中大型轉爐實際力矩特性及安全性探討

魏 玲，盧慧穎，章文超

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 219000)

中大型轉爐實際力矩特性及安全性探討

魏 玲，盧慧穎，章文超

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 219000)

對某廠150 t轉爐老爐進行耐材數據和實際粘渣量的采集，分析其實際正負傾動力矩特性，并與350 t轉爐的實際正負傾動力矩特性進行了對比分析。爐口粘渣對不同噸位的轉爐力矩的影響程度是一樣的，噸位越大，越難實現全正力矩。并提出了一些轉爐安全性的控制措施。

轉爐；正負力矩；粘渣量

0 前言

文中以正負力矩設計的某廠150 t轉爐[1]及某廠350 t轉爐[4]為例，對該兩個噸位的轉爐新砌筑爐襯以下簡稱“新爐”和拆爐前的爐襯以下簡稱“老爐”，實際力矩曲線進行分析，粘渣量作為影響轉爐負力矩的關鍵因素，分析其對兩個噸位的轉爐的影響程度。通過跟蹤現場設備運行后的實際情況，分析了負力矩情況下相應事故的具體原因及解決措施。其轉爐設計均采用三維設計[3]以及結合ilogic動態模擬，并輸出數據。

1 轉爐正負力矩分析

1.1 影響負力矩的因素

轉爐力矩受三個方面的影響，即：空爐力矩、爐內液體力矩以及耳軸軸承的摩擦力矩[2]。

耳軸軸承的摩擦力矩。耳軸軸承產生的摩擦力矩總是正力矩(力矩方向與傾動方向始終反向)，其大小與負荷大小、軸承規格及軸承潤滑狀態有關，由于是滾動摩擦，摩擦力矩值相對較小，不到最大力矩的5%。

爐內液體力矩。爐內液體力矩的數據表明：不論爐役的什么階段，在0～90°范圍內，液體大部分總是處在爐底側，表現為正力矩。當轉爐傾動到爐后90～115°(出鋼的角度范圍)時，留在爐內的鋼水涌向爐口側，會出現負力矩，但因角度接近水平位置，且連續不斷出鋼，其負力矩值較小，在新爐相應角度的空爐正力矩疊加下，呈現出來的綜合力矩幾乎均為正值。

空爐(新爐、老爐)力矩。新爐和老爐的空爐力矩差異很大。圖1所示為新爐爐襯狀況，其中代表空爐合成重心的點位于回轉中心線的下方(正力矩)。隨著爐齡的增長，爐襯不斷減薄，但有兩處是物質不斷增加的，一是爐殼外部的爐口處及爐體擋渣板上的粘渣，另外是爐內處于爐帽和爐口位置的粘渣。正因為如此，隨著爐齡增長，爐口直徑越來越小(見圖2),其重心往往移動到轉爐回轉中心的上方(負力矩)。因為隨著爐內耐材不斷侵蝕變薄，還有多次噴濺或出鋼、出渣時，粘附在爐帽耐材上的爐內大量粘渣，使爐型、總負荷以及負荷在爐體上的分布發生變化，使得轉爐負力矩明顯增大。

圖1 新爐爐襯

圖2 老爐爐襯

1.2 轉爐正負力矩曲線

對于150 t轉爐，最大出鋼量按180 t計算，新爐和老爐的耐材變化如圖示，耐材密度2.8 g/cm，新耐材496 t，老耐材195 t。爐口粘渣量，經激光測厚儀對老爐耐材進行測量和折算，取得實際粘渣量的數據，爐內粘渣量達到轉爐噸位的20%。按照新爐和老爐兩種極限狀態進行力矩分析，如圖3所示。

圖3 150 t新爐、老爐力矩曲線

對于350 t轉爐，最大出鋼量按350 t計算，耐材密度2.8 g/cm，新耐材679 t，老耐材404 t。爐內粘渣量達到轉爐噸位的10%計算。按照新爐和老爐兩種極限狀態進行力矩分析，如圖4所示。

