鐵水KR脫硫鋼平臺設(shè)計要點

周循

摘要：鐵水KR法脫硫的基本原理是利用十字形攪拌頭的旋轉(zhuǎn)，帶動鋼包內(nèi)鐵水轉(zhuǎn)動，同時加入脫硫劑，置換出鐵水中的硫元素，通過扒渣機將脫硫渣扒出。由于脫硫鋼平臺面積較小，且多為單跨結(jié)構(gòu)、側(cè)向剛度小，攪拌器旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的周期擾力以及扒渣機的沖擊會造成鋼平臺的豎向振動和水平晃動。文章對鐵水KR脫硫鋼平臺設(shè)計要點進行了分析。

關(guān)鍵詞：鐵水KR法脫硫；脫硫鋼平臺；豎向振動；水平晃動；設(shè)計要點；攪拌器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TF702 文章編號：1009-2374（2017）07-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.015

1 概述

當(dāng)前世界上主流的煉鐵工藝是高爐煉鐵，而高爐鐵水通常含硫量都比較高，較高的含硫量會對后期的連鑄和軋制過程造成不利影響，降低成材的品質(zhì)，因此國內(nèi)近些年新建煉鋼廠中基本上都設(shè)有鐵水脫硫站。

脫硫站鋼平臺普遍都是面積小、層數(shù)多、不規(guī)則、剛度差，不僅承受較大的設(shè)備荷載，同時還需抵抗強烈的設(shè)備沖擊作用和攪拌器的周期擾力作用。近年來，隨著鐵水罐體容積的不斷增加、設(shè)備質(zhì)量的不斷加大，脫硫站在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)振動、晃動甚至局部破壞的事故時有發(fā)生。本文將結(jié)合工程實踐，簡要介紹鐵水脫硫站的生產(chǎn)工藝，描述和提煉平臺基本特征，總結(jié)出KR脫硫鋼平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

2 鐵水脫硫工藝簡介

鐵水脫硫的一般方法是向鐵水中加入活性較強的脫硫劑（一般是鈣或鎂的化合物），通過鐵水與脫硫劑間的化學(xué)反應(yīng)，將鐵水中的硫元素置換出來，形成脫硫渣，最后將渣扒出。而在加入脫硫劑過程中，為使二者充分接觸并快速起反應(yīng)，需要外加動力使鐵水形成漩渦或?qū)α?。根?jù)脫硫劑和鐵水對流方式的不同，鐵水脫硫工藝方法可分為兩種，分別為噴吹法和KR機械攪拌法。

噴吹法：利用插入容器中鐵水深處的噴槍，通過噴吹通道由高壓氮氣將脫硫粉劑大流量噴入溫度大于1250℃的鐵水中，并在噴槍噴口的噴射流場組織作用下，實現(xiàn)脫硫劑與鐵水的分散混合與接觸反應(yīng)。

KR機械攪拌法：通過插入鐵水中攪拌器的旋轉(zhuǎn)，將加入到鐵水液面上的脫硫劑卷入鐵水中，并通過脫硫劑與鐵水的循環(huán)混合與接觸反應(yīng)，達到鐵水脫硫的目的。本文僅研究KR機械攪拌法結(jié)構(gòu)平臺。

3 KR脫硫鋼平臺基本特征

單套KR脫硫平臺橫向一般為單跨、兩列柱，跨度不小于10m；縱向一般3～5個柱距，單層面積一般不超過350m2。

平臺一般分為5層：

首層為扒渣平臺，主要功能是扒渣作業(yè)，扒渣機及操作室置于該層平臺。該層一般不完整，鐵水罐車開行范圍內(nèi)均不能布置梁板。

第二層為脫硫主平臺，主要設(shè)備有攪拌器更換小車、液壓翻板、升降溜槽、除塵管道等，該層一般較完整。

第三層為攪拌器更換平臺，主要設(shè)備有電動翻板、稱量斗等。本層平臺須在電葫蘆吊運范圍內(nèi)流出空當(dāng)，故本層平臺一般都不完整，缺口較大。

第四層為電葫蘆檢修平臺，與第三層類似，平臺須留出電葫蘆吊運通道。

第五層為提升裝置平臺，主要設(shè)備是攪拌器提升裝置。為了緊湊布置，脫硫劑料倉一般置于該層平臺。攪拌器吊運電葫蘆置于該層平臺下部。

此外，攪拌器升降機構(gòu)通過四根豎向?qū)к壟c各層平臺連接，升降機構(gòu)升降到位后，通過水平液壓頂緊裝置固定于四根導(dǎo)軌上。

綜合來看，KR脫硫鋼平臺具有以下基本特征：（1）平臺面積小且平面不規(guī)則。平臺為橫向單跨結(jié)構(gòu)，面積小，抗扭剛度差。僅脫硫主平臺一層為完整平臺，其他各層均殘缺不全；（2）橫向不能設(shè)完整支撐、橫向剛度差。由于傾翻車及渣罐車沿著縱向從平臺中間穿過，故平臺橫向均不能設(shè)支撐，只能設(shè)計成框架，依靠梁柱剛節(jié)點提供剛度；（3）設(shè)備運行動荷載大。攪拌器在鐵水灌中快速旋轉(zhuǎn)，形成渦流，為脫硫劑與鐵水的充分接觸反應(yīng)提供動力，因此會產(chǎn)生較大的反向扭矩作用于平臺結(jié)構(gòu)上。此外，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（攪拌器及電機轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子）由于安裝偏差或攪拌頭不對稱磨損等原因引起的質(zhì)量偏心，旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生較大扭矩和徑向擾力。扒渣機工作時，扒渣頭經(jīng)常撞擊鐵水罐，反作用于扒渣平臺上的豎向沖擊荷載也非常大。

