下载此文件-炼钢技术进步和300t转炉设备设计探讨

马钢300t转炉设备的技术进步和特点张文盛汉桥（中冶南方工程技术有限公司炼钢事业部，武汉430080）摘要：本文阐述了中冶南方(WISDR)在马钢工程中率先自主集成设计了300t大型复吹转炉及其设备设计特点，并探讨了大型转炉设备设计的一些问题。关键词：转炉；倾动装置；托圈；悬挂装置ProgressandTechnicalCharacteristicof300tConvertforMagangSteelZhangWenShengHan-qiao（WISDRsteelmakingdepartment，Wuhan430080）Abstract：ThepresentpaperdescribesWISDRtooktheleadindoingdesignof300tlargetopandbottomconvertforMagangsteelinChinaandtechnicalcharacteristicofconvertequipmentaswellassomeofquestionforconvertdesignarediscussedKeywords:convert；tiltingunit；trunnionring;suspensionunit前言21世纪初，我国钢铁厂的炼钢设备逐渐向250t转炉和300t转炉为目标的大型化方向发展。但由于多种原因，国内这个级别的转炉，以前都是从国外引进的，如宝钢一、二炼钢厂、武钢第三炼钢厂，国内还没有自己完全独立设计的300t级别的转炉。根据我国钢铁工业走自主创新和自主发展的要求，我公司在马钢工程中率先自主集成设计了大型300t氧气复吹转炉。本文将阐述马钢300t转炉系统的设备设计特点和探讨大型转炉设备设计的一些问题。1.马钢300t转炉设备的基本参数和部件组成根据我国钢铁工业的发展趋势，2004年初中冶南方工程技术有限公司为实施《马鞍山钢铁股份有限公司“十一五”结构调整300t转炉与钢水精炼设施项目》，开始在国内首次进行300t级转炉系统的设备设计。300t转炉系统的基本参数及设备主要部件的组成：1.1基本参数转炉公称容量：300t最大出钢量：320t转炉平均炉产钢水量：290t转炉炼钢车间每天生产24小时，三班制生产-1-定期检修12d/a集中检修3d/a车间作业天数350d/a转炉有效作业天数258d/a转炉有效作业率71%转炉平均冶炼周期：38min/炉转炉座数：2座经常吹炼炉座数：2座2座转炉年产钢水量：～5870000t/a1.2设备主要部件的组成300t转炉主要部件的组成如下：·300t转炉炉体装置·300t转炉倾动装置·300t转炉托圈装置·300t炉体和托圈连接装置·300t转炉轴承座装配·300t转炉挡渣装置2．300t转炉设备的技术进步和特点2.1转炉炉体装置转炉炉壳工作的特点是高温、重载和频繁转动。炉壳工作时主要承受来自设备本身的静荷载和动合荷载产生的机械应力、炉壳受热后产生的热负荷应力及炉壳本身存在的温度梯度而产生的热应力。炉壳在这些负荷的长期作用下将会产生变形、裂纹、局部过热和烧穿，从而导致严重的后果：1.缩短炉壳及托圈的寿命；2.形成裂纹；3.使炉衬修砌困难；4.使炉壳和托圈连接的把持器失去作用或负载不均，从而丧失调节能力。因此，炉壳设计的原则是：应尽可能使炉壳刚度均匀，避免突然变化；同时，尽量消除结构对其热膨胀的限制，使热应力降到最低限度。2.1.1炉壳材料的选择炉壳材料的选择标准为：要有良好的韧性和抗蠕变性能，高的抗疲劳极限；良好的工艺性能。目前国内常用的材料主要为A3、20g、16Mn、16MnR等。我们通过近5年国内在炉体材料上的选择比较后，认为16MnR在焊接性能、抗蠕变性能和抗疲劳强度方面的优势比较明显，从而在最近及将来的一段时间都选择其作为炉壳的首选材料。2.1.2炉壳钢板厚度的确定炉壳钢板厚度的确定是在满足合理的安全边际条件下，有合理的经济性。