嚴(yán) 淑 蔡 煒

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩在線實(shí)測(cè)法及分析

嚴(yán) 淑①蔡 煒

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 湖北武漢430223)

針對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的理論計(jì)算值和實(shí)際生產(chǎn)中的實(shí)際值存在較大差異這一現(xiàn)象，提出一種在線實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩及其數(shù)據(jù)分析的方法，并通過(guò)與相應(yīng)的理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量值約為理論計(jì)算值的75%，這為今后研究?jī)?yōu)化轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的理論計(jì)算方法提供依據(jù)。

轉(zhuǎn)爐 傾動(dòng)力矩 理論計(jì)算 在線實(shí)測(cè) 數(shù)據(jù)分析

1 前言

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置是轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備的核心設(shè)備之一，它的作用是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐爐體±360°旋轉(zhuǎn)，完成兌鐵水、加廢鋼、取樣、出鋼和倒渣等冶煉操作要求，并使轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)平穩(wěn)，停位準(zhǔn)確。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩作為傾動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的重要基本參數(shù)一直受到高度關(guān)注，計(jì)算合理的最大傾動(dòng)力矩值是使轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置兼具可靠性和經(jīng)濟(jì)性的前提。然而，筆者從多年的煉鋼設(shè)備設(shè)計(jì)研究工作中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的傾動(dòng)力矩理論計(jì)算值與實(shí)際生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩有較大差異，由于傳統(tǒng)的傾動(dòng)力矩的理論計(jì)算中涉及到轉(zhuǎn)爐爐型、耳軸位置、爐襯侵蝕、爐口粘渣等眾多因素影響，所以理論計(jì)算值與實(shí)際值存在一定差異是可能的。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這一觀點(diǎn)并得到轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩實(shí)際值與理論值的關(guān)系，筆者提出一種在線測(cè)量轉(zhuǎn)爐實(shí)際傾動(dòng)力矩值的方法，并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析；與此同時(shí)，利用三維建模等手段對(duì)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩進(jìn)行精確理論計(jì)算，由此得到轉(zhuǎn)爐最大傾動(dòng)力矩實(shí)際值與理論計(jì)算值的比例關(guān)系。

2 常規(guī)測(cè)量轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的方法

1)測(cè)量?jī)A動(dòng)力矩的方法一般有平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法三種，在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩測(cè)量中一般采用的是傳遞法，即貼片法。傳遞法的測(cè)量方法是將應(yīng)變片直接粘貼在傳動(dòng)軸的表面上，組成測(cè)量電橋，用應(yīng)變儀測(cè)量由轉(zhuǎn)矩作用產(chǎn)生的剪應(yīng)變或剪應(yīng)力，推算出轉(zhuǎn)矩。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是直接測(cè)量傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)變形，減少了由功率和轉(zhuǎn)速推算的間接影響因素。

2)傳遞法是目前測(cè)量轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩采用最多的方法，其優(yōu)越性不再贅述，然而該方法也存在如下不利因素：

(1)測(cè)量時(shí)需要停產(chǎn)，每臺(tái)轉(zhuǎn)爐停爐時(shí)間大約兩天(48h)；

(2)只能測(cè)量出空爐轉(zhuǎn)矩，無(wú)法測(cè)量帶鋼水的負(fù)荷轉(zhuǎn)矩；

(3)測(cè)量時(shí)需要安裝傳感器支架等設(shè)備；

(4)測(cè)量設(shè)備費(fèi)用較高，含貼片、粘接劑等耗材費(fèi)，檢測(cè)儀器設(shè)備折舊費(fèi)、人工費(fèi)等。

3)因此，為了適應(yīng)在生產(chǎn)期間全爐役測(cè)量轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩，本文嘗試在不停爐狀態(tài)下通過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中傾動(dòng)電機(jī)變頻器記錄的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)估算出轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的大小。

3 在線實(shí)測(cè)法測(cè)量轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩

3.1 測(cè)量方法原理

根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式，當(dāng)轉(zhuǎn)爐自由運(yùn)動(dòng)，即沒(méi)有受到制動(dòng)器約束時(shí)，將轉(zhuǎn)爐視為一個(gè)整體對(duì)象且忽略摩擦轉(zhuǎn)矩，其運(yùn)行規(guī)律可以簡(jiǎn)化為以下方程：

(1)

式中ω—轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)電機(jī)軸上的編碼器測(cè)得的電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)齒輪減速比算出；

TM—電機(jī)輸出力矩折算到傾動(dòng)主軸的值，可以通過(guò)測(cè)得的電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)齒輪減速比算出；

