電爐傾翻原因分析及處理

王立新 劉 嶸

(河北邢臺(tái)鋼鐵有限責(zé)任公司煉鋼廠 河北邢臺(tái)054027)

1 前言

某鋼廠白班電爐生產(chǎn)不銹鋼，第1爐將近出鋼完畢，此時(shí)爐體傾翻角度35.5度，屬于正常角度范圍(設(shè)計(jì)最大傾角42度)。突然聽到一聲異常巨響，電爐C相電極發(fā)生斷裂，隨即馬上發(fā)生第二次異常巨響，發(fā)現(xiàn)A相電極斷裂，整個(gè)水冷爐蓋脫槽向出鋼方向傾斜，并帶動(dòng)爐蓋懸臂向出鋼側(cè)傾斜。后經(jīng)檢查，爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸油管爆裂，爐蓋旋轉(zhuǎn)鎖定銷脫出，爐蓋擋塊斷裂。

隨后組織維修車間進(jìn)行搶修。維修人員試圖利用天車吊下爐殼吊耳體進(jìn)行爐體復(fù)位時(shí)，爐殼吊耳從爐殼上斷開，致使?fàn)t蓋再次傾斜，同時(shí)造成爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸缸頭處斷開，油缸支座開裂。

電爐在出鋼時(shí)，傾斜角度可以達(dá)到36°。為防止出鋼時(shí)爐蓋傾翻、爐蓋懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)，共有3套機(jī)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。一是爐蓋擋塊，防止?fàn)t蓋滑落；二是旋轉(zhuǎn)鎖定銷，通過機(jī)械鎖定防止?fàn)t蓋懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)；三是爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸，控制爐蓋懸臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，當(dāng)液壓閥處于鎖定位時(shí)，爐蓋懸臂不能旋轉(zhuǎn)。事故發(fā)生后，這三套機(jī)構(gòu)全部損壞：爐蓋擋塊斷裂、旋轉(zhuǎn)鎖定銷脫出、液壓缸油管爆裂。

2 事故分析

2.1經(jīng)過

進(jìn)行現(xiàn)場勘察，對(duì)于究竟是爐蓋先傾翻帶動(dòng)爐蓋懸臂旋轉(zhuǎn)造成事故，還是爐蓋懸臂機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)鎖定銷失效引發(fā)爐蓋傾翻造成事故難以下結(jié)論。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場損壞部件的認(rèn)真觀察、分析與比對(duì)，認(rèn)為是爐蓋先傾翻造成的事故。下面的簡圖可以進(jìn)行輔助說明：

如果爐蓋向左運(yùn)動(dòng)，則拉桿變形方向如圖1左圖所示；

如果爐蓋懸臂向左運(yùn)動(dòng)，則拉桿變形方向如圖1右圖所示；

現(xiàn)場顯示，拉桿的變形方向如圖1左圖所示，所以事故的發(fā)生肯定是爐蓋最先發(fā)生傾翻。

左圖 右圖圖1 拉桿變形對(duì)比

事故發(fā)生的詳細(xì)次序如下：

1)爐蓋傾翻，傾翻過程中爐蓋擋塊不足以遏止?fàn)t蓋的運(yùn)動(dòng)，受力過大斷裂，爐蓋迅速下滑；2)重達(dá)20余噸的爐蓋下滑停止時(shí)，巨大的沖擊力作用在旋轉(zhuǎn)鎖定銷上，造成旋轉(zhuǎn)鎖定銷脫槽，爐蓋懸臂失去機(jī)械鎖定開始轉(zhuǎn)動(dòng)；3)隨著爐蓋懸臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)液壓缸的背壓驟然增大，液壓管因不能承受突然增大的壓力而爆裂，爐蓋懸臂失去最后的約束，快速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)爐蓋進(jìn)一步傾翻，形成事故。

2.2原因分析

為防止出鋼時(shí)爐蓋傾翻、爐蓋懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)，共有3套機(jī)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)。一是爐蓋擋塊，防止?fàn)t蓋滑落；二是旋轉(zhuǎn)鎖定銷，通過機(jī)械鎖定防止?fàn)t蓋懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)；三是爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸，控制爐蓋懸臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，當(dāng)液壓閥處于鎖定位時(shí)，爐蓋懸臂不能旋轉(zhuǎn)。

