转炉炼钢设备结构改进.doc

中国冶金装备网中国冶金人的网转炉炼钢设备结构改进（1. 北京中冶设备研究设计总院有限公司冶炼事业部， 北京 100029；2. 山东省即墨市国土资源局，山东 即墨 266000）摘要：本文以150吨转炉设备的工程设计为出发点，介绍了在设计过程中对设备结构进行的技术创新，尤其是倾动装置大齿轮减速箱、托圈、耳轴套等设备的创新改进。经过现场一年多的生产实践表明，所设计改进的转炉炼钢设备在生产过程中运行噪音小，启动平稳，停位准确。 关键词：转炉设备 减速箱 托圈 耳轴套Technology Reformation of the convert equipment structureAbstract: This paper describes the technology reformation of the convert equipment structure, including the gearbox of the tilting, the convert loop, the trunnion sleeve and so on. More than one year time production practice from the company show that the convert equipment after reformed work stably with little noise. （1. Beijing Central Research& Design Institute for Metallurgical Equipment Corporation Ltd of MCC Group, Department of Metallurgical Engineering, Beijing 100029; 2. Jimo Land and Resources Bureau, Shandong Jimo 266000）Keywords: convert equipment; gearbox; convert loop; trunnion sleeve1前言转炉炼钢设备是钢铁企业炼钢厂的核心设备。在我院承建的上海梅山钢厂150吨转炉设备的设计过程中，工程设计人员运用二维画图软件和三维有限元分析软件并与实际工况相结合，对转炉设备结构进行了创新改进，优化了转炉及其倾动装置等设备的结构，使其能够更加安全高效的应用于生产。经过投产后一年多的生产实践证明，我们的改进创新工作对转炉的冶炼运行效果显著，生产率得到提高。2 倾动装置大齿轮减速箱结构改进本次设计的150吨转炉倾动装置为全悬挂、四点啮合的传动方式。倾动装置的一次和二次减速机连接方式为一台二次减速机同时与四台一次减速机相连，二次减速机的高速轴（输入轴）与一次减速机的输出轴为套轴式连接，即一次减速机的输出轴为空心轴套结构，套入二次减速机的输入轴后用挡盖轴向固定。一次减速机绕二次减速机高速轴的旋转自由度由一次减速机另外一端的支撑轴来加以限制，形成一种带柔性的传动方式，同时避免了一次减速机安装时的超静定问题。工作时，4台变频调速电机通过一次减速机来同时驱动二次减速机正反转工作。大齿轮减速箱是倾动装置的关键设备之一，倾动大齿轮以及驱动大齿轮的小齿轮都安装在大齿轮减速箱内。它的安全性直接关系到倾动装置的工作状态，这就要求大齿轮减速箱具有较高的强度和刚度，防止破坏和变形。国内钢厂曾出现过大齿轮减速箱因结构刚度差而发生箱体轴向变形从而影响生产的实例。为了避免发生类似事故，保证倾动装置的安全运行，我们在设计过程中需要考虑采取措施保证大齿轮减速箱的强度和刚度。增大箱体刚度和强度的方法一是增加材料厚度，二是改进设备结构。增加材料厚度的方法会增加设备成本，这是任何厂家都不愿接受的事情，所以本次设计只能考虑改进设备结构的方法。经过讨论分析，我们采用了短应力线结构，即将起轴向定位作用的双列圆锥滚子轴承2、4布置在二次减速机箱体的同一侧，这样就会使应力线（图1中粗黑线，即箱体分布着应力的部分）最短。同时，为了减小箱体的轴向变形，增强箱体刚度，在轴承座圈处腹板外侧增设U形筋板（图2）。在轴承座圈处腹板内侧增设长筋板，其中的一根连接轴承2的座圈与轴承4的座圈【1】。为了验证设计方案的效果，采用有限元分析软件ANSYS对箱体结构进行了受力分析（图3）。分析结果表明，我们设计的短应力线减速箱箱体结构，在基本不增加设备重量的条件下，箱体强度和刚度有了明显改善，效果显著。投产后现场的实践应用也同时证明了这一点。 1. 圆柱滚子轴承：N28/1400， 2. 双列圆锥滚子轴承：1370KBE1601，3. 圆柱滚子轴承：NU1060C3，4. 