KR法鐵水脫硫攪拌裝置軸承故障分析及改進(jìn)對(duì)策

龍劍群，鄭同六，曾偉業(yè)，張宇軒，陳賢波

0 引言

KR(Kambara Reactor)法[1]，又稱為旋轉(zhuǎn)攪拌脫硫法，是將表面澆注有耐火材料的攪拌槳浸入鐵水中旋轉(zhuǎn)，將脫硫劑(CaO、CaC2、Mg等)與鐵水?dāng)嚢杌旌系蔫F水脫硫技術(shù)，如圖1所示，其化學(xué)反應(yīng)式為：

圖1 KR法鐵水脫硫?qū)嵗鼺ig.1 The KR method of liquid iron desulfurization

鐵水經(jīng)過脫硫再進(jìn)入轉(zhuǎn)爐冶煉的工序稱為鐵水預(yù)處理，它能有效降低轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)負(fù)荷，對(duì)于降低鋼渣含量、提高鋼水質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本等方面意義匪淺。其工藝流程：混鐵車鐵水→倒罐站→鐵水罐→鐵水罐傾翻車→脫硫前扒渣→測(cè)溫/取樣→攪拌脫硫→測(cè)溫/取樣→脫硫后扒渣→兌入轉(zhuǎn)爐。

自寶鋼湛江東山鋼鐵基地2#BF投產(chǎn)以來，鐵水預(yù)處理工序生產(chǎn)節(jié)奏陡然加快，三工位KR脫硫攪拌設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，攪拌裝置接連發(fā)生多次軸承故障，KR設(shè)備停機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)節(jié)奏和產(chǎn)品質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，經(jīng)濟(jì)損失巨大。該現(xiàn)象暴露出KR法鐵水脫硫攪拌裝置現(xiàn)有技術(shù)性能、設(shè)備維護(hù)水平達(dá)到瓶頸，對(duì)該裝置軸承故障原因與改進(jìn)措施的研究迫在眉睫。

1 結(jié)構(gòu)原理

1.1 KR脫硫攪拌裝置

KR脫硫攪拌裝置主要由旋轉(zhuǎn)攪拌裝置和卷揚(yáng)裝置組成。旋轉(zhuǎn)攪拌裝置整體安裝在升降小車上，由卷揚(yáng)裝置驅(qū)動(dòng)，在固定框架和導(dǎo)軌內(nèi)上下升降、旋轉(zhuǎn)攪拌，主要由電機(jī)、減速機(jī)、軸、上部軸承、下部軸承、套筒、攪拌槳及其他部件組成，脫硫攪拌裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 KR攪拌裝置Fig.2 The stirring apparatus for the KR

1.2 旋轉(zhuǎn)攪拌裝置軸承

旋轉(zhuǎn)攪拌裝置軸上設(shè)計(jì)安裝了上部和下部?jī)山M軸承，如圖3所示。其中，上部軸承如圖3中A所示，采用成對(duì)安裝的雙列圓錐滾子軸承，主要承受攪拌槳傳遞而來以軸向載荷為主的軸向和徑向聯(lián)合載荷[2]，用于固定整個(gè)驅(qū)動(dòng)軸及軸上零件；下部軸承如圖3中B所示，采用調(diào)心球面滾子軸承，主要承受攪拌槳傳遞而來以徑向載荷為主的徑向和軸向聯(lián)合載荷，調(diào)心性能良好，用于減輕攪拌槳熔損、結(jié)渣后離心慣性力對(duì)裝置的振動(dòng)[3]。

2 故障分析

2.1 故障經(jīng)過

圖3 旋轉(zhuǎn)攪拌裝置軸承剖面圖Fig.2 The profiles of stirring apparatus bearings

2017年上半年，KR攪拌裝置接連發(fā)生兩起停機(jī)故障，組織檢修人員對(duì)裝置進(jìn)行拆檢過程中，發(fā)現(xiàn)攪拌裝置下部軸承嚴(yán)重?fù)p壞，經(jīng)清理、更換軸承后恢復(fù)使用。

2.2 原因分析

為了分析KR法鐵水脫硫攪拌裝置軸承故障原因，分別對(duì)下部軸承外部工況勘察、軸承內(nèi)部狀態(tài)檢查以及其他影響因素分析，下部軸承剖面結(jié)構(gòu)及潤(rùn)滑路徑如圖4所示。

