魏 玲，章文超

(寶鋼工程技術集團有限公司，上海 201999)

0 前言

轉爐本體系統(tǒng)由爐殼(包括爐口、爐襯、擋渣板)、爐體支撐系統(tǒng)(托圈、軸承座)、傾動裝置、旋轉接頭、本體配管及防護罩等組成。轉爐爐殼工作的特點是高溫(1 400 ℃以上)、重載荷、頻繁轉動，爐殼工作時溫度最高部位可達400 ℃以上，尤其是爐役后期，由于耐材的蝕損，使溫度更高。由于爐殼各部位受熱不均，其在爐殼軸向、徑向和圓周方向產生溫度梯度而引起熱應力，且受熱后爐襯的膨脹也對爐殼產生熱膨脹應力。

轉爐本體冷卻系統(tǒng)可降低爐殼溫度和溫度梯度，提高設備壽命，因此，轉爐本體冷卻系統(tǒng)不僅具有一定的經濟性，更重要的是提高爐殼運行安全性。本文分析了湛江350 t轉爐本體冷卻系統(tǒng)的設計的相關問題，對大型轉爐本體冷卻系統(tǒng)設計提供一些借鑒意見。

1 轉爐本體冷卻系統(tǒng)設計的必要性

轉爐本體進行冷卻的目的：一是降溫改善材質溫度環(huán)境而提高其物理性能，減少塑性變形量；二是降低溫度梯度，減少材料因溫度不均而形成的內應力。強化爐殼冷卻條件從而減低爐殼工作溫度，這是減緩爐殼變形的有效手段，在爐役后期，蠕變變形速度隨爐殼溫度上升而急劇上升。如果采取有效冷卻措施控制爐殼的工作溫度在蠕變溫度之下，就可以有效的抑制爐殼的變形、延長爐殼的使用壽命。同時合理的爐殼和耐材材料，也可以有效提高設備壽命。

1.1 鋼板材質

轉爐用的鋼材材質的好壞直接影響到爐齡和冶煉。材料要求有較好的高溫抗蠕變性能和焊接性能。湛江350轉爐本體設備采用寶鋼自主研發(fā)鋼板SM400ZL，SM400ZL強度高，蠕變速率小，具有良好的抗高溫形變能力。其理化性能指標如下[1]：在450 ℃高溫下，σs≥175 MPa，最小蠕變速率2.6%/1000 h。

表1 SM400ZL理化性能指標

1.2 爐型和耐材[2]

湛鋼轉爐爐殼為軸對稱回轉體結構，由爐口、爐帽、爐身、爐底組成，如圖1所示。為了保護爐口，采用循環(huán)水強制冷卻的水冷爐口，爐帽配有水冷環(huán)管。湛鋼轉爐仍選用鎂碳磚作為工作層爐襯，鎂磚作為永久層爐襯，其抗蝕性能好，抗熱震性高，不易剝落，可以提高爐齡。但其導熱系數高，比鎂白磚爐襯的導熱系數增加3～4倍，配置水冷、風冷系統(tǒng)控制爐殼溫升及設備變形[3]。

圖1 爐殼及托圈裝配

2 湛江350t轉爐本體冷卻系統(tǒng)設計

2.1 總體設計思路

爐口、爐帽及托圈采取水冷方式，爐腹采取風冷方式。爐口及爐帽均采用6路獨立控制的水冷，很好的控制了爐口變形量和爐帽部分爐體鋼板的溫度梯度。對爐口爐帽進行冷卻后的循環(huán)水匯總進托圈內腔，對托圈進行冷卻及均衡溫度的作用，以確保托圈材料的物理性能穩(wěn)定。轉爐爐身段采用風冷，對空氣流通性相對較差的爐殼圓筒段區(qū)域進行散熱降溫。冷卻系統(tǒng)本著科學合理的機構設計，在滿足水量和風量要求的同時，力求受力合理，安全可靠[4]。

湛鋼轉爐本體冷卻系統(tǒng)有6路爐口進水。6路爐帽進水，1路滑板擋渣冷卻水，共計13路冷卻水和8個底吹風管，都從旋轉接頭的非驅動側耳軸進入[5]。冷卻水流量150 t/h，冷卻空氣風量32 325 m3/h。爐體和托圈冷卻介質走向如圖2所示。

