中大型轉(zhuǎn)爐實際力矩特性及安全性探討

魏 玲，盧慧穎，章文超

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 219000)

中大型轉(zhuǎn)爐實際力矩特性及安全性探討

魏 玲，盧慧穎，章文超

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，上海 219000)

對某廠150 t轉(zhuǎn)爐老爐進(jìn)行耐材數(shù)據(jù)和實際粘渣量的采集，分析其實際正負(fù)傾動力矩特性，并與350 t轉(zhuǎn)爐的實際正負(fù)傾動力矩特性進(jìn)行了對比分析。爐口粘渣對不同噸位的轉(zhuǎn)爐力矩的影響程度是一樣的，噸位越大，越難實現(xiàn)全正力矩。并提出了一些轉(zhuǎn)爐安全性的控制措施。

轉(zhuǎn)爐；正負(fù)力矩；粘渣量

0 前言

文中以正負(fù)力矩設(shè)計的某廠150 t轉(zhuǎn)爐[1]及某廠350 t轉(zhuǎn)爐[4]為例，對該兩個噸位的轉(zhuǎn)爐新砌筑爐襯以下簡稱“新爐”和拆爐前的爐襯以下簡稱“老爐”，實際力矩曲線進(jìn)行分析，粘渣量作為影響轉(zhuǎn)爐負(fù)力矩的關(guān)鍵因素，分析其對兩個噸位的轉(zhuǎn)爐的影響程度。通過跟蹤現(xiàn)場設(shè)備運行后的實際情況，分析了負(fù)力矩情況下相應(yīng)事故的具體原因及解決措施。其轉(zhuǎn)爐設(shè)計均采用三維設(shè)計[3]以及結(jié)合ilogic動態(tài)模擬，并輸出數(shù)據(jù)。

1 轉(zhuǎn)爐正負(fù)力矩分析

1.1 影響負(fù)力矩的因素

轉(zhuǎn)爐力矩受三個方面的影響，即：空爐力矩、爐內(nèi)液體力矩以及耳軸軸承的摩擦力矩[2]。

耳軸軸承的摩擦力矩。耳軸軸承產(chǎn)生的摩擦力矩總是正力矩(力矩方向與傾動方向始終反向)，其大小與負(fù)荷大小、軸承規(guī)格及軸承潤滑狀態(tài)有關(guān)，由于是滾動摩擦，摩擦力矩值相對較小，不到最大力矩的5%。

爐內(nèi)液體力矩。爐內(nèi)液體力矩的數(shù)據(jù)表明：不論爐役的什么階段，在0～90°范圍內(nèi)，液體大部分總是處在爐底側(cè)，表現(xiàn)為正力矩。當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動到爐后90～115°(出鋼的角度范圍)時，留在爐內(nèi)的鋼水涌向爐口側(cè)，會出現(xiàn)負(fù)力矩，但因角度接近水平位置，且連續(xù)不斷出鋼，其負(fù)力矩值較小，在新爐相應(yīng)角度的空爐正力矩疊加下，呈現(xiàn)出來的綜合力矩幾乎均為正值。

空爐(新爐、老爐)力矩。新爐和老爐的空爐力矩差異很大。圖1所示為新爐爐襯狀況，其中代表空爐合成重心的點位于回轉(zhuǎn)中心線的下方(正力矩)。隨著爐齡的增長，爐襯不斷減薄，但有兩處是物質(zhì)不斷增加的，一是爐殼外部的爐口處及爐體擋渣板上的粘渣，另外是爐內(nèi)處于爐帽和爐口位置的粘渣。正因為如此，隨著爐齡增長，爐口直徑越來越小(見圖2),其重心往往移動到轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)中心的上方(負(fù)力矩)。因為隨著爐內(nèi)耐材不斷侵蝕變薄，還有多次噴濺或出鋼、出渣時，粘附在爐帽耐材上的爐內(nèi)大量粘渣，使?fàn)t型、總負(fù)荷以及負(fù)荷在爐體上的分布發(fā)生變化，使得轉(zhuǎn)爐負(fù)力矩明顯增大。

