马钢2 500 m3高炉上料系统设备的改造分析

周金超，徐志坤

（中冶华天工程技术有限公司，江苏210019）

0 引言

马鞍山钢铁股份有限公司（以下简称马钢）第二炼铁总厂1#2 500 m3高炉由中冶华天工程技术有限公司设计，并于1994年4月25日建成投产，2007年2月26日经过一次停炉大修。至2018年，鉴于1#2 500 m3高炉生产已进入炉役后期，生产中炉缸温度偏高；系统设备磨损、老化严重；以及工艺装备水平难以满足现行高炉生产要求，特别是上料系统的设备严重破损，性能结构落后，维修故障率和成本非常高，不能满足环保要求，因此马钢决定于2018年8月再次对1#2 500 m3高炉进行大修。

1 上料系统设备及改造内容

1#2 500 m3高炉目前矿槽为双排布置，共设16个料槽。槽下各种物料均采用分散筛分、分散称量，按上料程序通过1#、2#上料主胶带机接力形式加到炉顶料罐。槽下振动筛筛下碎矿、碎焦分别经各自胶带机运送到碎矿、碎焦系统，再进行筛分分级，回收焦丁和矿丁入炉。本次高炉大修工程，矿焦槽及上料系统原则上不做大的改造，现有槽下系统工艺布置不变，只是进行系统设备改造，新增槽下液压站和集中润滑站以及对相关设备进行维护性改进。新增槽下液压站供槽下称量漏斗的液压缸用，新增润滑站供槽下称量漏斗的轴承润滑和上料主皮带机头轮的轴承润滑用。改造内容主要包括1#上料主皮带机驱动装置更换、2#槽下主皮带机驱动装置更换、各种称量漏斗的改造以及各种矿仓闸门的改造等等。

2 上料主皮带机的改造分析

2.1 上料主皮带机设计参数

改造后1#上料主皮带机的设计参数:胶带机宽度：1 600 mm；胶带机速度：2 m/s；上料能力：矿石 2 730 t/h，焦炭 680 t/h；水平长度：304.508 m；提升高度：～60.79 m；胶带：钢丝绳胶带 ST2000；电机 ：4×250kW，6KV，3用1备。

改造后2#槽下主皮带机的设计参数:胶带机宽度：1 600 mm；胶带机速度：2 m/s；上料能力：矿石 2 730 t/h ，焦炭 680 t/h；水平长度：139.4 m；提升高度：～ 6.05m；电机 ：2×160 kW，380V，1用 1备。

运输物料的堆比重：焦炭：0.5 t/m3；烧结矿：1.8 t/m3；球团矿：2.2 t/m3；块矿：2.5 t/m3。

由于上料主皮带机的整体布置和以前保持不变，只是带速由1.8 m/s提高到2.0 m/s，根据经验电动机的功率等参数可以保持不变，如表1是上料主皮带机驱动装置的技术参数。图1是1#上料主皮带机驱动装置布置图，图2是2#槽下主皮带机驱动装置布置图。

表1 上料主皮带机驱动装置的技术参数

图1 1#上料主皮带机驱动装置布置图

图2 2#槽下主皮带机驱动装置布置图

2.2 上料主皮带机运输能力的校核

先对1#上料主皮带机运输能力的校核。

皮带机的运输能力:Im=Svkρ（kg/s）

得到:Q=3.6Svkρ（t/h）

上式中S:皮带机上物料的最大截面积，m2；v:带速；k:倾斜系数；ρ:物料堆比重，kg/m3。

（1）1#上料主皮带机运输能力Q核算

确定S值：由槽角α=35°，得堆积角θ=（0.5～0.75°）×α=17.5～26.25°，取 θ=20°。由《运输机械设计选用手册》（以下简称《手册》）表1-3查得S=0.3 m2。

