郭樹柏

(北京首鋼股份有限公司，河北遷安064400)

在鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)爐冶煉設(shè)備中，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置屬于重要關(guān)鍵設(shè)備，通過傾動(dòng)裝置所輸出的扭矩來使轉(zhuǎn)爐本體連續(xù)正反轉(zhuǎn)，并能平穩(wěn)而準(zhǔn)確地停止在任意角度的位置上，以滿足兌鐵水、加廢鋼、加料、取樣、測溫、出鋼、出渣以及返回等工藝操作要求［1］。它的結(jié)構(gòu)形式主要包括：落地式、半懸掛式、全懸掛式傾動(dòng)裝置等多種。目前，國內(nèi)外200—300 t級的轉(zhuǎn)爐驅(qū)動(dòng)裝置較多選用了多點(diǎn)嚙合全懸掛柔性支撐的傾動(dòng)裝置。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置主要由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、一級減速機(jī)、二級減速機(jī)、柔性支撐裝置等部件組成。如圖1所示為四點(diǎn)嚙合全懸掛柔性支撐傾動(dòng)裝置示意圖。

這種多驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于：一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生事故，其它系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作，即事故狀態(tài)下處理能力強(qiáng)，安全性好；其次，能充分發(fā)揮大齒輪的作用，單個(gè)齒傳力減小，設(shè)備重量和尺寸也相應(yīng)減少，能夠很好的適應(yīng)傾動(dòng)力矩大，啟、制動(dòng)頻繁，承受較大的動(dòng)載荷等工作特點(diǎn)［2］。

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置故障類型有機(jī)械、電氣、工藝操作、設(shè)計(jì)故障等四個(gè)方面，其中，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，以機(jī)械和電氣原因造成的傾動(dòng)裝置故障的案例居多。

圖1 四點(diǎn)嚙合全懸掛柔性支撐傾動(dòng)裝置示意圖Fig.1 Diagram of tiltingdevice of full suspension flexible support with four-point meshing

根據(jù)傾動(dòng)裝置產(chǎn)生故障類型不同，采取的措施也不盡相同。本文主要研究假設(shè)當(dāng)四臺一次減速機(jī)系統(tǒng)中任意一套裝置發(fā)生故障而不能正常工作時(shí)，而另外三套系統(tǒng)能夠正常工作，通過分析和校核另外三套減速機(jī)系統(tǒng)能否驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐安全可靠地完成冶煉工作，確定正常冶煉的工作條件，制定相應(yīng)應(yīng)急措施，最終達(dá)到轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)安全可靠工作和降低事故經(jīng)濟(jì)損失的目的。

1 傾動(dòng)裝置事故狀態(tài)下可靠性分析

通過轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)工作原理分析可以知道，只要三臺一次減速機(jī)和電機(jī)在額定參數(shù)內(nèi)工作，而不發(fā)生嚴(yán)重過載現(xiàn)象且啟、制動(dòng)安全可靠就可以視為三臺一次減速系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐實(shí)現(xiàn)煉鋼冶煉任務(wù)。即：事故狀態(tài)下傾動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大力矩不小于轉(zhuǎn)爐最大傾動(dòng)力矩。

查閱設(shè)計(jì)單位技術(shù)資料，了解到某公司210T轉(zhuǎn)爐最大力矩為出鋼過程中傾動(dòng)到55°時(shí)，此時(shí)力矩為237991 kg·m，最小力矩為傾動(dòng)到89°時(shí)，此時(shí)力矩為8939 kg·m。考慮預(yù)留力矩系數(shù)k，主要是防止考慮不到的因素發(fā)生，甚至造成轉(zhuǎn)爐傾翻事故而選擇的系數(shù)，一般取k=1.1—1.25。

所以該廠210T轉(zhuǎn)爐最大傾動(dòng)力矩

式中：Mmax—轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置最大輸出傾動(dòng)力矩；

K—預(yù)留力矩系數(shù)；

M—正常冶煉過程中轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)產(chǎn)生的最大力矩。

1.1 減速機(jī)可靠性分析

查閱該公司2#轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)裝置相關(guān)技術(shù)資料見表1所示。

表1 傾動(dòng)系統(tǒng)減速裝置技術(shù)性能表Table1 Technicalperfor mance table of decelerator in tilting system

由表1可知，三臺一次減速系統(tǒng)所能提供最大的傾動(dòng)力矩為：

式中：M3—3臺傾動(dòng)裝置工作時(shí)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置最大輸出傾動(dòng)力矩；

Me—轉(zhuǎn)爐最大傾動(dòng)力矩，如表1可查Me=420000 kg·m；

其他符號與前文意義相同。

因此，三臺一次減速機(jī)運(yùn)行安全可靠，能夠滿足事故狀態(tài)下的轉(zhuǎn)爐冶煉要求，而不發(fā)生減速機(jī)斷齒、斷軸、軸承損壞等事故。

1.2 電機(jī)可靠性分析

查閱該公司2#轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)資料見表2所示。

表2 傾動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能表Table 2 Technical perfor mance table of tilting system motor

