湛江350 t转炉本体冷却系统设计探讨

2019-02-20章文超

重型机械 2019年1期

魏玲，章文超

(宝钢工程技术集团有限公司，上海 201999)

0 前言

转炉本体系统由炉壳(包括炉口、炉衬、挡渣板)、炉体支撑系统(托圈、轴承座)、倾动装置、旋转接头、本体配管及防护罩等组成。转炉炉壳工作的特点是高温(1 400 ℃以上)、重载荷、频繁转动，炉壳工作时温度最高部位可达400 ℃以上，尤其是炉役后期，由于耐材的蚀损，使温度更高。由于炉壳各部位受热不均，其在炉壳轴向、径向和圆周方向产生温度梯度而引起热应力，且受热后炉衬的膨胀也对炉壳产生热膨胀应力。

转炉本体冷却系统可降低炉壳温度和温度梯度，提高设备寿命，因此，转炉本体冷却系统不仅具有一定的经济性，更重要的是提高炉壳运行安全性。本文分析了湛江350 t转炉本体冷却系统的设计的相关问题，对大型转炉本体冷却系统设计提供一些借鉴意见。

1 转炉本体冷却系统设计的必要性

转炉本体进行冷却的目的：一是降温改善材质温度环境而提高其物理性能，减少塑性变形量；二是降低温度梯度，减少材料因温度不均而形成的内应力。强化炉壳冷却条件从而减低炉壳工作温度，这是减缓炉壳变形的有效手段，在炉役后期，蠕变变形速度随炉壳温度上升而急剧上升。如果采取有效冷却措施控制炉壳的工作温度在蠕变温度之下，就可以有效的抑制炉壳的变形、延长炉壳的使用寿命。同时合理的炉壳和耐材材料，也可以有效提高设备寿命。

1.1 钢板材质

转炉用的钢材材质的好坏直接影响到炉龄和冶炼。材料要求有较好的高温抗蠕变性能和焊接性能。湛江350转炉本体设备采用宝钢自主研发钢板SM400ZL，SM400ZL强度高，蠕变速率小，具有良好的抗高温形变能力。其理化性能指标如下[1]：在450 ℃高温下，σs≥175 MPa，最小蠕变速率2.6%/1000 h。

表1 SM400ZL理化性能指标

1.2 炉型和耐材[2]

湛钢转炉炉壳为轴对称回转体结构，由炉口、炉帽、炉身、炉底组成，如图1所示。为了保护炉口，采用循环水强制冷却的水冷炉口，炉帽配有水冷环管。湛钢转炉仍选用镁碳砖作为工作层炉衬，镁砖作为永久层炉衬，其抗蚀性能好，抗热震性高，不易剥落，可以提高炉龄。但其导热系数高，比镁白砖炉衬的导热系数增加3～4倍，配置水冷、风冷系统控制炉壳温升及设备变形[3]。

图1 炉壳及托圈装配

2 湛江350t转炉本体冷却系统设计

2.1 总体设计思路

炉口、炉帽及托圈采取水冷方式，炉腹采取风冷方式。炉口及炉帽均采用6路独立控制的水冷，很好的控制了炉口变形量和炉帽部分炉体钢板的温度梯度。对炉口炉帽进行冷却后的循环水汇总进托圈内腔，对托圈进行冷却及均衡温度的作用，以确保托圈材料的物理性能稳定。转炉炉身段采用风冷，对空气流通性相对较差的炉壳圆筒段区域进行散热降温。冷却系统本着科学合理的机构设计，在满足水量和风量要求的同时，力求受力合理，安全可靠[4]。

湛钢转炉本体冷却系统有6路炉口进水。6路炉帽进水，1路滑板挡渣冷却水，共计13路冷却水和8个底吹风管，都从旋转接头的非驱动侧耳轴进入[5]。冷却水流量150 t/h，冷却空气风量32 325 m3/h。炉体和托圈冷却介质走向如图2所示。

2.2 炉口、炉帽的冷却设计

水冷炉口采用蛇形折曲铸铁埋管式水冷炉口，共分为六块，用经退火处理的球墨铸铁和高压锅炉用无缝钢管铸造，并进行磁粉探伤检查。六块水冷炉口都独立供水，如果一块出现漏水事故，可以单独切断这路水，其他炉口还可正常工作[8]。

2.3 盘式风箱旋转接头设计

由于炉口炉帽设置了12路独立冷却水进水，1路总回水，底吹8路独立控制管线，以及滑板挡渣介质管线[8]，湛江350 t转炉两侧旋转接头相当复杂，而且由于进风管受转炉耳轴中心孔通径的限制，耳轴通道的压力损失大，风冷能力得不到充分发挥。为了既满足了风量所需要的通径，又避免对耳轴强度造成影响，湛江350 t转炉炉腹冷却的风管采取了旋转风箱盘的型式，避开两侧耳轴和旋转接头，独立自成一路通道，该设计在国内仅宝钢应用。

风箱主要由固定盘(连接进风管)，旋转箱体(与托圈、耳轴焊接固定)。固定盘上有六个定位导轮与旋转箱体配合，确保同轴度，固定盘两侧均与旋转箱体板盘根密封，其压紧松紧度可由一组碟形弹簧螺栓调节，运行后，盘根必然出现磨损，碟形弹簧压紧力会保持固定盘两侧始终处于压紧状态，直至盘根需更换。

