“一包到底”大容量铁水车的研制情况

韩 鹏 刘景春

(上海宝钢工程技术有限公司，上海201900)

“一包到底”作为钢铁联合企业新的工艺近年来越来越受到青睐。“一包到底”是指一种新的铁水运输工艺，即采用大容量铁水车装载炼钢专用铁水包将高炉铁水运送到炼钢厂。运输中间铁水不需要进行倒罐，铁水包中的铁水经预处理或直接兑入转炉冶炼钢水。采用大容量铁水车装载炼钢专用铁水包直接运输铁水缩短了工艺流程。与传统的鱼雷型混铁车运输工艺比较，减少了一次倒包作业，取消了炼钢车间的倒罐站及除尘等设备，改善了炼钢厂的作业环境。近年来国内新建钢铁项目如马钢慈湖、鞍钢鲅鱼圈、首钢曹妃甸以及巴西CSV项目均考虑过采用“一包到底”工艺。然而由于“一包到底”需要配备300 t以上大容量铁水车，而目前国内成熟的标准系列铁水车的最大容量为140 t，非标铁水车最大容量为180 t，定型的300 t以上大容量铁水车国内尚处于空白，因此使“一包到底”的工艺方案受到设备的制约而难以顺利实现。马钢慈湖、鞍钢鲅鱼圈项目最终不得不放弃“一包到底”工艺。目前首钢曹妃甸项目虽然已确定采用“一包到底”工艺，但大容量铁水车尚处于试制和模拟试验阶段，能否保证设备的安全可靠性还有待于工业性运用后判定。

1 大容量铁水车设计的难点

大容量铁水车设计的最大难点是如何保证整车运行的安全稳定性。由于铁水车是由车体、转向架构架、轮对和弹簧悬挂装置共同组成的一个复杂多单元体质量系统，并且实际的铁路轨道不可能是绝对平直和刚性的，存在着各种各样的不平顺，钢厂内部铁路条件相对更加恶劣，因此车辆在轨道上运行时，轮轨之间会产生不断变化的轮轨作用力。这些作用力会激起车辆振动，车辆的剧烈振动将对车辆的安全运行构成威胁。车辆运行时受到各种横向力的作用(如: 风力、横向振动惯性力、离心力、偏载等)，使车辆一侧车轮减载,一侧车轮增载。在最不利的组合工况下，车辆一侧的车轮与钢轨之间的垂向作用力减少到零时，车辆就存在倾覆的危险。另外车辆沿轨道直线部分运行时,正常工作条件下车轮上的踏面部分与钢轨面接触。当车辆进入弯道时，由于受到离心力、风力、横向振动惯性力等各种横向力的作用使转向架前轮对外侧车轮的轮缘贴靠钢轨侧面。如果在特定条件下，车轮作用在钢轨上的横向力很大，而车轮作用在钢轨上的垂向力很小，车轮就有可能逐渐爬上钢轨轮缘顶部达到钢轨顶面而脱离轨道。尤其是在各种不利因素作用下低速重载车辆极易脱轨。

以目前开发设计的300 t铁水车为例。我国钢厂铁路的轨距采用国家铁路标准轨距1 435 mm，而300 t铁水车所承载的铁水罐最大直径约∅4 700 mm，由于罐体的外形和结构使车体的外形尺寸严重超限。车体的总宽约6 200 mm，铁水车承载铁水罐时的总高约6 300 mm，座罐满载时整车重心处于一个较高的位置，运输的铁水温度在1 500℃左右，在机车的牵引下通过厂区的弯曲线路半径R150 m～R180 m。这些不利条件加大了铁水车运行时产生倾覆和脱轨的可能。

2 提高大容量铁水车运行安全可靠性的措施

如何提高大容量铁水车的运行安全可靠性，我们认为应从以下几方面着手：

(1)适当加大车辆运行轨距，如采用1 600 mm、1 676 mm轨距。通过加宽轨距可以提高车辆的稳定性。但在具体实施上存在一定困难。由于我国钢厂内部铁路线一般均采用国标1 435 mm轨距，车辆和机车的走行装置也都是按照国标轨距设计的。若采用加宽的非标轨距将会对钢厂铁路线路布置和车辆的管理及维修带来很大不便。

