高爐加壓水冷齒輪箱新技術(shù)及應(yīng)用

于成忠，張榮軍，徐寶軍

（鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠，遼寧 鞍山 114021）

高爐冶煉技術(shù)經(jīng)過20多年不斷發(fā)展，冶煉工藝趨向于中心布焦的高強(qiáng)度冶煉方向發(fā)展，同時(shí)高爐降低成本和節(jié)約能源也成為一個(gè)新需求，而傳統(tǒng)的水冷齒輪箱要保證穩(wěn)定運(yùn)行，需要加大氮?dú)獾南模瑤椭X輪箱得到有效的溫度控制，但是隨著工業(yè)的快速發(fā)展，使本屬于副產(chǎn)品的氮?dú)獬蔀榱酥饕茉聪闹?，氮?dú)庀牧吭黾拥耐瑫r(shí)，也提高了高爐的運(yùn)營成本，為高爐布料的關(guān)鍵設(shè)備水冷齒輪箱提出一個(gè)新課題，如何能夠適應(yīng)高爐高頂溫布料環(huán)境，實(shí)現(xiàn)低成本節(jié)能運(yùn)行。加壓水冷齒輪箱的設(shè)計(jì)理念就是基于這樣的思維應(yīng)運(yùn)而生的。

1　加壓水冷齒輪箱的結(jié)構(gòu)及工作原理

與傳統(tǒng)水冷齒輪箱相比，加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱的外形按照尺寸、工作原理、布料溜槽安裝方式及尺寸都沒有改動(dòng)。目的是為了保證新型設(shè)備和傳統(tǒng)設(shè)備可以做到互為備用，節(jié)約齒輪箱備件的庫存量，降低備件庫存成本。

1.1　齒輪箱的基本機(jī)構(gòu)和原理

加壓水冷齒輪箱的基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)齒輪箱相似，其組成部分為:傳動(dòng)齒輪箱、傾動(dòng)齒輪箱和行星齒輪箱。 根據(jù)高爐的有效容積不同，分別有適合3200 m3以上大型高爐的加強(qiáng)型齒輪箱和適合3000 m3以下的標(biāo)準(zhǔn)型齒輪箱。

無論是加強(qiáng)型齒輪箱，還是標(biāo)準(zhǔn)型齒輪箱，其工作原理大致相同，如圖 1（a）～（b）所示。 圖 1（a）為行星齒輪箱，圖1（b）為傳動(dòng)齒輪箱。

圖1（a）旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過二級(jí)軸使齒輪3發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪3與齒輪4嚙合帶動(dòng)行星齒輪箱的空心軸，通過空心軸回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪5，與圖1（b）大齒圈I嚙合驅(qū)使齒輪箱旋轉(zhuǎn)底座轉(zhuǎn)動(dòng)，使溜槽完成旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。圖1（a）傾動(dòng)電機(jī)通過蝸輪1和蝸桿1驅(qū)動(dòng)行星齒輪箱的太陽輪1傾，傾動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)后使太陽輪1傾與太陽輪7組成的差動(dòng)輪系產(chǎn)生差動(dòng)傳動(dòng)。這樣使兩個(gè)行星輪2傾帶動(dòng)行星齒輪箱的實(shí)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)心軸上的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪3傾與圖1（b）傳動(dòng)齒輪箱大齒圈Ⅱ嚙合，并且通過大齒圈Ⅲ和傾動(dòng)齒輪箱的驅(qū)動(dòng)小齒輪5傾驅(qū)動(dòng)扇形齒7傾，帶動(dòng)溜槽懸掛軸上的齒輪6傾實(shí)現(xiàn)溜槽的傾動(dòng)動(dòng)作。

加壓水冷齒輪箱保留了傳動(dòng)齒輪箱的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，所以傳統(tǒng)齒輪箱的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完全適用于加壓水冷齒輪箱，并且布料溜槽的結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有改變。

圖1　齒輪箱工作原理

1.2　齒輪箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)

