转炉倾动事故的防治与优化设计

88转炉倾动事故的防治与优化设计方强国①(中冶华天工程技术有限公司炼钢事业部江苏南京210019)摘要：通过对转炉倾动事故的概念、原因进行分析与研究，得到转炉倾动事故的防治方法，同时提出一种新型预防转炉倾动事故的优化设计，提高了炼钢的安全可靠性，减少了炼钢的运行成本，并用于实践，对转炉炼钢工艺及设备的设计有一定的指导作用。关键词：转炉；倾动事故；防治；优化设计1概述转炉是炼钢车间的核心设备，其倾动机构又是转炉的关键，因此安全、可靠的倾动机构是保证炼钢生产顺行的关键。然而在实际的生产过程中，由于断电、制动器失灵、炉口粘渣等各种原因引起事故时，要求转炉能通过松闸(气动或电动)自动返回原位或停止自倾，或采用备用的驱动系统使转炉复位，防止转炉倾翻扣钢，造成重大人员和财产损失。2倾动事故分析每座转炉配有一套独立的倾动机构。转炉倾动机构由交流变频电机、一次减速机、二次减速机和扭力杆组成。转炉倾动机构应能使炉体连续正反转，并能平稳而准确地停止在任意角度的位置上，以满足兑铁水、加废钢、加料、取样、测温、出钢、出渣以及返回等工艺操作要求[1]。转炉倾动事故分成以下几种：2．1机械事故机械事故是指倾动机构的各个传动部件疲劳故障而引起的事故，也叫疲劳事故。例如一次、二次减速机的齿轮断齿，电机和抱闸的损坏，扭力杆的断裂以及轴承的损坏等引起的事故。2．2电气事故电气事故是指转炉发生断电故障、电机故障、变频器故障等原因而引起的事故。例如某厂300t转炉变频器故障，转炉只有软联锁(联锁通过PLC实现)，而没有设计硬联锁，造成转炉倾动不受控制，导致转炉倒钢事故。2．3工艺操作事故工艺操作事故是指转炉操作人员处理不当或操作失误引起的事故。例如：①未能及时清理炉口，导致转炉炉口粘渣过多，产生负力矩，而引起转炉栽头(倾翻扣钢)的事故，也叫炉口粘渣事故。②在转炉出钢、除渣时，倾动速度过快，引起钢水、液态渣从转炉炉口倒出，而没有进入钢水罐、渣罐，造成车辆等设备损坏和人员伤亡，或倒在潮湿的地面上引起爆炸事故。2．4设计事故设计事故是指由于设计的错误造成转炉在运行过程出现的倾翻扣钢事故。例如①炉型或者耳轴位置的设计不合理，导致转炉头重脚轻而引起的事故。②转炉倾动只设计了软联锁，而未设计硬联锁(联锁不通过PLC实现)，造成转炉倾动事故。3事故倾动的防治方法根据转炉倾动事故的原因分析和种类的不同，其防治方法也有所不同。3．1设计上防治3．1．1电气设计转炉倾动电机容量的选型应根据转炉最大力矩来选择。变频器容量根据工艺要求确定，一般考虑加废钢、兑铁水等操作对转炉的冲击，变频器容量应比电机容量高1－3档。变频器的选择应选用ABB或AB变频器，它具有零转速、满力矩功能，可以避免转炉倾动时转炉的点头或翘头现象。例如：涟源钢厂110t转炉采用SMS变频器，倾动机构齿轮磨损严重，换成ABB变频器，倾动机构运行正常；沙钢永兴150t转炉采用SMS变频器，倾动机构冲击大，扭力杆焊缝开裂，基础开裂；沧州180t转炉采用SMS变频器，启动和停止时产生翘头现象，冲击力大，齿轮磨损非常厉害。为了避免单个一次减速机损坏，电气控制上采用机械同步传动技术。该技术可以人工或自动对整个转炉倾动装置机电系统的先期或过程参数进行识辨和分析，通过定期手动或自动调节电控参数使倾动装置多驱动的起动过程不同步，而达到大小齿轮的啮合同步，实现整个转炉倾动系统的机械同步。使用本技术既可防止转炉“点头”“翘头”现象的发生，又可减少大、小齿轮的冲击，大大提高倾动装置的寿命和运行的平稳性。该方法先后用于长江钢厂100t转炉、常州中天120t转炉、传洋120t转炉、三明钢厂120t转炉，倾动非常平稳，倾动机械寿命长。转炉倾动应设计硬联锁，即设置不通过PLC的紧急停车按钮或开关。3．1．2工艺和机械设计转炉设计的过程中，耳轴位置的选择是转炉倾动机构设计的关键。耳轴位置的选择原则应该既安全又经济。