转炉炉体与托圈间隙.pdf

T o t a l N o 1 6 5 冶金设备 总第 1 6 5期 O c to b e r 2 O O 7 M E T A L L U R G I C A L E Q U I P M E N T 2 0 0 7 年I o 月第 5 期 转炉炉体与托圈间隙之探究 徐兆春 李爱军章香林 马鞍山钢铁公司第一钢轧总厂安徽马鞍山2 4 3 0 0 0 摘要马钢第一钢轧总厂9 5 t 转炉扩容改造后炉体与托圈的间隙要随之变小 对炉体与托圈的间隙进行 理论分析和实际测量 并提出通过强化冷却炉壳等措施来控制炉壳变形 保证炉壳与托圈的间隙 以提高炉 壳使用寿命 关键词转炉托圈 变形 间隙 中圈分类号T F 7 4 8 2 文献标识码B Th e Re s e a r c h o f S p a c e Be t we e n Co n v e r t e r S Bo d y a n d S u p p o r t i n g Ri n g X u Z h a o c h u n L i A ij u n Z h a n g X i a n g l i n T h e F i r s t T o t M R o l l i n g M i ll o f Ma S t e e 1 AB S T RA C T T h e s p a c e b e t w e e n c o n v e r t e r s b o d r a n d s I l g r i n g w i l l b e c o m e s m a l l e r a f t e r e x t e n d e d t h e c a p a c i t y r e f o r ma t i o n o f 9 5 t c o n v e r t e r o f t h e fi r s t t o t a l wi l i n g mi l l o f Ma s t e d n1 e the o r e t i c a l a n a l y s i s a n d a c t u al me a s u r e O i l t h e s p a c e b e t w e e n c o n v e rt e r s b o d y a n d s u p p o rt i n g r i n g i s g i v e n i mp r o v i n g s t r e n g t h e n i n g c o o l i n g t o s h e l l a n d k eep i I l g t h e s p a c e b e t w e e n s h e and the s u p p o r t i n g r i n g a r e p u t f o r wa r d t o s o l v e the p r o b l e m o fthe c r e e p d e f o r ma t i o n of t h e b e l 1 KE YW ORDS C o n v e r t e r S u p p o rti n g r i n g D e f o r ma tio n S p a c e 1 引言 马钢第一钢轧总厂 9 5 t 转炉于 2 0 0 1年初 投产 1 2 0 t 2 3 转炉相继投产 1 9 5 t 转炉在实 际生产过程中 为与2 3 转炉兼容并满足后续 C S P 生产线的要求 其最大装入量往往超过 1 2 0 t 最大时达到 1 4 0 t 由于长期超负荷工作 炉壳变 形严重 使用黼大大降低 