θ—轉(zhuǎn)爐傾角，可以通過(guò)角度編碼器測(cè)量得到；

m—轉(zhuǎn)爐總重量，包括轉(zhuǎn)爐自重和裝入的鐵(鋼)水重量，是未知量；

T(θ,m)—轉(zhuǎn)爐的合成力矩(包括空爐力矩、鋼液力矩)，與θ和m有關(guān)；

J(θ,m)—轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與θ和m有關(guān)。

本測(cè)量方法的基本思想是根據(jù)公式(1)在已知TM和ω的條件下，估算出T(θ，m)和J(θ，m)的最優(yōu)解，但問(wèn)題的難點(diǎn)在于轉(zhuǎn)爐總重量m的不確定性，因?yàn)閙本身不可測(cè)量，且每個(gè)爐次m的值也不相同，為了去除m的影響，考慮將一個(gè)爐次內(nèi)的轉(zhuǎn)爐運(yùn)行過(guò)程分為幾個(gè)階段，在一個(gè)階段內(nèi)轉(zhuǎn)爐的總重量m不變或者總重量m的變化可以以θ的變化替代表示。若以m的變化為標(biāo)準(zhǔn)，本文將一個(gè)爐次內(nèi)轉(zhuǎn)爐的運(yùn)行過(guò)程劃分為以下幾個(gè)階段：

1)倒渣完畢后回零位然后至加料位階段：

傾動(dòng)角度運(yùn)行范圍：﹢90°～0°～+45°，這個(gè)階段轉(zhuǎn)爐無(wú)鋼液、無(wú)鋼渣，近似于空爐狀態(tài)，屬于最簡(jiǎn)單的工況，對(duì)其分析過(guò)程可以指導(dǎo)后續(xù)復(fù)雜工況的分析。以下簡(jiǎn)稱加料階段。

2)測(cè)溫取樣返回到打開(kāi)出鋼口階段：

傾動(dòng)角度運(yùn)行范圍：+45°～0°～ -45°，這個(gè)階段轉(zhuǎn)爐重量無(wú)變化，而且爐內(nèi)鋼水未出，是最大力矩可能出現(xiàn)的可能階段，該工況是在吹煉結(jié)束后，出鋼操作前。以下簡(jiǎn)稱測(cè)溫取樣階段。

3)出鋼階段：

傾動(dòng)角度運(yùn)行范圍：-45°～ -115°這個(gè)階段鋼水逐漸流出轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐重量逐漸變小，鋼水出量近似與轉(zhuǎn)爐角度相關(guān)，因此可以將重量變化的影響折算到角度上考慮。這個(gè)過(guò)程操作點(diǎn)動(dòng)頻繁，加速度和轉(zhuǎn)矩變化劇烈，是最復(fù)雜的過(guò)程。

4)倒渣階段：

傾動(dòng)角度運(yùn)行范圍：- 115°～ +90°，這個(gè)階段,轉(zhuǎn)爐中只有渣和少量殘液，整個(gè)階段轉(zhuǎn)爐質(zhì)量無(wú)變化。

在上述每一個(gè)階段內(nèi)T(θ，m)可以簡(jiǎn)化為T(mén)(θ)，J(θ，m)可以簡(jiǎn)化為J(θ)，如果在該階段內(nèi)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行了N次采樣，根據(jù)公式(1)，N次采樣得到N個(gè)方程組成的方程組

…

(2)

T(θ),J(θ)的函數(shù)形式未知，但是根據(jù)泰勒定理，T(θ),J(θ)可以近似的由θ的冪級(jí)數(shù)多項(xiàng)式來(lái)表示。設(shè)：

(3)

(4)

式中ai,bi—待求的多項(xiàng)式系數(shù)；m1,m2—擬合階數(shù)，一般取5～7階。

將公式(3)、(4)帶入公式(2)得到：

……

(5)

(5)是關(guān)于ai,bi的線性方程組，一般的N>m1+m2，可以使用最小二乘法得到ai,bi的最優(yōu)解，則可求得同一個(gè)爐次下不同階段的T(θ)表達(dá)式，再進(jìn)一步的分析比較某一個(gè)階段在多個(gè)爐次的T(θ)的值，就可以找到轉(zhuǎn)矩隨爐位變化的一定規(guī)律，為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)給出指導(dǎo)。

3.2 測(cè)量實(shí)例

以某鋼廠210t轉(zhuǎn)爐為研究對(duì)象對(duì)轉(zhuǎn)爐運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和分析。通過(guò)轉(zhuǎn)爐PLC和傾動(dòng)電機(jī)變頻器連續(xù)采集了該轉(zhuǎn)爐12個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)角度、傾動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出力矩以及轉(zhuǎn)爐工作狀態(tài)(出鋼，吹煉)等。數(shù)據(jù)測(cè)量的采樣時(shí)間為0.1s，即0.1s就產(chǎn)生一次采樣測(cè)量結(jié)果，由于采樣結(jié)果數(shù)據(jù)樣本非常龐大，實(shí)際數(shù)據(jù)分析時(shí)將數(shù)據(jù)樣本以爐次為單位分割，只是隨機(jī)抽取多個(gè)爐次進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1是根據(jù)本文所述方法估算出的多個(gè)爐次出鋼和測(cè)溫取樣階段的T(θ)繪制的曲線，其中每一條曲線代表一個(gè)爐次的測(cè)量結(jié)果。由于這兩個(gè)階段都屬于轉(zhuǎn)爐滿載階段，特別是測(cè)溫取樣階段，所以將兩個(gè)階段的波形繪制在了一起。多條曲線反應(yīng)出的宏觀趨勢(shì)是大致相同的，如轉(zhuǎn)矩最大位置在75°和-60°左右，最大合成轉(zhuǎn)矩值不超過(guò)2500kN·m。

