中大型转炉实际力矩特性及安全性探讨

魏 玲，卢慧颖，章文超

(宝钢工程技术集团有限公司，上海 219000)

中大型转炉实际力矩特性及安全性探讨

魏 玲，卢慧颖，章文超

(宝钢工程技术集团有限公司，上海 219000)

对某厂150 t转炉老炉进行耐材数据和实际粘渣量的采集，分析其实际正负倾动力矩特性，并与350 t转炉的实际正负倾动力矩特性进行了对比分析。炉口粘渣对不同吨位的转炉力矩的影响程度是一样的，吨位越大，越难实现全正力矩。并提出了一些转炉安全性的控制措施。

转炉；正负力矩；粘渣量

0 前言

文中以正负力矩设计的某厂150 t转炉[1]及某厂350 t转炉[4]为例，对该两个吨位的转炉新砌筑炉衬以下简称“新炉”和拆炉前的炉衬以下简称“老炉”，实际力矩曲线进行分析，粘渣量作为影响转炉负力矩的关键因素，分析其对两个吨位的转炉的影响程度。通过跟踪现场设备运行后的实际情况，分析了负力矩情况下相应事故的具体原因及解决措施。其转炉设计均采用三维设计[3]以及结合ilogic动态模拟，并输出数据。

1 转炉正负力矩分析

1.1 影响负力矩的因素

转炉力矩受三个方面的影响，即：空炉力矩、炉内液体力矩以及耳轴轴承的摩擦力矩[2]。

耳轴轴承的摩擦力矩。耳轴轴承产生的摩擦力矩总是正力矩(力矩方向与倾动方向始终反向)，其大小与负荷大小、轴承规格及轴承润滑状态有关，由于是滚动摩擦，摩擦力矩值相对较小，不到最大力矩的5%。

炉内液体力矩。炉内液体力矩的数据表明：不论炉役的什么阶段，在0～90°范围内，液体大部分总是处在炉底侧，表现为正力矩。当转炉倾动到炉后90～115°(出钢的角度范围)时，留在炉内的钢水涌向炉口侧，会出现负力矩，但因角度接近水平位置，且连续不断出钢，其负力矩值较小，在新炉相应角度的空炉正力矩叠加下，呈现出来的综合力矩几乎均为正值。

空炉(新炉、老炉)力矩。新炉和老炉的空炉力矩差异很大。图1所示为新炉炉衬状况，其中代表空炉合成重心的点位于回转中心线的下方(正力矩)。随着炉龄的增长，炉衬不断减薄，但有两处是物质不断增加的，一是炉壳外部的炉口处及炉体挡渣板上的粘渣，另外是炉内处于炉帽和炉口位置的粘渣。正因为如此，随着炉龄增长，炉口直径越来越小(见图2),其重心往往移动到转炉回转中心的上方(负力矩)。因为随着炉内耐材不断侵蚀变薄，还有多次喷溅或出钢、出渣时，粘附在炉帽耐材上的炉内大量粘渣，使炉型、总负荷以及负荷在炉体上的分布发生变化，使得转炉负力矩明显增大。

图1 新炉炉衬

图2 老炉炉衬

1.2 转炉正负力矩曲线

对于150 t转炉，最大出钢量按180 t计算，新炉和老炉的耐材变化如图示，耐材密度2.8 g/cm，新耐材496 t，老耐材195 t。炉口粘渣量，经激光测厚仪对老炉耐材进行测量和折算，取得实际粘渣量的数据，炉内粘渣量达到转炉吨位的20%。按照新炉和老炉两种极限状态进行力矩分析，如图3所示。

图3 150 t新炉、老炉力矩曲线

对于350 t转炉，最大出钢量按350 t计算，耐材密度2.8 g/cm，新耐材679 t，老耐材404 t。炉内粘渣量达到转炉吨位的10%计算。按照新炉和老炉两种极限状态进行力矩分析，如图4所示。

