爐襯侵蝕對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的影響①

胡加學(xué)，張艷斌，李　東

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京　210019；2.河南省工業(yè)學(xué)校材料工程系， 河南 鄭州　450000)

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爐襯侵蝕對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的影響①

胡加學(xué)1，張艷斌2，李東1

(1.中冶華天工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京210019；2.河南省工業(yè)學(xué)校材料工程系， 河南 鄭州450000)

為了研究轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕情況對(duì)傾動(dòng)力矩的影響，應(yīng)用三維CAD軟件Solid Edge計(jì)算了80 t轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩，重點(diǎn)比較了舊爐的爐底耐材厚度在侵蝕、不變和上漲三種情況時(shí)對(duì)傾動(dòng)力矩的影響。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)爐的波峰力矩出現(xiàn)在新?tīng)t上，爐墻侵蝕和爐底厚度波動(dòng)均減小波峰力矩；轉(zhuǎn)爐的波谷力矩出現(xiàn)在爐底被侵蝕后的舊爐上，爐墻侵蝕會(huì)減小波谷力矩，爐底厚度波動(dòng)對(duì)波谷力矩影響顯著且不盡相同，爐底上漲會(huì)增大波谷力矩，爐底侵蝕會(huì)減小波谷力矩。

轉(zhuǎn)爐； 爐襯侵蝕； 傾動(dòng)力矩； 爐底上漲

引　言

煉鋼轉(zhuǎn)爐的爐襯在使用過(guò)程中會(huì)被侵蝕，尤其在爐役后期，整個(gè)轉(zhuǎn)爐的內(nèi)襯侵蝕較為嚴(yán)重[1]。由于各廠的工藝操作水平及爐襯維護(hù)制度有所差異，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，爐役后期爐底耐材的侵蝕情況存在較大差別，爐底耐材既有被侵蝕的情況[1]，又有厚度不變的情況[2]，還有爐底上漲的異常情況[3]。由于爐襯侵蝕、爐底上漲、爐液變化、爐口結(jié)渣等情況均會(huì)造成轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的變化，爐襯的維護(hù)對(duì)保證轉(zhuǎn)爐的安全運(yùn)行非常重要。研究轉(zhuǎn)爐新?tīng)t和舊爐傾動(dòng)力矩的區(qū)別，尤其是舊爐的爐底耐材厚度不同時(shí)對(duì)傾動(dòng)力矩的影響，對(duì)轉(zhuǎn)爐爐襯維護(hù)具有指導(dǎo)意義。

1　轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩計(jì)算方法

轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩由空爐力矩Mk、爐液力矩My和摩擦力矩Mm三部分組成[4]。以某80 t轉(zhuǎn)爐為研究對(duì)象，利用三維CAD軟件Solid Edge，對(duì)爐殼和爐襯進(jìn)行建模計(jì)算空爐力矩，再對(duì)爐液進(jìn)行建模，計(jì)算不同傾動(dòng)角度下的爐液力矩，最后根據(jù)公式計(jì)算摩擦力矩和合成力矩。

1.1空爐力矩的計(jì)算

對(duì)舊爐爐襯建模時(shí)，為了便于研究，假設(shè)爐襯被均勻侵蝕，根據(jù)爐底耐材厚度的不同，舊爐分三種情況：1)爐底侵蝕200 mm；2)爐底不侵蝕；3)爐底上漲200 mm。為便于比較，還假設(shè)前述三種情況下?tīng)t墻和爐帽侵蝕情況一致。80 t轉(zhuǎn)爐的新?tīng)t和舊爐爐襯如圖1所示。

建模完畢后，利用軟件Solid Edge的特性分析工具，獲取空爐模型的質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)計(jì)算空爐力矩Mk[4]。

Mk=mkgRksin(α-θk)/1000

(1)

式中mk為空爐質(zhì)量，即爐殼和爐襯的總質(zhì)量(kg)； Rk為空爐質(zhì)心與耳軸中心的距離(m)；α為傾動(dòng)角度(°)； θk為空爐質(zhì)心對(duì)耳軸中心的初始夾角(°)；

1.2爐液力矩的計(jì)算

爐液由鋼水和液態(tài)鋼渣組成，爐液的密度采用混合密度方法計(jì)算[5]。由于重力的作用，爐液的液面始終保持水平狀態(tài)，體積和形狀隨傾動(dòng)角度的變化而變化。在出鋼之前，爐液的體積不變；在出鋼過(guò)程中，鋼水的體積不斷減少，液態(tài)鋼渣的體積不變；出鋼完畢，液態(tài)鋼渣從爐口流出。根據(jù)以上特點(diǎn)，創(chuàng)建一個(gè)爐膛內(nèi)腔的實(shí)體模型，采用一個(gè)垂直于Oxz平面、經(jīng)過(guò)y軸且與Oxy平面夾角為α的平面切割模型，如圖2所示。假設(shè)傾翻角度為α1時(shí)鋼水開(kāi)始流出， 傾翻角度為α″時(shí)液態(tài)鋼渣開(kāi)始流出， 在傾翻

