高爐風(fēng)口套在線修復(fù)方案設(shè)計(jì)及實(shí)施

賈 晗

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430000）

0 引言

煉鐵系統(tǒng)高爐的風(fēng)口套因工況所限經(jīng)長(zhǎng)期使用后，密封錐面會(huì)出現(xiàn)磨損、風(fēng)蝕等現(xiàn)象，造成風(fēng)口大套與風(fēng)口中套密封不嚴(yán)、出現(xiàn)氣體泄漏等現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)造成隱患。常規(guī)高爐風(fēng)口套有兩種連接形式，一種為帶法蘭式，法蘭與爐皮焊接完成，風(fēng)口套通過(guò)法蘭連接，另一種為風(fēng)口套直接與爐皮焊接式。帶法蘭式風(fēng)口套出現(xiàn)磨損漏風(fēng)后直接更換風(fēng)口套即可，焊接式風(fēng)口套需將原風(fēng)口套從爐皮原焊接處進(jìn)行氣焊割除，然后將新制造的風(fēng)口套通過(guò)電焊與爐皮進(jìn)行焊接。如果高爐爐齡較長(zhǎng)，爐皮經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期高溫、惡劣環(huán)境下使用，內(nèi)部組織成分主要是含碳量會(huì)發(fā)生變化，而含碳量又是影響風(fēng)口套與爐皮焊接性能的主要參數(shù)，當(dāng)含碳量降低到一定程度，焊接工藝將無(wú)法完成，在國(guó)內(nèi)個(gè)別高爐曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)在風(fēng)口套更換時(shí)，風(fēng)口套與爐皮焊接不實(shí)的現(xiàn)象，被迫將爐皮及風(fēng)口套等全部更換，造成檢修工期延長(zhǎng)，成本巨額增加。為避免這一風(fēng)險(xiǎn)，提出根據(jù)仿形加工原理設(shè)計(jì)專機(jī)來(lái)實(shí)施風(fēng)口套在線加工修復(fù)的工藝方案，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施一舉獲得成功。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工況考察，高爐風(fēng)口套安裝部位在高爐平臺(tái)上方1000 mm 左右高度范圍，擁有吊裝能力，具備施工條件。根據(jù)工況條件，憑借多年的現(xiàn)場(chǎng)加工修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，提出利用仿形原理設(shè)計(jì)專機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)口套在線加工修復(fù)的方案。

1 現(xiàn)場(chǎng)定位功能設(shè)計(jì)

風(fēng)口大套環(huán)高爐本體設(shè)置，數(shù)量與高爐容積配套，下方為環(huán)繞高爐設(shè)置的高爐平臺(tái)，具備施工的工況條件，但平臺(tái)強(qiáng)度不滿足設(shè)備固定條件，根據(jù)設(shè)備所需要的固定、調(diào)整條件，設(shè)計(jì)設(shè)備固定平臺(tái)底座，下方與高爐本體焊接固定，平臺(tái)底座外側(cè)通過(guò)焊接斜拉筋板與高爐本體固定，使平臺(tái)底座與高爐本體穩(wěn)固連接，滿足設(shè)備固定及調(diào)整條件。

2 設(shè)備功能設(shè)計(jì)

（1）實(shí)現(xiàn)在線修復(fù)需滿足動(dòng)力、傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)功能，動(dòng)力采用30 kW 電機(jī)帶動(dòng)變速箱將動(dòng)力傳遞給專用動(dòng)力頭。

（2）設(shè)計(jì)傳動(dòng)主軸，主軸整體精度在ΦD（0～0.06）mm，粗糙度＜0.6，◎＜0.06 mm，一端為7∶24 錐柄，錐度與動(dòng)力頭主軸孔相對(duì)應(yīng)。

（3）在主軸與動(dòng)力頭主軸孔裝配后，通過(guò)拉釘拉緊，中間設(shè)置傳動(dòng)定位鍵，在主軸的被動(dòng)側(cè)。

（4）設(shè)置主軸旋轉(zhuǎn)支撐支座，支座內(nèi)孔與主軸之間設(shè)定自潤(rùn)滑銅套機(jī)構(gòu)，配合間隙0.04 mm，既保證主軸旋轉(zhuǎn)自如，又滿足精度要求，使動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力能夠平穩(wěn)的傳遞到主軸上。

