張皓天

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

煉鋼轉(zhuǎn)爐是鋼鐵企業(yè)煉鋼廠的核心設(shè)備，主要作用是將高爐冶煉出的鐵水同配加的廢鋼、鐵合金一起，利用鐵水本身物理熱量及通過一系列的化學反應(yīng)，再采用規(guī)定工藝動作進行處理，冶煉出所需的鋼水。轉(zhuǎn)爐設(shè)備組主要由傾動裝置、托圈裝置、軸承座裝置、爐殼裝配、懸掛系統(tǒng)及相應(yīng)的潤滑與水氣配管組成。隨著國家對鋼鐵企業(yè)的環(huán)保要求日趨嚴格，以及在國家化解鋼鐵產(chǎn)能過剩并提升鋼鐵品質(zhì)的大背景下，我國眾多鋼鐵企業(yè)開始實施產(chǎn)能置換或者企業(yè)退城項目。因此，當前我國各地鋼廠需要升級改造大量的轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備。

1 改造背景

以某鋼鐵企業(yè)原出鋼量為130~140t的轉(zhuǎn)爐設(shè)備為原型，通過對其進行一系列的技術(shù)改造，最終使其出鋼量達到180t。其原參數(shù)如下：傾動輸出轉(zhuǎn)速為0.1~1.4 r/min；傾動輸入轉(zhuǎn)速為735 r/min；傾動電機功率為132 kW；爐殼直徑及高度為Φ6 950 mm×9 445 mm；托圈相關(guān)參數(shù)為Φ7 400 mm（內(nèi)徑）×Φ9 000 mm（外徑）×2 100 mm（高度）；轉(zhuǎn)爐懸掛形式為三點球鉸上懸掛；爐殼砌磚后容量為140 m3；轉(zhuǎn)爐出鋼量為140 t。

因受場地及投入資金限制，現(xiàn)用戶要求在原土建基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)爐爐體不改變的前提下對整套轉(zhuǎn)爐設(shè)備進行升級改造，要求升級后轉(zhuǎn)爐出鋼量達到180 t，輸出轉(zhuǎn)速提升至1.5 r/min，并且隨著資金投入、設(shè)備變更，改造周期要盡可能小。

2 改造技術(shù)分析

按照擴容后相應(yīng)的力能要求對該轉(zhuǎn)爐設(shè)備的原有參數(shù)進行計算分析，并與某公司歷年來設(shè)計制造的出鋼量在180~200 t的轉(zhuǎn)爐相關(guān)技術(shù)參數(shù)進行對比，可以得出：

1）原轉(zhuǎn)爐托圈裝置的耳軸直徑尺寸，相應(yīng)鋼板厚度、軸承座軸承型號、爐體鋼板厚度及設(shè)備相關(guān)土建基礎(chǔ)均可以滿足擴容后（出鋼量180 t）設(shè)備的使用要求，不需要做相應(yīng)變更。

2）托圈內(nèi)外徑尺寸為Φ7 400 mm（內(nèi)徑）×Φ9 000 mm（外徑）及爐體尺寸為Φ6 950 mm×9 445 mm，與標準180 t轉(zhuǎn)爐設(shè)備相比較小，并不能很好滿足擴容要求，但由于用戶已經(jīng)明確要求爐殼部分要利舊，因此爐殼與托圈不再做變更升級，可采用減小相應(yīng)爐殼砌磚厚度、增加爐殼容積的方法滿足用戶擴容要求。

3）因涉及到轉(zhuǎn)爐擴容及提速，經(jīng)過計算，原傾動裝置并不能滿足設(shè)備要求。具體表現(xiàn)為：輸出轉(zhuǎn)速較低，不滿足要求；扭力桿直徑為290 mm，在轉(zhuǎn)爐擴容后，扭轉(zhuǎn)角太大，其危險截面應(yīng)力接近許用應(yīng)力，有發(fā)生斷裂的風險；電機功率132 kW，無法滿足擴容要求；擴容后某些齒輪與齒輪軸強度較低，主要是二次減速機大齒輪接觸與彎曲強度不夠，一次減速機齒輪齒軸計算強度較富余，且第三軸與第四軸的軸承壽命不滿足使用要求。因此，需要整體更換升級傾動裝置，并要滿足用戶土建尺寸及中心高度不變的要求。經(jīng)對齒輪計算的結(jié)果見表1，對軸承計算的結(jié)果見表2。

表1 改造前齒輪強度安全系數(shù)計算結(jié)果

表2 改造前軸承（進口）壽命情況

4）原轉(zhuǎn)爐懸掛系統(tǒng)為三點球鉸支撐形式，其支撐螺栓直徑為Φ260 mm。通過對其進行受力分析得出：其尺寸無法滿足轉(zhuǎn)爐擴容要求，需要對其加強升級改造，并且在國內(nèi)其他企業(yè)中，該型號支撐螺栓在出鋼量為180~200 t時有出現(xiàn)過斷裂的情況。