2.2 爐口、爐帽的冷卻設計

水冷爐口采用蛇形折曲鑄鐵埋管式水冷爐口，共分為六塊，用經退火處理的球墨鑄鐵和高壓鍋爐用無縫鋼管鑄造，并進行磁粉探傷檢查。六塊水冷爐口都獨立供水，如果一塊出現漏水事故，可以單獨切斷這路水，其他爐口還可正常工作[8]。

2.3 盤式風箱旋轉接頭設計

由于爐口爐帽設置了12路獨立冷卻水進水，1路總回水，底吹8路獨立控制管線，以及滑板擋渣介質管線[8]，湛江350 t轉爐兩側旋轉接頭相當復雜，而且由于進風管受轉爐耳軸中心孔通徑的限制，耳軸通道的壓力損失大，風冷能力得不到充分發(fā)揮。為了既滿足了風量所需要的通徑，又避免對耳軸強度造成影響，湛江350 t轉爐爐腹冷卻的風管采取了旋轉風箱盤的型式，避開兩側耳軸和旋轉接頭，獨立自成一路通道，該設計在國內僅寶鋼應用。

風箱主要由固定盤(連接進風管)，旋轉箱體(與托圈、耳軸焊接固定)。固定盤上有六個定位導輪與旋轉箱體配合，確保同軸度，固定盤兩側均與旋轉箱體板盤根密封，其壓緊松緊度可由一組碟形彈簧螺栓調節(jié)，運行后，盤根必然出現磨損，碟形彈簧壓緊力會保持固定盤兩側始終處于壓緊狀態(tài)，直至盤根需更換。

圖2 爐體和托圈介質流程圖

風冷系統(tǒng)從風機到分配總管之間的管道通徑(通風截面積)必須確保的風冷流量，在耳軸中間鉆孔作為風冷通道，由于孔徑過小會因風阻過大而無法保證流量，則孔徑過大影響耳軸的受力情況，因此需要滿足設計風量的最小截面面積。采用了風箱盤旋轉接頭的設計型式，利用了托圈和耳軸連接處周邊的狹窄空間，從而保證了足夠的通風面積，實現了設計要求。盤式風箱旋轉接頭結構形式如圖3所示。

圖3 盤式風箱旋轉接頭

2.4 大軸套介質分配設計

采用水氣套分配介質，托圈內部無管路，施工、檢修方便；介質配管進出集中區(qū)域，水氣套配置方式因介質管道均在顯眼位置，易于發(fā)現隱患，且流程更短，故障點少，更安全。大軸套水氣套設計如圖4和圖5所示。

圖4 大軸套介質分配配管

圖5 非驅動側軸承座剖面

獨立設置的大軸套，在大軸套上鉆很多介質孔，本身是為了提高設備的安全性和維修的便利性，因多孔且有轉角，鉆頭夾角易形成多處應力集中發(fā)生點，而且在耳軸上直接鉆孔，這些應力集中發(fā)生點都在耳軸的內部，無法察覺，一旦應力集中產生細小裂紋，裂紋會隨時間推移從耳軸內部逐步擴散，等發(fā)現裂紋已擴散至耳軸表面，耳軸就處于極危險的工況下，有重大安全隱患。采用獨立大軸套穿孔，完全改變了受力情況，耳軸受力只有軸承處對軸套的徑向傳力，孔底部的尖角不受力，從源頭上消除了安全隱患，且如有故障，只需更換軸套，而不是耳軸托圈報廢。

2.5 托圈的冷卻設計

托圈本體上部蓋板僅開3個小孔，最大程度上減少整個托圈應力集中點，保證了托圈本體的安全性。2個孔作為爐帽和爐口冷卻后的冷水進入托圈均溫的進水口，1個孔作為滑板擋渣(2路液壓油，21 MPa，1路壓縮空氣，0.8 MPa)的出口。由于驅動側耳軸有滑板擋渣的液壓管路，有漏油的風險，可能會混進冷卻水，沒有對驅動側耳軸進行冷卻。以免冶煉噴濺損壞管路。

托圈內腔布置有內隔板、密封板和導水管。內隔板和密封板將托圈分成四個大空腔，當水位達到托圈頂部，通過導水管使水流從一個腔流到另一個腔中，保證了托圈內部的高水位。由于出水口進水試壓會導致很多的空氣憋氣，設計試壓內部管路注水方向應從進水口一側。為了試壓方便，在適當位置設排氣閥門，并將托圈內所有筋板上部開孔，已確?？諝庾畲蟪潭鹊呐趴?。注水用灑水車效果很好。

