電爐傾翻原因分析及處理

王立新 劉 嶸

(河北邢臺鋼鐵有限責任公司煉鋼廠 河北邢臺054027)

1 前言

某鋼廠白班電爐生產不銹鋼，第1爐將近出鋼完畢，此時爐體傾翻角度35.5度，屬于正常角度范圍(設計最大傾角42度)。突然聽到一聲異常巨響，電爐C相電極發(fā)生斷裂，隨即馬上發(fā)生第二次異常巨響，發(fā)現A相電極斷裂，整個水冷爐蓋脫槽向出鋼方向傾斜，并帶動爐蓋懸臂向出鋼側傾斜。后經檢查，爐蓋旋轉液壓缸油管爆裂，爐蓋旋轉鎖定銷脫出，爐蓋擋塊斷裂。

隨后組織維修車間進行搶修。維修人員試圖利用天車吊下爐殼吊耳體進行爐體復位時，爐殼吊耳從爐殼上斷開，致使爐蓋再次傾斜，同時造成爐蓋旋轉液壓缸缸頭處斷開，油缸支座開裂。

電爐在出鋼時，傾斜角度可以達到36°。為防止出鋼時爐蓋傾翻、爐蓋懸臂轉動，共有3套機構進行防護。一是爐蓋擋塊，防止爐蓋滑落；二是旋轉鎖定銷，通過機械鎖定防止爐蓋懸臂轉動；三是爐蓋旋轉液壓缸，控制爐蓋懸臂的旋轉動作，當液壓閥處于鎖定位時，爐蓋懸臂不能旋轉。事故發(fā)生后，這三套機構全部損壞：爐蓋擋塊斷裂、旋轉鎖定銷脫出、液壓缸油管爆裂。

2 事故分析

2.1經過

進行現場勘察，對于究竟是爐蓋先傾翻帶動爐蓋懸臂旋轉造成事故，還是爐蓋懸臂機構旋轉鎖定銷失效引發(fā)爐蓋傾翻造成事故難以下結論。經過對現場損壞部件的認真觀察、分析與比對，認為是爐蓋先傾翻造成的事故。下面的簡圖可以進行輔助說明：

如果爐蓋向左運動，則拉桿變形方向如圖1左圖所示；

如果爐蓋懸臂向左運動，則拉桿變形方向如圖1右圖所示；

現場顯示，拉桿的變形方向如圖1左圖所示，所以事故的發(fā)生肯定是爐蓋最先發(fā)生傾翻。

左圖 右圖圖1 拉桿變形對比

事故發(fā)生的詳細次序如下：

1)爐蓋傾翻，傾翻過程中爐蓋擋塊不足以遏止爐蓋的運動，受力過大斷裂，爐蓋迅速下滑；2)重達20余噸的爐蓋下滑停止時，巨大的沖擊力作用在旋轉鎖定銷上，造成旋轉鎖定銷脫槽，爐蓋懸臂失去機械鎖定開始轉動；3)隨著爐蓋懸臂的轉動，旋轉液壓缸的背壓驟然增大，液壓管因不能承受突然增大的壓力而爆裂，爐蓋懸臂失去最后的約束，快速旋轉，帶動爐蓋進一步傾翻，形成事故。

2.2原因分析

為防止出鋼時爐蓋傾翻、爐蓋懸臂轉動，共有3套機構進行防護。一是爐蓋擋塊，防止爐蓋滑落；二是旋轉鎖定銷，通過機械鎖定防止爐蓋懸臂轉動；三是爐蓋旋轉液壓缸，控制爐蓋懸臂的旋轉動作，當液壓閥處于鎖定位時，爐蓋懸臂不能旋轉。