转炉的炉壳和托圈在生产过程中都会因受 热膨胀而变形 炉壳冷热状态温度变化很大 而 托圈因水冷而温度变化较小 从而导致两者之间 间隙减小 此外炉壳产生蠕变 将使炉壳与托圈 的间隙变得更小 2 国内外炉壳变形情况 国内炼钢 厂 的转炉从 大规模采用镁碳 砖炉 衬以后 出现了许多炉壳温度升高及耐材顶胀炉 壳现象并导致炉壳变形严重 宝钢一炼钢 3 0 0 t 转炉自1 9 9 1 年开始使用镁碳转炉衬以来 炉壳温 度超过其材料的蠕变温度 导致炉壳变形急剧增 加 炉壳与托圈之间的最小间隙只有 2 0 m m 设计 间隙为 1 4 0 m m 美国大湖钢铁厂2 座3 0 0 t 氧气 顶吹转炉 投入使用 2 6个月以后 炉身部位与托 圈的间隙出钢 口方位由原设计的 7 6 m m缩小至 作者简介 徐兆春 男 1 9 6 5年出生 毕业于华东冶金学院冶系机械专业 学士 高级工程师 现任马鞍山钢铁公司第一钢轧总厂 高级技术主管 一 7 8 维普资讯 徐兆春等 转炉炉体与托圈间隙之探究 2 0 0 7年 1 0月第 5期 1 9 m m 加料侧的间隙缩小到 2 5 m m 在耳轴两侧 的间隙减小到 4 1 m m 马钢第一钢轧总厂 1 转炉 炉壳与托圈设计间隙为 1 0 0 m m 目前炉体整体偏 向西北侧 炉壳严重变形 炉壳与托圈最小处间 隙为 4 0 mm 变形情况可以从 图 1 看出 东 出钢 E l 侧 北 长耳轴侧 短耳轴侧 西 人孔侧 图 1 1 群 转炉炉体 变形示意图 3 炉壳与托 圈间隙的理论计算及实际测量 转炉炉壳在工作 中主要承受 机械应力 和温 度应力这两类应力 的综合作用 其 中 机械应力 是由炉体 自重 炉液等重量产生 的静负荷 以及炉 体在倾动 吹炼等过程 中的动负荷所产生的 温 度应力包括 了两个方面 一 是 由于炉壳结构 耐 火材料的厚度及导热系数 的影响 炉壳在纵 向和 径向均存在温度梯度 由此形成很大 的温度梯度 应力 二是 由于耐火材料 和炉壳 间的温度 热膨 胀系数存在差异 炉衬和炉壳的热膨胀不同 炉 衬对炉壳产生较大的热膨胀压力 由此在炉壳上 引起 的热膨胀应力 3 1 炉壳与托圈间隙的分析计算 3 1 1 炉壳与托圈的制造误差 此 9 5 t 转炉 炉壳 与托 圈的制造 误差 范 围在 5 8 mm 取 1 8 mm 3 1 2 炉壳与托圈的安装误差 9 5 t 转炉炉壳与托圈的安装误差范 围在 5 8 m m 取 8 2 8 mm 3 1 3 炉壳 托圈及炉衬的热膨胀 炉壳 托圈及炉衬 的热膨胀是一个非常复杂 的变化过程 但可以利用理论经验公式来计 算其 最大膨胀量 经现场测量 托圈和炉壳在冷态下 平均温度为 7 0 2 5 C 托圈工作时温度为 4 5 C 炉壳工作时温度 为 壳 4 7 0 C 可以用 下面的公式来分别计算托圈与炉壳的变形量 1 L x A T 1 式中 材料膨胀 系数 碳钢为 1 2 9 1 3 9 1 0 o C 线性长度 温 差 贝 0 托 托 托 托 2 1 3 1 0 一 6 2 0 0 4 5 2 5 1 61 2 mm 炉 壳 炉 壳 炉 壳 炉 壳 3 1 3 1 0 6 0 0 0 4 7 0 2 5 3 4 71 mm 由此可得 3 壳一 3 4 7 1 1 6 1 2 3 3 1 mm 3 1 4 炉壳的蠕变变形 转炉采 用镁 碳砖 炉 衬后 导热 系数 增加 了 3 4 倍 由于冷却条件不匹配 导致炉壳工作温 度过高 实际测得 托圈部位 的炉壳最 高温度达 到了 4 7 2 C 而炉壳材料 的蠕变温度为 4 0 0 C 同 时 可见 炉壳 的温度 已经 超 出其材 料 的蠕变 