無料鐘爐頂齒輪傳動氣密箱技術的研究

惠 展，王啟業(yè)

(中鋼集團西安重機有限公司，陜西 西安 710201)

0 前言

無料鐘爐頂技術在國內(nèi)發(fā)展已經(jīng)30余年，在高爐爐頂技術中占有絕對的統(tǒng)治地位。按爐頂結構型式可分為并罐式、串罐式、新并罐式和三罐式[1-3]；按水冷齒輪箱形式分為緊湊型(適用300～1800 m3高爐)、標準型(適用1500～2800 m3高爐)和加強型(適用2800～6000 m3高爐)。

1 無料鐘爐頂技術

串罐爐頂因具有設備少、維修量小、檢修方便、投資低、布料均勻等多項技術優(yōu)勢[4]，目前占據(jù)著市場的絕對數(shù)量。上料方式分為皮帶上料和料車上料兩種方式，大中型高爐通常采用皮帶上料方式,如圖1所示。

圖1 串罐無料鐘爐頂設備(皮帶上料)

通過上下料閘及上下密封閥的開啟和關閉，與均勻放散系統(tǒng)配合，完成均勻制度。通過氣密箱旋轉和傾動功能控制布料溜槽完成螺旋布料、環(huán)形布料、扇形布料、定點布料等工藝要求[5，6]。

同時，為了爐頂設備的有效運行，需要設有均壓放散系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氮封系統(tǒng)、蒸汽加熱系統(tǒng)、集中潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)。

氣密箱是無料鐘爐頂設備的核心部件,其作用是將各種煉鐵原燃料均勻的分布到爐內(nèi),實現(xiàn)多環(huán)、定點、扇形、螺旋等多種方式布料[7]。

2 氣冷氣封齒輪傳動氣密箱技術

無料鐘爐頂氣密箱設計初期采用氣冷氣封齒輪傳動的原理。如圖2所示，氣密箱采用多級齒輪傳動，采用行星差動減速器和蝸桿傾動傳動，帶動溜槽完成旋轉和傾動動作。

圖2 氣密箱齒輪傳動原理圖

旋轉圓筒Z13和傾動大齒圈Z14可以同步旋轉也可以差動旋轉。同步旋轉時，旋轉電機單獨工作，由于此時n13等于n14，旋轉圓筒與傾動大齒圈之間無差速，布料溜槽只在一個半徑布料，可完成環(huán)形布料或扇形布料；當Z13和Z14差動運動時，旋轉電機和傾動電機同時工作，溜槽同時回轉和傾動，則可完成螺旋布料或定點布料。

此氣密箱的優(yōu)點在于采用齒輪傳動，運行可靠、平穩(wěn)，能精確實現(xiàn)多種布料方式，滿足高爐工藝的要求。

3 水冷氣封齒輪傳動氣密箱技術

由于氣冷氣封齒輪傳動氣密箱主要存在氮氣量需求特別大、成本高、冷卻效果差、影響高爐煤氣質(zhì)量等因素，后改進為水冷氣封齒輪傳動形式。

水冷氣封齒輪傳動型氣密箱保留了原有氣冷氣封氣密箱采用齒輪傳動實現(xiàn)精確布料的優(yōu)勢。為保障齒輪箱的有效運行，利用流動水對箱體進行冷卻，利用氮氣對傳動件與固定件進行氣封隔離[8，9]。

3.1 水冷原理

氣密箱的水冷原理如圖3所示，在爐頂與齒輪箱之間采用隔熱材料來減少熱量進入氣密箱，對進入氣密箱的熱量通過蛇形管將熱量帶出。四根進水管從氣密箱頂端進入相對開放的上水槽，由上水槽通過蛇形管將冷卻水導向與爐頂高溫相接觸的表面，進而流向下水槽，從出水管流出。水冷系統(tǒng)與氣密箱的進出水管相連，通過水泵提供壓力水，系統(tǒng)具有換熱功能。水冷系統(tǒng)分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)，水量最大可以達到25 m3/h[10]。

圖3 氣密箱水冷原理圖

3.2 氣封原理

氣密箱采用氣體封閉旋轉接口，如圖4所示。在氣密箱頂端設有四個氮氣管，氮氣流向旋轉體與氣密箱箱體之間的上下迷宮密封處，并形成氮氣區(qū)域，用來隔離在旋轉體與中心喉管之間的高爐煤氣及灰塵進入氣密箱的齒輪傳動部分。通常情況下，保證氣密箱氣壓大于爐頂壓力0.01 MPa。

同時，在氣密箱的中下部設有兩個強制氮氣管，在必要時打開，隔離高爐煤氣及灰塵的同時可以起到降低氣密箱溫度的作用。

氮封系統(tǒng)分為兩支，一支氮氣吹入下閥箱對閥板密封圈進行冷卻，另一支用來為氣密箱提供氮氣，從而起到氣封的作用。氮封系統(tǒng)設有可調(diào)控制閥門。

