。

2.7 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)包括水冷爐口、爐帽及托圈3部分。由于強(qiáng)制水冷的作用，使主要承受高溫的零部件能更好地適應(yīng)工作環(huán)境，從而減少設(shè)備的損壞。

2.8 風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)冷系統(tǒng)包括空氣總管、分管及噴嘴。采用高壓（0.4～0.6 MPa）、大流量（900 m3）模式的壓縮空氣強(qiáng)制冷卻比低壓、大流量模式的壓縮空氣強(qiáng)制冷卻效率要高50%，爐體表面溫度可控制在250℃以下。其機(jī)理是高壓空氣通過噴嘴以射流方式直接噴到爐體表面，通過紊流效應(yīng)，將爐體表面的高溫空氣膜擊碎，使冷卻效果大大提高。

2.9 底吹配管

通過旋轉(zhuǎn)接頭接入6路底吹配管，每一管路上都設(shè)有單獨(dú)的控制閥門，便于分體控制；同時6管路互不干涉，設(shè)定相同的壓力和流量；底吹點均勻分布在2 400 mm的圓周上，達(dá)到理想的底吹效果。

3 結(jié)語

新開發(fā)設(shè)計的100 t、120 t氧氣頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐既適合于小鋼鐵企業(yè)技術(shù)升級改造的需要，也可直接用于新建煉鋼廠，符合國家產(chǎn)業(yè)政策，具有較大的社會效益。山東冶金機(jī)械廠目前已制造生產(chǎn)該規(guī)格型號的轉(zhuǎn)爐20余臺，為企業(yè)創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］ 王雅貞.氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝與設(shè)備［M］.2版.北京：冶金工業(yè)出版社，2009.