爐前脫硅噴槍系統(tǒng)改造

任玉軍 葛國軍

（1：寶鋼股份煉鐵廠 上海 201900；

2：北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 上海 201900）

1 前言

鐵水預(yù)處理是介于高爐——轉(zhuǎn)爐之間的一道重要工序，旨在降低鐵水中有害元素（硫、磷和硅等）的含量，俗稱“三脫”。為了達(dá)到更好的脫磷效果，要求鐵水中硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.15%，這是由于在熱力學(xué)上硅優(yōu)先于磷氧化，這使得預(yù)處理脫硅成為鋼鐵企業(yè)必不可少的工藝。目前，國內(nèi)外采用的脫硅工藝主要有兩種：上置法（也稱投撒法）和噴吹法，其發(fā)生過程可以劃分為鐵水預(yù)處理車間脫硅和高爐出鐵場爐前脫硅，由于爐前脫硅在高爐出鐵過程中完成，可縮短鐵水在高爐——轉(zhuǎn)爐間的停留時(shí)間、減少鐵水罐車用量及減輕脫硅反應(yīng)對(duì)鐵水罐內(nèi)襯的侵蝕，在鋼鐵廠逐漸受到重視］。

寶鋼4號(hào)高爐于2005年投產(chǎn)，其脫硅方法采用高爐出鐵場爐前噴吹法，脫硅所用的噴槍系統(tǒng)主要由升降部件、回轉(zhuǎn)部件、擺動(dòng)部件、行程指示器等組成，可以實(shí)現(xiàn)在噴吹過程中噴槍的上下升降、噴槍前后擺動(dòng)及左右擺動(dòng)一定角度。使用一定年限后，由于結(jié)構(gòu)方面的原因，在實(shí)現(xiàn)以上功能時(shí)整個(gè)機(jī)架晃動(dòng)，運(yùn)動(dòng)不順暢；上升下降過程中，易發(fā)生卡阻，工作非常不穩(wěn)定，無法達(dá)到脫硅噴吹所需的動(dòng)作要求，導(dǎo)致噴槍噴料的準(zhǔn)確性降低，影響了鐵水的脫硅質(zhì)量。本文根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況并查閱相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)寶鋼4號(hào)高爐的4套爐前脫硅噴槍系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 原脫硅噴槍系統(tǒng)

原有噴槍設(shè)備如圖1所示，其回轉(zhuǎn)功能通過電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)支承來實(shí)現(xiàn)，升降通過滑輪帶動(dòng)滑塊上下移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)則由電動(dòng)絲桿推動(dòng)整個(gè)噴槍裝配前后轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。該設(shè)備剛投入時(shí)，運(yùn)行還比較穩(wěn)定，但隨著設(shè)備的磨損和長時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性逐漸降低，在回轉(zhuǎn)過程中，機(jī)架晃動(dòng)嚴(yán)重；滑塊在上下移動(dòng)時(shí)，很容易出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。由于定位精度下降，經(jīng)常出現(xiàn)噴嘴對(duì)不準(zhǔn)擺動(dòng)流嘴，造成脫硅作業(yè)性差，依照寶鋼日常檢修修復(fù)已達(dá)不到正常使用效果，修復(fù)工作量及修復(fù)難度均較大。因此在原有的基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)脫硅噴槍設(shè)備進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，并對(duì)升降部件、回轉(zhuǎn)部件等結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。

圖1 原噴槍設(shè)備圖

圖2 4BF脫硅噴槍設(shè)備改造方案圖

3 方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)算

針對(duì)上述問題及在保證噴吹必需功能的前提下，回轉(zhuǎn)功能仍采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承的方法，但對(duì)回轉(zhuǎn)支承及電機(jī)重新進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，確保其穩(wěn)定性；升降部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪的方式使滑車在機(jī)架上滑動(dòng)，使滑動(dòng)阻力減小。方案如圖2所示。

3.1 升降部件結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算

升降部件主要由滑車、導(dǎo)輪、立柱、鏈輪裝配、中間驅(qū)動(dòng)裝置及電機(jī)減速機(jī)等構(gòu)成?；嚥捎霉ぷ中谓Y(jié)構(gòu)；立柱按全行程設(shè)計(jì)，并將上下端的鏈輪裝配設(shè)置在立柱里面，可簡化設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備高度；電機(jī)減速機(jī)的鏈傳動(dòng)采用一級(jí)傳動(dòng)；與擺動(dòng)部件間的聯(lián)接設(shè)計(jì)為兩鉸點(diǎn)聯(lián)接，改善了相關(guān)零部件的受力狀態(tài)，提高了傳動(dòng)穩(wěn)定性。

根據(jù)現(xiàn)場提出的工況要求和測(cè)繪得出，4BF噴槍傳動(dòng)設(shè)備改造行程為S＝3500mm，升降速度要求約為v＝5.6m／min，以此選擇電機(jī)功率P、減速機(jī)速比i和鏈傳動(dòng)比i1。

參照原噴槍設(shè)備，選取滾子鏈24A，節(jié)距p＝38.1mm，減速機(jī)端小鏈輪齒數(shù)z1＝19，大鏈輪齒數(shù)z2＝38。則鏈輪傳動(dòng)比為：