由表2可知電動(dòng)機(jī)額定功率P0=110 k W，電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，所以電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為：

式中：T0—電動(dòng)機(jī)額定功率；

n0—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

三臺電機(jī)工作時(shí)所能提供的最大轉(zhuǎn)矩為：

式中：T3—三臺電機(jī)同時(shí)工作所提供的最大轉(zhuǎn)矩之和；

η電—電動(dòng)機(jī)機(jī)械效率，取η電=0.99；

T0—單臺電機(jī)額定輸出轉(zhuǎn)矩，N·m。

將T0=1616 N·m；η電=0.99帶入(4)式中，得T3=4800 N·m。

轉(zhuǎn)爐正常冶煉所需每臺電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率為：

式中：T實(shí)—每臺電機(jī)實(shí)際輸出功率；

ηΣ—傾動(dòng)機(jī)械的總機(jī)械效率。取ηΣ=0.9；

g—重力加速度，9.8N/kg；

ψ—正常操作時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的個(gè)數(shù)，ψ=3；

iΣ—傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比，由表1可知iΣ=624.708［3］。

因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩小于轉(zhuǎn)爐冶煉所需電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩，即T0＜T。因此需要核算電機(jī)過載系數(shù)。電機(jī)的過載系數(shù)：

式中：T實(shí)—電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩；

T0—電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

因此，傾動(dòng)系統(tǒng)所選電機(jī)過載系數(shù)大于1.03即可滿足三電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)正常工作，由表2可知該鋼廠210T轉(zhuǎn)爐所選電機(jī)短時(shí)過載能力為3，啟動(dòng)過載能力為1.8。所以，四臺電機(jī)中有任意三臺正常工作就能夠滿足轉(zhuǎn)爐的正常冶煉，而不發(fā)生電機(jī)過載燒損事故發(fā)生。

如若保證電機(jī)在不發(fā)生過載的情況下工作，可以通過降低轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)傾動(dòng)系統(tǒng)輸出力矩滿足轉(zhuǎn)爐冶煉要求，即：

求得n≤0.76 r/min。即轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)速度不大于0.76 r/min時(shí)，任意三臺電動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全可靠，能夠滿足事故狀態(tài)下的轉(zhuǎn)爐冶煉要求，而不發(fā)生電機(jī)過載故障。

1.3 制動(dòng)器可靠性分析

查閱該公司2#轉(zhuǎn)爐相關(guān)技術(shù)資料見表3所示。

式中：N—電動(dòng)機(jī)需要的功率，k W；

Mmax—轉(zhuǎn)爐計(jì)算最大傾動(dòng)力矩，kg·m，

Mmax=285589 kg·m；

ηΣ—傾動(dòng)機(jī)械的總機(jī)械效率。計(jì)算取ηΣ=0.9；

ψ—操作時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的個(gè)數(shù)；

n—轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速，r/min。

式中：K1—考慮到電壓降引起力矩誤差，以及傾動(dòng)力矩計(jì)算誤差，取K1=1.2；K2—考慮到多電動(dòng)機(jī)傾動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)不同步造成的力矩誤差，取K2=1.1［4］。

將N=110k W；ηΣ=0.9；ψ=3；K=1.32代入(7)式得：

表3 傾動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)器技術(shù)性能表Table 3 Technical perfor mancetable of tilting systembrake

轉(zhuǎn)爐正常生產(chǎn)所產(chǎn)生的力矩有轉(zhuǎn)爐靜力矩和轉(zhuǎn)爐動(dòng)力矩兩部分組成，即：制動(dòng)力矩為

式中：M j—轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩反作用產(chǎn)生的靜力矩；

M dz—有轉(zhuǎn)爐及傾動(dòng)機(jī)械慣性力矩在制

動(dòng)軸上產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，單位是kg·m。

式中：ηΣ—傾動(dòng)機(jī)械的總機(jī)械效率，取ηΣ=0.9；

其它符號意義及單位同前。

已知飛輪矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)系如下式所示：

式中：(GD2)—飛輪矩，單位kg·m2；

g—重力加速度，g=9.81 m/s2；

I—轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，類比相關(guān)資料可知功率為110KW電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.096 kg·m，聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.06 kg·m［5］。

通過上式可以計(jì)算得聯(lián)軸器飛輪矩G1D2=4×9.81×0.06=2.35 kg·m2，電動(dòng)機(jī)飛輪矩G2D2=4×9.81×0.096=3.77 kg·m2。

轉(zhuǎn)爐及其傾動(dòng)機(jī)械折合到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪矩總和為：

式中：GD2—轉(zhuǎn)爐及其傾動(dòng)機(jī)械折合到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪矩，單位kg·m2；