以上三套機(jī)構(gòu)只要有一套機(jī)構(gòu)能起作用，都不會(huì)造成事故。下面逐一分析這三套機(jī)構(gòu)失效的原因。

2.2.1 爐蓋擋塊

爐蓋與爐體共有三種設(shè)計(jì)：平面接觸、迷宮接觸、錐面接觸。如圖2所示。

圖2 爐蓋與爐體密封形式

平面接觸密封效果最差，爐蓋與爐體之間漏火嚴(yán)重，目前已淘汰這種設(shè)計(jì)；迷宮密封效果較好，但隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，迷宮容易在高溫下變形，加上爐蓋積渣，迷宮很快就會(huì)失效。對(duì)于邢鋼的電爐，采用了錐面接觸的設(shè)計(jì)，既有良好的密封，也不易變形[1]。

錐面接觸在爐體處于水平狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)定性較好。當(dāng)爐體傾動(dòng)時(shí)，為防止?fàn)t蓋滑落，設(shè)計(jì)了兩個(gè)擋塊(如圖3紅色部分所示)。如果爐體在水平位置，此擋塊在爐蓋下降時(shí)，可以起到良好的導(dǎo)向作用，幫助爐蓋順利蓋到爐體上。

但是在爐體傾斜36°的條件下：如果爐蓋擋塊高度不夠，錐面接觸和擋塊就會(huì)失效，擋塊就起不到阻擋爐蓋下滑的作用；如果爐蓋擋塊強(qiáng)度不夠而斷裂，爐蓋就會(huì)下滑，見圖4。

圖3 爐體水平狀態(tài)

從現(xiàn)場查勘可以看到，電爐的擋塊無論是高度還是強(qiáng)度，都達(dá)不到要求：高度太低，擋不住爐蓋；強(qiáng)度太差，有一塊已經(jīng)斷裂。擋塊的高度和強(qiáng)度不足，無法阻擋爐蓋下滑，是此次事故的直接原因。這一結(jié)果是的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或制造缺陷造成的。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)鎖定銷

旋轉(zhuǎn)鎖定銷是液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械鎖定裝置，起到非常重要的安全銷的作用，在鎖定情況下可以防止?fàn)t蓋懸臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，見圖5，圖6。

圖4 爐體傾斜狀態(tài)

圖5 旋轉(zhuǎn)鎖定示意圖a

圖6 旋轉(zhuǎn)鎖定示意圖b

理論上講，在鎖定狀態(tài)下，只要鎖定銷不被切斷，爐蓋懸臂就不可能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖定銷直徑為100mm，材質(zhì)為45#鋼，剪切強(qiáng)度為178MPa，鎖定銷的抗剪力為：3.14×100×100×178/4=1397300N≈142t；

鎖定銷距離旋轉(zhuǎn)中心約2米，可抵受的旋轉(zhuǎn)力矩為：142×2=284t·m；

爐蓋、爐蓋懸臂和電極總重約40噸，重心旋轉(zhuǎn)半徑約5.5米，當(dāng)爐體傾斜36°時(shí)，旋轉(zhuǎn)力矩為：40×5.5×sin36=129t·m；安全系數(shù)為：284/129=2.2

可見，鎖定銷的直徑設(shè)計(jì)是合理的，有足夠的抗剪強(qiáng)度。事故中，鎖定銷只是脫出而沒有被切斷，也驗(yàn)證了鎖定銷的抗剪強(qiáng)度足夠。但是，由于鎖定銷的安裝位置和形狀缺陷，使鎖定銷的安全鎖定功能大打折扣[2]，如圖7所示。

圖7 鎖定銷原設(shè)計(jì)

鎖定銷頭部帶有大約40mm的錐頭，鎖定銷插孔有15mm的大倒角，鎖定液壓缸行程只有130mm，插入深度不夠，導(dǎo)致鎖定接觸面大大減少；在懸臂受爐蓋下滑沖擊的情況下，爐蓋懸臂向上變形，造成鎖定銷滑出。

鎖定銷和插孔之所以帶有錐面和倒角，是考慮水平旋轉(zhuǎn)定位時(shí)，即使稍有偏差，鎖定銷也可以順利插入插孔中。

旋轉(zhuǎn)鎖定銷的滑出是事故發(fā)生的重要原因，也是安全裝置失效的重大隱患。旋轉(zhuǎn)鎖的錐面和插孔的倒角都是原設(shè)計(jì)所有的，安裝位置也是在設(shè)計(jì)人員的指導(dǎo)下確定的。旋轉(zhuǎn)鎖定銷的脫出是設(shè)計(jì)缺陷引起的，在安裝過程中也沒有得到及時(shí)糾正。

2.2.3 爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸

旋轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)原則是：在爐體水平狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)爐蓋懸臂旋轉(zhuǎn)。當(dāng)爐體傾斜時(shí)，旋轉(zhuǎn)液壓缸沒有能力驅(qū)動(dòng)爐蓋懸臂向回轉(zhuǎn)。前文已經(jīng)計(jì)算過，當(dāng)爐體傾動(dòng)36°時(shí)，爐蓋、爐蓋懸臂和電極的旋轉(zhuǎn)力矩為129t·m，旋轉(zhuǎn)液壓缸的力臂只有一米，也就是說，旋轉(zhuǎn)液壓缸將承受129噸的拉力。液壓缸無桿腔直徑160mm，缸桿直徑90mm,則液壓缸有桿腔的壓力為：129×10000/(3.14×(160×160-90×90)/4)=93MPa