（5）將支座固定在風(fēng)口套的內(nèi)側(cè)，在設(shè)備定位后，通過(guò)設(shè)備及支座的相應(yīng)調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)中心與需修復(fù)的風(fēng)口套的中心的同軸度在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)范圍。

3 仿形加工單元的設(shè)計(jì)

加工單元的設(shè)計(jì)采用仿形加工原理，刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為錐形，刀架錐度與風(fēng)口套內(nèi)孔配合錐面的錐度相一致，常規(guī)風(fēng)口套錐度為1∶50，刀架本體上設(shè)計(jì)加工出可調(diào)整式刀體傳動(dòng)導(dǎo)軌，刀體在導(dǎo)軌上通過(guò)絲杠、絲母?jìng)鲃?dòng)副可實(shí)現(xiàn)刀體的軸向進(jìn)給，通過(guò)調(diào)整刀體傳動(dòng)導(dǎo)軌的精度使刀體移動(dòng)軌跡與風(fēng)口套錐面相一致。刀架內(nèi)孔為可鎖緊式，內(nèi)孔與主軸外徑相對(duì)應(yīng)，配合精度0.10 mm 左右，刀架可以實(shí)現(xiàn)在主軸軸向輕松滑動(dòng)，通過(guò)鎖緊單元又可以實(shí)現(xiàn)刀架與主軸軸向位置及徑向兩個(gè)方向的位置鎖緊。

4 加工單元的整體組合設(shè)計(jì)

（1）刀體固定在刀架導(dǎo)軌上，可實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給，進(jìn)給軌跡與風(fēng)口套錐孔面相對(duì)應(yīng)，通過(guò)導(dǎo)軌調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)刀體進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與風(fēng)口套錐面一致。

（2）仿形刀架單元裝配在主軸上，即可實(shí)現(xiàn)軸向滑動(dòng)，又可以通過(guò)鎖緊機(jī)構(gòu)將其在主軸上相應(yīng)的位置鎖緊。

（3）主軸的旋轉(zhuǎn)精度直接影響到加工錐面的粗糙度及同軸度，通過(guò)調(diào)整設(shè)備及主軸固定支座的相應(yīng)位置來(lái)滿足加工精度的需要。

這樣整個(gè)風(fēng)口套在線加工專用設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)完成：①電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)→減速機(jī)帶動(dòng)動(dòng)力頭→動(dòng)力頭通過(guò)錐面配合及拉釘鎖緊將動(dòng)力傳輸?shù)街鬏S→主軸通過(guò)與刀架支座的鎖緊將動(dòng)力傳輸?shù)降都茏扼w在刀架座上固定，旋轉(zhuǎn)動(dòng)力相應(yīng)傳輸?shù)降扼w，實(shí)現(xiàn)刀體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；②刀體在刀架導(dǎo)軌上通過(guò)絲杠絲母副實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。風(fēng)口套圖紙如圖1 所示，風(fēng)口套焊接圖如圖2 所示。

圖1 風(fēng)口套圖紙

圖2 風(fēng)口套焊接圖

5 檢測(cè)單元的設(shè)計(jì)

根據(jù)風(fēng)口套錐面的尺寸精度，設(shè)計(jì)、加工、制造錐面環(huán)規(guī)，要求輕便、精度穩(wěn)定不易變形，具備手持單元，材料以鋁合金為佳。在首件風(fēng)口套加工完后，利用環(huán)規(guī)進(jìn)行檢測(cè)。

（1）通過(guò)塞尺檢測(cè)環(huán)規(guī)與加工后的風(fēng)口套錐面間隙，測(cè)量出加工后的錐面的同軸度及錐度偏差。錐度偏差可通過(guò)調(diào)整刀架支座導(dǎo)軌來(lái)完成，同軸度偏差可通過(guò)調(diào)整主軸支座來(lái)完成，反復(fù)操作測(cè)量，滿足修復(fù)技術(shù)要求。