以上三套機構只要有一套機構能起作用，都不會造成事故。下面逐一分析這三套機構失效的原因。

2.2.1 爐蓋擋塊

爐蓋與爐體共有三種設計：平面接觸、迷宮接觸、錐面接觸。如圖2所示。

圖2 爐蓋與爐體密封形式

平面接觸密封效果最差，爐蓋與爐體之間漏火嚴重，目前已淘汰這種設計；迷宮密封效果較好，但隨著生產的進行，迷宮容易在高溫下變形，加上爐蓋積渣，迷宮很快就會失效。對于邢鋼的電爐，采用了錐面接觸的設計，既有良好的密封，也不易變形[1]。

錐面接觸在爐體處于水平狀態(tài)時，穩(wěn)定性較好。當爐體傾動時，為防止爐蓋滑落，設計了兩個擋塊(如圖3紅色部分所示)。如果爐體在水平位置，此擋塊在爐蓋下降時，可以起到良好的導向作用，幫助爐蓋順利蓋到爐體上。

但是在爐體傾斜36°的條件下：如果爐蓋擋塊高度不夠，錐面接觸和擋塊就會失效，擋塊就起不到阻擋爐蓋下滑的作用；如果爐蓋擋塊強度不夠而斷裂，爐蓋就會下滑，見圖4。

圖3 爐體水平狀態(tài)

從現場查勘可以看到，電爐的擋塊無論是高度還是強度，都達不到要求：高度太低，擋不住爐蓋；強度太差，有一塊已經斷裂。擋塊的高度和強度不足，無法阻擋爐蓋下滑，是此次事故的直接原因。這一結果是的設計錯誤或制造缺陷造成的。

2.2.2 旋轉鎖定銷

旋轉鎖定銷是液壓驅動的機械鎖定裝置，起到非常重要的安全銷的作用，在鎖定情況下可以防止爐蓋懸臂的轉動，見圖5，圖6。

圖4 爐體傾斜狀態(tài)

圖5 旋轉鎖定示意圖a

圖6 旋轉鎖定示意圖b

理論上講，在鎖定狀態(tài)下，只要鎖定銷不被切斷，爐蓋懸臂就不可能發(fā)生轉動。鎖定銷直徑為100mm，材質為45#鋼，剪切強度為178MPa，鎖定銷的抗剪力為：3.14×100×100×178/4=1397300N≈142t；

鎖定銷距離旋轉中心約2米，可抵受的旋轉力矩為：142×2=284t·m；

爐蓋、爐蓋懸臂和電極總重約40噸，重心旋轉半徑約5.5米，當爐體傾斜36°時，旋轉力矩為：40×5.5×sin36=129t·m；安全系數為：284/129=2.2

可見，鎖定銷的直徑設計是合理的，有足夠的抗剪強度。事故中，鎖定銷只是脫出而沒有被切斷，也驗證了鎖定銷的抗剪強度足夠。但是，由于鎖定銷的安裝位置和形狀缺陷，使鎖定銷的安全鎖定功能大打折扣[2]，如圖7所示。

圖7 鎖定銷原設計

鎖定銷頭部帶有大約40mm的錐頭，鎖定銷插孔有15mm的大倒角，鎖定液壓缸行程只有130mm，插入深度不夠，導致鎖定接觸面大大減少；在懸臂受爐蓋下滑沖擊的情況下，爐蓋懸臂向上變形，造成鎖定銷滑出。

鎖定銷和插孔之所以帶有錐面和倒角，是考慮水平旋轉定位時，即使稍有偏差，鎖定銷也可以順利插入插孔中。

旋轉鎖定銷的滑出是事故發(fā)生的重要原因，也是安全裝置失效的重大隱患。旋轉鎖的錐面和插孔的倒角都是原設計所有的，安裝位置也是在設計人員的指導下確定的。旋轉鎖定銷的脫出是設計缺陷引起的，在安裝過程中也沒有得到及時糾正。