圖6 托圈內部配管

3 設備運行

出鋼側不設置軟管，以防軟管漏水進入鋼包發(fā)生事故。出鋼側設托圈防護板以防止出鋼過程中鋼水濺到托圈上引起事故[6]，而且可以阻擋鋼水對托圈的熱輻射。由于不便于更換，托圈與爐體之間不設軟管，但為了適應托圈和爐體間的相對位移，該處的固定管夾設置盡量遠離，給硬管較大的變形空間。分配器、手動閥門、軟管等均設置在工作人員便于操作處。

爐體和托圈的連接采用串聯方式，先冷卻爐體，后匯總進入托圈冷卻。流量和溫升都可滿足設計需求。由于滑板擋渣液壓管路壓力等級高，為了便于管理，避免與其他管路互相影響，液壓管路采用專用旋轉接頭，與其他介質旋轉接頭分開設置。為了軟管更換方便，底吹配管設置一段短軟管，底部設分體獨立防護罩，蓋子打開面積大，短軟管更換時只需打開對應的罩子。

湛鋼轉爐設備目前運行已有3年，現場監(jiān)測爐帽溫度在170 ℃、爐腹風冷段100 ℃、托圈80 ℃左右，其余部位也都控制在鋼板材料蠕變溫度以下，爐殼和托圈之間隙值設計值為250 mm，使用至今無變化。設備目前運行狀態(tài)良好。

4 大型轉爐本體冷卻系統(tǒng)對比分析

湛江350 t轉爐本體冷卻系統(tǒng)采用大風量空冷設計，冷卻效果更好，水冷系統(tǒng)操作便利。湛鋼轉爐的冷卻方式與國內某兩個大型轉爐本體的對比見表2。

表1 轉爐本體冷卻系統(tǒng)對比

為了達到大風量30 000 Nm3/h的冷卻要求，若將耳軸中心孔和旋轉接頭作為通風管道，在滿足常規(guī)設計風速15～20 m/s的前提下，風管通徑需達到720 mm。而耳軸中心開孔直徑如設計尺寸大于450 mm，將對耳軸強度有較大影響(通徑由450增大到500，則耳軸最大應力到516 MPa，增加幅度約120 MPa)，而且旋轉接頭在此空間條件下也很難做到這么大通徑。如通徑取450 mm，風速則達到約52.4 m/s，風速過大會造成巨大噪聲和震動，同時會造成風阻增大，能耗增大，使得風機壓頭壓力變大，要求的風機功率也需要增加。因此采用之前常規(guī)旋轉接頭和耳軸中心孔的方式，難以實現大風量冷卻。采用旋轉風箱盤的結構，有效增大了通風截面，避免了風管通路的縮徑問題。

湛江350 t轉爐冷卻水系統(tǒng)，1路進水總管接從驅動側旋轉接頭進水口，旋轉接頭分13路出水口，分別與耳軸端部的13個冷卻水開孔通過管道連接，并在此設置截止閥。每路冷卻水從耳軸開孔引入爐體后，爐體上進水管路上無需再設置截止，爐體上每路回水均設置逆止閥。該設計可以實現某爐體冷卻水有泄露故障時，在轉爐主操作平臺關閉相應水路的截止閥就可關閉該路水循環(huán)，操作安全便捷，且對生產的影響最小。

5 結束語

(1)湛江350 t大型轉爐冷卻系統(tǒng)包括爐口水冷、爐帽水冷、爐腹空冷、托圈內部水冷的冷卻。冷卻管路復雜，在滿足水量和風量要求的同時，力求受力合理，保證運行安全可靠。

(2)盤式風箱旋轉接頭設計，大軸套介質分配管設計，這種設計在國內僅寶鋼應用。對于多管路布置下，使托圈及耳軸最大程度減少強度損失，以及應力集中的發(fā)生。并且易于發(fā)現隱患，流程更短，故障點少。

(3)爐殼和托圈間的間隙，是爐體壽命的重要影響因素。設備運行三年至今，監(jiān)測數據顯示，爐殼溫度一直控制在材料蠕變溫度以下，設備變形率小，冷卻系統(tǒng)行之有效。