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三點球鉸支撐轉爐傾動異響分析及對策
余楊
(中冶賽迪工程技術股份有限公司裝備技術工程中心,重慶 400013)
【摘 要】本文對三點球鉸支撐轉爐傾動異響產生原因和機理進行了分析,并指出:只要轉爐爐體與托圈之間的徑向定位為擋座系統,在轉爐傾動運行中,均會產生不同的聲響。本文還對擋座系統中如何減小和避免轉爐傾動異響提出了具體措施和建議。
【關鍵詞】轉爐傾動;擋座系統;異響
0 引言
目前全世界煉鋼廠運行有不同形式的轉爐,其中按轉爐爐體與托圈之間的定位方式劃分,有托圈上部三點球鉸支撐+擋座式轉爐、托圈上部耳軸二點支撐+擋座式轉爐、鋼絲繩吊鉤支撐+擋座式轉爐、彈簧板吊掛+擋座式轉爐、爐體下懸掛支撐+擋座式轉爐、垂直與水平雙球鉸拉桿+導向座轉爐等。
以上形式轉爐在傾動時,只有無擋座的雙球鉸拉桿+導向座轉爐(VAI專利技術)不會產生異響,而只要是擋座式轉爐,在使用一段時間后,由于轉爐不規則熱變形,托圈上擋座和爐體上擋座之間會產生一定的間隙,使制動塞墊逐步脫落,使轉爐在傾動時,在爐體對擋座的強大沖擊下,發出很大的異常響聲,這對轉爐設備運行安全,會產生嚴重隱患,同時在轉爐連續生產過程中,不得不頻繁停爐,鋼廠維修工利用其短暫間隙,冒著高溫和熱輻射,在狹窄危險的高空作業區,對爐體與托圈擋座間隙進行塞墊和焊接緊急處理。長期以來,如何減小和消除轉爐傾動時的異響以及相應處理時間,成為困惑鋼廠技術人員有待解決的轉爐最大難題之一。
1 三點球鉸支撐轉爐異響分析
1.1三點球鉸支撐轉爐
圖1三點球鉸上支撐轉爐曾經為國內最流行的轉爐結構,現仍有不少三點球鉸轉爐在國內鋼廠服役,源自寶鋼二十世紀八十年代從日本新日鐵引進300t轉爐。主要由爐體、托圈、傾動裝置、軸承座、托圈上部球鉸支撐,以及托圈上、下部防傾擋座等組成。爐體通過三點球鉸支撐裝置與托圈連接,并利用防傾擋座使爐體與托圈徑向定位。托圈二端耳軸支撐在軸承座裝置上,通過傾動裝置驅動,使轉爐正反緩慢轉動,逐一完成兌鐵水、搖勻、出渣和出鋼等冶煉操作。轉爐傾動力矩通過扭力桿裝置的扭力桿扭轉彈性變形平衡和緩沖,并將其轉換為拉壓負荷傳遞給扭力桿軸承座地基。整個轉爐重量,均由耳軸承擔,耳軸負荷為低速重載及頻繁啟停制動,工作條件惡劣,耳軸支撐軸承經常處于局部工作狀態,而托圈在高溫、重載下會產生耳軸軸向伸長和撓曲變形,耳軸在軸向有伸縮并發生偏轉[1],因此傳動側耳軸軸承座支撐是固定的,而非傳動側耳軸軸承座支撐是浮動的。
1.2三點球鉸支撐轉爐托圈與爐體連接特點
托圈與爐體的連接為球鉸支撐及防傾擋座構成。在圖2球鉸支撐機構中,爐體法蘭焊接在爐殼上,2個球面塊合對分別安裝固定在爐體法蘭開孔中。支座焊接在托圈上,銷軸安裝在托圈支座孔內,并與吊掛螺栓鉸接。2個球面墊裝在吊掛螺栓上,分別與2個球面塊貼合。
吊掛螺栓的螺母擰緊時,就將托圈與爐體連接為一體。當爐體徑向熱膨脹時,吊掛螺栓繞銷軸擺動,同時吊掛螺栓上的球面墊沿固定在爐體法蘭上的球面塊滑移錯動,使銷軸中心線與球面墊中心線由原重合狀態改變偏離x距離,以適應其爐體熱膨脹。圖2的3個球鉸支撐位于托圈上方,對稱出鋼口成120º圓周均布。
在圖3防傾擋座中,防傾擋座對應爐體和托圈部位成對焊接,其中托圈擋座分別焊在爐體擋座的二側,托圈擋座與爐體擋座之間二端的間隙中,分別插入塞墊,并點焊固定。
圖3的3~4組防傾擋座分別位于托圈上、下方,其中防傾擋座在托圈上方3組的位置分別是出鋼口一側、耳軸的固定端和浮動端,在托圈下方4組分別對稱布置在耳軸的二側。這種球鉸支撐+防傾擋座連接結構能有效地在360º旋轉范圍內支撐爐體,利用雙球面機構來吸收爐殼相對于托圈的膨脹,其特點為:三點球鉸上支撐,剛性過約束支撐吊掛系統。