圖1　80 t轉(zhuǎn)爐的新?tīng)t和舊爐爐襯(單位:mm)

角α不斷增大的過(guò)程中，則有：

當(dāng)傾翻角度α<α′時(shí)，模型體積與爐液初始體積相等；

當(dāng)α′≤α<α″時(shí)，切割平面經(jīng)過(guò)爐口頂點(diǎn)，鋼水體積不斷減少，液態(tài)鋼渣體積不變；

當(dāng)α≥α″時(shí)，切割平面經(jīng)過(guò)爐口頂點(diǎn)，鋼水體積為零，液態(tài)鋼渣體積不斷減小直至為0。

圖2　爐液的液面確定

切割模型時(shí)，爐液模型保持豎直角度不變，僅改變液面與水平方向的夾角和位置，得某一角度下的剩余爐液三維模型后，查詢?cè)撃Ｐ驮贠xz平面內(nèi)的質(zhì)心坐標(biāo)(x,z)，按式(2)將Oxz平面內(nèi)的坐標(biāo)變換成旋轉(zhuǎn)α角度后的坐標(biāo)(x′，z′)。

(2)

不同傾動(dòng)角度時(shí)爐液力矩My由式(3)計(jì)算

My=mygx′/1000

(3)

式中my為爐液的質(zhì)量(kg)

1.3摩擦力矩

摩擦力矩由式(4)計(jì)算[5]

(4)

式中mk為空爐的質(zhì)量(kg)；my為爐液的質(zhì)量(kg)； m′為托圈及附件的質(zhì)量(kg)； m″為耳軸上懸掛齒輪箱組的質(zhì)量(kg)； μ為摩擦系數(shù)，取0.05； d為耳軸直徑(mm)

1.4合成力矩

轉(zhuǎn)爐的合成力矩按式(5)進(jìn)行計(jì)算[5]

(5)

2　轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的計(jì)算結(jié)果

2.1新?tīng)t的傾動(dòng)力矩

將轉(zhuǎn)爐繞耳軸向出鋼方向旋轉(zhuǎn)，計(jì)算每旋轉(zhuǎn)5°時(shí)的空爐力矩、爐液力矩和摩擦力矩。新?tīng)t的傾動(dòng)力矩計(jì)算結(jié)果如表1所示，傾動(dòng)力矩曲線如圖3所示。

從力矩曲線圖中可以看出，新?tīng)t的波峰力矩出現(xiàn)在60°，波峰力矩值為1493 kN·m；波谷力矩出現(xiàn)在95°，波谷力矩值為701 kN·m。

表1　新?tīng)t的傾動(dòng)力矩

圖3　新?tīng)t的傾動(dòng)力矩曲線圖

2.2舊爐的傾動(dòng)力矩

舊爐狀態(tài)下?tīng)t底不同耐材厚度時(shí)的合成力矩計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2所示，合成力矩曲線如圖4所示。

從計(jì)算結(jié)果中可以得出，不同爐底耐材厚度時(shí)舊爐合成力矩的波峰值都出現(xiàn)在65°，波谷值出現(xiàn)在95°。爐底侵蝕、不變和上漲時(shí)，波峰力矩值分別為1276, 1355, 1423 kN·m，波谷力矩值分別為363, 622, 921 kN·m。

表2　舊爐不同耐材厚度時(shí)的合成力矩

圖4　舊爐的合成力矩曲線圖

2.3耐材厚度對(duì)傾動(dòng)力矩曲線的影響

2.3.1空爐力矩

圖5所示是新?tīng)t和舊爐的空爐力矩曲線圖，空爐力矩的最大值出現(xiàn)在100°。當(dāng)爐墻侵蝕、爐底不侵蝕時(shí)，舊爐的最大空爐力矩比新?tīng)t小3%，這表明爐墻侵蝕厚度對(duì)空爐力矩的影響較小，原因是計(jì)算時(shí)假設(shè)爐墻為旋轉(zhuǎn)體且均勻侵蝕。當(dāng)爐墻侵蝕、爐底上漲時(shí)，舊爐的最大空爐力矩比新?tīng)t大41%；爐墻侵蝕、爐底侵蝕時(shí)，舊爐的最大空爐力矩比新?tīng)t小49%。這表明爐底耐材厚度對(duì)空爐力矩的影響較大，爐底上漲將導(dǎo)致空爐力矩增大，原因是爐底上漲導(dǎo)致了空爐的重心下降。