圖4 350 t新爐、老爐力矩曲線

圖3、圖4數據表明，對于150 t及以上噸位的轉爐，其重心升高的范圍可達到200～700 mm。其中，因爐襯均勻減薄引起的重心升高約100～300 mm，爐口內外粘渣造成的重心升高約100～500mm。重心位置的隨爐役的增大而發生大幅度變化，從而造成力矩的大幅改變，從逐漸減小到0，再成為逐漸增大的負力矩。粘渣是造成重心升高的最主要因素，也即造成負力矩的最重要影響因素。

2 粘渣的影響和控制

2.1 粘渣量對重心和力矩的影響

如希望轉爐實現真正全正力矩，必須將回轉中心提升到老爐最大粘渣狀態下的重心上方[3]，且需考慮相應角度下(90°～110°)出鋼時的鋼水負力矩。如以此為目標，且不考慮其回轉半徑的合理性，爐體與托圈連接裝置布置的可行性等，只分析其最大傾動力矩值的變化，比較其傾動裝置的能力，電機功率的選取，以及生產的電耗，都將顯著增大。對某廠150 t轉爐(最大出鋼量180 t)、某廠350t轉爐(最大出鋼量350 t)傾動力矩數據進行分析，該數據通過計算直接得出各種方案下的對比結果見表1、表2。表中傾動力矩極值按實際設計、絕對正負力矩、絕對全正力矩分別記為M1、M2、M3；爐體相對耳軸中心升降按絕對正負力矩、絕對全正力矩分別記為L1、L2。

表1 某廠150 t轉爐傾動力矩計算(按最大出鋼量180 t計算)

表2 某廠350t轉爐傾動力矩計算(按最大出鋼量350 t計算)

由表1、表2知，最大粘渣量為10%時，絕對全正力矩的最大力矩是實際設計的1.79倍，是絕對正負力矩的2.55倍；最大粘渣量為20%時，兩個比值分別為2.36和2.63。

為了分析不同噸位的轉爐爐口粘渣對其力矩的影響程度。繼而對某鋼廠350 t轉爐進行計算，最大粘渣量僅按10%取[4]，設計最大正力矩值為5.80 MN·m,最大負力矩值3.75 MN·m。如按全正力矩考慮，則回轉中心需要抬高400 mm，最大正力矩達到10.90 MN·m。最大力矩增大1.88倍，是絕對正負力矩的2倍。最大粘渣量為15%時，兩個比值分別為2.1和2.3。

分析表明，爐口粘渣對不同噸位的轉爐力矩的影響程度是一樣的，而噸位越大，實現全正力矩的也越難。

2.2 粘渣的控制

爐外粘渣目前采用耐熱鑄鐵水冷爐口材質會有助于粘渣會自動脫落。另外借助于拆爐機沖擊鉆頭對爐外粘渣能有效地清除。而爐內粘渣因噴濺或出鋼、出渣時粘附在爐帽耐材上，且長時間處在高溫環境下非常難以清除。雖然國內外有開發防粘渣噴補料來減少爐內粘渣的辦法，但因投資等綜合因素仍未得到廣泛普及。由此可見，爐內粘渣造成的力矩特性較大幅度的變化還不可避免的存在。

3 負力矩情況下安全性分析

爐口出現不可控的載頭倒鋼事故或者事故隱患，是負力矩情況下最擔心的問題。經統計，因人為因素引起的事故占事故率的70.27%[6]，本文拋開人為因素僅從機械設備、電氣設備、電控程序的合理性來分析事故原因，降低事故發生概率。

3.1 機械設備故障安全性分析

當轉爐處在負力矩角度范圍傾動時，傾動裝置如發生斷齒事故，斷齒可能發生于二次減速機大齒輪或小齒輪，還可能發生于其中一個一級減速機的某級傳動齒輪。不論發生哪種情況，如斷齒脫落不影響齒輪正常嚙合，則至少有三臺電機仍正常工作，另外一臺電機在缺齒嚙合的角度，會因為空載而轉速增大直到達成嚙合。如斷齒卡在齒圈影響齒輪嚙合，電機和變頻器會因過載而自我保護停止工作，制動器聯鎖制動。

若發生斷軸事故，即一次減速機的某級傳動齒輪軸斷開，根據軸的損壞狀態，相應電機會發生過載或空載情況，其反應出來的結果同斷齒類似，只是空載情況下，電機會因過轉速而報警。