圖4 氣密箱氣封原理圖

3.3 改進措施

早期水冷氣封齒輪傳動氣密箱存在著在高溫下卡阻[11]與氮氣消耗量大的現(xiàn)象。

3.3.1卡阻現(xiàn)象的原因分析和改進

氣密箱卡阻的主要原因有：回轉軸承游隙偏小，受熱后會產(chǎn)生卡阻；齒輪加工精度不夠，部分齒輪嚙合間隙無法控制；差動減速機箱體加工誤差，不能保證差動減速機小齒輪與回轉軸承之間嚙合間隙；下部旋轉底盤橢圓度超差，導致迷宮密封間隙不均等。

通過調(diào)整回轉支承的游隙、齒形公法線公差要求、軸承保持架的結構等，解決了因回轉軸承游隙偏小在受熱后會產(chǎn)生膨脹而卡阻的問題；通過工藝的改進(數(shù)控、磨齒)解決了箱體、齒輪制作加工精度不夠，部分齒輪嚙合間隙不均勻，運行時噪音偏大的問題。

3.3.2氮氣量大的原因分析和改進

鐵廠反饋氣密箱氮氣消耗量大的主要原因有：氮封系統(tǒng)設計不合理，氣密箱氮氣沒有獨立計量，將氣密箱和閥箱共用氮氣量說成了氣密箱氮氣量；用戶現(xiàn)場多存在儀表損壞或失效，導致測量不準確的情況；水冷系統(tǒng)不穩(wěn)定，當采用開式水系統(tǒng)時，冷卻數(shù)量偏小且不穩(wěn)定，就需要靠增加氮氣量來冷卻氣密箱；在高爐采用中心加焦炭的生產(chǎn)工藝時，爐頂溫度高，水冷降溫無法滿足，需要增加氮氣來進行冷卻。

氣密箱氮氣量大小的根本原因在于氣密箱環(huán)縫間隙是否合理，間隙過小，熱膨脹時易卡阻；間隙過大，建立氣密箱和爐頂壓力平衡所需要的氮氣量就大。

經(jīng)過對氮封系統(tǒng)進行改進，將氣密箱和閥箱獨立控制、獨立檢測，實現(xiàn)可調(diào)、可控的氣密箱氮氣系統(tǒng)；采用閉式水冷系統(tǒng)和在氣密箱內(nèi)部的上、下部旋轉圓筒連接處增加水冷套間隔，提高了氣密箱冷卻效果。

標準型或加強型氣密箱氮氣量理論設計都是200～500 m3/h，經(jīng)大量市場調(diào)研，中鋼集團西安重機有限公司生產(chǎn)的實際應用普遍都在700 m3/h左右。例如：梅山3 200 m3高爐氮氣量496 m3/h、柳鋼2 800 m3高爐氮氣量707 m3/h、寧波鋼鐵2 500 m3高爐氮氣量736 m3/h、龍鋼1 800 m3高爐氮氣量547 m3/h。

4 強制水冷氣密箱技術

水冷氣封齒輪傳動氣密箱經(jīng)過多年的市場檢驗，其可靠性高。但對冶煉強度和爐頂溫度要求較高，為進一步提高氣密箱對惡劣環(huán)境的適應性，中鋼西重開發(fā)了強制水冷氣密箱，其水冷原理如圖5所示。

圖5 強制水冷氣密箱水冷原理圖

強制水冷氣密箱與標準型相比，氣封原理、齒輪傳動原理完全相同，不同點在于采用獨立的水冷系統(tǒng)，即水氣分離。

冷卻水為全封閉形式，分為上下兩部分水冷系統(tǒng)。上部分水冷系統(tǒng)中蛇形管依附在旋轉體上，進出水管安裝在氣密箱箱體上，在蛇形管與進出水管之間采用旋轉接頭連接。下部分水冷系統(tǒng)獨立存在，主要作用是冷卻氣密箱底部。

強制水冷氣密箱避免了氣密箱的翻水現(xiàn)象和水不會被進入氣密箱的灰塵污染，同時通過加壓冷卻水，可以將冷卻水量大幅提高到60 m3/h，爐頂中心溫度提高100 ℃。

5 結論

齒輪傳動氣密箱具有運行平穩(wěn)、精準的技術優(yōu)勢，可以滿足不同的布料工藝。采用水冷氣封結構以后，隨著技術的持續(xù)改進，有效解決了氣密箱卡阻和氮氣消耗量大的問題，已成為氣密箱最為成熟的技術。而強制水冷氣密箱技術將進一步滿足更高的外部環(huán)境溫度。總之，氣密箱技術必將沿著精準布料、安全可靠、便于維護、節(jié)約能源、綜合成本低的方向發(fā)展。