而系統(tǒng)壓力只有15 MPa，顯然液壓缸是無法承受此旋轉(zhuǎn)力矩的。

希望通過加大液壓缸的直徑來減少壓力的做法是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)橐簤焊椎陌惭b位置靠近電極臂，最大也只能選擇直徑320m的液壓缸(缸桿直徑180mm)，此時(shí)液壓缸的有桿腔壓力為：129×10000/(3.14×(320×320-180×180)/4)=23MPa

可見，即使選用安裝位置許可的最大直徑的液壓缸，有桿腔壓力仍將超出系統(tǒng)的許可壓力。

從以上的理論計(jì)算不難看出，發(fā)生這類事故，油管爆裂是對(duì)旋轉(zhuǎn)液壓缸及其機(jī)構(gòu)最簡單有效的保護(hù)，相當(dāng)于電氣中的保險(xiǎn)絲。如果油管不能及時(shí)爆裂，在系統(tǒng)過壓的情況下，會(huì)造成液壓缸或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的損壞(相當(dāng)于保險(xiǎn)絲不燒，燒壞電氣設(shè)備)。試圖復(fù)位爐體時(shí)發(fā)生的第二次傾翻，油管沒有爆裂，但液壓缸缸頭脫落，液壓缸支座撕裂，造成事故處理難度增大[3]。

綜上所述，原設(shè)計(jì)的液壓缸是合理的，油管選型也是合理的，不宜再對(duì)液壓旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 整改處理

3.1爐蓋擋塊

爐蓋擋塊需加寬、加厚、加高、加多，以便在傾爐時(shí)起到阻擋爐蓋下滑的作用。具體改進(jìn)如下：

加寬：從110mm增加為200mm；加厚：從40 mm增加為50mm；加高：從120mm增加為250mm；加多：從兩塊增加為4塊。

改進(jìn)后，每個(gè)擋塊的抗剪能力為：50×200×117=1170000N≈119t。

每個(gè)擋塊的抗剪能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于爐蓋20噸的重量。

3.2旋轉(zhuǎn)鎖定銷

為達(dá)到既要順利插入，又不易滑出的目的，決定采用兩套旋轉(zhuǎn)鎖定銷，一套為原設(shè)計(jì)的，用于定位；一套為新加的，用于安全鎖定。新加的鎖定銷與插孔外形進(jìn)行了改進(jìn)，去掉了錐面和倒角，同時(shí)增加了插入深度，確保了鎖定銷的安全可靠。見圖10。

3.3爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸

由于爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)原則是合理的，本次事故處理主要是恢復(fù)損壞的液壓缸缸頭和底座，對(duì)缸頭和底座進(jìn)行了適當(dāng)加固，未采取其他的改進(jìn)措施。

圖8 鎖定銷設(shè)計(jì)改進(jìn)

3.4控制程序的改進(jìn)

事故發(fā)生后，對(duì)熔化爐可能發(fā)生的事故或誤操作進(jìn)行了探討，最終決定在控制程序上做如下改進(jìn)：

1)只有在旋轉(zhuǎn)鎖定的情況下才允許傾爐，改為：只有在旋轉(zhuǎn)鎖定的情況下才允許傾爐，并且，在傾爐操作時(shí)不可進(jìn)行鎖定解除操作；2)爐蓋只有在下降位才允許傾爐，改為：爐蓋只有在下降位才允許傾爐，并且，傾爐操作時(shí)不可進(jìn)行爐蓋起升操作；3)傾爐過程中，如果液壓系統(tǒng)突然斷電，控制傾爐的電磁閥應(yīng)自動(dòng)回到鎖定位，中斷傾爐過程。這樣做的目的是：防止傾爐液壓缸在蓄能器壓力作用下繼續(xù)傾動(dòng)；4)測試液壓缸極限行程，保證液壓缸在極限位，也不會(huì)造成爐體傾翻(極限傾翻角度應(yīng)小于42°)。

4 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)爐蓋擋塊、旋轉(zhuǎn)鎖定銷、爐蓋旋轉(zhuǎn)液壓缸、控制程序等按措施改進(jìn)，經(jīng)試車和檢查確認(rèn)后，電爐順利投產(chǎn)。電爐的整改措施實(shí)施后半年，該設(shè)備沒有再發(fā)生類似事故。