铁水罐晃动仿真分析

吕晓飞，杜鹏远，2，习 杰，3，蒿润涛，2，杨 磊

（1.新兴河北工程技术有限公司，河北邯郸 056003；2.河北省球墨铸铁管工程研究中心，河北邯郸 056003；3.新兴铸管股份有限公司，河北邯郸 056003）

1 前言

近年来，“一罐到底”铁水转运工艺逐渐在各大钢厂投入应用。所谓“一罐到底”就是高炉承接铁水的铁水罐和转炉铁水罐为同一罐车，铁水罐直接从高炉出铁场接出铁水经铁路运至炼钢场地，直接将铁水兑入转炉而不经过混铁炉或专门向转炉兑铁的铁水包[1]。这种铁水转运工艺缩短了工艺流程，使得铁损、温降、烟尘排放点都大大减少，不仅降低了炼钢成本，也在环保除尘方面取得了明显效果[2]。

在“一罐到底”铁水转运工艺应用之前，炼铁、炼钢车间所用的铁水罐由于种种原因，可能存在结构、容量、耳轴尺寸等均不相同的情况。这就使得在衔接处，需要将铁水从一个铁水罐倒入另一个铁水罐里，势必会造成铁损、温降、烟尘排放超标等问题。

在“一罐到底”铁水转运工艺改造过程中，由于时间、成本等多方面原因，不可能将几十个铁水罐一次性统一，这就会造成板钩与铁水罐耳轴不匹配的问题。目前并没有关于铁水罐板钩与耳轴间隙的相关国家规范。但是板钩与耳轴的间隙过大，必然会造成铁水罐晃动风险加大。

关于铁水罐的晃动可以分以下两种情况：一是由于铁水罐耳轴磨损后，造成耳轴轴心与铁水罐重心偏移而引起的转动；二是在天车起、制动过程中，因惯性导致的铁水罐的晃动。

2 因重心偏移引起的铁水罐转动

我们假定新铁水罐完全对称，但是由于罐嘴沾铁等因素，会造成铁水罐重心向一侧偏移，且沾铁量与重心的偏移距离成正比。假设铁水罐罐嘴沾铁1t，则根据重心合成理论，铁水罐的重心O 会向罐嘴侧偏移大约13mm，如图1 所示。

图1 铁水罐重心与耳轴轴心偏移示意图

根据现场实际情况，耳轴的磨损往往发生在罐嘴一侧，这会导致耳轴轴心向罐嘴的另一侧偏移Rmm。根据力矩平衡原理，此时如果铁水包不发生转动，应满足如下条件：

式中，μ 为板钩与耳轴之间的摩擦系数，取为0.15；d 为耳轴直径，现为155mm。

根据上式计算可得耳轴轴心的偏移量

由于耳轴的磨损量X 是耳轴轴心偏移量的2倍，所以可得X≤20.5。

由于炼铁所用铁水罐耳轴直径d 为310mm，即当耳轴的最小直径为289.5mm 时，铁水罐即有可能在起吊过程中发生偏心旋转。

3 因惯性导致的铁水罐晃动

根据能量守恒定律，天车吊着铁水罐进行制动时，铁水罐会偏转[3]。不考虑沾铁、耳轴磨损、耳轴与板钩之间的接触变形，以及由天车变频器制动电阻消耗的动能等情况，对天车吊着铁水罐运行的过程进行仿真分析。以炼铁车间铁水罐及板钩相关实际参数为依据，进行如下设置：

铁水罐(含满罐铁水)总重量：150t；

大车最大运行速度：1333mm/s；

大车起制动时间：9s；

中间匀速运行时间：11s；

铁水罐重心到铁水罐耳轴（晃动时的旋转中心）的距离：300mm；

板钩开口尺寸：340mm；

板钩内弧面半径：330mm；

铁水罐耳轴直径尺寸：280mm，310mm，325mm三种规格；

铁水罐晃动时的旋转中心：铁水罐耳轴。

建立铁水罐运动仿真模型如图2 所示。

对耳轴直径280mm 的铁水罐，在天车起、制动情况下的晃动情况进行仿真，结果如图3 所示。

对耳轴直径310mm 的铁水罐，在天车起、制动情况下的晃动情况进行仿真，结果如图4 所示。

图2 铁水罐运动仿真模型

对耳轴直径325mm 的铁水罐，在天车起、制动情况下的晃动情况进行仿真，结果如图5 所示。

从上述分析结果可以看出，在天车按设定速度运行时，不同耳轴直径的铁水罐，最大俯仰摆角基本相同，为2°左右。但是，耳轴直径越小，摆角波动越频繁。如图所示，耳轴直径325mm 时，铁水罐摆角基本为平滑曲线；耳轴直径280mm 时，铁水罐摆角波动频率很大，为不稳定状态，会造成铁水罐内铁水液面的波动加剧，铁水罐内铁液溢出的风险加大。

图3 耳轴直径280mm 铁水罐的晃动仿真分析

图4 耳轴直径310mm 铁水罐的晃动仿真分析

图5 耳轴直径325mm 铁水罐的晃动仿真分析

4 铁水罐耳轴加轴套

如上所述，为了保证铁水罐吊运过程中的安全性，板钩与铁水罐耳轴间隙应尽量小。由于目前炼铁车间所用铁水罐耳轴直径小于炼钢车间所用铁水罐耳轴直径，为了应用“一罐到底”铁水转运工艺，最经济、快捷的办法是将板钩尺寸统一，对于耳轴尺寸较小的铁水罐，进行加轴套处理。加轴套后对于铁水罐耳轴也起到了保护作用，在耳轴套磨损后，可以方便的进行更换[4]。具体方案如图6 所示。

5 铁水罐耳轴加轴套后现场试验

按照上述方案制作铁水罐耳轴的轴套，并且将炼铁、炼钢的板钩形状尺寸进行统一。在车间对于上述情况进行试验，试验情况如图7 所示。

图6 耳轴加轴套方案

图7 铁水罐加轴套后的晃动试验

试验结果显示，铁水罐在各种工况下的晃动均在可接受范围内，不会导致铁水溢出。

6 结束语

本文通过对重心偏移、耳轴磨损造成的铁水罐转动情况进行计算，对耳轴直径不同的铁水罐进行仿真分析，得出板钩与耳轴间隙过大会造成铁水罐晃动频率加快，铁液溢出风险加高。为了经济、快捷的应用“一罐到底”铁水转运工艺，需对耳轴尺寸较小的铁水罐，进行加轴套处理，并给出了具体方案。现场试验证明，该方案简便、可靠，且轴套磨损后易于更换。