（1）軸承外部工況勘察

①粉塵工況。KR脫硫攪拌時(shí)，脫硫粉劑與氧化鐵皮等揚(yáng)塵通過除塵系統(tǒng)捕集，由于吸塵口位置固定，仍有部分粉塵彌漫在環(huán)境中，隨著旋轉(zhuǎn)攪拌裝置下部軸承塵封11和油封10與軸接觸摩擦，一旦密封件老化失效，軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂將沿密封間隙流失，造成軸承潤(rùn)滑不良，灰塵易反向竄入軸承5內(nèi)部而加劇軸承磨損，粉塵工況還對(duì)區(qū)域內(nèi)其他設(shè)備及生產(chǎn)人員的職業(yè)健康造成潛在危害。

②高溫工況。下部軸承工作時(shí)套筒6外部常受鐵水烘烤因而處于高溫工況，為掌握其實(shí)際受熱狀態(tài)，使用Fluke Ti 200紅外熱像儀分別在待機(jī)與工作兩個(gè)狀態(tài)下進(jìn)行熱成像，測(cè)量統(tǒng)計(jì)3組數(shù)據(jù)，下部軸承套筒及攪拌槳法蘭部位溫度場(chǎng)[4]如圖5所示，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

從檢測(cè)結(jié)果看，攪拌裝置待機(jī)時(shí)，下部軸承外部套筒外表平均溫度106.2℃；工作狀態(tài)下，套筒外表平均溫度282.2℃。下部軸承與套筒之間的軸承座2內(nèi)設(shè)有空氣冷卻管路，用以隔離和降低外部熱傳遞，達(dá)到保護(hù)軸承的作用。因而，高溫工況下軸承內(nèi)部冷卻及潤(rùn)滑須可靠有效[5-6]，否則將對(duì)軸承使用壽命造成嚴(yán)重影響。

圖4 下部軸承潤(rùn)滑路徑（改進(jìn)前）Fig.4 The lubrication path of lower side bearing before improvement

表1 下部軸承套筒外表溫度Tab.1 Surface temperature outside the lower side bearing’s sleeve℃

③振動(dòng)工況。從KR設(shè)備實(shí)際使用狀態(tài)來看，KR攪拌過程中鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微振動(dòng)，振動(dòng)對(duì)KR設(shè)備帶來潛在隱患，表明了KR攪拌工位框架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)剛度不足，吳雪兵等在文獻(xiàn)[7]中對(duì)KR攪拌過程中攪拌槳離心力等導(dǎo)致的振動(dòng)問題進(jìn)行了分析。

（2）軸承內(nèi)部狀態(tài)檢查

通過排查下部軸承潤(rùn)滑路徑，該軸承采用“下進(jìn)上出”的脂潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑脂通過補(bǔ)脂孔1進(jìn)入軸承座2下部，不斷上升后通過軸承3內(nèi)部間隙，最終從排脂孔7注滿排出。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)拆檢，發(fā)現(xiàn)下部軸承潤(rùn)滑不良，緊定套4與軸發(fā)生刮擦，一個(gè)滾動(dòng)體在輥道內(nèi)異常旋轉(zhuǎn)約90°，另一個(gè)滾動(dòng)體嚴(yán)重磨損并已全部剝落，軸承解體檢查情況如圖6所示。

在對(duì)潤(rùn)滑管路現(xiàn)場(chǎng)檢查過程中，發(fā)現(xiàn)軸承排脂孔7嚴(yán)重堵塞，油封10和塵封11均已損壞。

圖5 攪拌裝置下部軸承外部溫度場(chǎng)Fig.5 The temperature field outside the lower side bearing of stirring apparatus

2.3 分析結(jié)論

綜上分析，造成KR脫硫攪拌裝置軸承故障軸承故障原因如下：

（1）軸承內(nèi)部潤(rùn)滑不良。因軸承座排脂孔發(fā)生嚴(yán)重堵塞，在向軸承內(nèi)部補(bǔ)充潤(rùn)滑脂的過程中，內(nèi)部正壓力造成油脂無法進(jìn)入軸承內(nèi)部，或從密封件處流失，造成軸承潤(rùn)滑不良，由于下部軸承外部高溫工況，潤(rùn)滑不良的軸承在工作中發(fā)生異常摩擦和溫升[8]，引起油封損壞，加速了潤(rùn)滑脂泄漏，加劇了軸承失效。

圖6 攪拌裝置軸承解體檢查Fig.6 Strip inspection for bearing of stirring apparatus

（2）潤(rùn)滑路徑設(shè)計(jì)缺陷。軸承座補(bǔ)脂孔位置設(shè)計(jì)在軸承下部，并未按照軸承設(shè)計(jì)油孔從中間補(bǔ)充油脂，粉塵工況下排脂孔管路堵塞，對(duì)軸承內(nèi)部潤(rùn)滑造成嚴(yán)重威脅。

