鐵水罐晃動(dòng)仿真分析

呂曉飛，杜鵬遠(yuǎn)，2，習(xí) 杰，3，蒿潤(rùn)濤，2，楊 磊

（1.新興河北工程技術(shù)有限公司，河北邯鄲 056003；2.河北省球墨鑄鐵管工程研究中心，河北邯鄲 056003；3.新興鑄管股份有限公司，河北邯鄲 056003）

1 前言

近年來(lái)，“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝逐漸在各大鋼廠投入應(yīng)用。所謂“一罐到底”就是高爐承接鐵水的鐵水罐和轉(zhuǎn)爐鐵水罐為同一罐車，鐵水罐直接從高爐出鐵場(chǎng)接出鐵水經(jīng)鐵路運(yùn)至煉鋼場(chǎng)地，直接將鐵水兌入轉(zhuǎn)爐而不經(jīng)過(guò)混鐵爐或?qū)ｉT向轉(zhuǎn)爐兌鐵的鐵水包[1]。這種鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝縮短了工藝流程，使得鐵損、溫降、煙塵排放點(diǎn)都大大減少，不僅降低了煉鋼成本，也在環(huán)保除塵方面取得了明顯效果[2]。

在“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝應(yīng)用之前，煉鐵、煉鋼車間所用的鐵水罐由于種種原因，可能存在結(jié)構(gòu)、容量、耳軸尺寸等均不相同的情況。這就使得在銜接處，需要將鐵水從一個(gè)鐵水罐倒入另一個(gè)鐵水罐里，勢(shì)必會(huì)造成鐵損、溫降、煙塵排放超標(biāo)等問(wèn)題。

在“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝改造過(guò)程中，由于時(shí)間、成本等多方面原因，不可能將幾十個(gè)鐵水罐一次性統(tǒng)一，這就會(huì)造成板鉤與鐵水罐耳軸不匹配的問(wèn)題。目前并沒(méi)有關(guān)于鐵水罐板鉤與耳軸間隙的相關(guān)國(guó)家規(guī)范。但是板鉤與耳軸的間隙過(guò)大，必然會(huì)造成鐵水罐晃動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)加大。

關(guān)于鐵水罐的晃動(dòng)可以分以下兩種情況：一是由于鐵水罐耳軸磨損后，造成耳軸軸心與鐵水罐重心偏移而引起的轉(zhuǎn)動(dòng)；二是在天車起、制動(dòng)過(guò)程中，因慣性導(dǎo)致的鐵水罐的晃動(dòng)。

2 因重心偏移引起的鐵水罐轉(zhuǎn)動(dòng)

我們假定新鐵水罐完全對(duì)稱，但是由于罐嘴沾鐵等因素，會(huì)造成鐵水罐重心向一側(cè)偏移，且沾鐵量與重心的偏移距離成正比。假設(shè)鐵水罐罐嘴沾鐵1t，則根據(jù)重心合成理論，鐵水罐的重心O 會(huì)向罐嘴側(cè)偏移大約13mm，如圖1 所示。

圖1 鐵水罐重心與耳軸軸心偏移示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，耳軸的磨損往往發(fā)生在罐嘴一側(cè)，這會(huì)導(dǎo)致耳軸軸心向罐嘴的另一側(cè)偏移Rmm。根據(jù)力矩平衡原理，此時(shí)如果鐵水包不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)滿足如下條件：

式中，μ 為板鉤與耳軸之間的摩擦系數(shù)，取為0.15；d 為耳軸直徑，現(xiàn)為155mm。

根據(jù)上式計(jì)算可得耳軸軸心的偏移量

由于耳軸的磨損量X 是耳軸軸心偏移量的2倍，所以可得X≤20.5。

由于煉鐵所用鐵水罐耳軸直徑d 為310mm，即當(dāng)耳軸的最小直徑為289.5mm 時(shí)，鐵水罐即有可能在起吊過(guò)程中發(fā)生偏心旋轉(zhuǎn)。

3 因慣性導(dǎo)致的鐵水罐晃動(dòng)

根據(jù)能量守恒定律，天車吊著鐵水罐進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，鐵水罐會(huì)偏轉(zhuǎn)[3]。不考慮沾鐵、耳軸磨損、耳軸與板鉤之間的接觸變形，以及由天車變頻器制動(dòng)電阻消耗的動(dòng)能等情況，對(duì)天車吊著鐵水罐運(yùn)行的過(guò)程進(jìn)行仿真分析。以煉鐵車間鐵水罐及板鉤相關(guān)實(shí)際參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行如下設(shè)置：