再有，如發生扭力桿斷裂事故，二次減速箱底部會碰到事故支座的表面，因兩者間極小的間隙，會使得轉爐傾動時造成瞬時的沖擊振動，傳動系統仍然能正常工作。

如發生其他故障，如某個減速箱軸承損壞，造成電氣過載，則電氣系統會停止工作，制動器自動制動。

由此可見，由于四點傳動，且電氣有過載保護的設計，機械設備故障造成爐口載頭的可能性小。

3.2 電氣故障安全性分析

隨變頻技術的普及，轉爐傾動電機幾乎全部采用交流變頻電機。且變頻器的應變能力越發強大，在容量匹配、參數設置合理且控制方法得當的前提下，因電氣問題而造成的轉爐點頭或翹頭的現象出現概率極小。另外，現在的電氣設計日趨成熟，制動器普遍采用了硬接線設計，確保在電氣故障發生時，制動器自動強制制動，避免事故隱患的產生。硬件技術的進步、選型的合理、控制方式的科學，以及硬接線保護，使得爐口因負力矩發生載頭的機率降低[7]。

3.3 爐役后期安全性分析

除人為操作失誤的情況，轉爐發生載頭必然是負力矩情況下發生的，且多為爐役后期，爐口粘渣及冷鋼過多未及時清理時。有兩種情況易于發生，其一，出鋼操作過程中停在某出鋼角度(爐后90°左右)，啟動搖爐，爐口繼續下搖出鋼；其二，前倒渣操作過程中，爐口處于爐前90°左右，由靜止狀態啟動，爐口繼續下搖出渣。由于這兩種情況下，轉爐都處在接近最大負力矩值的角度，而且由于過量的爐口粘渣，最大負力矩值可能遠大于最大正力矩設計值。再者，啟動的搖爐方向與負力矩方向相同，此時對變頻器的過載能力和力矩-速度的相應要求都是最高的。任一項不滿足即會造成失控。可見，電氣系統的選型、參數設置、安全聯鎖的考慮，系統維護和監控，爐口的粘渣量控制，是與載頭有關的關鍵因素[8]。

4 結束語

(1)從現場實際情況來看，爐口處最大粘渣量非常大，尤其是爐內粘渣量更大，目前尚無理想的方法控制爐內粘渣，造成轉爐合成重心隨爐役大幅度上移的狀況不可避免。

(2)在設計(尤其是電氣系統)、爐口粘渣的控制、電氣及機械設備的維護等方面進行安全分析，盡量避免設備故障引起的事故發生。

(3)分析了正負力矩設計的兩種噸位的中大型轉爐，對于按全正力矩原則設計不合理、選型困難、投資大、運營能耗大的轉爐能夠有借鑒意義。

[1] 楊燕.150 t轉爐傾動力矩計算分析[J].天津冶金,2013,(05):22.

[2] 譚牧田.氧氣轉爐煉鋼設備[M].北京:機械工業出版社,1983:170.

[3] 章文超.轉爐傾動力矩計算方法探討[J].上海金屬,2007,29(06):47.

[4] 郁祖達.試論寶鋼湛江鋼鐵煉鋼廠工藝布局的創新設計[J].中國冶金,2014,24(02):45.

[5] 煉鋼工藝設計規范(GB50439-2008)[S].2008.

[6] 林大建.某鋼廠企業工傷事故統計分析[J].中國冶金,2015,25(11):67.

[7] 楊輝.轉爐傾動失控分析和改進[J].江西冶金,2012,32(06):36.

[8] 應兆軍.轉爐傾動的控制[J].安徽冶金科技職業學院學報,2010,20(02):1.

Discuss on actual torque characteristics andsafety of middle-large size converter

WEI Ling，LU Hui-ying，ZHANG Wen-chao

(Shanghai Baosteel Engineering & Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 219000,China)

Through gathering the refractory brick and dry slag data of an old 150 t converter,this paper analysis positive-negative torque capability, and compare with that of a 350 t converter. Dry slag of converter mouth has the same effect on converter torque with different capacity，the capacity is lager,it is more difficult to achieve the complete positive torque. In addition, some control measures for converter safety are put forward.

converter;positive-negative torque;dry slag content

TF345

A

1001-196X(2017)05-0091-04

2017-05-27；

2017-07-14

魏玲(1982-)，女，研究生，寶鋼工程技術集團有限公司工程師。