双列圆锥滚子轴承：971354/102D1. Cylindrical roller bearing:N28/1400 2. Double-row circular cone roller bearing:1370KBE16013. Cylindrical roller bearing: NU1060C3 4. Double-row circular cone roller bearing: 971354/102D图1 齿轮箱应力线分布图Fig.1 Stress line distribution of gearbox 图2增设U形筋板图 图3 箱体有限元计算图 Fig.2 Adding U-shape stiffener plate Fig.3 Analysis by 3D non-linear FEM3、托圈结构改进托圈是转炉的重要承载和传动部件，工作条件十分恶劣【2】。为了满足生产的需要，托圈必须具有足够的强度和刚度，并能在恶劣的工作环境中安全运行。在转炉生产实践中，热负荷通常是导致托圈失效的主要原因，而对托圈进行冷却是减小托圈所受热负荷以提高其安全性的主要方法。目前现有的转炉托圈冷却方式很多，大都采用水冷方式，但冷却效果却各不相同，以致影响了转炉托圈的使用寿命。本次设计的托圈结构仍然采用水冷方式进行冷却。通过对托圈结构进行改进，以改进冷却水流轨道，并使得在冷却过程中产生的汽（气）体顺畅排出，提高转炉托圈的冷却效果，从而提高其使用寿命。托圈结构为上盖板、下盖板、内圈、外圈、中间隔板以及多个立隔板焊接而成的箱体结构。中间隔板开有多个通水圆孔，焊接在箱体结构中间位置，将箱体结构等分为上下两部分。立隔板焊接在中间隔板两侧（图4），将箱体分成多个空腔，每个空腔都包含一个中间隔板的通水圆孔。立隔板上间隔开有通水孔，这样，由于中间隔板和立隔板的多孔交替结构，使冷却水流在托圈内形成上下起伏的波浪形式（图5），提高了冷却水与托圈本体的换热效率，强化了冷却效果并延长了转炉托圈的使用寿命。此外，在上盖板还安装有自动排气阀，及时排出冷却过程产生的汽（气）体，以降低托圈热负荷。经过一年多的生产实践证明，托圈工作状态良好。经红外测温仪实测得托圈表面最高温度约为96，出现在出钢状态下。平时炼钢状态时，托圈表面温度基本为60左右，托圈内侧与转炉炉壳相对侧温度为40。可以看出，托圈在工作状态下温度较低，所受热负荷也较低，工作安全可靠。 图4 托圈立面剖视图 1-上盖板 2-下盖板 3-未开孔立隔板4-开孔立隔板 5-中间隔板1-Upper cover plate 2-Under cover plate 3-Vertical diaphragm plate without a hole 4-Vertical diaphragm plate with a hole5-Middle diaphragm plate图5托圈水流示意图 Fig.4 Section view of convert loop Fig.5 Diagram of water flowing in convert loop4 耳轴套耳轴是转炉设备中的重要承载和传动部件，它支撑着炉体、托圈、倾动装置的全部重量，并传递倾动力矩。在工作时承受弯、扭力矩，以及由托圈传来的高温和周围热辐射产生的热负荷和启动、制动、刮渣等的冲击载荷等【2】，工作条件十分恶劣。目前，转炉冶炼过程中所需的各种冷却用的液体或气体等介质通常以耳轴上轴向开设的多个圆柱孔作为通道。由于耳轴上开设多个长孔之后，还要在某一截面上集中开设径向圆孔，以便将介质引出耳轴，因此常常会在集中开孔处形成应力集中，降低耳轴强度，形成安全隐患。另外，细长的圆柱孔也给加工制造带来困难，使得加工成本增加。为了保护耳轴安全，延长耳轴使用寿命，必须对这种结构进行改变，避免在耳轴上开设细长孔，尤其要避免在耳轴某一截面上集中开设引出孔，使各种介质的通道不再开设在耳轴本体上。针对耳轴工作实况，我们设计了一种耳轴用轴套，以提供各种介质的流经通道，改善耳轴的工作状态，延长耳轴的使用寿命，保护耳轴配管的安全。耳轴套为圆筒状结构（图6），安装在耳轴与轴承座之间。在轴套筒壁中间沿轴向开有多个圆柱通孔，以作为转炉冶炼冷却所需的各种介质的流通通道。由于不需要在耳轴上开设多个长孔和引出孔，避免了对耳轴强度的消弱，降低了加工难度。此外，各种冷却介质由于没有直接与耳轴接触，介质发生变化对耳轴不会造成损害，轴套有效的保护了耳轴，延长了耳轴的使用寿命。图6 耳轴套剖视图Fig.6 Section view of trunnion sleeve 5 结论以上对转炉炼钢设备结构的创新改进均已申请并获得了国家知识产权局授权的专利，这既是对我们技术水平的检验，也是对我们设计能力的最好证明。经过梅钢炼钢厂一年多来的生产实践表明，我们设计的转炉炼钢设备在炼钢过程中运行噪音小，启动平稳，停位准确，是一台设计良好的转炉炼钢设备。创新无止境，对于