鐵水罐(含滿罐鐵水)總重量：150t；

大車最大運(yùn)行速度：1333mm/s；

大車起制動(dòng)時(shí)間：9s；

中間勻速運(yùn)行時(shí)間：11s；

鐵水罐重心到鐵水罐耳軸（晃動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心）的距離：300mm；

板鉤開口尺寸：340mm；

板鉤內(nèi)弧面半徑：330mm；

鐵水罐耳軸直徑尺寸：280mm，310mm，325mm三種規(guī)格；

鐵水罐晃動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)中心：鐵水罐耳軸。

建立鐵水罐運(yùn)動(dòng)仿真模型如圖2 所示。

對(duì)耳軸直徑280mm 的鐵水罐，在天車起、制動(dòng)情況下的晃動(dòng)情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3 所示。

對(duì)耳軸直徑310mm 的鐵水罐，在天車起、制動(dòng)情況下的晃動(dòng)情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4 所示。

圖2 鐵水罐運(yùn)動(dòng)仿真模型

對(duì)耳軸直徑325mm 的鐵水罐，在天車起、制動(dòng)情況下的晃動(dòng)情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5 所示。

從上述分析結(jié)果可以看出，在天車按設(shè)定速度運(yùn)行時(shí)，不同耳軸直徑的鐵水罐，最大俯仰擺角基本相同，為2°左右。但是，耳軸直徑越小，擺角波動(dòng)越頻繁。如圖所示，耳軸直徑325mm 時(shí)，鐵水罐擺角基本為平滑曲線；耳軸直徑280mm 時(shí)，鐵水罐擺角波動(dòng)頻率很大，為不穩(wěn)定狀態(tài)，會(huì)造成鐵水罐內(nèi)鐵水液面的波動(dòng)加劇，鐵水罐內(nèi)鐵液溢出的風(fēng)險(xiǎn)加大。

圖3 耳軸直徑280mm 鐵水罐的晃動(dòng)仿真分析

圖4 耳軸直徑310mm 鐵水罐的晃動(dòng)仿真分析

圖5 耳軸直徑325mm 鐵水罐的晃動(dòng)仿真分析

4 鐵水罐耳軸加軸套

如上所述，為了保證鐵水罐吊運(yùn)過(guò)程中的安全性，板鉤與鐵水罐耳軸間隙應(yīng)盡量小。由于目前煉鐵車間所用鐵水罐耳軸直徑小于煉鋼車間所用鐵水罐耳軸直徑，為了應(yīng)用“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝，最經(jīng)濟(jì)、快捷的辦法是將板鉤尺寸統(tǒng)一，對(duì)于耳軸尺寸較小的鐵水罐，進(jìn)行加軸套處理。加軸套后對(duì)于鐵水罐耳軸也起到了保護(hù)作用，在耳軸套磨損后，可以方便的進(jìn)行更換[4]。具體方案如圖6 所示。

5 鐵水罐耳軸加軸套后現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

按照上述方案制作鐵水罐耳軸的軸套，并且將煉鐵、煉鋼的板鉤形狀尺寸進(jìn)行統(tǒng)一。在車間對(duì)于上述情況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)情況如圖7 所示。

圖6 耳軸加軸套方案

圖7 鐵水罐加軸套后的晃動(dòng)試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，鐵水罐在各種工況下的晃動(dòng)均在可接受范圍內(nèi)，不會(huì)導(dǎo)致鐵水溢出。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)重心偏移、耳軸磨損造成的鐵水罐轉(zhuǎn)動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算，對(duì)耳軸直徑不同的鐵水罐進(jìn)行仿真分析，得出板鉤與耳軸間隙過(guò)大會(huì)造成鐵水罐晃動(dòng)頻率加快，鐵液溢出風(fēng)險(xiǎn)加高。為了經(jīng)濟(jì)、快捷的應(yīng)用“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運(yùn)工藝，需對(duì)耳軸尺寸較小的鐵水罐，進(jìn)行加軸套處理，并給出了具體方案?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，該方案簡(jiǎn)便、可靠，且軸套磨損后易于更換。