确定k值：皮带机的倾角δ=arctgH/Lh=arctg60.79/304.508=11.3124°。上式中，Lh：皮带机的水平长度；H：皮带机的提升高度。由《手册》表2-28查得k=0.93。

在计算含铁矿运输能力的时候，ρ取烧结、球团、块矿的综合堆比重1.95 t/m3，

则：Im=Svk ρ=0.3×2×0.93×1 950=1 088 kg/s；

所以1#上料主皮带机运输能力满足含铁矿运输工艺要求。

在计算焦炭运输能力的时候，ρ取0.5t/m3，

则：Im=Svkρ=0.3×2×0.93×500=279 kg/s；

所以1#上料主皮带机运输能力满足焦炭运输工艺要求。

（2）2#槽下上料主皮带机运输能力Q核算

根据同样的原理，计算皮带机的倾角δ=arctgH/Lh=arctg6.05/139.4=12°，由《手册》表2-28查得k=0.93。

则含铁矿：Im=Svkρ=0.3×2×0.93×1 950=1 088kg/s；

所以2#槽下主皮带机运输能力满足含铁矿运输工艺要求。

则焦炭：Im=Svkρ=0.3×2×0.93×500=279 kg/s；

所以2#槽主皮带机运输能力满足焦炭运输工艺要求。

2.3 联轴器的改造分析

1#上料主皮带电机和2#槽下主皮带电机后面选用的是液力耦合器与减速机链接，因为这样可以改善设备启动性能和减少电动机的启动冲击。按照工艺和设备启动要求，决定选用带制动轮限矩型液力耦合器。根据电动机的转速和功率由《手册》表1-44和表1-45选定了型号分别是YOXⅡZ750和YOXⅡZ560。带制动轮限矩型液力耦合器的主要特点是

（1）设备起动平稳，在运行中消减冲击与振动。

（2）提高电动机能力，减少电网的冲击电流。

（3）可以起到过载保护的作用，保护电机、工作机，不会因过载而损坏、烧毁。

（4）可以缩短启动电流的持续时间，节省能源。

（5）在多电机并联时能均衡负荷。

（6）液力偶合器构件无机械磨损，寿命长。

2.4 减速机的改造分析

对于减速机的主要技术要求如下：减速机采用平行轴；减速机需带逆止器，1#上料主皮带机逆止力矩不能小于39 kN.m，2#槽下主皮带机逆止力矩不能小于15.2 kN.m；减速机的机械功率不小于1.8倍的电动机功率；减速机的热功率不小于1.15倍的电动机功率；电源条件：AC380V；不允许采用非标产品；减速箱提供油温、高速轴轴承测温点；减速箱轴承采用SKF品牌减速箱高低速轴有良好的密封保护措施，确保开机无渗漏。

（1）1#上料主皮带机减速机的改造分析

根据表1计算如下：

减速机的输出转速：n=v×60/（2r×π）=2×60/（2×0.625×3.14）=30.56,

减速机的速比i=1 000/30.56=32.72

减速机功率：P2N≥P2×f1×f2=250×1.5×1=375 kW，

式中：f1是工作机系数，f2是原动机系数。

根据弗兰德样本减速机初步选型型号H3SH15，额定功率P2N=512 kW，速比iN=31.5。

所以由弗兰德样本3.3×P=3.3×250=750 kW≥512 kW（其中3.3是安全系数），满足要求。

在对自然冷却热容量、风扇冷却热容量和风扇+冷却盘管冷却热容量的计算后，根据减速机的热功率不小于1.15倍的电动机功率的条件，选定减速机的型号是H3SH15+F+C。

