電爐傾翻原因分析及處理

王立新 劉 嶸

(河北邢臺鋼鐵有限責任公司煉鋼廠 河北邢臺054027)

1 前言

某鋼廠白班電爐生產不銹鋼，第1爐將近出鋼完畢，此時爐體傾翻角度35.5度，屬于正常角度范圍(設計最大傾角42度)。突然聽到一聲異常巨響，電爐C相電極發生斷裂，隨即馬上發生第二次異常巨響，發現A相電極斷裂，整個水冷爐蓋脫槽向出鋼方向傾斜，并帶動爐蓋懸臂向出鋼側傾斜。后經檢查，爐蓋旋轉液壓缸油管爆裂，爐蓋旋轉鎖定銷脫出，爐蓋擋塊斷裂。

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

電爐在出鋼時，傾斜角度可以達到36°。為防止出鋼時爐蓋傾翻、爐蓋懸臂轉動，共有3套機構進行防護。一是爐蓋擋塊，防止爐蓋滑落；二是旋轉鎖定銷，通過機械鎖定防止爐蓋懸臂轉動；三是爐蓋旋轉液壓缸，控制爐蓋懸臂的旋轉動作，當液壓閥處于鎖定位時，爐蓋懸臂不能旋轉。事故發生后，這三套機構全部損壞：爐蓋擋塊斷裂、旋轉鎖定銷脫出、液壓缸油管爆裂。

2 事故分析

2.1經過

進行現場勘察，對于究竟是爐蓋先傾翻帶動爐蓋懸臂旋轉造成事故，還是爐蓋懸臂機構旋轉鎖定銷失效引發爐蓋傾翻造成事故難以下結論。經過對現場損壞部件的認真觀察、分析與比對，認為是爐蓋先傾翻造成的事故。下面的簡圖可以進行輔助說明：

如果爐蓋向左運動，則拉桿變形方向如圖1左圖所示；

如果爐蓋懸臂向左運動，則拉桿變形方向如圖1右圖所示；

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

左圖 右圖圖1 拉桿變形對比

事故發生的詳細次序如下：

1)爐蓋傾翻，傾翻過程中爐蓋擋塊不足以遏止爐蓋的運動，受力過大斷裂，爐蓋迅速下滑；2)重達20余噸的爐蓋下滑停止時，巨大的沖擊力作用在旋轉鎖定銷上，造成旋轉鎖定銷脫槽，爐蓋懸臂失去機械鎖定開始轉動；3)隨著爐蓋懸臂的轉動，旋轉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，帶動爐蓋進一步傾翻，形成事故。

2.2原因分析

為防止出鋼時爐蓋傾翻、爐蓋懸臂轉動，共有3套機構進行防護。一是爐蓋擋塊，防止爐蓋滑落；二是旋轉鎖定銷，通過機械鎖定防止爐蓋懸臂轉動；三是爐蓋旋轉液壓缸，控制爐蓋懸臂的旋轉動作，當液壓閥處于鎖定位時，爐蓋懸臂不能旋轉。

以上三套機構只要有一套機構能起作用，都不會造成事故。下面逐一分析這三套機構失效的原因。

2.2.1 爐蓋擋塊

爐蓋與爐體共有三種設計：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重，目前已淘汰這種設計；迷宮密封效果較好，但隨著生產的進行，迷宮容易在高溫下變形，加上爐蓋積渣，迷宮很快就會失效。對于邢鋼的電爐，采用了錐面接觸的設計，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時，穩定性較好。當爐體傾動時，為防止爐蓋滑落，設計了兩個擋塊(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，可以起到良好的導向作用，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失效，擋塊就起不到阻擋爐蓋下滑的作用；如果爐蓋擋塊強度不夠而斷裂，爐蓋就會下滑，見圖4。

圖3 爐體水平狀態

從現場查勘可以看到，電爐的擋塊無論是高度還是強度，都達不到要求：高度太低，擋不住爐蓋；強度太差，有一塊已經斷裂。擋塊的高度和強度不足，無法阻擋爐蓋下滑，是此次事故的直接原因。這一結果是的設計錯誤或制造缺陷造成的。