G1D2—電動(dòng)機(jī)與減速機(jī)間的聯(lián)軸器飛輪矩，單位kg·m2；

G2D2—電動(dòng)機(jī)飛輪矩，單位kg·m2。

將G1D2=2.35 kg·m2，G2D2=3.77 kg·m2帶入(13)式：

式中：Mdz—轉(zhuǎn)爐及傾動(dòng)機(jī)械慣性力矩在制動(dòng)軸上產(chǎn)生的動(dòng)力矩，單位是kg·m；

tz—制動(dòng)時(shí)間，取3 s；

n—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

ΣGD2—轉(zhuǎn)爐及其傾動(dòng)機(jī)械折合到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪矩總和［6］。

因此，將Mj=543.10 kg·m，Mdz=14.59 kg·m帶入(10)式

可得制動(dòng)力矩：Mz=543.10+14.59=557.69 kg·m。

式中：ψ—制動(dòng)器正常工作的個(gè)數(shù)；ξ—n個(gè)制動(dòng)器不同步造成制動(dòng)力矩減小，需增加的安全系數(shù)，當(dāng)ψ大于2時(shí)，取1.1—1.15；

［Mz］—制動(dòng)器額定制動(dòng)力矩，單位kg·m。

將Mz=557.69 kg·m帶入(15)式計(jì)算得：

由表3可知，該公司2#轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置選用YWZE-710/300型制動(dòng)器JB/ZQ438-86通電持續(xù)率JC=25%，［MZ］=700 kg·m，故制動(dòng)安全可靠，能夠滿足事故狀態(tài)下的轉(zhuǎn)爐冶煉要求，而不發(fā)生溜車故障。

1.4 故障狀態(tài)下的應(yīng)急措施

轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，操作人員要第一時(shí)間通知設(shè)備技術(shù)人員到現(xiàn)場確定造成故障的初步原因，并立即向相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)，設(shè)備技術(shù)人員到現(xiàn)場后明確設(shè)備能否繼續(xù)使用，并指導(dǎo)操作人員完成事故狀態(tài)下的傾動(dòng)操作。

在轉(zhuǎn)爐非滿負(fù)荷冶煉狀態(tài)下，由于轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩較小，當(dāng)其中任意一套一次減速機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，其他3套傾動(dòng)一次減速機(jī)系統(tǒng)能夠很容易滿足使用要求，操作工可以正常的轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)轉(zhuǎn)速完成搖爐倒渣等作業(yè)，盡快交設(shè)備管理人員進(jìn)行故障處理。

在轉(zhuǎn)爐滿負(fù)荷冶煉狀態(tài)下，只有3套傾動(dòng)一次減速機(jī)系統(tǒng)能正常工作時(shí)，一方面，操作人員要將氧槍提升到高位，并關(guān)閉氧槍進(jìn)回水閥門。另一方面，操作人員立即通知設(shè)備技術(shù)人員到現(xiàn)場確認(rèn)傾動(dòng)系統(tǒng)故障情況，并向相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行匯報(bào)，設(shè)備技術(shù)人員在確認(rèn)現(xiàn)場設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)搖爐操作時(shí)，指導(dǎo)操作人員以轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)速度低于0.76 r/min的搖爐速度出鋼，并安排電工在配電室實(shí)時(shí)監(jiān)測傾動(dòng)電機(jī)電流情況，超過安全閾值時(shí)，進(jìn)一步降低搖爐速度，以安全完成出鋼操作。此外，要在出鋼區(qū)域設(shè)置警戒線，現(xiàn)場無關(guān)人員全部撤離，防止事故損失擴(kuò)大。

事故狀態(tài)下主要措施是通過控制轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)安全冶煉，而轉(zhuǎn)爐的轉(zhuǎn)速在傳動(dòng)系統(tǒng)一定的情況下主要取決于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速。根據(jù)不同傾動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)選型不同，電機(jī)的過載能力就會(huì)存在差異，因此在冶煉過程中出現(xiàn)傾動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，從安全的角度考慮，操作時(shí)應(yīng)盡可能的降低轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速，操作要平穩(wěn)，盡量避免出現(xiàn)頻繁正反轉(zhuǎn)，以降低對傾動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的沖擊載荷，進(jìn)一步保證傾動(dòng)機(jī)構(gòu)操作的安全可靠性。

2 結(jié)論

本文通過對轉(zhuǎn)爐一次傾動(dòng)裝置的減速機(jī)、電機(jī)、制動(dòng)器的校核分析，確定了當(dāng)四點(diǎn)嚙合全懸掛柔性支撐的傾動(dòng)裝置中任意一套一次傾動(dòng)裝置出現(xiàn)故障時(shí)，其它三套一次傾動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。此外，本文還制定了在三臺電機(jī)工作的工況下，通過控制轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)速的方式來實(shí)現(xiàn)事故情況下安全完成冶煉工作的有效措施。以某鋼廠210T轉(zhuǎn)爐相關(guān)參數(shù)為例，從理論計(jì)算的角度，給從事轉(zhuǎn)爐設(shè)備管理的技術(shù)人員提供一種傾動(dòng)系統(tǒng)在事故狀態(tài)下工作的可靠性校核的方法，對轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)裝置發(fā)生事故如何將經(jīng)濟(jì)損失降到最低有著巨大的借鑒意義。