目前国内设计的中小型转炉基本上采用全正力矩原则，保证转炉在整个倾动过程中不会出现负力矩，即在任何情况下(如断电、制动器失灵等)，炉子均能利用自重自动返回原位或者停止自倾，从设计的源头上避免了事故的发生。当转炉出现断电、抱闸失灵、一次减速机、电机损坏等故障时，可以采用UPS(EPS)电源松闸或气动松闸，实现转炉自行复位；也可以采用全气动驱动系统来实现转炉的事故倾动复位。这两种事故倾动处理方法是目前常用的方法。当转炉设计出现负力矩时，一般采取炉壳底部配重或者调整耳轴位置的措施进行处理。其实炉底配重只是一种补救措施，毕竟配重是一种无效重量，无形中增加了设备投资和炼钢的运行成本，最好的设计是不要配重。3．2电气事故的防治为了避免电气事故的发生，要做到以下几个方面：1)经常检查转炉倾动的硬联锁是否损坏、可靠，如果有问题，应立即检修恢复。2)检查转炉倾动电机的启动电流和工作电流是否超标。如果有问题，应检查电机是否有问题，损坏应及时更换。还应检查转炉机械设备是否有卡阻现象。3)若发生转炉倾动时，有点头或翘头现象，应首先检查变频器是否选型合适，然后检查变频器参数是否设置合适。3．3工艺操作事故的防治工艺操作事故的防治是指操作工要按炼钢工艺流程和《炼钢生产及安全规范》要求科学作业。操作工要求经验丰富、技术过硬、操作精准。1)炉口粘渣事故的防治炉口粘渣事故主要是转炉操作人员的失误造成。在设计的过程中，其实已经考虑到炉口的适量粘渣，但如果炉口粘渣过多，可能会产生负力矩，导致头重脚轻，造成事故。对于经验丰富的操作工只要及时清渣就能避免了事故的发生。2)转炉控制事故的防治该事故主要发生在转炉手动控制模式下。在转炉自动和半自动模式下，转炉兑铁水、加废钢、出钢、出渣等操作均是按设计的倾动速度来控制的，不会出现问题。但在手动操作的情况下，如果在出钢、出渣时，选择的倾动速度过快，容易引起钢水、液态渣从转炉炉口倒出，而没有进入钢水罐、渣罐，造成车辆等设备损坏和人员伤亡，或倒在潮湿的地面上引起爆炸事故。其防治方式是①使用合格的操作工；②加强对操作工的培训；③在设计上，加入必要的安全联锁，使得转炉在出钢、出渣角度范围内，不允许高速倾动转炉。3．4机械事故的防治维护是指定期对主要设备进行维修和保养。机械事故主要由于设备过度疲劳而又疏于维修保养引起的。对于转炉倾动机构，其中鼓形齿联轴器、密封件等消耗件、易损件要定期更换；轴承、齿轮等转动件要定期加注润滑油进行润滑，制动器、电机、扭力杆等重要部件要定期检查维修甚至更换。根据炼钢安全规程，倾动机械出现故障时，不应强行摇炉[2]。4转炉倾动的优化设计及应用转炉倾动的优化设计是防治转炉倾动事故的最佳方法之一，它是一个转炉本体系统的优化设计，并不局限于倾动机构设备本身的优化，还涉及到转炉炉型的优化设计、转炉倾动力矩和转炉耳轴位置的选择。4．1转炉炉型的优化设计转炉炉型的优化设计不仅可以降低钢铁料、渣料及耐火材料的消耗，而且还可以减少转炉的倾动力矩，节约能耗。对于容量不大于80t的转炉，宜采用截锥形活炉底，修炉宜为下修方式或简易上修方式。容量不小于100t的转炉，宜采用球筒形或锥球形死炉底，修炉宜为上修方式或简易上修。炉容比应为0．9～1．0m3/t，炉壳的高径比应在1．30～1．60。4．2转炉倾动力矩及耳轴位置选择耳轴位置的确定是转炉倾动力矩的关键，根据转炉容量的不同，选择转炉耳轴位置原则也不同。根据《炼钢工艺设计规范》要求，转炉倾动力矩应满足正常操作最大合成力矩的要求。容量不大于200t的转炉应按全正力矩设计，发生断电或机械故障时应能靠自重恢复零位。容量200t以上的转炉宜采用正负力矩设计[3]。不论采取什么原则，在正确选择耳轴位置时，都应充分考虑转炉的附加力矩和预留力矩系数。转炉的附加力矩包括炉口粘渣力矩、安装误差力矩。根据经验统计计算炉口粘渣(钢)力矩时，按炉口上部粘结渣钢厚200～300mm考虑。施工安装误差可按耳轴位置差5～10mm考虑。预留力矩系数主要是防止考虑不到因素造成转炉倾翻事故，一般取K=1．1～1．25。4．