加壓水冷齒輪箱的傳動(dòng)齒輪箱和行星齒輪箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)采用集中自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)。其中22個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)作用于旋轉(zhuǎn)與傾動(dòng)的大軸承，如圖2所示。2個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)作用于回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)齒輪，如圖3所示。

行星齒輪箱上有2個(gè)點(diǎn)潤(rùn)滑（見圖3（a）中2個(gè)圓圈標(biāo)注處，圖3（b）為剖面圖），分別作用于空心小齒輪軸上部盤根密封、實(shí)心軸小齒輪軸下部盤根密封和空心小齒輪軸的滾珠軸承。該潤(rùn)滑系統(tǒng)是集中自動(dòng)潤(rùn)滑，并且在分配器潤(rùn)滑箱內(nèi)安裝極限開關(guān)，監(jiān)控潤(rùn)滑系統(tǒng)是否按照要求完成動(dòng)作。

圖2　22點(diǎn)傾動(dòng)與旋轉(zhuǎn)軸承潤(rùn)滑點(diǎn)

圖3　驅(qū)動(dòng)齒輪2個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)

傾動(dòng)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)是獨(dú)立于傳動(dòng)齒輪箱和行星齒輪箱的潤(rùn)滑系統(tǒng)。傾動(dòng)齒輪箱安裝位置在傳動(dòng)齒輪箱內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)底座上，隨著齒輪箱的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作一同旋轉(zhuǎn)，并且只能在高爐休風(fēng)打開齒輪箱檢修門時(shí)才能進(jìn)行檢查，向潤(rùn)滑油罐內(nèi)加油。然而水冷傳動(dòng)齒輪箱的最大負(fù)載布料溜槽，正是安裝在傾動(dòng)齒輪箱溜槽懸掛軸上，因此，溜槽懸掛軸的使用壽命直接取決于潤(rùn)滑系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

與傳統(tǒng)的傾動(dòng)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)不同，該潤(rùn)滑系統(tǒng)采用了最新設(shè)計(jì)，見圖4。

圖4　最新設(shè)計(jì)傾動(dòng)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)

將原設(shè)計(jì)的溜槽必須運(yùn)行到2°～5°傾角的位置才能利用凸輪傳動(dòng)壓縮油泵對(duì)溜槽懸掛軸注油潤(rùn)滑，改為由傾動(dòng)大齒圈帶動(dòng)小齒輪驅(qū)動(dòng)油泵連續(xù)注油潤(rùn)滑，在溜槽上傾時(shí)分別向溜槽懸掛軸上的8個(gè)注油點(diǎn)（見圖4中圓圈處）注入潤(rùn)滑油，另外，溜槽上傾時(shí)對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑也會(huì)起到減輕溜槽懸掛軸負(fù)荷的作用。這樣就擺脫了由于傾動(dòng)不到位或者維護(hù)時(shí)小凸輪位置調(diào)整不當(dāng)，造成在一個(gè)休風(fēng)周期內(nèi)溜槽的懸掛軸得不到有效及時(shí)的潤(rùn)滑，從而減少設(shè)備使用壽命的弊端。潤(rùn)滑系統(tǒng)的儲(chǔ)油罐容量為25 L，并保證傾動(dòng)齒輪箱在6個(gè)月內(nèi)的油量。干油潤(rùn)滑系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行可以有效地延長(zhǎng)齒輪箱的使用壽命，也為高爐定修周期從3個(gè)月的間隔延長(zhǎng)到4個(gè)月以上提供了保證。

2　加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱水冷系統(tǒng)及氮?dú)饣芈?/h2>

2.1　齒輪箱內(nèi)部水冷系統(tǒng)

加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱的內(nèi)部水冷系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，上部旋轉(zhuǎn)部分的冷卻回路和下部固定部分的冷卻回路,見圖 5（a）～（b）。

圖5　加壓水冷齒輪箱水冷系統(tǒng)

上部旋轉(zhuǎn)部分的冷卻回路，冷卻水路由齒輪箱頂部進(jìn)水管進(jìn)入齒輪箱，先通過S-杯的進(jìn)水腔將冷卻水直接送到齒輪箱水冷板的底部管接口，然后水至下而上的回到S-杯的回水腔,再通過齒輪箱頂部的出水管回到水冷站。

