150t轉爐傾動力矩計算分析

楊 燕，姚 娟

（中冶南方工程技術有限公司煉鋼分公司，武漢430223）

1 引言

轉爐作為煉鋼的主要設備，傾動機構是其重要的組成部分。傾動機構的能力既要滿足轉爐安全生產，又要經濟合理，因此需對轉爐傾動力矩進行計算分析，合理確定轉爐的傾動力矩，為轉爐傾動機設計提供依據。

2 150t轉爐主要參數及建模

150 t轉爐主要參數見表1。

150 t轉爐爐體支承裝置采用改進型三點球鉸連接方式（中冶南方專利）。假定耳軸位置距爐口4735 mm處，利用se軟件三維建模計算得出，轉爐空爐重量（爐殼、爐帽擋渣板、連接裝置及水冷配管）為242.7 t，重心位置距爐口4572 mm。

3 傾動力矩計算條件

轉爐的傾動力矩是指當爐體傾動時，作用在耳軸上的靜力矩，由3部分組成：空爐力矩（由爐體質量引起的力矩MK）；爐液力矩（由爐液質量引起的力矩MD）；耳軸的摩擦力矩MM（其方向始終與傾動方向相反．大小基本不變）[1]。本文合成力矩MH是指MK、MD、MM三項之和，合成重量為爐內耐材重量+空爐重量。

表1 150t轉爐主要參數

轉爐耳軸的摩擦力矩：MM=μ×R×G式中：μ為調心滾子軸承的摩擦系數，取0.02[2]；R為兩耳軸滾子軸承的當量半徑，R=（R內+R外）/2=0.64 m；G為空爐本體+托圈及其冷卻水+旋轉接頭+傾動機+爐內耐材+最大裝入量+液渣及爐口粘渣的總重。

以轉爐安全生產為原則，本工程設計的150 t轉爐采用全正力矩，即生產過程中發生突發事件（制動器失靈或電機故障等），轉爐處于任何角度都能克服摩擦力矩及爐口、爐帽粘渣產生的負力矩自動回到吹煉工位[3]。為滿足全正力矩的要求，計算的最小合成力矩MHmin需大于爐口、爐帽粘渣產生的力矩及兩倍的摩擦力矩。本工程爐口、爐帽粘渣總重按10 t設計，產生的力矩按45 t·m考慮。

對新爐（剛砌筑的轉爐，耐材未侵蝕）來說，其傾動力矩計算結果比較準確。但新爐的計算結果并不能正確反映冶煉時轉爐的傾動力矩，因轉爐在高強度供氣冶煉過程中，爐內耐材各部分會有不同程度的侵蝕，且隨著爐齡的增大，侵蝕可能越嚴重，所以僅計算新爐的傾動力矩是不合理的。

因無法準確推算轉爐冶煉時爐內耐材情況，則只能根據以往工程老爐爐內耐材侵蝕情況來考慮，即假定理論老爐爐型。本文理論老爐爐型分兩種情況做比較，一種假定爐身工作層侵蝕剩200 mm，爐底工作層侵蝕100 mm，如圖1中b1線所示；另一種假定爐身工作層侵蝕剩100 mm，爐底工作層侵蝕200 mm，如圖1中b2線所示。

圖1 150t轉爐爐內耐材內腔線

4 傾動力矩計算結果

假定耳軸位置距爐口4735 mm，使用中冶南方開發的傾動力矩計算軟件，計算結果如下。

4.1 新爐傾動力矩計算結果

經計算，新爐的合成重量：626.3 t，合成重心在距爐口4980 mm處，摩擦力矩為：14.32 t·m。計算結果如圖2所示。

圖2 新爐傾動力矩計算結果

可以看出：新爐在30°（即轉爐爐口朝上從吹煉位向爐后旋轉60°）時產生最大合成力矩為：296.3 t·m。在-5°（轉爐爐口朝上從吹煉位向爐后旋轉95°）時產生最小合成力矩為：120.4 t·m。