图4 350 t新炉、老炉力矩曲线

图3、图4数据表明，对于150 t及以上吨位的转炉，其重心升高的范围可达到200～700 mm。其中，因炉衬均匀减薄引起的重心升高约100～300 mm，炉口内外粘渣造成的重心升高约100～500mm。重心位置的随炉役的增大而发生大幅度变化，从而造成力矩的大幅改变，从逐渐减小到0，再成为逐渐增大的负力矩。粘渣是造成重心升高的最主要因素，也即造成负力矩的最重要影响因素。

2 粘渣的影响和控制

2.1 粘渣量对重心和力矩的影响

如希望转炉实现真正全正力矩，必须将回转中心提升到老炉最大粘渣状态下的重心上方[3]，且需考虑相应角度下(90°～110°)出钢时的钢水负力矩。如以此为目标，且不考虑其回转半径的合理性，炉体与托圈连接装置布置的可行性等，只分析其最大倾动力矩值的变化，比较其倾动装置的能力，电机功率的选取，以及生产的电耗，都将显著增大。对某厂150 t转炉(最大出钢量180 t)、某厂350t转炉(最大出钢量350 t)倾动力矩数据进行分析，该数据通过计算直接得出各种方案下的对比结果见表1、表2。表中倾动力矩极值按实际设计、绝对正负力矩、绝对全正力矩分别记为M1、M2、M3；炉体相对耳轴中心升降按绝对正负力矩、绝对全正力矩分别记为L1、L2。

表1 某厂150 t转炉倾动力矩计算(按最大出钢量180 t计算)

表2 某厂350t转炉倾动力矩计算(按最大出钢量350 t计算)

由表1、表2知，最大粘渣量为10%时，绝对全正力矩的最大力矩是实际设计的1.79倍，是绝对正负力矩的2.55倍；最大粘渣量为20%时，两个比值分别为2.36和2.63。

为了分析不同吨位的转炉炉口粘渣对其力矩的影响程度。继而对某钢厂350 t转炉进行计算，最大粘渣量仅按10%取[4]，设计最大正力矩值为5.80 MN·m,最大负力矩值3.75 MN·m。如按全正力矩考虑，则回转中心需要抬高400 mm，最大正力矩达到10.90 MN·m。最大力矩增大1.88倍，是绝对正负力矩的2倍。最大粘渣量为15%时，两个比值分别为2.1和2.3。

分析表明，炉口粘渣对不同吨位的转炉力矩的影响程度是一样的，而吨位越大，实现全正力矩的也越难。

2.2 粘渣的控制

炉外粘渣目前采用耐热铸铁水冷炉口材质会有助于粘渣会自动脱落。另外借助于拆炉机冲击钻头对炉外粘渣能有效地清除。而炉内粘渣因喷溅或出钢、出渣时粘附在炉帽耐材上，且长时间处在高温环境下非常难以清除。虽然国内外有开发防粘渣喷补料来减少炉内粘渣的办法，但因投资等综合因素仍未得到广泛普及。由此可见，炉内粘渣造成的力矩特性较大幅度的变化还不可避免的存在。

3 负力矩情况下安全性分析

炉口出现不可控的载头倒钢事故或者事故隐患，是负力矩情况下最担心的问题。经统计，因人为因素引起的事故占事故率的70.27%[6]，本文抛开人为因素仅从机械设备、电气设备、电控程序的合理性来分析事故原因，降低事故发生概率。

3.1 机械设备故障安全性分析

当转炉处在负力矩角度范围倾动时，倾动装置如发生断齿事故，断齿可能发生于二次减速机大齿轮或小齿轮，还可能发生于其中一个一级减速机的某级传动齿轮。不论发生哪种情况，如断齿脱落不影响齿轮正常啮合，则至少有三台电机仍正常工作，另外一台电机在缺齿啮合的角度，会因为空载而转速增大直到达成啮合。如断齿卡在齿圈影响齿轮啮合，电机和变频器会因过载而自我保护停止工作，制动器联锁制动。

若发生断轴事故，即一次减速机的某级传动齿轮轴断开，根据轴的损坏状态，相应电机会发生过载或空载情况，其反应出来的结果同断齿类似，只是空载情况下，电机会因过转速而报警。