温 度 炉壳材 料会 随着 使用 时 间 的延 长 而不 断劣 化 使得 炉壳蠕 变变 形加 快 经计算 得 出 6 4 2 52 mm 3 1 5 其它 炉体与托圈之 间的间隙除 了受上述 的主要 因素以外 还 会受到很 多因素 的作 用 如炉体 自 重 炉液等重量产生 的静 负荷 以及 炉体在倾 动 吹炼等过程 中的动负荷都会 导致炉壳变形或 炉 体 的扭 曲 导致炉体与托圈之间的间隙发生变化 这些实际变化过程只能从理论上进行分析 无法直接进行计算 可按 占原始间隙 1 0 0 mm 的 百分 比来考虑 设定为原始间隙的 1 0 则 1 0 0 1 0 1 0 ram 3 1 6 计算结果 综合上述分析计算 可得 马钢第一钢轧总厂 1 9 5 t 转炉炉体与托圈之间应保留的最小间隙为 i 1 2 m 且 3 瓯 5 4 8 8 3 3 1 2 5 2 1 0 61 6 2r am 3 2 炉壳与托圈间隙的实际测量 通过现场实际测量炉壳与托圈之间的间隙 与理论计算结果进行 比较 来验证计算结果的正 确性与否 具体方 法 以 出 钢 口中心 线 为 起 始 点 0 一 7 9 维普资讯 总第1 6 5 期 冶金设备 2 0 0 7年 1 O月第 5期 点 沿炉体一周 每相隔 1 5 确定一个测量点 测 量在热炉状态下炉壳与托圈之间的间隙 表 1 热炉状态下炉壳与托圈间隙测量 m m 角度0 1 5 3 0 4 5 7 5 1 0 5 1 3 5 1 5 0 1 6 5 1 8 0 1 9 5 2 1 0 2 2 5 2 8 5 3 1 5 3 4 5 间隙 1 1 0 1 0 3 9 8 9 4 9 0 8 5 6 9 6 3 5 7 5 1 4 5 4 0 4 6 9 4 9 9 1 0 4 本转炉炉体与托圈最初设计 间隙为 1 0 0 m m 安装后实际平均间隙为 9 6 m m 从表 1数据 可 得出如下结论 3 2 1 炉体严重扭曲及重心较大偏移 结合 图 1 及表 1数据 出钢 口处最大 间隙达 到 1 1 0 mm 而在 2 1 0 方 向上 间隙只有 4 0 m m 由 此可见 炉壳与托圈除了热膨胀变形和蠕变变形 外 炉体还发生了严重扭曲 整个炉体重心偏 向 西北角 3 2 2 热膨胀变形及蠕变变形量 由安装后实际平均间隙和测得的最大 最小 间隙 近似得到炉壳与托圈的热膨胀变形及蠕变 变形量 设为 有 2 安装后间隙一 最大间隙 最小间隙 一2 9 6一 4 0 1 1 0 42 mm 3 3 理论计算与实际测量结果 比较 将理论计算的炉壳与托圈的热膨胀变形及 蠕变变形量设为 有 1 3 3 3 1 2 5 2 1 0 4 5 6 2 mm 比较 和 不难发现 实际测得 的与理论 计算值非常接近 因此 理论计算结果 与实 际相 符 计算结果是正确的 4 控制炉壳与托圈间隙的有效途径 4 1 控制炉壳变形 根据上述分析 炉壳 托圈及炉衬的热膨胀 都是导致炉壳与托圈间隙减小的因素 而其中的 炉壳和炉衬的热膨胀以及炉壳的蠕变变形是导 致炉壳与托圈间隙减小的最主要原因 因此 控 制炉壳变形及蠕变 控制炉衬热膨胀是保证炉壳 与托圈具有足够间隙的关键 相应对策有下述 几点 4 1 1 改善炉壳材质 马钢第一钢轧总厂 1 9 5 t 转炉炉壳是采用 2 0 g 钢板焊接而成 鉴于钢厂目前实际状况 扩容 后的炉壳材质采 用 1 6 Mn R 1 6 Mn R虽然算不上 一 8 O 一 是一种先进的炉壳材料 但与 2 0 g相比 其在抗蠕 变 高温抗拉 韧性及脆化率几方面均优于 2 0 g 其次还具有良好的焊接性能 4 1 2 预 留炉衬间隙 