大鏈輪分度圓直徑為：

大鏈輪轉(zhuǎn)速為：

大鏈輪所傳遞的扭矩為：

式中F—大鏈輪所受載荷，即有效圓周力，F(xiàn)＝mg＋μmg＝10kN；

m—滑車、噴槍及導(dǎo)輪的重量，約900kg；

μ—導(dǎo)輪與立柱的摩擦系數(shù)，取0.15。

將有效圓周力的值代入式（4）中，得T2＝24 20。因此大鏈輪傳遞功率為：

選用4級(jí)電機(jī)，即電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n＝1440r／min，可得減速機(jī)速比＝186.5，選用二級(jí)擺線針輪減速機(jī)，則i＝17×11＝187。

電機(jī)功率為：

式中η—鏈傳遞效率，取0.7；

f1—工況系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［6］取1.3；

f2—服務(wù)系數(shù)，取2。

代入計(jì)算得P＝3.64kW，圓整選取電機(jī)功率P＝4kW。

3.2 回轉(zhuǎn)部件結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算

回轉(zhuǎn)部件采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支承型式，曲臂是承載導(dǎo)軌架及升降小車的關(guān)鍵部件，通過回轉(zhuǎn)支承將曲臂固定在機(jī)座上，曲臂可通過回轉(zhuǎn)支承在機(jī)座上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)導(dǎo)軌架、升降小車、噴槍一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴槍的左右擺動(dòng)?；剞D(zhuǎn)部件的傳動(dòng)采用減速器和與之配套的帶制動(dòng)器電機(jī)，通過與電機(jī)軸連接的小齒輪與回轉(zhuǎn)支承外圈的大齒輪嚙合。

噴槍橫向移動(dòng)軌跡為大直徑圓弧線，其直線度誤差在工藝允許范圍內(nèi)。此結(jié)構(gòu)尺寸小，設(shè)備穩(wěn)定性高，換槍時(shí)能把噴槍移到擺動(dòng)流嘴除塵罩開孔區(qū)域以外，大大改善了更換噴槍頭的操作條件。

根據(jù)改造要求，選取4級(jí)帶抱閘電機(jī)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n＝1400r／min，回轉(zhuǎn)行程正常工作時(shí)為±250mm，更換槍頭時(shí)回轉(zhuǎn)角度為25°，速度v約3m／min，回轉(zhuǎn)支撐大齒輪齒數(shù)z2＝139，小齒輪齒數(shù)選取z1＝23。則齒輪傳動(dòng)比為：

大齒輪轉(zhuǎn)速為：

式中d—噴槍的回轉(zhuǎn)直徑，mm；

v—回轉(zhuǎn)速度，m／min。

大齒輪所傳遞的扭矩為：

式中F—齒輪所受載荷，即切向力，N。

計(jì)算得電機(jī)功率為：

式中η—齒輪傳遞效率，取0.9；

f1—工況系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取1.1；

f2—系數(shù)，取2。

選取回轉(zhuǎn)傳動(dòng)電機(jī)功率P＝1.1kW。

3.3 擺動(dòng)部件及噴槍頭設(shè)計(jì)

擺動(dòng)部件通過可伸縮的升降機(jī)與升降部件的立柱和回轉(zhuǎn)部件的曲臂鉸接，立柱及導(dǎo)軌架上部與曲臂鉸接。升降機(jī)的伸縮可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌架及立柱的前后擺動(dòng)，從而帶動(dòng)噴槍前后擺動(dòng)，升降機(jī)上設(shè)有手輪，通過手動(dòng)驅(qū)動(dòng)。擺動(dòng)行程為0～8°。

噴槍頭的作用是將來自噴槍管內(nèi)的圓柱形脫硅劑流束擴(kuò)展為扁矩形流束。流束太分散，脫硅劑易被除塵系統(tǒng)抽走，太集中則會(huì)加劇擺動(dòng)流嘴內(nèi)襯侵蝕，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了帚掃形噴槍頭。

4 結(jié)論

設(shè)備改造前，脫硅噴吹設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行連續(xù)性較差，設(shè)備故障頻繁且硅鋼鐵水的硅錳含量合格率較低，寶鋼4BF脫硅劑生產(chǎn)單耗22.17kg／t。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)實(shí)施后，設(shè)備穩(wěn)定性得到提高，有效地減少了脫硅系統(tǒng)設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)脫硅劑生產(chǎn)單耗為20.30kg／t，節(jié)省了1.87 ／t，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

［1］耿敬濤，鄒昆昆，孔詳利.鐵水爐外脫硅技術(shù)的發(fā)展［J］.鋼鐵研究，2013，Vol.41（4）：58-61.

［2］金國范.鐵水脫硅技術(shù)的發(fā)展［J］.煉鐵，19 87（1）：88-92.

［3］衛(wèi)計(jì)剛，張登山，楊志榮.爐前脫硅技術(shù)在太鋼4＃高爐的應(yīng)用［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，Vol.22（4）.

［4］吳建洲，徐少兵.寶鋼4高爐設(shè)計(jì)采用的新技術(shù)及其特點(diǎn)［J］.寶鋼技術(shù)，2006（5）：35-39.

［5］周龍義，殷寶鐸，馬鳳茹.寶鋼3號(hào)高爐爐前脫硅與噴槍傳動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.冶金設(shè)備，2000（2）：21-24.

［6］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第五版）［M］.化學(xué)工業(yè)出版社，2007.