爐襯侵蝕對轉爐傾動力矩的影響①

胡加學，張艷斌，李　東

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

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爐襯侵蝕對轉爐傾動力矩的影響①

胡加學1，張艷斌2，李東1

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

為了研究轉爐爐襯侵蝕情況對傾動力矩的影響，應用三維CAD軟件Solid Edge計算了80 t轉爐的傾動力矩，重點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對傾動力矩的影響。結果表明，轉爐的波峰力矩出現在新爐上，爐墻侵蝕和爐底厚度波動均減小波峰力矩；轉爐的波谷力矩出現在爐底被侵蝕后的舊爐上，爐墻侵蝕會減小波谷力矩，爐底厚度波動對波谷力矩影響顯著且不盡相同，爐底上漲會增大波谷力矩，爐底侵蝕會減小波谷力矩。

轉爐； 爐襯侵蝕； 傾動力矩； 爐底上漲

引　言

煉鋼轉爐的爐襯在使用過程中會被侵蝕，尤其在爐役后期，整個轉爐的內襯侵蝕較為嚴重[1]。由于各廠的工藝操作水平及爐襯維護制度有所差異，在實際的生產過程中，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、爐口結渣等情況均會造成轉爐傾動力矩的變化，爐襯的維護對保證轉爐的安全運行非常重要。研究轉爐新爐和舊爐傾動力矩的區別，尤其是舊爐的爐底耐材厚度不同時對傾動力矩的影響，對轉爐爐襯維護具有指導意義。

1　轉爐傾動力矩計算方法

轉爐的傾動力矩由空爐力矩Mk、爐液力矩My和摩擦力矩Mm三部分組成[4]。以某80 t轉爐為研究對象，利用三維CAD軟件Solid Edge，對爐殼和爐襯進行建模計算空爐力矩，再對爐液進行建模，計算不同傾動角度下的爐液力矩，最后根據公式計算摩擦力矩和合成力矩。

1.1空爐力矩的計算

對舊爐爐襯建模時，為了便于研究，假設爐襯被均勻侵蝕，根據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，還假設前述三種情況下爐墻和爐帽侵蝕情況一致。80 t轉爐的新爐和舊爐爐襯如圖1所示。

建模完畢后，利用軟件Solid Edge的特性分析工具，獲取空爐模型的質量、質心坐標等數據，根據式(1)計算空爐力矩Mk[4]。

Mk=mkgRksin(α-θk)/1000

(1)

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

1.2爐液力矩的計算

爐液由鋼水和液態鋼渣組成，爐液的密度采用混合密度方法計算[5]。由于重力的作用，爐液的液面始終保持水平狀態，體積和形狀隨傾動角度的變化而變化。在出鋼之前，爐液的體積不變；在出鋼過程中，鋼水的體積不斷減少，液態鋼渣的體積不變；出鋼完畢，液態鋼渣從爐口流出。根據以上特點，創建一個爐膛內腔的實體模型，采用一個垂直于Oxz平面、經過y軸且與Oxy平面夾角為α的平面切割模型，如圖2所示。假設傾翻角度為α1時鋼水開始流出， 傾翻角度為α″時液態鋼渣開始流出， 在傾翻

圖1　80 t轉爐的新爐和舊爐爐襯(單位:mm)

角α不斷增大的過程中，則有：

當傾翻角度α<α′時，模型體積與爐液初始體積相等；

當α′≤α<α″時，切割平面經過爐口頂點，鋼水體積不斷減少，液態鋼渣體積不變；

當α≥α″時，切割平面經過爐口頂點，鋼水體積為零，液態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，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，查詢該模型在Oxz平面內的質心坐標(x,z)，按式(2)將Oxz平面內的坐標變換成旋轉α角度后的坐標(x′，z′)。

(2)

不同傾動角度時爐液力矩My由式(3)計算

My=mygx′/1000

(3)

式中my為爐液的質量(kg)

1.3摩擦力矩

摩擦力矩由式(4)計算[5]

(4)

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

1.4合成力矩

轉爐的合成力矩按式(5)進行計算[5]

(5)