预留膨胀间隙的大小非常重要 值太小 起 不到应有的调节作用 反之可能会导致耐材的结 构松动 钢水会渗透到炉衬中 从受力的角度考 虑 预留膨胀间隙越大 炉壳所受到的热膨胀应 力越小 但是过大的间隙会导致炉衬结构的松 动 因此 预 留炉衬膨胀 间隙大小 的原则是 在 保证炉衬 稳定 的条 件下 尽 可 能取最 大值 此 外 为减少炉壳过渡部位 的接触正压力 的 压力 集 中 过渡部位应填充 软填料层 以缓冲炉壳 接触正压力的集中现象 4 1 3 强化炉壳冷却 目前转炉炉体的冷却方式主要有两种 一种 是用风冷系统来冷却炉身 直线段 同时用水冷 方法来冷却炉帽部分 第二种为克瓦纳公司的 汽雾冷却技术 通过严格控制炉壳表面温度 施 加水雾进行热交换 这两种冷却方式都是为了 降低炉壳工作温度 使之在材料的蠕变温度下工 作 从而控制炉壳的变形 从结构上看 空气喷吹冷却又可分为管式冷 却和板式冷却两种 扩容改造后的马钢第一钢 轧总厂 1 转炉决定采用空气喷吹冷却中的管式 冷却来冷却炉身 管式冷却具有结构简单 易于 维护并且具有良好冷却效能 能有效降低炉壳表 面温度 减小炉壳变形量 延缓炉壳蠕变速度 4 2 实施炉况监控 4 2 1 定期检测 炉壳与托圈间隙变化是长期而复杂的过程 因此必须在每次炉检时对其间隙要进行跟踪测 量 进行数据积累 以便了解其变形情况 4 2 2 适 时维护 在发现炉体变形严重或扭曲变形严重时 就 转 1 2页 维普资讯 总第1 6 5 期 冶金设备 2 0 0 7年 1 O月第 5期 设置设计变量 置 的取值范围 0 1 1 0 设 置仿真参数 s i m u l a t i o n t y p e d y n a m i c s t i m e 2 s s te p 2 0 0 开始仿真 通过仿真 可以得到当开 口度为 0 5 2时 气缸 1的速度达到规定 的速度 其速度曲线如图 9所示 兰 I 一 I M Il l t 时间 s 图9 对应于开口度为 0 5 2的气缸 1的速度曲线 4 结论 建立了型钢堆垛 机小 车机构 的动力 学分析 模型和气缸控制系统的数学模型 可高效地完成 小车机构的动态设计 结合设计实例 探讨 了小 车机 构的动力学仿 真分析的方法 确定了小车机构的同步轴尺寸 为轴的设计提供了理论依据 确定了节流阀开口 度的调节范围 为节流阀的选用和实际操作提供 理论指导 仿真结果表明 基于 A D A M S的小车 机构的虚拟样机模型是正确的 可高效 直观地 揭示小车的运动特性 参考文献 1 张玉华 余晓流 方庆官 型钢垛型设计及 C A D研究 J 冶金设备 1 9 9 8 1 2 张 玉华 潘紫微 滑槽 式 型钢 自动 堆垛机 中 国 C N 2 005 1 0 0 4 1 1 8 9 X J 2 0 0 5 0 7 3 王国强 张进平 马若 丁 虚拟样机技术及其在 A D A MS上的实践 M 西安 西北工业出版社 2 0 0 2 4 车仁炜 吕广明 陆念力 液压挖掘机工作装置的动力 学分析及仿真 J 机械传动 2 005 2 5 邓宗全 胡明 高海波 月球探测车的动力学建模与仿 真分析 J 南京理工大学学报 2 0 0 5 5 6 刘静 潘双夏 冯培恩 挖掘机器人虚拟样机建模策略 与仿真技术研究 J 浙江大学学报 工学版 2 0 0 4 1 1 7 傅武军 朱昌明 张长友 单绕式电梯动力学建模及仿 真分析 J 系统仿真学报 2 005 3 1 收稿 日期 2 007一o 5 1 8 接 8 0页 要进行适时维护 适时维护措施可以分为 日常调 节和定修局部修复 日 常调节即对保持炉体稳定 装置如球铰支承 止动块及托架等