圖2是根據(jù)本文所述方法估算出的多個(gè)爐次倒渣階段的T(θ)繪制的曲線，由于該階段爐內(nèi)沒(méi)有鋼液，其相比上圖的帶鋼水時(shí)轉(zhuǎn)矩小了不少。

圖3是根據(jù)本文所述方法估算出的多個(gè)爐次加料階段的T(θ)繪制的曲線。由于每次轉(zhuǎn)爐內(nèi)殘留物的不確定性，該階段不同爐次的轉(zhuǎn)矩曲線差異較大，整體趨勢(shì)規(guī)律不明顯。

圖1 出鋼和測(cè)溫取樣階段T(θ)曲線

圖2 倒渣階段T(θ)曲線

圖3 加料階段T(θ)曲線

綜上分析，雖然加料和倒渣階段的轉(zhuǎn)矩變化不規(guī)律，但這兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，工程設(shè)計(jì)中對(duì)這兩個(gè)階段的轉(zhuǎn)矩值并不太關(guān)心。對(duì)轉(zhuǎn)矩變化的重點(diǎn)分析和研究應(yīng)放在測(cè)溫取樣和出鋼階段，而本文所述的轉(zhuǎn)矩測(cè)算方法較好的測(cè)算出該階段的轉(zhuǎn)矩大小，通過(guò)多個(gè)爐次的數(shù)據(jù)分析，我們可以得到轉(zhuǎn)矩變化的規(guī)律及變化范圍。

4 轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩理論計(jì)算

針對(duì)上述實(shí)測(cè)鋼廠210t轉(zhuǎn)爐，運(yùn)用Solidedge建模法計(jì)算該轉(zhuǎn)爐的傾動(dòng)力矩理論值：

1)建立爐殼模型如圖4。

圖4 爐殼模型圖

由模型可得到爐殼重量222t，爐殼重心高度4239mm。

2)建立爐襯模型如圖5。

圖5 爐襯模型圖

由模型可得到爐襯重量505t，爐襯重心高度3266mm。

3)計(jì)算合成空爐重量及重心高度

合成后得到空轉(zhuǎn)爐重量727t，合成重心高度3563.12mm。

4)建立液態(tài)鋼水模型，建?；A(chǔ)如下：

出鋼量210t

鐵水裝入量1.13×210=238t

爐渣重量約合26t

液體體積(238+26)/6.85=38.54m3

模型坐標(biāo)原點(diǎn)為耳軸處，按轉(zhuǎn)爐每旋轉(zhuǎn)5°分別對(duì)液態(tài)鋼水從0°位置旋轉(zhuǎn)到115°的位置建立鋼水模型如圖6。

圖6 鋼水模型圖

由模型得到鋼水重心坐標(biāo)如表1。

表1 鋼水重心表

續(xù)表1

注：體積誤差<1%

5)將上述建模得到的重心導(dǎo)入EXCEL進(jìn)行合成見(jiàn)表2。

表2 合成力矩表

6)利用EXCEL將上表合成力矩?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為合成力矩曲線(未考慮摩擦)如下圖7。

圖7 合成力矩曲線

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述針對(duì)某鋼廠210t轉(zhuǎn)爐實(shí)測(cè)法和理論計(jì)算法得到的轉(zhuǎn)爐最大傾動(dòng)力矩值比較發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)法得到的轉(zhuǎn)爐最大傾動(dòng)力矩值約為理論計(jì)算的75%，這將為下一階段研究?jī)?yōu)化轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩的理論計(jì)算方法提供依據(jù)。同時(shí)本文提出的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩在線實(shí)測(cè)法與傳統(tǒng)的貼片法相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

1)無(wú)需增加安裝測(cè)量設(shè)備，僅利用工廠現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備即能完成測(cè)量工作，投資省，操作方便。

2)可以連續(xù)不斷的采集轉(zhuǎn)爐力矩、轉(zhuǎn)速、角度值，這樣有利于獲得全爐役的數(shù)據(jù)資料。

3)所有數(shù)據(jù)都在正常生產(chǎn)工況下采集，而非實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)更接近實(shí)際過(guò)程，更具有研究?jī)r(jià)值。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第五版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

[2]譚牧田.氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1983.

[3]王巖等.扭矩測(cè)量方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2010(12).

Online Measurement Method and Analysis of Converter Tilting Torque

Yan Shu Cai Wei

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

In this paper, there is a big difference for converter tilting torque of theoretical calculation and actual values, presented a method for online measurement method to the converter tilting torque and data analysis. At the same time, carried out the corresponding theoretical calculations. On this basis, by comparing the actual value with the theoretical value found that the former is about 75% of the latter. This will provide a basis for optimizing the theoretical calculation method of converter tilting torque.

Converter Tilting torque Theoretical calculation Online Measurement Data analysis

嚴(yán)淑，女，1977年出生，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士，高級(jí)工程師，從事機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)研究及創(chuàng)新方法推廣

TF748.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.008

2015—03—16)