圖1 新爐爐襯

圖2 老爐爐襯

1.2 轉(zhuǎn)爐正負(fù)力矩曲線

對于150 t轉(zhuǎn)爐，最大出鋼量按180 t計算，新爐和老爐的耐材變化如圖示，耐材密度2.8 g/cm，新耐材496 t，老耐材195 t。爐口粘渣量，經(jīng)激光測厚儀對老爐耐材進(jìn)行測量和折算，取得實際粘渣量的數(shù)據(jù)，爐內(nèi)粘渣量達(dá)到轉(zhuǎn)爐噸位的20%。按照新爐和老爐兩種極限狀態(tài)進(jìn)行力矩分析，如圖3所示。

圖3 150 t新爐、老爐力矩曲線

對于350 t轉(zhuǎn)爐，最大出鋼量按350 t計算，耐材密度2.8 g/cm，新耐材679 t，老耐材404 t。爐內(nèi)粘渣量達(dá)到轉(zhuǎn)爐噸位的10%計算。按照新爐和老爐兩種極限狀態(tài)進(jìn)行力矩分析，如圖4所示。

圖4 350 t新爐、老爐力矩曲線

圖3、圖4數(shù)據(jù)表明，對于150 t及以上噸位的轉(zhuǎn)爐，其重心升高的范圍可達(dá)到200～700 mm。其中，因爐襯均勻減薄引起的重心升高約100～300 mm，爐口內(nèi)外粘渣造成的重心升高約100～500mm。重心位置的隨爐役的增大而發(fā)生大幅度變化，從而造成力矩的大幅改變，從逐漸減小到0，再成為逐漸增大的負(fù)力矩。粘渣是造成重心升高的最主要因素，也即造成負(fù)力矩的最重要影響因素。

2 粘渣的影響和控制

2.1 粘渣量對重心和力矩的影響

如希望轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)真正全正力矩，必須將回轉(zhuǎn)中心提升到老爐最大粘渣狀態(tài)下的重心上方[3]，且需考慮相應(yīng)角度下(90°～110°)出鋼時的鋼水負(fù)力矩。如以此為目標(biāo)，且不考慮其回轉(zhuǎn)半徑的合理性，爐體與托圈連接裝置布置的可行性等，只分析其最大傾動力矩值的變化，比較其傾動裝置的能力，電機(jī)功率的選取，以及生產(chǎn)的電耗，都將顯著增大。對某廠150 t轉(zhuǎn)爐(最大出鋼量180 t)、某廠350t轉(zhuǎn)爐(最大出鋼量350 t)傾動力矩數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該數(shù)據(jù)通過計算直接得出各種方案下的對比結(jié)果見表1、表2。表中傾動力矩極值按實際設(shè)計、絕對正負(fù)力矩、絕對全正力矩分別記為M1、M2、M3；爐體相對耳軸中心升降按絕對正負(fù)力矩、絕對全正力矩分別記為L1、L2。

表1 某廠150 t轉(zhuǎn)爐傾動力矩計算(按最大出鋼量180 t計算)

表2 某廠350t轉(zhuǎn)爐傾動力矩計算(按最大出鋼量350 t計算)

由表1、表2知，最大粘渣量為10%時，絕對全正力矩的最大力矩是實際設(shè)計的1.79倍，是絕對正負(fù)力矩的2.55倍；最大粘渣量為20%時，兩個比值分別為2.36和2.63。

為了分析不同噸位的轉(zhuǎn)爐爐口粘渣對其力矩的影響程度。繼而對某鋼廠350 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行計算，最大粘渣量僅按10%取[4]，設(shè)計最大正力矩值為5.80 MN·m,最大負(fù)力矩值3.75 MN·m。如按全正力矩考慮，則回轉(zhuǎn)中心需要抬高400 mm，最大正力矩達(dá)到10.90 MN·m。最大力矩增大1.88倍，是絕對正負(fù)力矩的2倍。最大粘渣量為15%時，兩個比值分別為2.1和2.3。