3转炉倾动机构的优化设计及应用在正常情况下，转炉的倾动是由4或2个交流变频电机通过一次、二次减速机来驱动转炉回转的。但在断电事故情况下，一般采用UPS(EPS)电源松闸或气动松闸方式使转炉靠自重返回、气动事故驱动系统两种方法进行事故处理。4．3．1采用UPS(EPS)电源松闸或气动松闸进行事故倾动由于转炉倾动电机的功率很大。若用UPS作为事故电源给转炉倾动电机供电，则UPS电源容量也很大，且利用率低，占地面积大，投资也大。一般不采用将UPS电源作为倾动电机备用电源直接进行事故倾动，而是采用功率很小的UPS电源(EPS)作为倾动抱闸的备用电源，松开抱闸，让转炉自动返回零位。4．3．2采用气动事故驱动系统进行事故倾动采用全气动低速事故驱动系统是指转炉在断电故障的情况下，采用气动马达、气动离合器、气/电双控制动器、气控柜等组成的气动事故驱动系统进行转炉倾动。这种方法主要适用于容量为200t以上的大型转炉，且采用正负力矩原则设计。目前国外采用这种设计的转炉较多，其优点是事故断电时，它不仅能将转炉恢复零位，而且还能进行倒钢、倒渣操作，避免了由于断电引起的冻炉事故。沙钢200t转炉倾动机构，就是采用这种设计方法，全气动事故驱动装置安装于转炉倾动机构的一次减速机主电机传动对称的另一侧输入轴上，气动离合器通过链条、链轮与气动马达装置连接形成气动驱动回路，气动马达装置通过支座安装于转炉倾动机的二次减速机箱体上，气动离合器和气动马达装置通过气动控制柜控制，本机构设计安全可靠，安装、维护方便，具体组成见图1(转炉倾动机构)和图2(转炉全气动事故驱动系统)。龙腾钢厂2#100t转炉既采用全正力矩设计，又采用全气动低速事故驱动系统。这种设计不仅安全可靠，还能在事故状态下，实现一炉出钢、出渣操作，避免冻炉事故的发生。实践证明这种设计使用效果良好，为业主带来很大的经济效益，得到业主的认可。4．3．3两种事故倾动机构的特点国内部分转炉炼钢厂使用的事故倾动机构的特点见表1。由表1可见，①采用UPS电源松闸的，市场占有率很高，倾动机构的安全可靠性高；②采用气动事故驱动系统的，市场占有率低。其实按全正力矩设计的转炉也可以采用气动事故驱动系统，不仅安全可靠，还能在断电事故状态下，实现一炉出钢、出渣操作，以免发生冻炉事故，例如龙腾2#100t转炉，既采用全正力矩，又采用全气动事故倾动系统。推荐使用：采用全正力矩，又采用全气动事故倾动系统的原则设计转炉。4．4特大型转炉倾动事故的优化设计及应用以上主要分析了中、小型转炉倾动事故的原因、防治及优化设计，随着我国钢铁工业科技水平的不断提高，截至目前，国内共有250t(含)以上转炉24座，其中宝钢、马钢、曹妃甸钢厂已经建设300t特大型转炉。宝钢300t转炉最早引进日本新日铁转炉技术，马钢300t转炉引进奥钢联(VAI)技术，有关单位自主研发设计的首钢京唐钢铁公司曹妃甸基地300t转炉是目前国产最大公称容量的转炉，达到了当前国内转炉炼钢技术装备的先进水平。转炉是炼钢车间的核心设备，其倾动机构的安全性和可靠性又是转炉炼钢生产能否顺行的关键。由于国内外300t以上特大型转炉的数量和使用经验较少，倾动事故原因的分析也不足，因此对于大型转炉倾动事故的优化设计和研究必须引起关注。以马钢300t特大型转炉为例进行分析和探讨，炉壳与托圈之间采用VAI-CON-LINK悬挂系统技术，转炉倾动机构采用4点啮合全悬挂柔性传动装置，用扭力杆来平衡传动机构的扭矩。奥钢联技术主要特点是大型转炉采用正负力矩设计原则，因此对转炉的电气自动化控制水平要求很高，否则生产过程中较易发生转炉载头的倾动事故。另外，在实际炼钢生产过程中，炉口内圈结渣严重，在吹炼、溅渣护炉的过程中，内圈结渣达到一定程度就掉入转炉内，引起钢水、炉渣的喷溅，造成人员伤亡、设备损坏，因此操作人员必须及时清除炉口内、外圈结渣。针对目前引进的特大型转炉倾动事故的原因分析，特大型转炉倾动事故的优化设计需要根据国内现有的自动化控制水平和操作水平，充分考虑倾动机构的安全可靠性。