300t转炉炉壳的材料和炉壳的厚度示于表1。300t转炉炉壳的材料和炉壳的厚度表1炉壳材料炉帽厚度h1炉身厚度h2炉底厚度h316MnR9595952.1.3炉壳炉口的选择转炉炉壳的水冷炉口通常有二种型式，即水箱式和铸铁埋管式。水箱式结构为钢板焊接箱形构造，循环水冷却，国内应用较多，结构型式也较多。其特点为冷却强度大。工作效果好，易于制造。国内这几年在80t～150t的转炉上采用这种型式的比较多，但从炼钢厂实-2-际使用情况看，在转炉使用的中后期由于炉口结渣的影响，易使其钢板烧穿，产生漏水，给生产带来很多不便。铸铁埋管式水冷炉口的特点为炉口不易烧穿漏水，使用寿命长，但制造较繁。目前，在宝钢的250t和300t上使用的皆为该型式的水冷炉口。而且，在国内随着该项制造技术的日益成熟和完善，采用这种型式的的水冷炉口也逐步普及。2.2300t转炉倾动装置如果把转炉视作炼钢车间的关键设备，则倾动装置可称作转炉维持生命的心脏。由于氧气顶吹转炉倾动装置承受很大的力矩和尖峰负荷，因而必须给予极大的注意。通常，设计成功的氧气顶吹转炉倾动装置应具有高安全性能和高使用寿命。当今的设计中，这种要求几乎各类装置均能满足，而设计的重点已转移到怎样设计出紧凑的倾动装置上来，以使其在转炉周围有较大的空间，从而可使维修和操作更加方便，设备费用降低，同时由于厂房的柱间距缩小还可大大降低土建费用2.2.1氧气顶吹转炉倾动装置的基本要求1）必须能够以不同的速度旋转，从装料和出钢期的0.1转/分到其他操作期，如空炉复位的最大速度1.5转/分。2）必须在正常操作期可输出很大的转矩，对大型转炉可高达近万kN·m，必须能在3～5秒内加速和减速至要求的速度。3）必须在吹炼期将炉体稳定地保持在垂直位置。4）倾动装置还必须将炉体保持在任何需要的位置，例如，装料、出钢、倒渣等。5）必须足以承受正常操作负荷2.5～3倍的事故负荷，还必须承受炉口刮渣和装废钢的冲击。6)当炉体处于倾斜位置时停电的情况下，炉体必须自动返回至垂直位置。7)必须在炉体周围占用最少的平台面积，并同时易于维修。2.2.2．目前国内主要的转炉倾动结构型式现代氧气转炉倾动机构一般原则上采用电动机-齿轮传动方式。目前国内转炉倾动装置的结构型式主要包括二种类型:·圆柱齿轮传动的扭力杆结构倾动装置·行星齿轮传动的弹簧-压杆结构倾动装置由于行星齿轮传动的弹簧-压杆结构倾动装置设备费过高，马钢300t转炉采用了圆柱齿轮传动的扭力杆结构倾动装置。现介绍如下：1)扭力杆结构倾动装置扭力杆结构倾动装置为全悬挂多点啮合柔性传动装置。由四个一次减速机悬挂于二次减速机上，四点啮合，共同驱动二次减速机中的大齿轮，二次减速机悬挂于耳轴上，驱动转炉完成倾动旋转工作，倾翻力矩通过扭力杆来平衡。这种方式不会在耳轴上造成附加力，并且立杆两端均用球铰连接，当耳轴产生变形时，悬挂减速器箱体可作相应的调整，而不影响齿轮副的啮合。是一种性能较好的柔性抗扭装置。该装置借助扭力杆本身的扭转变形,随时吸收和缓冲倾动机构正向和反向旋转时交替产生的两个方向的冲击力，将外力矩转变为扭力杆的内力矩，并将二次减速机壳上的旋转反力，通过扭力杆支承座将垂直力传递到基础上。扭力杆通过接近其两端的支座固定在基础上，同时通过两端的曲柄和与曲柄连接的两根拉(压)杆与二次减速机箱体相连。为了适应扭力杆的变形和二次减速机箱体的位置变化，在拉(压)杆和箱体、扭转臂的连接点均采用了关节轴承。为了防止扭力杆受力过大而断裂，还设有止动支座。由上、下楔块组成，分别安装在二次减速机的底部和止动支座上。当扭力杆受力超过正常范围时，两楔块之间的间隙就会消除。二次减速机箱体直接支承在支座上，防止了扭力杆的破坏。同时防止二次减速机箱体翻倒或逆转事故的发生。这种装置的缓冲及减震性能好，加工和安装方便。扭力杆结构倾动装置示于图1。-3-图1扭力杆结构倾动装置图1扭力杆结构倾动装置为了适应转炉快速和慢速摇炉的要求，随着电气技术的发展，目前转炉倾动装置趋向于使用交流变频电动机，只需改变其频率就能实现电动机的无级调速。