一種新型轉爐爐體與托圈的連接裝置

摘要：轉爐爐體與托圈的連接裝置是轉爐本體系統的關鍵設備之一，它的結構是否合理直接影響托圈和爐殼的壽命及鋼產量。本文系統介紹了一種新型轉爐爐體與托圈的連接裝置的結構及優點。

關鍵詞：連接裝置 三點下吊掛 靜定系統 特點 推廣應用

0 引言

轉爐爐體與托圈的連接裝置是轉爐本體系統的關鍵設備之一，爐體通過連接裝置與托圈連接。由于爐體重量是公稱噸位的5-8倍，并通過連接裝置隨托圈傾轉加減3600，而且爐殼和托圈在機械與熱負荷作用下都將產生變形，因此，對連接裝置提出要求：連接必須牢固可靠，同時又要適應爐殼和托圈熱膨漲時在徑向和軸向產生的相對位移，以免造成爐殼或托圈嚴重變形和破壞。

另外，連接裝置還存在一個嚴重問題是：伴隨著爐殼和托圈的變形，在連接裝置中引起傳遞載荷的重新分布，往往造成局部過載，并由此引起嚴重變形和破壞。

為了滿足連接裝置的要求，并能較好地克服可能出現的問題，設計連接裝置時，應保證以下幾點：①保證爐殼、托圈結構合理，提高使用壽命。②保證轉爐在任何位置時，都能將爐體負荷盡可能均勻地傳遞到托圈，并保持爐體在托圈中的正確位置。③能適應爐體在軸向和徑向的脹、縮，不產生曠動。④考慮到變形的產生，能以預先確定的方式傳遞載荷，并避免因靜不定問題的存在，而使支承系統承受附加載荷。⑤連接裝置應安裝、拆卸方便，加工、維修容易。

目前常用的連接裝置類型：懸掛支撐盤連接裝置、卡板夾持器連接裝置、薄帶連接裝置、三點球面支承連接裝置、拉桿吊掛連接裝置等。而這些種類的連接裝置都有各自的優缺點。

1 一種新型爐體與托圈的連接裝置

1.1結構說明該裝置使用在我單位的50噸轉爐上，它采用兩組連桿，將爐體吊掛在托圈上。爐體直立時，靠一組垂直連桿吊掛，爐體傾轉到水平位置時，靠另一組水平連桿吊掛在托圈上。

爐體傾轉時，垂直拉桿與水平連桿及水平導向架一起承受托圈平面內的橫向載荷。

圖1所示為連桿在托圈1上的配置情況，爐體5通過三個活動垂直連桿3吊掛在托圈1上。兩個活動垂直連桿3配置在與耳軸軸線成450的位置，一根連桿3在出鋼口對面位置上。在驅動側和非驅動側各有一個活動水平連桿2。在出鋼口對面位置的下方設有一個水平導向架4，作用是阻止爐體5在托圈1內發生耳軸方向的擺動。爐體5傾轉時，水平連桿2與水平導向架4一起承受托圈平面內的橫向載荷。

活動垂直連桿3和活動水平連桿2的結構型式相同表示在圖2中。

由圖2可知：垂直連桿和水平連桿中的連桿10通過兩個球鉸5和兩個軸6鉸接，軸6又通過四個球鉸14分別與兩個托圈凸耳1及兩個爐體凸耳17鉸接，用其他零件將各個球鉸定位且使球鉸處于全封閉狀態，球鉸全部采用先進的耐高溫、免維護型球鉸軸承。托圈凸耳1焊在托圈的底板上，爐體凸耳17則與爐殼焊在一起。

將水平導向架中的導向快與托圈底板焊在一起，導向支架與爐殼焊在一起。

為了盡量減少爐殼及托圈對結構使用性能的影響。這種連接裝置安置在托圈的下部也是爐體下部，這里溫度較低，變形較小，對結構是有利的。這種結構的連桿，在爐體處于一定傾轉位置時，它們會成為“拉桿”或“壓桿”進行工作。

1.2結構分析

1.2.1運動鏈的建立根據機械原理結合結構說明。可以把該裝置看成為由爐體5、托圈1、水平連桿2以及垂直連桿3共七個構件組合而成的一個閉式空間運動鏈。在該運動鏈中，構件爐體、托圈與構件兩組連桿間是采用…級運動副(球鉸)聯接，構件爐體與構件托圈間也是采用…級運動副(移動、轉動副)聯接。

1.2.2運動鏈的簡化及自由度的確定由理論力學可知，空間運動的自由構件有六個自由度，即沿×、Y、Z軸的三個移動和繞三個軸的三個轉動。但在該運動鏈中，由于運動副的特殊配置(圖1)，即在×OY平面內水平導向架4的設置，使得該運動鏈中的各構件都失去了饒Y、Z軸轉動以及沿×軸移動的可能性，或者說，對該運動鏈所有構件的運動加上了三個公共約束。由結1-托圈凸耳2-螺栓3-螺母4-墊片5-軸構說明可知，由于兩個水平連承6-軸7-環8-密封環9-夾子10-連桿2所起的限制作用是互為桿11-蓋(1)12-蓋(2)13-蓋(3)14-軸承重復的，即互為虛約束，計算15-螺栓16-套17-爐體凸耳18-環時可除去一個不計。兩個配置圖2水平、垂直連桿結構圖在與耳軸軸線成45°的位置垂直連桿3所起的限制作用是互為重復的，即互為虛約束，計算時可除去一個不計。機構中的球餃(圖2中件14)對整個運動鏈的運動無任何影響，屬局部自由度計算時除去不計。這樣，該運動鏈可簡化成是由N=5個構件組成，公共約束為3，各個構件之間的聯結副為V級副。當固定其中之一為機架后，所剩活動構件數為n=N 1=4。對于這種空間運動鏈，其自由度的計算公式應為:

式中k為運動副的級數

m為公共約束值

計算這個空間運動鏈相對于機架的自由度為

F=(6 3)×4-e5-3)×6=0

因此，這個自由度為零空間的運動鏈是不能產生相對運動的剛性桁架一靜定系統。

由于該運動鏈的自由度為零可以得出，在此靜定系統中，各構件的位置保持相對靜止，即爐體和托圈位置以及各個連桿的位置保持相對靜止且各構件無多余的約束。因此，當以托圈為機架時，且托圈繞耳軸轉動過程中，托圈與爐體的相對位置保持不變。

1.2.3虛約束和局部約束在靜定系統中的作用實際應用中為使各構件受力均衡，增加各構件的剛性，改善其受力狀況，因此，采用了虛約束。水平連桿、垂直連桿數量的增加及對稱布置和水平導向架的設置，雖不影響機構的約束，但卻改善了其受力狀況，使每個連桿的受力減小，增加了其剛性，并且改善了爐體和托圈受力狀況，使其受力均衡，因而增加了整個系統的剛性。而且三個垂直連桿3、兩個水平連桿2以及水平導向架按圖1所示的布置，使得爐體5的中心與托圈1的中心重合，且當爐體5、托圈1產生徑向和軸向脹、縮的情況下，各連桿通過其中的各聯接副(球鉸)發生擺動，同時水平導向架4通過自身聯接副適應爐體和托圈產生徑向和軸向脹、縮，充分地滿足各種變形的需要，并保持爐體和托圈的相對位置不變且不產生相對轉動。從而保證該裝置的機構屬性。既使在托圈傾轉過程中，也只是改變各連桿的受力狀態。而且各連桿的局部約束(連桿兩端的軸的兩端支承各采用一球鉸)，在托圈和爐體脹、縮的情況下，對該軸不產生附加應力，改變軸的工作狀態。

2 新型爐體與托圈的連接裝置的特點

這種連接裝置的特點，在于采取了三點靜定的支承系統，連接裝置中的球鉸的連接能充分地滿足各種變形的需要。因此，從原理上來講，能更好地滿足上述五點連接裝置設計要求。它具有如下優點：

2.1該連接裝置設置在托圈底部，結構合理，工作環境相對較好，并且利于冷卻，又采用了多個先進的耐高溫、免維護型軸承且這些球鉸軸承處于全封閉狀態，維護的工作量小。并且載荷傳遞元件的表面沒有間隙，從而不產生曠動。

2.2轉爐在任何位置時，都能將爐體負荷盡可能均勻地傳遞到托圈上面，并且從爐殼到托圈的載荷傳遞是靜態的。

2.3適應爐體在軸向和徑向的脹、縮，即使在爐殼非對稱的膨脹和變形的情況下，并保持爐體在托圈中的正確位置。

2.4考慮到變形的產生，能以預先確定的方式傳遞載荷，避免了因靜不定問題的存在而使支承系統承受附加載荷。

2.5該連接裝置重量輕、結構簡單，零件加工制作容易。

2.6由于該連接裝置設置在托圈的下部，結構合理，工作環境相對較好，爐體的變形較小，因此爐體的安裝和更換容易。

2.7該連接裝置的設置對托圈的結構沒有任何特殊的要求，因而不會提高托圈的制作難度。

2.8該連接裝置設置在托圈的下部，利于中、小型轉爐的爐體設置爐帽防熱板和擋渣板：利于大、中型轉爐爐體設置擋渣板及水冷爐帽，提高爐體的壽命。這一點對大、中型轉爐尤為重要。

2.9由于該連接裝置設置在托圈的下部，使得整體轉爐爐體的重心下移，因此利于轉爐采用死爐底結構和活爐底中的小爐底結構。

2.10各連桿的局部約束(連桿兩端的軸的兩端支承各采用一球鉸軸承)，能夠適應托圈和爐體的變形，使得托圈和爐體在脹、縮的情況下，對該軸不產生附加應力，不改變軸的工作狀態。

2.11各連桿受力狀況簡單，均為二力桿。該裝置的缺點，在于系統中只要有一根桿破壞，整個承載結構就會失去作用。

因此，對桿的材質、加工、處理提出較高要求，同時在生產過程中必須經常進行仔細檢查，而靜不定結構在個別地方損壞時，尚可利用其承載潛力，不致發生重大事故。

3 結論

該爐體與托圈連接裝置結構合理、簡單、制作、安裝容易，實際使用中優勢突出，投產一年多使用正常，托圈和爐體的壽命較采用其它連接型式連接裝置的同等級轉爐相對延長，是一種較為理想的爐體與托圈連接裝置。