下部固定部分的冷卻回路是在已經(jīng)被取消的傳統(tǒng)齒輪箱的下水槽位置安裝一根冷卻水管，進(jìn)、出水管接口在齒輪箱殼體的下部分別連接到水冷站的進(jìn)水端和回水端。

加壓水冷齒輪箱S-杯的特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了水路密閉循環(huán)，與傳動(dòng)齒輪箱的水冷系統(tǒng)完全不同。密閉循環(huán)水路系統(tǒng)冷卻水不存在由于接觸高爐煤氣和灰塵或者過量的潤(rùn)滑油脂進(jìn)入上/下水槽造成冷卻水路污染問題。另外該密閉循環(huán)水路可以采用工業(yè)軟水作為冷卻水介質(zhì),這樣就延長(zhǎng)或者避免了冷卻水板結(jié)垢期。

加壓水冷齒輪箱冷卻水的流量相對(duì)于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和加強(qiáng)型水冷齒輪箱的水流量也有所增加，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1　加壓水冷齒輪箱與傳動(dòng)齒輪箱冷卻水流量對(duì)比

由表1可知,冷卻水的水流量增加了一倍，冷卻強(qiáng)度也相應(yīng)增加。不同類型齒輪箱對(duì)應(yīng)于高爐爐頂溫度工況條件如表2所示。

表2　不同類型齒輪箱適應(yīng)高爐爐頂溫度條件

由表2可知，加壓水冷齒輪箱所承受的最高爐頂中心溫度已經(jīng)提高到900℃。針對(duì)高強(qiáng)度的冶煉工藝，加壓水冷齒輪箱能更好地適應(yīng)工況條件，提高爐頂上料的系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

2.2　加壓水冷齒輪箱水冷站

加壓水冷齒輪箱的冷卻水路為閉環(huán)冷卻水路，所以水冷站主要設(shè)備由2臺(tái)水泵和2臺(tái)板式冷卻器（均為1臺(tái)工作，1臺(tái)備用）組成。水介質(zhì)的酸堿度由pH值測(cè)量?jī)x表控制，如果pH值超出7～9的范圍就會(huì)報(bào)警，并且利用補(bǔ)水管對(duì)系統(tǒng)換水。

水冷系統(tǒng)雖然是閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，但是冷卻水仍然存在少量的蒸發(fā)量消耗。水冷站根據(jù)安裝在齒輪箱S-杯內(nèi)水位計(jì)的狀態(tài)顯示對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)水，補(bǔ)水量為25 L/d。

2.3　齒輪箱的氮?dú)饣芈?/h3>

氮?dú)饣芈贩譃槌掷m(xù)供給和緊急供給兩種。

（1）氮?dú)獬掷m(xù)供給回路。氮?dú)饬髁?00 m3/h，由 3路ND32的氮?dú)夤茏⑷臊X輪箱頂部S-杯處；氮?dú)饬髁?00 m3/h，有1路ND65的氮?dú)夤茏⑷臊X輪箱的殼體。這兩路持續(xù)供應(yīng)的氮?dú)饪梢员ＷC齒輪箱內(nèi)部壓力略高于高爐內(nèi)部壓力防止灰塵進(jìn)入。

（2）氮?dú)饩o急供給回路。氮?dú)饬髁?00 m3/h，由1路ND100的氮?dú)夤茏⑷臊X輪箱的殼體。如果齒輪箱的溫度過高，可開啟緊急氮?dú)夤艿兰訌?qiáng)齒輪箱的冷卻強(qiáng)度，保證齒輪箱的穩(wěn)定正常運(yùn)行。水冷站系統(tǒng)及氮?dú)饣芈芬妶D6。