2.2.3 爐蓋旋轉液壓缸

旋轉液壓缸的設計原則是：在爐體水平狀態(tài)下，驅動爐蓋懸臂旋轉。當爐體傾斜時，旋轉液壓缸沒有能力驅動爐蓋懸臂向回轉。前文已經計算過，當爐體傾動36°時，爐蓋、爐蓋懸臂和電極的旋轉力矩為129t·m，旋轉液壓缸的力臂只有一米，也就是說，旋轉液壓缸將承受129噸的拉力。液壓缸無桿腔直徑160mm，缸桿直徑90mm,則液壓缸有桿腔的壓力為：129×10000/(3.14×(160×160-90×90)/4)=93MPa

而系統(tǒng)壓力只有15 MPa，顯然液壓缸是無法承受此旋轉力矩的。

希望通過加大液壓缸的直徑來減少壓力的做法是不現實的，因為液壓缸的安裝位置靠近電極臂，最大也只能選擇直徑320m的液壓缸(缸桿直徑180mm)，此時液壓缸的有桿腔壓力為：129×10000/(3.14×(320×320-180×180)/4)=23MPa

可見，即使選用安裝位置許可的最大直徑的液壓缸，有桿腔壓力仍將超出系統(tǒng)的許可壓力。

從以上的理論計算不難看出，發(fā)生這類事故，油管爆裂是對旋轉液壓缸及其機構最簡單有效的保護，相當于電氣中的保險絲。如果油管不能及時爆裂，在系統(tǒng)過壓的情況下，會造成液壓缸或旋轉機構的損壞(相當于保險絲不燒，燒壞電氣設備)。試圖復位爐體時發(fā)生的第二次傾翻，油管沒有爆裂，但液壓缸缸頭脫落，液壓缸支座撕裂，造成事故處理難度增大[3]。

綜上所述，原設計的液壓缸是合理的，油管選型也是合理的，不宜再對液壓旋轉機構進行改進。

3 整改處理

3.1爐蓋擋塊

爐蓋擋塊需加寬、加厚、加高、加多，以便在傾爐時起到阻擋爐蓋下滑的作用。具體改進如下：

加寬：從110mm增加為200mm；加厚：從40 mm增加為50mm；加高：從120mm增加為250mm；加多：從兩塊增加為4塊。

改進后，每個擋塊的抗剪能力為：50×200×117=1170000N≈119t。

每個擋塊的抗剪能力遠遠大于爐蓋20噸的重量。

3.2旋轉鎖定銷

為達到既要順利插入，又不易滑出的目的，決定采用兩套旋轉鎖定銷，一套為原設計的，用于定位；一套為新加的，用于安全鎖定。新加的鎖定銷與插孔外形進行了改進，去掉了錐面和倒角，同時增加了插入深度，確保了鎖定銷的安全可靠。見圖10。

3.3爐蓋旋轉液壓缸

由于爐蓋旋轉液壓缸的設計原則是合理的，本次事故處理主要是恢復損壞的液壓缸缸頭和底座，對缸頭和底座進行了適當加固，未采取其他的改進措施。

圖8 鎖定銷設計改進

3.4控制程序的改進

事故發(fā)生后，對熔化爐可能發(fā)生的事故或誤操作進行了探討，最終決定在控制程序上做如下改進：

1)只有在旋轉鎖定的情況下才允許傾爐，改為：只有在旋轉鎖定的情況下才允許傾爐，并且，在傾爐操作時不可進行鎖定解除操作；2)爐蓋只有在下降位才允許傾爐，改為：爐蓋只有在下降位才允許傾爐，并且，傾爐操作時不可進行爐蓋起升操作；3)傾爐過程中，如果液壓系統(tǒng)突然斷電，控制傾爐的電磁閥應自動回到鎖定位，中斷傾爐過程。這樣做的目的是：防止傾爐液壓缸在蓄能器壓力作用下繼續(xù)傾動；4)測試液壓缸極限行程，保證液壓缸在極限位，也不會造成爐體傾翻(極限傾翻角度應小于42°)。

4 結論

經過對爐蓋擋塊、旋轉鎖定銷、爐蓋旋轉液壓缸、控制程序等按措施改進，經試車和檢查確認后，電爐順利投產。電爐的整改措施實施后半年，該設備沒有再發(fā)生類似事故。