图2 炉体和托圈介质流程图

风冷系统从风机到分配总管之间的管道通径(通风截面积)必须确保的风冷流量，在耳轴中间钻孔作为风冷通道，由于孔径过小会因风阻过大而无法保证流量，则孔径过大影响耳轴的受力情况，因此需要满足设计风量的最小截面面积。采用了风箱盘旋转接头的设计型式，利用了托圈和耳轴连接处周边的狭窄空间，从而保证了足够的通风面积，实现了设计要求。盘式风箱旋转接头结构形式如图3所示。

图3 盘式风箱旋转接头

2.4 大轴套介质分配设计

采用水气套分配介质，托圈内部无管路，施工、检修方便；介质配管进出集中区域，水气套配置方式因介质管道均在显眼位置，易于发现隐患，且流程更短，故障点少，更安全。大轴套水气套设计如图4和图5所示。

图4 大轴套介质分配配管

图5 非驱动侧轴承座剖面

独立设置的大轴套，在大轴套上钻很多介质孔，本身是为了提高设备的安全性和维修的便利性，因多孔且有转角，钻头夹角易形成多处应力集中发生点，而且在耳轴上直接钻孔，这些应力集中发生点都在耳轴的内部，无法察觉，一旦应力集中产生细小裂纹，裂纹会随时间推移从耳轴内部逐步扩散，等发现裂纹已扩散至耳轴表面，耳轴就处于极危险的工况下，有重大安全隐患。采用独立大轴套穿孔，完全改变了受力情况，耳轴受力只有轴承处对轴套的径向传力，孔底部的尖角不受力，从源头上消除了安全隐患，且如有故障，只需更换轴套，而不是耳轴托圈报废。

2.5 托圈的冷却设计

托圈本体上部盖板仅开3个小孔，最大程度上减少整个托圈应力集中点，保证了托圈本体的安全性。2个孔作为炉帽和炉口冷却后的冷水进入托圈均温的进水口，1个孔作为滑板挡渣(2路液压油，21 MPa，1路压缩空气，0.8 MPa)的出口。由于驱动侧耳轴有滑板挡渣的液压管路，有漏油的风险，可能会混进冷却水，没有对驱动侧耳轴进行冷却。以免冶炼喷溅损坏管路。

托圈内腔布置有内隔板、密封板和导水管。内隔板和密封板将托圈分成四个大空腔，当水位达到托圈顶部，通过导水管使水流从一个腔流到另一个腔中，保证了托圈内部的高水位。由于出水口进水试压会导致很多的空气憋气，设计试压内部管路注水方向应从进水口一侧。为了试压方便，在适当位置设排气阀门，并将托圈内所有筋板上部开孔，已确保空气最大程度的排空。注水用洒水车效果很好。

图6 托圈内部配管

3 设备运行

出钢侧不设置软管，以防软管漏水进入钢包发生事故。出钢侧设托圈防护板以防止出钢过程中钢水溅到托圈上引起事故[6]，而且可以阻挡钢水对托圈的热辐射。由于不便于更换，托圈与炉体之间不设软管，但为了适应托圈和炉体间的相对位移，该处的固定管夹设置尽量远离，给硬管较大的变形空间。分配器、手动阀门、软管等均设置在工作人员便于操作处。

炉体和托圈的连接采用串联方式，先冷却炉体，后汇总进入托圈冷却。流量和温升都可满足设计需求。由于滑板挡渣液压管路压力等级高，为了便于管理，避免与其他管路互相影响，液压管路采用专用旋转接头，与其他介质旋转接头分开设置。为了软管更换方便，底吹配管设置一段短软管，底部设分体独立防护罩，盖子打开面积大，短软管更换时只需打开对应的罩子。

湛钢转炉设备目前运行已有3年，现场监测炉帽温度在170 ℃、炉腹风冷段100 ℃、托圈80 ℃左右，其余部位也都控制在钢板材料蠕变温度以下，炉壳和托圈之间隙值设计值为250 mm，使用至今无变化。设备目前运行状态良好。

4 大型转炉本体冷却系统对比分析

湛江350 t转炉本体冷却系统采用大风量空冷设计，冷却效果更好，水冷系统操作便利。湛钢转炉的冷却方式与国内某两个大型转炉本体的对比见表2。

表1 转炉本体冷却系统对比

为了达到大风量30 000 Nm3/h的冷却要求，若将耳轴中心孔和旋转接头作为通风管道，在满足常规设计风速15～20 m/s的前提下，风管通径需达到720 mm。而耳轴中心开孔直径如设计尺寸大于450 mm，将对耳轴强度有较大影响(通径由450增大到500，则耳轴最大应力到516 MPa，增加幅度约120 MPa)，而且旋转接头在此空间条件下也很难做到这么大通径。如通径取450 mm，风速则达到约52.4 m/s，风速过大会造成巨大噪声和震动，同时会造成风阻增大，能耗增大，使得风机压头压力变大，要求的风机功率也需要增加。因此采用之前常规旋转接头和耳轴中心孔的方式，难以实现大风量冷却。采用旋转风箱盘的结构，有效增大了通风截面，避免了风管通路的缩径问题。

湛江350 t转炉冷却水系统，1路进水总管接从驱动侧旋转接头进水口，旋转接头分13路出水口，分别与耳轴端部的13个冷却水开孔通过管道连接，并在此设置截止阀。每路冷却水从耳轴开孔引入炉体后，炉体上进水管路上无需再设置截止，炉体上每路回水均设置逆止阀。该设计可以实现某炉体冷却水有泄露故障时，在转炉主操作平台关闭相应水路的截止阀就可关闭该路水循环，操作安全便捷，且对生产的影响最小。