2.2.2 旋轉鎖定銷

旋轉鎖定銷是液壓驅動的機械鎖定裝置，起到非常重要的安全銷的作用，在鎖定情況下可以防止爐蓋懸臂的轉動，見圖5，圖6。

圖4 爐體傾斜狀態

圖5 旋轉鎖定示意圖a

圖6 旋轉鎖定示意圖b

理論上講，在鎖定狀態下，只要鎖定銷不被切斷，爐蓋懸臂就不可能發生轉動。鎖定銷直徑為100mm，材質為45#鋼，剪切強度為178MPa，鎖定銷的抗剪力為：3.14×100×100×178/4=1397300N≈142t；

鎖定銷距離旋轉中心約2米，可抵受的旋轉力矩為：142×2=284t·m；

爐蓋、爐蓋懸臂和電極總重約40噸，重心旋轉半徑約5.5米，當爐體傾斜36°時，旋轉力矩為：40×5.5×sin36=129t·m；安全系數為：284/129=2.2

可見，鎖定銷的直徑設計是合理的，有足夠的抗剪強度。事故中，鎖定銷只是脫出而沒有被切斷，也驗證了鎖定銷的抗剪強度足夠。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 鎖定銷原設計

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，是考慮水平旋轉定位時，即使稍有偏差，鎖定銷也可以順利插入插孔中。

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

2.2.3 爐蓋旋轉液壓缸

旋轉液壓缸的設計原則是：在爐體水平狀態下，驅動爐蓋懸臂旋轉。當爐體傾斜時，旋轉液壓缸沒有能力驅動爐蓋懸臂向回轉。前文已經計算過，當爐體傾動36°時，爐蓋、爐蓋懸臂和電極的旋轉力矩為129t·m，旋轉液壓缸的力臂只有一米，也就是說，旋轉液壓缸將承受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

而系統壓力只有15 MPa，顯然液壓缸是無法承受此旋轉力矩的。

希望通過加大液壓缸的直徑來減少壓力的做法是不現實的，因為液壓缸的安裝位置靠近電極臂，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的許可壓力。

從以上的理論計算不難看出，發生這類事故，油管爆裂是對旋轉液壓缸及其機構最簡單有效的保護，相當于電氣中的保險絲。如果油管不能及時爆裂，在系統過壓的情況下，會造成液壓缸或旋轉機構的損壞(相當于保險絲不燒，燒壞電氣設備)。試圖復位爐體時發生的第二次傾翻，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，原設計的液壓缸是合理的，油管選型也是合理的，不宜再對液壓旋轉機構進行改進。

3 整改處理

3.1爐蓋擋塊

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

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。

改進后，每個擋塊的抗剪能力為：50×200×117=1170000N≈119t。

每個擋塊的抗剪能力遠遠大于爐蓋20噸的重量。

3.2旋轉鎖定銷

為達到既要順利插入，又不易滑出的目的，決定采用兩套旋轉鎖定銷，一套為原設計的，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行了改進，去掉了錐面和倒角，同時增加了插入深度，確保了鎖定銷的安全可靠。見圖10。

3.3爐蓋旋轉液壓缸

由于爐蓋旋轉液壓缸的設計原則是合理的，本次事故處理主要是恢復損壞的液壓缸缸頭和底座，對缸頭和底座進行了適當加固，未采取其他的改進措施。

圖8 鎖定銷設計改進

3.4控制程序的改進

事故發生后，對熔化爐可能發生的事故或誤操作進行了探討，最終決定在控制程序上做如下改進：

1)只有在旋轉鎖定的情況下才允許傾爐，改為：只有在旋轉鎖定的情況下才允許傾爐，并且，在傾爐操作時不可進行鎖定解除操作；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，傾爐操作時不可進行爐蓋起升操作；3)傾爐過程中，如果液壓系統突然斷電，控制傾爐的電磁閥應自動回到鎖定位，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傾動；4)測試液壓缸極限行程，保證液壓缸在極限位，也不會造成爐體傾翻(極限傾翻角度應小于42°)。

4 結論

經過對爐蓋擋塊、旋轉鎖定銷、爐蓋旋轉液壓缸、控制程序等按措施改進，經試車和檢查確認后，電爐順利投產。電爐的整改措施實施后半年，該設備沒有再發生類似事故。