1.3三點球鉸支撐轉爐異響分析
轉爐在任意角度下停止傾動時,它的全部重量W都可以分解為與轉爐爐體中心線平行Fn和垂直Ft二個分力。從圖4轉爐傾動受力分析中可看出,與轉爐爐體中心線平行分力Fn使爐體沿托圈平面垂直方向竄動,這個力由三點球鉸支撐來承受,與轉爐爐體中心線垂直分力Ft使爐體沿托圈徑向方向移動并產生偏轉力矩,這個力和力矩由防傾擋座裝置來平衡[1]。
從三點球鉸支撐轉爐托圈與爐體連接特點可以看出,球鉸支撐的螺母擰緊力至關重要:不能太大,也不能過小,螺母擰緊力太大,吊掛螺栓上的滑移球面墊與爐體上固定球面塊之間摩擦阻力就大,甚至發生合配球面之間的咬合,失去自適應爐體熱膨脹的作用(此外,球鉸支撐的上、下兩球面墊的制造和安裝不同心,徑向偏擺受阻,球面墊與球面塊之間潤滑不良等,也會增加摩擦阻力或產生膠合);螺母擰緊力過小,爐體與托圈平面垂直方向產生竄動,制動墊板之間產生摩擦,使制動塞墊逐步脫落,形成間隙,導致轉爐傾動時,爐體擋座與托圈擋座之間產生強烈沖擊及聲響。此外,螺母擰緊力過小,還會導致吊掛螺栓所承受的沖擊力加大,同時又使得雙球面支撐結構球面錯動量加大,甚至在吊掛螺栓截面系數變化較大的根部形成應力集中而斷裂,造成更大的生產事故。
我們知道,轉爐在高溫和頻繁啟停沖擊重載生產過程中,球鉸支撐機構的螺母與吊掛螺栓之間連接螺紋付所形成的擰緊力會不斷變化,需要定期進行擰緊調整,而在高溫和熱輻射,狹窄、昏暗而危險的托圈上高空作業熱區進行球鉸支撐螺母的合理擰緊,以及對爐體與托圈擋座之間間隙進行快速塞墊和焊接固定處理談何容易。
既使在托圈和下爐體擋座制動托架中間增加墊板[1](如圖5所示),可能會改善因球鉸支撐螺母松動或吊掛螺栓拉伸變形,爐體沿托圈平面垂直方向的竄動,但還有以下因素,使爐體與托圈擋座之間仍會產生間隙:由于擋座墊板為多層薄板,經受壓后薄板間隙消除,導致在擋座間產生間隙;爐體擋座兩邊有6º的斜角,爐體的熱膨脹會產生間隙;受載后墊片、擋座等有局部屈服和變形產生間隙;轉爐傾動過程中擋座面的磨損產生間隙;由于擋座之間的不斷正反重荷沖擊,在爐體擋座二側的托圈擋座焊縫強度逐步減弱或塑性變形,并使擋座反向滑移,形成岔口間隙(該點為球鉸支撐轉爐防傾擋座致命缺陷)等。
從以上轉爐結構分析以及大量生產實際觀察,我們可得出如下的三點球鉸支撐轉爐異響聲源產生緣由結論:
1)傾動過程中,雙球面支撐結構球面之間錯動卡阻發出異響;
2)傾動過程中,球面支撐機構螺母未擰緊,爐體與托圈平面垂直方向產生竄動,使擋座制動墊板之間產生摩擦異響;
3)傾動過程中,托圈上部擋座間隙使得爐體和擋座產生沖擊異響,托圈下部與爐體擋座聯結螺栓松動及擋座間隙也會產生異響;
4)傾動過程中,爐體變形導致裙板穩態變化發出的異響。
對于上述轉爐異響的根源分析,第1)條為轉爐傾動過程中,爐體和托圈之間會有彈性變形,該變形會造成雙球面支撐結構球面錯動,由于雙球面接觸面的不均勻(為非標加工),重載下的接觸會造成局部膠合卡阻,使得錯動過程中發出異響,該條只有靠球面支撐機構自然跑合來消除。第2)條和第3)條是最危險的,需要用戶在轉爐使用過程中加以重點關注,也是設備維護的重點。
對于第4)條爐體變形導致裙板穩態變化發出的異響,其原因是爐體剛度大,變形方向主要是沿徑向和軸向,同時傾動過程由于受鐵水流動載荷,爐體有橢圓變形。而裙板比較薄,剛度小,溫度及變形受操作噴濺影響,是不規則的,而爐體與裙板的聯結為過約束聯結,使得裙板有在轉爐傾動過程中,爐體變形導致裙板穩態變化,有翹曲彈性變形而發出異響(類似人踩在鼓突的薄鋼板上會發出聲響),該聲響是無害的,會隨著時間而消失。
1.4三點球鉸上支撐機構及擋座存在的問題