4.2 理論老爐傾動力矩計算結果

b1內腔線-理論老爐的合成重量為465.8 t，合成重心在距爐口5094 mm處，摩擦力矩為12.3 t·m。計算結果如圖3所示。可以看出：理論老爐在25°（即轉爐爐口朝上從吹煉位向爐后旋轉65°）時產生最大合成力矩為280.5 t·m。在-10°（轉爐爐口朝上從吹煉位向爐后旋轉100°）時產生最小合成力矩為 101.4 t·m。

計算結果分析：最大傾動力矩出現在新爐，最小傾動力矩出現在理論老爐，根據全正力矩原則，101.4-2×12.3-45=31.8 t·m，若選取此種內腔作為老爐情況計算傾動力矩，富余量稍大。此種情況，可重新尋找最佳耳軸位置，將耳軸往爐底方向下調40 mm，即耳軸位置距爐口4775 mm。重新計算得出最小合成力矩為：79.7 t·m（出現在老爐-10°），最大合成力矩為：268.7 t·m（出現在新爐 30°）。這樣通過調節耳軸位置，最大合成力矩較之前減少了27.6 t·m，得出的力矩值更為經濟合理。但由于轉爐冶煉情況較惡劣，此種老爐內腔情形可能無法滿足轉爐后期全正力矩冶煉，因此不采用此種情況作為老爐爐型來設計傾動機構。

圖3 b1內腔線-理論老爐傾動力矩計算結果

b2內腔線-理論老爐的合成重量：422 t，合成重心在距爐口5086 mm處，摩擦力矩為：11.7 t·m。計算結果如圖4所示。可以看出：理論老爐在25°（即轉爐爐口朝上從吹煉位向爐后旋轉65°）時產生最大合成力矩為268.4 t·m。在-10°（轉爐爐口朝上從吹煉位向爐后旋轉100°）時產生最小合成力矩為 78.9 t·m。

圖4 b2內腔線-理論老爐傾動力矩計算結果

計算結果分析：最大傾動力矩出現在新爐，最小傾動力矩出現在理論老爐，根據全正力矩原則，78.9-2×11.7-45=10.5 t·m，富余量合理，確定最佳耳軸位置距爐口4735 mm。根據經驗，本工程選取此種內腔作為老爐情況計算傾動力矩來設計傾動機構。

實際生產過程中，在冶煉后期，若本轉爐耐材侵蝕情況比b2內腔線嚴重，則轉爐后期亦無法滿足全正力矩要求。另外，若轉爐內爐帽及爐身部分無侵蝕，而是粘渣過多，此時合成重心會往爐口方向上移，轉爐可能出現頭點地的現象。

冶煉時，轉爐爐內耐材情況較為復雜，理論計算與實際情況存在一定差異，因此需加強爐襯的保養和爐內耐材情況的監測，來保障轉爐安全生產。

5 結論

通過上述計算結果及分析，可以得出以下結論：

（1）本轉爐的最大合成力矩為296.3 t·m，出現在新爐。考慮其他因素對力矩的影響，取系數～1.2，即此轉爐最大合成力矩取355 t·m，轉爐傾動機構按此值進行設計。

（2）本轉爐的最小合成力矩MHmin=78.9 t·m，出現在理論老爐。根據全正力矩原則，老爐爐口、爐帽粘渣總重量大于10 t時需及時清理。

（3）本轉爐的最佳耳軸位置在距爐口4735 mm處。

（4）老爐爐內耐材情況對傾動力矩及傾動機構的設計影響較大。

[1]唐玢.轉爐傾動力矩的設計計算[J].安徽冶金科技職業學院學報，2011，21（3）:29.

[2]成大先.機械設計手冊[M].5版.北京：化學工業出版社，2007.

[3]中國冶金建設協會.煉鋼工藝設計規范[M].北京：中國計劃出版社，2008.