（2）2#槽下主皮带机减速机的改造分析

根据表1计算如下：

减速机的输出转速：n=v×60/（2r×π）=2×60/（2×0.5×3.14）=38.21，

减速机的速比：i=1500/38.21=39.26。

减速机功率 P2N≥P2×f1×f2=200×1.5×1=300kW

根据弗兰德样本减速机初步选型型号H3SH12，额定功率P2N=307 kW，速比iN=40。

所以由弗兰德样本3.3×P=3.3×200=660 kW≥307 kW（其中3.3是安全系数），满足要求。

在对自然冷却热容量、风扇冷却热容量和风扇+冷却盘管冷却热容量的计算后，根据减速机的热功率不小于1.15倍的电动机功率的条件，选定减速机的型号是H3SH12+F+C。

3 称量漏斗的改造分析

3.1 称量漏斗的改造优化

（1）为了减少振动筛出来的物料对称量漏斗锥段衬板的磨损，一是增加衬板厚度；二是在称量漏斗的直段上部增加料垫装置，料垫装置是由料垫和H型钢组成，先把H型钢焊接在称量漏斗的内壁，H型钢到称量斗顶面的距离500 mm左右，现场根据情况可调整，然后料垫用紧固件固定在H钢上，而且料垫的位置根据需要可以移动，料垫中充满物料相当于料打料，振动筛出来的物料经过料垫装配缓冲后再进入称量漏斗，这样大大加大了漏斗锥段衬板的寿命，节省了更换衬板，增加了效益，图3是料垫装配简图。

图3 料垫装配简图

（2）原有的称量漏斗采用电机加减速机和四连杆机构的方式卸料，这种方式成本较高、结构复杂而且需要工人定期巡检耗费人力，这次改成蜗轮蜗杆手动调节闸门+液压驱动闸门的驱动方式来卸料。称量漏斗的支架以前是支撑在平台上，现在要求支架落地。

蜗轮蜗杆手动调节闸门用来控制物料的流量，不同的物料就打开的不同开口度。闸门上装有行程标尺，能够准确控制开口度。当转动手轮时，螺杆带动闸板沿着闸门本体上的轨道运动，从而实现闸门开口度的调节。当手轮停止转动，闸门达到所需要的开口度时，由于蜗轮蜗杆传动本身具有自锁功能，所以在没有外力的情况下闸门不会往回运动。

（3）为了适应环保的要求，称量漏斗的下部闸门直接插入槽下主皮带的导料槽内，液压驱动闸门放在称量漏斗的内部，这样灰尘难以散开到外面。闸门的开口度通过接近开关控制，在称量漏斗的内部还有衬板来控制它的极限打开位置，另外除尘罩与振动筛的出口处采用橡胶软连接。

3.2 称量漏斗液压闸门的设计分析

称量漏斗液压闸门是由液压缸驱动曲柄，曲柄带动轴和翻板转动。翻板焊接在钢管上，钢管的两侧通过平键连接两个半轴。轴直径的确定是关键所在，根据工况要求块矿的堆比重最大，此时翻板受力最大。经过计算落在翻板上的料柱的重力是1.684 t，对轴的转矩是8 385 Nm。液压缸的选用内径63 mm，活塞杆直径选用45 mm，工作压力选用10 Mpa，力臂是296 mm时，则液压缸的推力是31.17 kN，对轴的转矩是 31.17×103×0.296=9 226 Nm。＞8385 Nm，满足要求。图3是半轴的三维模型。

对半轴进行三维建模，对半轴进行有限元分析，安装轴承处的力是8420 N，弯矩是9 226 Nm，分析后得到最大的应力是40 Mpa。根据计算结果，翻版轴选用Φ100 mm、40Cr材质的轴，其而许用应力是55 Mpa，所以剪切应力满足要求。

图3 半轴的三维模型

4 结语

马钢1#2 500 m3高炉大修工程上料系统设备的改造工程已经投产一年了，目前运行情况良好。尤其对主皮带机减速机和液力耦合器的选型合理经济，对称量漏斗的内部结构的改造和称量漏斗闸门驱动的改进使得整个上料系统运行更加顺畅，还减少了维修成本，此次改造非常成功，对同类型高炉的生产设计具有一定的借鉴意义。