4 設(shè)計要點

針對KR脫硫鋼平臺空間不規(guī)則、橫向剛度差、設(shè)備運行荷載大等主要特點，設(shè)計者應(yīng)采取相應(yīng)的措施進行應(yīng)對。鋼平臺設(shè)計過程可以分為三個階段，即概念及體系設(shè)計、靜力計算、動力分析。

4.1 概念及體系設(shè)計階段

在滿足工藝要求的前提下，盡量增加平臺薄弱部的剛度。平臺整體扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)大于平動剛度，x、y兩個方向的平動剛度宜相近。由于KR脫硫平臺一般橫向（垂直于渣罐車開行方向）不能設(shè)支撐，只能采用多層框架，因此橫向剛度一般遠小于縱向剛度。設(shè)計過程中可從以下方面采取措施，增加橫向剛度：

4.1.1 采用插入式剛接柱腳。

4.1.2 梁柱連接采用剛接節(jié)點，跨度較大時，采取加腋或增設(shè)隅撐。

4.1.3 合理控制水平力作用下柱反彎點的位置。

下面通過對比排架、完全框架、一般框架三種結(jié)構(gòu)體系，說明梁柱線剛度比∑ib/∑ic對側(cè)向剛度的影響（圖1）。

排架結(jié)構(gòu)柱頂位移：△1=h3/（3EIb）

完全框架柱頂位移：△2=h3/（12EIb）=△1/4

一般框架柱頂位移：△2<△3<△1

可以看出，柱子反彎點位于柱子正中部時，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度最大，此時梁柱線剛度比∑ib/∑ic>10。反之，∑ib/∑ic值越小，反彎點越靠近支座，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度越小。在實際工程中，一般控制∑ib/∑ic>3，即可保證反彎點位于柱中部1/3范圍內(nèi)。

簡單的加大框架梁截面以獲得較大的梁柱線剛度比，往往是不經(jīng)濟的，為了使框架梁的剛度和承載力都能得到充分利用，在布置平臺次梁時，應(yīng)盡量使次梁長度方向垂直于框架方向，如圖2方案二所示。

4.1.4 在工藝允許的條件下，增加框架中梁的層數(shù)和柱子的列數(shù)，可以有效提高框架側(cè)向剛度，如圖3所示。

4.2 靜力計算階段

主要工作是計算平臺構(gòu)件在設(shè)備運行荷載、檢修荷載、積灰荷載、風(fēng)載等單獨作用或組合作用下的應(yīng)力、穩(wěn)定、撓度、疲勞。此時應(yīng)注意，設(shè)備動荷載或沖擊荷載應(yīng)考慮動力系數(shù)。

4.3 動力分析階段

主要任務(wù)是分析平臺結(jié)構(gòu)在周期動載作用下的動力反應(yīng)，包括水平向和豎向。須采用SAP、ANSYS等軟件進行整體建模分析。

水平向的周期動載來源于攪拌器的旋轉(zhuǎn)，攪拌器正常工作轉(zhuǎn)速為80～120r/min，即周期0.5～0.8s，屬于低頻動載，動力反應(yīng)以位移控制為主?？v觀多個項目的建模分析結(jié)果，脫硫鋼平臺的第一階平動及扭轉(zhuǎn)周期基本都在0.3～0.8s范圍內(nèi)，與攪拌頭工作時的擾力周期范圍非常接近，因此極易引起共振效應(yīng)。分析結(jié)果若顯示二者周期相近、振幅位移超限，則應(yīng)重新調(diào)整平臺結(jié)構(gòu)布置方式及構(gòu)件截面，從而改變結(jié)構(gòu)自振周期，避開共振區(qū)間。豎向的周期動載主要來源于液壓傳動脈沖引起的扒渣機晃動，周期為0.5～1.0s，同樣是振幅或位移控制。豎向振動分析僅針對扒渣機底座下部支承平臺梁，平臺梁的周期或基頻計算可參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》中的公式。

為了避免平臺梁產(chǎn)生較大豎向振動，設(shè)計時應(yīng)合理選取梁截面，使其基頻避開設(shè)備沖擊荷載的頻率。

5 結(jié)論及展望

作為一種鋼鐵冶煉重型設(shè)備平臺，脫硫鋼平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中須面對工藝復(fù)雜、設(shè)備笨重、工況復(fù)雜、沖擊荷載大等各種不利因素，設(shè)計者除了需要熟悉生產(chǎn)工藝和設(shè)備工況外，重點是要采取有效措施提高平臺重點部位和薄弱部位的剛度、控制結(jié)構(gòu)的自振周期從而避免發(fā)生強共振。設(shè)計過程中，概念和體系設(shè)計是至關(guān)重要的，平臺結(jié)構(gòu)的承載效率、經(jīng)濟性和合理性基本上都取決于此；靜力計算是所有結(jié)構(gòu)設(shè)計工作都必不可少的，此階段千萬不能忽視動載設(shè)備的沖擊系數(shù)；為了避免平臺在周期動載作用下發(fā)生劇烈振動或晃動，動力分析在脫硫鋼平臺設(shè)計過程中是不可或缺的。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）