3 設(shè)計改造方案

通過技術(shù)分析，現(xiàn)需要對用戶的整套傾動裝置、轉(zhuǎn)爐懸掛裝置進行爐殼砌磚的設(shè)計改造，具體如下：

1）爐形改造。因轉(zhuǎn)爐煉鋼時鐵水及廢鋼等并不是直接盛裝在爐殼內(nèi)，而是需在砌筑有耐火磚的爐殼內(nèi)部發(fā)生相應(yīng)化學反應(yīng)。因此，爐殼砌磚后的空間與轉(zhuǎn)爐出鋼量有著直接的關(guān)系。爐容比值太小容易發(fā)生噴濺、溢渣等風險，爐容比太大會增加無效能耗與投資，因此爐容比太大或者太小都不可行。對用戶原轉(zhuǎn)爐砌筑后，爐體容積僅為140 m3，在出鋼量為180 t的情況下，其爐容比為0.78，爐容比太小，遠不能滿足擴容要求，而且用戶明確要求爐殼部分要利舊，經(jīng)分析得出原轉(zhuǎn)爐爐殼砌磚厚度較厚，留有一定富余量。因此，可采取適當減小爐殼砌磚厚度來增加爐殼容積的方案，但該方案也存在缺點，即砌磚厚度減薄后會減少轉(zhuǎn)爐爐役，增加爐殼鋼板產(chǎn)生的熱影響與熱應(yīng)力。不過用戶經(jīng)結(jié)合轉(zhuǎn)爐擴容后的投入產(chǎn)出比及對爐殼鋼板材質(zhì)與厚度分析，認為該方案是可以被接受的。最終在改變爐殼砌磚后，爐體容積達到157 m3，在出鋼量為180 t時的爐容比達到0.87，勉強可以滿足其擴容出鋼要求。

2）傾動改造。對擴容后的轉(zhuǎn)爐進行力矩計算，得出其最大傾動力矩為3 800 kN·m，按此力矩對傾動裝置進行強度計算得出：原有傾動裝置不能滿足使用要求，主要為傾動電機、扭力桿、傾動裝置二次減速機齒輪強度及一次減速機部分軸承壽命不滿足使用要求，且傾動裝置最大輸出轉(zhuǎn)速也需由1.4 r/min提升至1.5 r/min，因此，需對整套傾動裝置進行升級。具體改造方案為：根據(jù)表1齒輪相關(guān)計算結(jié)果可知，傾動裝置一次減速機齒輪齒軸的計算結(jié)果較為富余，二次減速機強度不夠,因此可以重新優(yōu)化各齒輪箱中心距及各級齒輪傳動速比分配，使得各級齒輪計算結(jié)果均衡化；更改二次減速機大齒輪的熱處理方式，由調(diào)質(zhì)改為表面淬火，將齒面硬度由300~350（HBW）提升至50~55（HRC），從而提高齒面接觸強度與齒根彎曲強度；在保持土建基礎(chǔ)不變的前提下，將扭力桿直徑由Φ290 mm擴大至Φ320 mm，提高其彎曲與扭轉(zhuǎn)安全系數(shù)；調(diào)整一次減速機內(nèi)部分軸承，使其滿足新工況下的設(shè)備使用壽命要求。經(jīng)傾動改造后，齒輪計算結(jié)果見表3，雖然各級齒輪彎曲強度有所降低，但都滿足使用要求，且接觸強度較改造之前還有所增加。軸承計算結(jié)果見表4，在調(diào)整第三軸、第四軸軸承后，其壽命也滿足使用要求。

表3 改造后齒輪強度計算結(jié)果

表4 改造后軸承（進口）壽命情況

3）懸掛系統(tǒng)改造。原有三點球鉸支撐裝置不足以滿足轉(zhuǎn)爐擴容要求，因此對球鉸支撐中的支撐螺栓直徑、支撐銷軸直徑及內(nèi)部球面墊均進行了強化設(shè)計。一是需優(yōu)化其原有材料，以進一步提升各重要受力件的機械性能；二是需擴大支撐螺栓直徑與支撐銷軸直徑，以提高其強度。但對懸掛系統(tǒng)改造完成后，由于主要零件尺寸增加，使得整個爐體裝配后回轉(zhuǎn)中心線上移50mm，這便導致兩個問題：一是轉(zhuǎn)爐重心上移，產(chǎn)生了負力矩，在煉鋼生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)爐負力矩會導致設(shè)備在緊急狀態(tài)下不能自動回位，進而引發(fā)安全事故，這是不被允許的，需要消除，因此需在爐殼底部增加配重，將整個轉(zhuǎn)爐重心下移，而配重可以通過改造轉(zhuǎn)爐底吹配管罩的形式來實現(xiàn)，經(jīng)過計算，爐殼底部增加的配重約9 t；二是爐殼上移后，爐殼上安裝懸掛裝置下部托架的螺栓孔位置與托架發(fā)生錯位，因此需重新設(shè)計下部托架。

4 現(xiàn)場改造方案

在方案設(shè)計及設(shè)備制作完成后,還需要在現(xiàn)場進行實際的設(shè)備改造與安裝，其具體方案如表5所示。

表5 現(xiàn)場改造具體方案

5 結(jié)論

1）在制定轉(zhuǎn)爐擴容改造方案時，需要精確計算擴容后的爐容比、傾動力矩，并以此為基礎(chǔ)對各個部件進行計算，只有當爐容比滿足要求時才可對整套轉(zhuǎn)爐進行擴容改造。

2）對三點球鉸支撐形式的懸掛裝置進行擴容改造后，有可能會導致轉(zhuǎn)爐整體產(chǎn)生負力矩，而由于受現(xiàn)場安裝條件限制，通過調(diào)整轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)中心線來消除負力矩的方法已經(jīng)不再適用，此時便需要在爐底增加配重來消除負力矩。

3）當齒輪箱個別齒輪強度以及軸承計算結(jié)果不滿足使用要求時，可以通過重新調(diào)整各級齒輪速比與中心距，以及更改材料與熱處理方式的方法來對結(jié)果進行優(yōu)化，使得計算結(jié)果更加均衡。