分析表明，爐口粘渣對不同噸位的轉(zhuǎn)爐力矩的影響程度是一樣的，而噸位越大，實現(xiàn)全正力矩的也越難。

2.2 粘渣的控制

爐外粘渣目前采用耐熱鑄鐵水冷爐口材質(zhì)會有助于粘渣會自動脫落。另外借助于拆爐機(jī)沖擊鉆頭對爐外粘渣能有效地清除。而爐內(nèi)粘渣因噴濺或出鋼、出渣時粘附在爐帽耐材上，且長時間處在高溫環(huán)境下非常難以清除。雖然國內(nèi)外有開發(fā)防粘渣噴補料來減少爐內(nèi)粘渣的辦法，但因投資等綜合因素仍未得到廣泛普及。由此可見，爐內(nèi)粘渣造成的力矩特性較大幅度的變化還不可避免的存在。

3 負(fù)力矩情況下安全性分析

爐口出現(xiàn)不可控的載頭倒鋼事故或者事故隱患，是負(fù)力矩情況下最擔(dān)心的問題。經(jīng)統(tǒng)計，因人為因素引起的事故占事故率的70.27%[6]，本文拋開人為因素僅從機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備、電控程序的合理性來分析事故原因，降低事故發(fā)生概率。

3.1 機(jī)械設(shè)備故障安全性分析

當(dāng)轉(zhuǎn)爐處在負(fù)力矩角度范圍傾動時，傾動裝置如發(fā)生斷齒事故，斷齒可能發(fā)生于二次減速機(jī)大齒輪或小齒輪，還可能發(fā)生于其中一個一級減速機(jī)的某級傳動齒輪。不論發(fā)生哪種情況，如斷齒脫落不影響齒輪正常嚙合，則至少有三臺電機(jī)仍正常工作，另外一臺電機(jī)在缺齒嚙合的角度，會因為空載而轉(zhuǎn)速增大直到達(dá)成嚙合。如斷齒卡在齒圈影響齒輪嚙合，電機(jī)和變頻器會因過載而自我保護(hù)停止工作，制動器聯(lián)鎖制動。

若發(fā)生斷軸事故，即一次減速機(jī)的某級傳動齒輪軸斷開，根據(jù)軸的損壞狀態(tài)，相應(yīng)電機(jī)會發(fā)生過載或空載情況，其反應(yīng)出來的結(jié)果同斷齒類似，只是空載情況下，電機(jī)會因過轉(zhuǎn)速而報警。

再有，如發(fā)生扭力桿斷裂事故，二次減速箱底部會碰到事故支座的表面，因兩者間極小的間隙，會使得轉(zhuǎn)爐傾動時造成瞬時的沖擊振動，傳動系統(tǒng)仍然能正常工作。

如發(fā)生其他故障，如某個減速箱軸承損壞，造成電氣過載，則電氣系統(tǒng)會停止工作，制動器自動制動。

由此可見，由于四點傳動，且電氣有過載保護(hù)的設(shè)計，機(jī)械設(shè)備故障造成爐口載頭的可能性小。

3.2 電氣故障安全性分析

隨變頻技術(shù)的普及，轉(zhuǎn)爐傾動電機(jī)幾乎全部采用交流變頻電機(jī)。且變頻器的應(yīng)變能力越發(fā)強(qiáng)大，在容量匹配、參數(shù)設(shè)置合理且控制方法得當(dāng)?shù)那疤嵯?，因電氣問題而造成的轉(zhuǎn)爐點頭或翹頭的現(xiàn)象出現(xiàn)概率極小。另外，現(xiàn)在的電氣設(shè)計日趨成熟，制動器普遍采用了硬接線設(shè)計，確保在電氣故障發(fā)生時，制動器自動強(qiáng)制制動，避免事故隱患的產(chǎn)生。硬件技術(shù)的進(jìn)步、選型的合理、控制方式的科學(xué)，以及硬接線保護(hù)，使得爐口因負(fù)力矩發(fā)生載頭的機(jī)率降低[7]。