2　轉爐傾動力矩的計算結果

2.1新爐的傾動力矩

將轉爐繞耳軸向出鋼方向旋轉，計算每旋轉5°時的空爐力矩、爐液力矩和摩擦力矩。新爐的傾動力矩計算結果如表1所示，傾動力矩曲線如圖3所示。

從力矩曲線圖中可以看出，新爐的波峰力矩出現在60°，波峰力矩值為1493 kN·m；波谷力矩出現在95°，波谷力矩值為701 kN·m。

表1　新爐的傾動力矩

圖3　新爐的傾動力矩曲線圖

2.2舊爐的傾動力矩

舊爐狀態下爐底不同耐材厚度時的合成力矩計算結果見表2所示，合成力矩曲線如圖4所示。

從計算結果中可以得出，不同爐底耐材厚度時舊爐合成力矩的波峰值都出現在65°，波谷值出現在95°。爐底侵蝕、不變和上漲時，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的合成力矩

圖4　舊爐的合成力矩曲線圖

2.3耐材厚度對傾動力矩曲線的影響

2.3.1空爐力矩

圖5所示是新爐和舊爐的空爐力矩曲線圖，空爐力矩的最大值出現在100°。當爐墻侵蝕、爐底不侵蝕時，舊爐的最大空爐力矩比新爐小3%，這表明爐墻侵蝕厚度對空爐力矩的影響較小，原因是計算時假設爐墻為旋轉體且均勻侵蝕。當爐墻侵蝕、爐底上漲時，舊爐的最大空爐力矩比新爐大41%；爐墻侵蝕、爐底侵蝕時，舊爐的最大空爐力矩比新爐小49%。這表明爐底耐材厚度對空爐力矩的影響較大，爐底上漲將導致空爐力矩增大，原因是爐底上漲導致了空爐的重心下降。

圖5　新爐和舊爐的空爐力矩曲線圖

2.3.2合成力矩

圖6所示是新爐和舊爐的合成力矩曲線圖，合成力矩的波峰值出現在α=60°的新爐上。當爐底侵蝕、爐底不變、爐底上漲時，舊爐的波峰力矩比新爐分別減小15%,9%,5%。這表明爐墻侵蝕會顯著影響波峰力矩的大小，原因是爐墻侵蝕后爐型發生改變，傾動60～65°時爐液形狀改變導致波峰力矩減少。在舊爐狀態下時，爐底上漲時比爐底侵蝕時，波峰力矩增大11%，這表明爐底上漲會導致波峰力矩的增大。

合成力矩的波谷值出現在α=95°、爐底被侵蝕的舊爐上。當爐底侵蝕、爐底不變、 爐底上漲時，舊爐的波谷力矩分別比新爐減小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　新爐和舊爐的合成力矩曲線圖

3　結　論

對某80 t轉爐的傾動力矩進行計算，重點比較了舊爐狀態下爐底耐材厚度侵蝕、不變、上漲三種情況對傾動力矩的影響，得出如下結論：

(1) 應用三維CAD軟件Solid Edge，可以獲得轉爐不同傾動角度下爐液的質心和質量，結合解析幾何知識，可以較容易地得出轉爐的傾動力矩曲線。

(2) 舊爐的爐襯厚度變化時，爐墻的侵蝕對空爐力矩的影響較小，爐底耐材厚度波動對空爐力矩的影響較大：當爐底上漲200 mm時，舊爐的空爐力矩比新爐大41%；當爐底侵蝕200 mm時，舊爐的空爐力矩比新爐小49%。

(3) 轉爐的波峰力矩出現在α=60°的新爐上。爐墻侵蝕和爐底厚度波動均對轉爐的波峰力矩有一定的影響：當爐墻侵蝕時，舊爐比新爐減小了9%；舊爐狀態下，爐底上漲比爐底侵蝕時波峰力矩增大11%。

(4) 轉爐的波谷力矩出現在α=95°、爐底被侵蝕后的舊爐上。爐墻侵蝕對轉爐的波谷力矩有一定的影響：當爐墻侵蝕時，舊爐比新爐減小了11%；舊爐狀態下，爐底厚度變化對轉爐的波谷力矩影響顯著：爐底上漲時的波谷力矩是爐底侵蝕時的1.5倍。

[1]潘貽芳，吳燕，侯葵，等. 轉爐爐襯激光測厚技術的應用及定量化[J].鋼鐵，2013，(8)：29—33.

[2]蔣桂君，杜國利，楊舟. 40 t轉爐護爐工藝的改進與優化[J].柳鋼科技，2011，(5)：3—5.

[3]魯明，溫偉東，憑貴武，等. 60t轉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. 煉鋼設計原理[M].北京：化學工業出版社，2005.

[5]潘毓淳. 煉鋼設備[M].北京：冶金工業出版社，1992.

2016-02-04

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

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