(2)降低整车重心。设计大容量铁水车时应尽可能地降低整车的合成重心位置，即尽量降低车辆的高度。同时在转向架轴载荷允许的情况下适当加大车体部分大车架的自重。

(3)减少曲线轨道，加大曲线轨道半径。在钢厂铁水运输铁路线的设计上尽量减少曲线轨道，必须采用曲线轨道时应设计成缓和曲线轨道。曲线轨道的半径应尽可能大。

(4)限制运行速度。大容量铁水车满载的运行速度不宜过快，应控制在(8～10)km/h之间。(5)提高轨道线路铺设精度。钢厂内部铁路线路的状况是影响大容量铁水车运行安全的关键因素。因此轨道线路铺设应严格按照冶铁机规ⅠA级和与之匹配的相关轨道铺设标准施工。

(6)提高大容量铁水车走行部及各支撑连接部分的灵活性。即保证铁水车各连接心盘面具有良好的润滑状态。

(7)设计上要考虑大容量铁水车车体与铁水罐座罐的固定装置。即防止车辆侧倾时铁水罐与车架自行分离的可能。

(8)减小轮轨之间的磨擦。在大容量铁水车走行装置两端的转向架上设置轮缘润滑装置。

如果在设计大容量铁水车时注意了以上问题，并且在运行中加强设备的维护与管理，将有助于提高设备运行的安全可靠性。

3 国外大容量铁水车的应用

日本JFE京滨制铁所于上世纪70年代中期采用“一包到底”工艺，采用310 t铁水车运输铁水。钢厂内铁路的轨距为1 676 mm。铁水包采用球形底短流铁口结构，车的走行部分采用6组二轴转向架，铁水车设计的整体结构比较紧凑。机车在直线轨道的牵引速度为(13～16)km/h,曲线轨道时为(6～8)km/h。由于其采用了加宽的1 676 mm轨距使铁水车的运行安全性得以较大提高。铁水车运用过程中偶尔也发生过脱轨情况，通过弯道时车轮对钢轨的磨损比较严重，但使用中没有发生过倾覆事故。

4 国内大容量铁水车的研制和试验

目前国内开发设计的标准轨距300 t铁水车有两种方案，一种走行装置采用4组三轴转向架(如图1所示)，另一种走行装置采用8组二轴转向架(如图2所示)。每两组转向架之间通过平衡梁连接。承重车架通过两端大心盘与走行装置连接。车钩连接缓冲装置采用了日本柴田式大摆角车钩和新型ST缓冲器，更有利于通过小弯道。为减小车轮与钢轨的摩擦，保证顺畅通过弯道，在走行部分的两端转向架上设置了轮缘涂油器。车辆各心盘支撑面采用了自润滑形式，使其润滑可靠、操作维护方便。4组三轴转向架方案的结构相对比较紧凑，设计的车总长度短，8组二轴转向架方案车总长度比前者长，但二轴转向架通过弯道的性能比前者好。两种方案分别由大连交通大学和西南交通大学进行了铁水车运行倾覆稳定性及动力学分析计算。通过对车辆倾覆、脱轨、车体浮心高度计算及车辆动力学分析结果来看，铁水车运行安全性在理论计算上得到通过。

针对首钢搬迁曹妃甸工程设计研制的大容量铁水车的结构形式如图2所示。采用了8组二轴转向架结构。大连重工试制完成了三台样车，并于2007年12月在首钢曹妃甸进行了空载和模拟重载运行试验。由首钢院、西南交通大学、大连重工等单位对运行试验的数据进行了测试。空载和模拟重载运行试验的情况及数据检测结果令人满意，因此大容量铁水车空载和模拟重载运行试验获得了通过。

图1 标准轨距300t铁水车方案一Figure 1 Plan 1 for 300t hot metal car on standard gauge

图2 标准轨距300t铁水车方案二Figure 2 Plan 2 for 300t hot metal car on standard gauge

5 结束语

“一包到底”标准轨距大容量铁水车在我国还刚刚处于试制阶段，尚未投入工业性运用，因此车辆的运行安全可靠性在模拟试验的基础上还有待于工业性试验的进一步检验。目前就其运行的安全可靠性下结论还为时尚早。近几年标准轨距大容量铁水车的开发研究已取得了初步成果。大容量铁水车研制、试验成功的意义是重大的。不仅为“一包到底”工艺方案的实施提供了设备保障，同时也为工艺革新和创造节能、环保、环境友好的新一代钢厂起到了关键性的作用。