3.3 爐役后期安全性分析

除人為操作失誤的情況，轉(zhuǎn)爐發(fā)生載頭必然是負(fù)力矩情況下發(fā)生的，且多為爐役后期，爐口粘渣及冷鋼過多未及時清理時。有兩種情況易于發(fā)生，其一，出鋼操作過程中停在某出鋼角度(爐后90°左右)，啟動搖爐，爐口繼續(xù)下?lián)u出鋼；其二，前倒渣操作過程中，爐口處于爐前90°左右，由靜止?fàn)顟B(tài)啟動，爐口繼續(xù)下?lián)u出渣。由于這兩種情況下，轉(zhuǎn)爐都處在接近最大負(fù)力矩值的角度，而且由于過量的爐口粘渣，最大負(fù)力矩值可能遠(yuǎn)大于最大正力矩設(shè)計值。再者，啟動的搖爐方向與負(fù)力矩方向相同，此時對變頻器的過載能力和力矩-速度的相應(yīng)要求都是最高的。任一項不滿足即會造成失控?？梢?，電氣系統(tǒng)的選型、參數(shù)設(shè)置、安全聯(lián)鎖的考慮，系統(tǒng)維護(hù)和監(jiān)控，爐口的粘渣量控制，是與載頭有關(guān)的關(guān)鍵因素[8]。

4 結(jié)束語

(1)從現(xiàn)場實際情況來看，爐口處最大粘渣量非常大，尤其是爐內(nèi)粘渣量更大，目前尚無理想的方法控制爐內(nèi)粘渣，造成轉(zhuǎn)爐合成重心隨爐役大幅度上移的狀況不可避免。

(2)在設(shè)計(尤其是電氣系統(tǒng))、爐口粘渣的控制、電氣及機(jī)械設(shè)備的維護(hù)等方面進(jìn)行安全分析，盡量避免設(shè)備故障引起的事故發(fā)生。

(3)分析了正負(fù)力矩設(shè)計的兩種噸位的中大型轉(zhuǎn)爐，對于按全正力矩原則設(shè)計不合理、選型困難、投資大、運營能耗大的轉(zhuǎn)爐能夠有借鑒意義。

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[2] 譚牧田.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1983:170.

[3] 章文超.轉(zhuǎn)爐傾動力矩計算方法探討[J].上海金屬,2007,29(06):47.

[4] 郁祖達(dá).試論寶鋼湛江鋼鐵煉鋼廠工藝布局的創(chuàng)新設(shè)計[J].中國冶金,2014,24(02):45.

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[6] 林大建.某鋼廠企業(yè)工傷事故統(tǒng)計分析[J].中國冶金,2015,25(11):67.

[7] 楊輝.轉(zhuǎn)爐傾動失控分析和改進(jìn)[J].江西冶金,2012,32(06):36.

[8] 應(yīng)兆軍.轉(zhuǎn)爐傾動的控制[J].安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報,2010,20(02):1.

Discuss on actual torque characteristics andsafety of middle-large size converter

WEI Ling，LU Hui-ying，ZHANG Wen-chao

(Shanghai Baosteel Engineering & Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 219000,China)

Through gathering the refractory brick and dry slag data of an old 150 t converter,this paper analysis positive-negative torque capability, and compare with that of a 350 t converter. Dry slag of converter mouth has the same effect on converter torque with different capacity，the capacity is lager,it is more difficult to achieve the complete positive torque. In addition, some control measures for converter safety are put forward.

converter;positive-negative torque;dry slag content

TF345

A

1001-196X(2017)05-0091-04

2017-05-27；

2017-07-14

魏玲(1982-)，女，研究生，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司工程師。