綜合三點球鉸上支撐機構連接特點以及生產實際運行情況觀察,可得出該支撐機構及擋座存在如下問題:
1)吊掛機構為過約束,在某些條件下會造成吊掛螺栓從根部折斷。該機構本質上是一種擺桿、擋座組合的吊掛系統,但該系統在聯接系統自由度設計上有嚴重的過約束現象。擺桿螺栓本身自由度不足,當擋座出現間隙時,擺桿螺栓根部易出現沖擊彎曲應力。
2)該球鉸支撐的側向(或環向)無偏擺功能,不能適應爐體立體不規則熱膨脹變形。
3)支撐機構位于爐冒段,且被爐體裙罩遮蔽,調整及維護困難,冷卻條件不好,降低支撐機構的壽命。
4)轉爐重心上移,操作時轉爐容易失控或溜鋼,操控安全性較差。
5)為達到轉爐正力矩設計特性,爐體底部需加配重,轉爐設備較重,傾動功率加大。
6)由于擋座間隙形成爐體對擋座二單側的反復正反重載沖擊,擋座焊縫強度逐步減弱,并使二側托圈擋座相對爐體擋座反向滑移,形成岔口,從而加大擋座間隙。另外,反復重載沖擊也會使剛度較弱的托圈擋座逐步產生塑性變形,也易形成岔口并加大擋座間隙。
7)擋座間隙不斷塞墊和固焊、擋座不定期加熱補焊或更換等維護和調整作業,會傷及托圈處理部位母材,縮短托圈工作壽命。
2 三點球鉸上支撐轉爐異響預防措施
通過上述三點球鉸上支撐轉爐異響原因和機理分析,可采用如下改進措施來減小或消除其轉爐傾動異響:
1)根據上支撐三球鉸的制造和安裝情況,合理確定球鉸支撐的螺母擰緊力,同時確認螺栓防松是否有效。為達到合理的擰緊力,可在螺母與球面墊之間,加裝剛性足夠大的碟簧片,并在螺母與吊掛螺栓之間標注擰緊定位記號,使三個球鉸吊掛螺栓擰緊力相同且恒定。
2)支撐球鉸的二對球面墊的貼合面均需加工一定的表面粗糙度,防止因表面粗糙度過大,增加摩擦或產生膠合。
3)下爐體擋座制動托架中間增加墊板,改善因球鉸支撐螺母松動或吊掛螺栓拉伸變形,使爐體沿托圈平面垂直方向的竄動。
4)初始安裝時,托圈擋座與爐體擋座墊片之間必須保證零間隙,因為經轉爐傾動受壓后,薄板間隙消除,自然會補償熱變形。另外,擋座的墊片層不宜過多。在經傾動受壓后,薄板間隙消除所產生的間隙兩側相加不要大于5mm,否則需進行調整加墊(墊片最好為不會脫落的特殊設計),即可消除異響。5)從盡量加大托圈擋座的強度和剛度、設置爐體擋座二側托圈擋座之間的剛性連接件入手,使擋座在爐體傾動時,始終處于封閉受力狀態,即可避免擋座岔口間隙和沖擊。
3 結論
1)只要轉爐爐體與托圈之間的徑向定位為擋座系統,在生產傾動運行中,由于轉爐不規則熱變形,以及材質或結構熱膨脹系數不同,導致擋座靜態結構之間相對滑移,摩擦、磨損及間隙,產生不同的聲響。
2)爐體沿托圈平面垂直方向的竄動,以及擋座之間產生間隙、沖擊和聲響,是三點球鉸上支撐轉爐自身結構特點所決定、不可避免的固有缺陷。為了避免這些缺陷,可采用下爐體擋座制動托架中間增加墊板,改善因球鉸支撐螺母松動或吊掛螺栓拉伸變形,使爐體沿托圈平面垂直方向的竄動。從盡量加大托圈擋座的強度和剛度、設置爐體擋座二側托圈擋座之間的剛性連接入手,使托圈整體擋座由一側受力變為兩側同時受力,受力由C形開口結構變為封閉的環形預應力結構,同時擋座強度大大提高,避免擋座岔口間隙和沖擊。
3)三球鉸吊掛螺栓擰緊力合理、相同、且恒定,托圈與爐體處于無間隙和無沖擊定位是減小或消除三球鉸上支撐轉爐異響產生的關鍵。
4)周全的設計、合理的結構、優質的制造以及精心的安裝,能夠最大限度的減小或消除擋座系統轉爐在運行當中產生的異響。
5)將舊轉爐三球鉸吊掛支撐結構改造為下懸掛連接結構,并合理布置和優化擋座數量。
來源:《鋼鐵技術》2016年第4期 
2019-12-17

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