圖5　新?tīng)t和舊爐的空爐力矩曲線圖

2.3.2合成力矩

圖6所示是新?tīng)t和舊爐的合成力矩曲線圖，合成力矩的波峰值出現(xiàn)在α=60°的新?tīng)t上。當(dāng)爐底侵蝕、爐底不變、爐底上漲時(shí)，舊爐的波峰力矩比新?tīng)t分別減小15%,9%,5%。這表明爐墻侵蝕會(huì)顯著影響波峰力矩的大小，原因是爐墻侵蝕后爐型發(fā)生改變，傾動(dòng)60～65°時(shí)爐液形狀改變導(dǎo)致波峰力矩減少。在舊爐狀態(tài)下時(shí)，爐底上漲時(shí)比爐底侵蝕時(shí)，波峰力矩增大11%，這表明爐底上漲會(huì)導(dǎo)致波峰力矩的增大。

合成力矩的波谷值出現(xiàn)在α=95°、爐底被侵蝕的舊爐上。當(dāng)爐底侵蝕、爐底不變、 爐底上漲時(shí)，舊爐的波谷力矩分別比新?tīng)t減小48%,11%和增大31%。這表明爐底耐材厚度較為顯著地影響波谷力矩，爐底上漲，將使波谷力矩變大，爐底侵蝕，將使波谷力矩變小。

圖6　新?tīng)t和舊爐的合成力矩曲線圖

3　結(jié)　論

對(duì)某80 t轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)比較了舊爐狀態(tài)下?tīng)t底耐材厚度侵蝕、不變、上漲三種情況對(duì)傾動(dòng)力矩的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 應(yīng)用三維CAD軟件Solid Edge，可以獲得轉(zhuǎn)爐不同傾動(dòng)角度下?tīng)t液的質(zhì)心和質(zhì)量，結(jié)合解析幾何知識(shí)，可以較容易地得出轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩曲線。

(2) 舊爐的爐襯厚度變化時(shí)，爐墻的侵蝕對(duì)空爐力矩的影響較小，爐底耐材厚度波動(dòng)對(duì)空爐力矩的影響較大：當(dāng)爐底上漲200 mm時(shí)，舊爐的空爐力矩比新?tīng)t大41%；當(dāng)爐底侵蝕200 mm時(shí)，舊爐的空爐力矩比新?tīng)t小49%。

(3) 轉(zhuǎn)爐的波峰力矩出現(xiàn)在α=60°的新?tīng)t上。爐墻侵蝕和爐底厚度波動(dòng)均對(duì)轉(zhuǎn)爐的波峰力矩有一定的影響：當(dāng)爐墻侵蝕時(shí)，舊爐比新?tīng)t減小了9%；舊爐狀態(tài)下，爐底上漲比爐底侵蝕時(shí)波峰力矩增大11%。

(4) 轉(zhuǎn)爐的波谷力矩出現(xiàn)在α=95°、爐底被侵蝕后的舊爐上。爐墻侵蝕對(duì)轉(zhuǎn)爐的波谷力矩有一定的影響：當(dāng)爐墻侵蝕時(shí)，舊爐比新?tīng)t減小了11%；舊爐狀態(tài)下，爐底厚度變化對(duì)轉(zhuǎn)爐的波谷力矩影響顯著：爐底上漲時(shí)的波谷力矩是爐底侵蝕時(shí)的1.5倍。

[1]潘貽芳，吳燕，侯葵，等. 轉(zhuǎn)爐爐襯激光測(cè)厚技術(shù)的應(yīng)用及定量化[J].鋼鐵，2013，(8)：29—33.

[2]蔣桂君，杜國(guó)利，楊舟. 40 t轉(zhuǎn)爐護(hù)爐工藝的改進(jìn)與優(yōu)化[J].柳鋼科技，2011，(5)：3—5.

[3]魯明，溫偉東，憑貴武，等. 60t轉(zhuǎn)爐爐底上漲原因分析及處理措施[J].山東冶金，2010，32(6)：70—72.

[4]馮聚和. 煉鋼設(shè)計(jì)原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]潘毓淳. 煉鋼設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1992.

2016-02-04

胡加學(xué)(1982—)，男，工程師。 E-mail:hujiaxue@htzy.cn

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