这样在转炉倾动过程中就能实现快速和慢速的平稳变换及平稳的启动及制动，减少了电气系统和机械系统的冲击尖峰载荷次数，延长了电气、机械设备的寿命。此外，采用交流变频电动机，其电控系统比直流电控系统较为简单，设备的维护费用较低。采用扭力杆结构倾动装置配合采用交流变频电动机方式更能够满足马钢300t转炉对转炉倾动设备的要求。2.3300t转炉托圈装置转炉托圈是转炉的重要承载和传动部件。在工作过程中除承受炉体、钢液及炉体附件的静载荷和传递倾动力矩外，还承受频繁的启、制动产生的动负荷，预计来至炉体、钢水罐、烟罩及喷溅物的热辐射产生的热负荷。因此，托圈应该有足够的刚度和强度。托圈为钢板焊接结构,箱形断面,耳轴与托圈的连接采用焊接式,托圈及耳轴内通以循环水冷却;延长轴承使用寿命。耳轴和托圈焊接。托圈钢材材质16MnR,耳轴材质25CrNiMoV。因此，马钢300ｔ转炉托圈取值为：H=2700mmB=900mmδ１=130mmδ２=80mm耳轴Ø=1320mm2.4300t转炉炉体和托圈连接装置炉体通过联接装置与托圈相连，联接装置设计的主要作用是：1.能保证炉体牢固地联结在托圈上；2.由于在生产操作中无论是炉壳还是托圈，在热负荷作用下都将产生热膨胀变形，而炉壳温度较托圈温度高得多，因此热膨胀时两者在径向和轴向都会出现相对位移。若这种相对位移受到限制，就会产生附加应力，严重时还会引起破坏，因此联接装置应允许炉体和托圈之间发生相对位移。所以一个好的联接装置应能满足下列要求：转炉处于任何倾动位置时（垂直的、水平的、倒置等），均能安全可靠地把炉体负荷（包括静、动载荷和冲击载荷）均匀地传给托圈；能适应炉体和托圈的不等量的热变形，亦可能保证转炉在任何倾动位置都能保持炉体在托圈中的正确位置，而不会产生窜动；可传递足够大的倾动力矩，使炉体能正反向旋转；-4-其结构应对炉壳、托圈的强度和变形的影响减少到最低程度；考虑到变形的产生，能以预先确定的方式传递载荷，并避免因静不定力的存在而使支承系统承受附加载荷；结构简单可靠，并能减缓动载荷和冲击力，同时易于安装、调整和维护我国钢厂的生产实践表明，国内在三支点方式支承联接的最关键之处是在其球铰螺栓的锻造质量，国内多家炼钢厂都是采用这种联接方式，但球铰螺栓的锻造质量的不稳定经常会导致在生产中发生球铰螺栓的断裂。而奥钢联VAICONLink悬挂联接的性能比较稳定，通过这两种型式的转炉联接方式的比较后，我们最后采用了VAICONLink悬挂联接作为设计选择。一VAICONLink悬挂联接的方式示于图2奥钢联的VAI-CONLink悬挂系统的基本特点是静态确定的，每个实体有六个自由度(即相互垂直的三个主轴可以移动和旋转)。利用静态确定系统每个支持与其中任何一个自由度都能匹配。因此任一物体都能够可靠支持，并且不会受到物体变形而产生的任何力的限制。额外的支持可以用于承载附加的未知载荷的限制力。采用VAI-CONLink悬挂装置，每个悬挂部件只固定一角，六套悬挂系统包括：三个垂直悬挂连接装置，一个对着上料/出钢侧，另外两个呈135°角排列。这些连接装置防止转炉沿其中心轴移动，绕托圈旋转以及垂直于托圈中心线旋转。两个水平悬挂连接装置，位于销钉区托圈下部。这些连接装置防止转炉水平移动(出钢位)，垂直于托圈中心线移动以及绕转炉中心线旋转。一个固定器防止最后一种可能出现的运动，即托圈销钉中心线方向的移动。实际操作中，无任何力作用于该方向。为了将悬挂连接装置固定在转炉炉壳上，每个连接装置有两个筋板焊在炉壳上。在筋板之间配有销钉，由球面轴承在筋板内部支持。在销钉中间，悬挂连接装置也由一球面轴承支持，这样可以任意旋转。这样的设计保证了只传输张力或收缩力。筋板的两侧轴承确保销钉的方便组装/拆卸，即使炉壳变形或筋板镗孔跑偏。也能保证该系统的可靠性。静态确定系统具有下列优点：炉壳自由膨胀，无任何限制力，即使是出现了不对称的变形。因此传送给转炉，托圈和悬挂部件的载荷最低，不会出现过应力。支撑力是可准