圖6　水冷站系統(tǒng)及氮?dú)饣芈?/p>

3　加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱的效果

隨著高爐冶煉強(qiáng)度的增加，對(duì)爐頂齒輪箱耐高溫的要求也越來越高,加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱就是為了適應(yīng)該高效率和高強(qiáng)度的冶煉強(qiáng)度而設(shè)計(jì)改進(jìn)的。它在提高自身冷卻強(qiáng)度的同時(shí)保留了傳統(tǒng)齒輪箱的殼體安裝尺寸和方式，避免了新舊齒輪箱更換交替時(shí)期的備件儲(chǔ)備成本。

加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱的閉環(huán)有壓水冷系統(tǒng)提高了冷卻強(qiáng)度，有效地減少了氮?dú)獾南牧?。由于近幾年鋼鐵行業(yè)的發(fā)展迅速，造成能源緊張，氮?dú)庥擅赓M(fèi)的附屬產(chǎn)品逐漸成為主要的能源介質(zhì)。傳統(tǒng)齒輪箱在現(xiàn)有的冶煉工況條件下，氮?dú)鈱?shí)際消耗量均在1 000～2 000 m3/h之間，而加壓水冷傳動(dòng)齒輪箱則能夠?qū)⑾到y(tǒng)的綜合氮?dú)庀牧勘３衷?00 m3/h左右。

對(duì)加壓水冷齒輪箱和傳統(tǒng)齒輪箱進(jìn)行簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析。按照1年350天計(jì)算傳統(tǒng)齒輪箱和加壓水冷卻齒輪箱設(shè)備水、電、氮?dú)庀乃璩杀?，其中氮?dú)鈫蝺r(jià)為0.2元/m3，水為1.8元/m3，電為0.7元/度。年消耗成本計(jì)算公式為:單價(jià)×小時(shí)消耗量×24 h/d×350 d/a，計(jì)算結(jié)果如下:

（1）傳統(tǒng)型齒輪箱年消耗成本

水消耗為:1.8×1×350=630 元

電消耗為: 4×0.7×24×350=23 520 元

氮?dú)庀臑?0.2×1 600×24×350=2 688 000元

（2）加壓水冷卻齒輪箱年消耗成本

水消耗為: 1.8×0.025×350=15.75元

電消耗為: 5×0.7×24×350=29 400 元

氮?dú)庀臑?0.2×500×24×350=840 000 元

（3）加壓冷卻齒輪箱年節(jié)水、節(jié)氮?dú)夂秃碾姵杀?/p>

節(jié)水成本:630-15.75=614.25元

耗電成本:29 400-23 520=5 880.00元

節(jié)氮?dú)獬杀?2 688 000-840 000=1 848 000元

加壓冷卻齒輪箱年節(jié)約總成本為:

1848000+614.25-5880≈184.3萬元

計(jì)算結(jié)果表明，采用加壓冷卻齒輪箱氮?dú)庀拇蠓档?，可達(dá)73%以上，年可節(jié)約人民幣約184.3萬元。2014年鞍鋼煉鐵總廠11號(hào)高爐首次引進(jìn)高爐加壓水冷齒輪箱后，在2015年和2017年分別在3號(hào)高爐和1號(hào)高爐應(yīng)用，均實(shí)現(xiàn)預(yù)期降氮的目標(biāo)。

4　結(jié)語

高爐加壓水冷齒輪箱2014年在鞍鋼股份有限公司煉鐵總廠11號(hào)高爐首次引進(jìn)應(yīng)用。從實(shí)際運(yùn)行來看，新舊齒輪箱的備件儲(chǔ)備成本沒有增加，由于傾動(dòng)潤(rùn)滑方式的改進(jìn)，使齒輪箱運(yùn)行更加穩(wěn)定，為高爐定修周期間隔的延長(zhǎng)也提供了保證，同時(shí)齒輪箱冷卻強(qiáng)度的提高和水冷站工藝流程的集成簡(jiǎn)化單元運(yùn)行，也減少了工業(yè)氮?dú)庀牧亢退湔镜木S護(hù)量。目前鞍鋼煉鐵總廠已經(jīng)在3號(hào)高爐和1號(hào)高爐應(yīng)用該加壓水冷齒輪箱，取得了預(yù)期效果。