（2）錐面涂抹紅丹粉，通過(guò)環(huán)規(guī)與風(fēng)口套進(jìn)行錐面研磨，找出高點(diǎn)，通過(guò)人工修磨方式進(jìn)行修磨，達(dá)到配合面密封要求。

（3）通過(guò)測(cè)量環(huán)規(guī)軸向探出風(fēng)口套錐面的高度，計(jì)算出風(fēng)口套錐面配合直徑的偏差。在加工修復(fù)時(shí)，加工量控制在錐面全部見(jiàn)光即可，如果存在個(gè)別部位磨損、風(fēng)蝕嚴(yán)重時(shí)，需提前進(jìn)行打磨、焊接后再進(jìn)行加工修復(fù)，使修復(fù)加工量在滿足配合精度的前提下越小越好，保證風(fēng)口套錐面直徑的偏差控制在與中套配合調(diào)整范圍之內(nèi)。如果風(fēng)口套錐面整體磨損、風(fēng)蝕嚴(yán)重，超出調(diào)整量范圍，在加工前就需要進(jìn)行內(nèi)孔補(bǔ)焊后再進(jìn)行加工修復(fù)。

6 實(shí)施效果及經(jīng)濟(jì)分析

因每座高爐的風(fēng)口套數(shù)量與高爐容積相對(duì)應(yīng)，首次施工時(shí)，是在河南某鋼鐵公司2800 m3高爐進(jìn)行，該高爐擁有風(fēng)口套數(shù)量為30 個(gè)（含法蘭式2 個(gè)），需在線加工修復(fù)28 個(gè)，每修復(fù)一個(gè)風(fēng)口套，設(shè)備需要進(jìn)行移位、調(diào)整一次，為既盡量縮短修復(fù)工期，又不造成設(shè)備及人員的浪費(fèi)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施加工修復(fù)時(shí)，投入兩套專機(jī)、兩組人員，一組人員專門進(jìn)行設(shè)備移位、精度調(diào)整、加工后的精度檢測(cè)等工作，另一組人員專門負(fù)責(zé)在線加工，兩臺(tái)設(shè)備交叉進(jìn)行保持在線加工工作的連續(xù)性，每天完成風(fēng)口套修復(fù)數(shù)量為2 個(gè)，工期14 d。

采用在線修復(fù)風(fēng)口大套工藝與常規(guī)的更換大套方案相比較，以首次施工案例進(jìn)行效益估算。

（1）此工藝的實(shí)施可獨(dú)立完成與高爐整體爐內(nèi)主線大中修項(xiàng)目不產(chǎn)生干涉，不會(huì)對(duì)施工主工期造成影響，與常規(guī)的更換風(fēng)口套大、中修方案相比較可縮短總檢修工期130 h 左右。

（2）2800 m3高爐按照250 t/h 產(chǎn)量估算，可增加生鐵產(chǎn)量32 500 t 左右，節(jié)約的備件費(fèi)用（新制造風(fēng)口套費(fèi)用核減舊風(fēng)口套廢鐵材料費(fèi)）6000 元×28=268 000 元，在線加工施工費(fèi)用30 000×28=840 000 元，按照噸鐵800 元利潤(rùn)計(jì)算，折合該方案的實(shí)施可創(chuàng)效：32 500×800-840 000=25 160 000 元（2516 萬(wàn)元）。

7 結(jié)束語(yǔ)

該線加工修復(fù)方案首次試驗(yàn)成功，從課題提出、工藝設(shè)計(jì)及專用設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造等方面均開(kāi)辟了冶金行業(yè)的空白。該案例的成功實(shí)施，成功規(guī)避風(fēng)口套更換存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，解決焊接式風(fēng)口套在線修復(fù)的難題，使高爐風(fēng)口套在不拆除的情況下實(shí)現(xiàn)循環(huán)再使用，使大修工期得到有效的壓縮，為企業(yè)增創(chuàng)高額的利潤(rùn)。對(duì)今后高爐大修方案的制定與實(shí)施，起到革命性的作用，有必要在煉鐵系統(tǒng)進(jìn)行廣泛推廣應(yīng)用。