再有，如发生扭力杆断裂事故，二次减速箱底部会碰到事故支座的表面，因两者间极小的间隙，会使得转炉倾动时造成瞬时的冲击振动，传动系统仍然能正常工作。

如发生其他故障，如某个减速箱轴承损坏，造成电气过载，则电气系统会停止工作，制动器自动制动。

由此可见，由于四点传动，且电气有过载保护的设计，机械设备故障造成炉口载头的可能性小。

3.2 电气故障安全性分析

随变频技术的普及，转炉倾动电机几乎全部采用交流变频电机。且变频器的应变能力越发强大，在容量匹配、参数设置合理且控制方法得当的前提下，因电气问题而造成的转炉点头或翘头的现象出现概率极小。另外，现在的电气设计日趋成熟，制动器普遍采用了硬接线设计，确保在电气故障发生时，制动器自动强制制动，避免事故隐患的产生。硬件技术的进步、选型的合理、控制方式的科学，以及硬接线保护，使得炉口因负力矩发生载头的机率降低[7]。

3.3 炉役后期安全性分析

除人为操作失误的情况，转炉发生载头必然是负力矩情况下发生的，且多为炉役后期，炉口粘渣及冷钢过多未及时清理时。有两种情况易于发生，其一，出钢操作过程中停在某出钢角度(炉后90°左右)，启动摇炉，炉口继续下摇出钢；其二，前倒渣操作过程中，炉口处于炉前90°左右，由静止状态启动，炉口继续下摇出渣。由于这两种情况下，转炉都处在接近最大负力矩值的角度，而且由于过量的炉口粘渣，最大负力矩值可能远大于最大正力矩设计值。再者，启动的摇炉方向与负力矩方向相同，此时对变频器的过载能力和力矩-速度的相应要求都是最高的。任一项不满足即会造成失控。可见，电气系统的选型、参数设置、安全联锁的考虑，系统维护和监控，炉口的粘渣量控制，是与载头有关的关键因素[8]。

4 结束语

(1)从现场实际情况来看，炉口处最大粘渣量非常大，尤其是炉内粘渣量更大，目前尚无理想的方法控制炉内粘渣，造成转炉合成重心随炉役大幅度上移的状况不可避免。

(2)在设计(尤其是电气系统)、炉口粘渣的控制、电气及机械设备的维护等方面进行安全分析，尽量避免设备故障引起的事故发生。

(3)分析了正负力矩设计的两种吨位的中大型转炉，对于按全正力矩原则设计不合理、选型困难、投资大、运营能耗大的转炉能够有借鉴意义。

[1] 杨燕.150 t转炉倾动力矩计算分析[J].天津冶金,2013,(05):22.

[2] 谭牧田.氧气转炉炼钢设备[M].北京:机械工业出版社,1983:170.

[3] 章文超.转炉倾动力矩计算方法探讨[J].上海金属,2007,29(06):47.

[4] 郁祖达.试论宝钢湛江钢铁炼钢厂工艺布局的创新设计[J].中国冶金,2014,24(02):45.

[5] 炼钢工艺设计规范(GB50439-2008)[S].2008.

[6] 林大建.某钢厂企业工伤事故统计分析[J].中国冶金,2015,25(11):67.

[7] 杨辉.转炉倾动失控分析和改进[J].江西冶金,2012,32(06):36.

[8] 应兆军.转炉倾动的控制[J].安徽冶金科技职业学院学报,2010,20(02):1.

Discuss on actual torque characteristics andsafety of middle-large size converter

WEI Ling，LU Hui-ying，ZHANG Wen-chao

(Shanghai Baosteel Engineering & Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 219000,China)

Through gathering the refractory brick and dry slag data of an old 150 t converter,this paper analysis positive-negative torque capability, and compare with that of a 350 t converter. Dry slag of converter mouth has the same effect on converter torque with different capacity，the capacity is lager,it is more difficult to achieve the complete positive torque. In addition, some control measures for converter safety are put forward.

converter;positive-negative torque;dry slag content

TF345

A

1001-196X(2017)05-0091-04

2017-05-27；

2017-07-14

魏玲(1982-)，女，研究生，宝钢工程技术集团有限公司工程师。