3 改進(jìn)對(duì)策

3.1 對(duì)策措施

根據(jù)上述分析的故障原因，提出對(duì)策措施進(jìn)行改進(jìn)。

（1）優(yōu)化軸承潤(rùn)滑路徑。對(duì)原有補(bǔ)脂孔移位，改為從軸承寬度方向中心徑向進(jìn)油，通過軸承設(shè)計(jì)油孔將潤(rùn)滑脂帶入軸承滾動(dòng)體、保持架及內(nèi)外圈輥道，提升潤(rùn)滑效果，如圖7所示。

圖7 下部軸承潤(rùn)滑路徑（改進(jìn)后）Fig.7 The lubrication path of lower side bearing after improvement

（2）增加自動(dòng)潤(rùn)滑裝置。為了避免因軸承密封件老化失效或軸振動(dòng)導(dǎo)致潤(rùn)滑脂從密封處泄漏，將原有人工周期補(bǔ)油脂的潤(rùn)滑方式改進(jìn)為采購自動(dòng)潤(rùn)滑裝置周期補(bǔ)油脂，同時(shí)提高加油頻率，提升軸承潤(rùn)滑效果。

（3）加強(qiáng)環(huán)境除塵改善。新增負(fù)壓吸塵裝置，改善生產(chǎn)灰塵彌漫對(duì)設(shè)備和人員帶來的安全隱患，進(jìn)一步改善KR區(qū)域環(huán)境。

（4）提高設(shè)備結(jié)構(gòu)剛度。對(duì)KR工位進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果有針對(duì)性地組織檢修方緊固螺栓、加固結(jié)構(gòu)，提高KR設(shè)備結(jié)構(gòu)剛度。

（5）加強(qiáng)設(shè)備日常管理。通過定期點(diǎn)檢確認(rèn)軸承等關(guān)鍵部位潤(rùn)滑情況，確保補(bǔ)排脂管路暢通，提高軸承使用壽命。

3.2 改進(jìn)效果

自2016年2號(hào)高爐投產(chǎn)以來，KR區(qū)域設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，KR攪拌裝置軸承故障率居高不下，自2017年起對(duì)KR攪拌裝置軸承潤(rùn)滑路徑等改進(jìn)措施陸續(xù)實(shí)施以后，KR設(shè)備狀態(tài)明顯提升，KR設(shè)備停機(jī)故障時(shí)間如圖8所示。

4 結(jié)論

通過對(duì)寶鋼湛江煉鋼廠KR脫硫攪拌裝置軸承故障進(jìn)行原因分析，提出了消除軸承潤(rùn)滑路徑設(shè)計(jì)缺陷等相應(yīng)改進(jìn)對(duì)策，為降低設(shè)備故障率，提升產(chǎn)量，降低企業(yè)損失具有重要作用。

圖8 KR設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間Fig.8 Equipment downtime of KR

軸承作為傳動(dòng)機(jī)械中的關(guān)鍵精密零件，應(yīng)當(dāng)被精心呵護(hù)，對(duì)于冶金機(jī)械中的軸承而言，其往往工作在嚴(yán)苛惡劣的環(huán)境工況中，高溫、粉塵、振動(dòng)等不利因素均威脅著軸承使用壽命。良好的潤(rùn)滑是軸承正常穩(wěn)定工作的最基本保證，軸承潤(rùn)滑路徑的設(shè)計(jì)、使用以及維護(hù)的合理性和有效性，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)計(jì)人員、設(shè)備維護(hù)人員以及管理者的足夠重視。

參考文獻(xiàn)：

［1］文光華，許松，奚超超，等.KR法鐵水脫硫劑利用技術(shù)研究進(jìn)展［J］.煉鋼，2016，32（03）：1-7.

［2］韓清鵬，李天成，李晨晨，等.基于ARMA模型的滾動(dòng)軸承故障診斷研究［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2018（01）：68-71.

［3］鄧勇，丁躍華，李駿峰，等.KR攪拌脫硫工藝的動(dòng)力學(xué)研究［J］.鋼鐵研究，2014，42（02）：26-28.

［4］盧黎明，曾國文.滾滑軸承溫度場(chǎng)的有限元分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2016，40（04）：139-142.

［5］徐文龍，肖曙紅，肖紅光.角接觸球軸承傳熱機(jī)理及其對(duì)高速電主軸性能的影響分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2016，45（04）：49-54.

［6］寧峰平，姚建濤，孫錕，等.多因素耦合對(duì)空間軸承熱學(xué)特性的影響［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，50（01）：129-136.

［7］吳雪兵，章文超，鄭群，等.KR法脫硫站攪拌軸振動(dòng)問題分析及解決措施［J］.重型機(jī)械，2016，50（06）：91-95.

［8］孫麗軍，薛闖，張立浩，等.傾斜軸頸重載軸承潤(rùn)滑性能分析及試驗(yàn)研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2016，41（07）：107-111.