全能型钢水罐热修系统工艺研究与设计

张洪为 吴修文

(马钢集团设计研究院责任有限公司，安徽 马鞍山 243000)

在现有炼钢工艺技术中，每浇铸完1～2包钢水后，需对钢水罐进行滑动水口检修、更换、注砂引流和清渣等工作。钢水罐热修需要将钢水罐倾翻0°、90°以及大于110°；同时，钢水罐内部清理需要通过吹氧管进行，吹氧过程中会产生大量烟尘，按照新的环保要求，需要对烟尘进行有效收集；按照安全规范，钢水罐热修位不能布置在出钢跨，并且热修位的操作区域需要与高温区至少有15 m安全距离，这样就需要钢水罐热修位的总体布置尽量紧凑，减小占地面积。

1 针对现状提出优化方案

现有钢水罐热修系统依然存在以上问题，发明专利CN106735160B中公开了一种环保型钢水罐热修装置，如图1。钢水罐运输车与清理平台车在轨道上，除尘系统在轨道上方，渣盘在除尘系统下方，低于轨道水平面；吊车吊运钢水罐；清理平台车与除尘系统连接形成近乎密闭空间，钢水罐热修作业产生的烟尘由除尘系统处理达标后排放，残钢渣落入渣盘内[1]。该系统不足之处在于：采用钢水罐运输车运输，钢水罐初始状态下只能倾翻90°，不能倾翻0°和大于110°的角度，需要通过吊车才能完成倾翻角度，同时封闭的除尘罩限制了注砂引流工序和清渣工序，功能性不齐全。

1—吊车 2—轨道 3—楼梯 4—头部电缆卷筒5—清理平台车 6—吹氧管 7—挡板 8—固定除尘罩9—除尘支管 10—蝶阀 11—除尘总管 12—悬臂吊13—钢水罐 14—运输车 15—尾部电缆卷筒 16—渣盘17—座架 18—烟囱 19—蝶阀图1 一种环保型钢水罐热修装置Figure 1 A molten steel tank thermal repair devicewith environmental protection function

钢水罐热修系统工艺和功能性直接影响到生产效率和维护质量。因此，针对钢水罐热修系统工艺需进一步研究改进。

近年来数字化仿真设计技术高速发展，根据钢水罐热修系统工艺和功能特性，提出合理设计应用方案，基于Inventor三维仿真软件，建立钢水罐热修系统的优化模型，实践验证该装置有效性及正确性。

2 全能型钢水罐热修系统工艺

全能型钢水罐热修系统总布置见图2，主要包括钢水罐倾翻装置、吹氧小车、操作平台、加引流砂装置、除尘装置、滑动水口更换装置。与钢水罐连接的倾翻装置可实现钢水罐倾翻0°、90°及大于110°。钢水罐的一侧有操作平台，操作平台高度大于钢水罐呈竖直状态时的高度，另一侧有可移动除尘装置，对工作时产生的烟气进行收集。操作平台包括上、中、下三层平台体，加引流砂装置可移动，设置在上层平台体上，便于进行添加引流砂操作；水口更换装置与中层平台体连接，水口更换装置包括与中层平台体通过楼梯连接的机架，机架上有横移平台，横移平台与驱动气缸连接，实现在机架上移动，横移平台上有悬挂机构，悬挂机构末端有新水口。中层平台体呈“凹”形设置，底部伸缩平台在中层平台体的底面，可伸缩。伸缩平台伸出时，中层平台体呈“口”形。操作人员可以站在伸出的伸缩平台上进行操作。

1—钢水罐 2—倾翻装置 3—底部伸缩平台 4—操作平台5—加引流砂装置 6—除尘装置 7—水口更换装置8—吹氧小车 9—钢渣斗 10—地坑图2 全能型钢水罐热修系统总布置图Figure 2 Total layout of a molten steel tank thermal repair system with full function

钢水罐热修系统还包括吹氧小车，设置在钢水罐的开口正前方，吹氧小车包括设置在地面上的轨道，驱动轮组与电机连接，实现在轨道上滑行，且驱动轮组与移动台连接，移动台靠近钢水罐的一端设有挡板，挡板上有供吹氧管穿过的孔。

除尘装置包括两条平行设置的滑轨，一条滑轨高度高于另一条滑轨高度，这里的高度是指滑轨距离地面的高度，高度高的滑轨称为高轨，高度低的滑轨是在地面开设的地轨。这样高轨可以架设在倾翻装置上方并不与其发生干涉，避免单独设置轨道带来的占地面积增大。除尘罩与减速电机连接，实现在两条滑轨之间移动，且除尘罩的一端有连接口，除尘管通过连接口与除尘罩连接。

该全能型钢水罐热修系统工艺包括以下步骤：

(1)钢水罐由行车吊运，呈竖直状态与倾翻装置连接。

(2)随后倾翻装置工作，将钢水罐由竖直状态翻转为水平状态。

(3)除尘装置移动至钢水罐上方，对钢水罐进行除尘。

(4)水口更换装置移动至钢水罐中滑动水口对应的位置进行水口更换，同时操作人员在底部伸缩平台上对钢水罐内部进行吹氧管吹氧，然后水口更换装置和底部伸缩平台恢复到原始位置。

(5)倾翻装置继续工作，将钢水罐翻转为与竖直线的夹角大于110°，清理钢水罐中的钢渣。

(6)除尘完毕后，除尘装置恢复到原始位置。

(7)清理钢渣完毕后，倾翻装置继续工作，将钢水罐翻转为竖直状态，随后加引流砂装置工作，对钢水罐进行加引流砂操作。

(8)加引流砂操作完成后，将钢水罐吊出，等待下一个需进行热修的钢水罐，重复上述操作。

3 热修系统机械部分研究与设计

3.1 钢水罐倾翻装置

倾翻装置用于对钢水罐进行翻转动作，全能型热修系统侧视图见图3。倾翻装置包括呈平行设置的两台驱动电机，驱动电机与减速器连接，减速器为三级平行轴减速器，两个减速器中的输出轴最终均与大齿圈传动，即两个输出轴与一个大齿圈啮合，传递效率高且输出扭矩大。

大齿圈通过切向键连接主轴，主轴远离大齿圈的一端设有圆弧托架，圆弧托架不随齿圈的转动而转动，呈固定状态。齿圈底部有放置钢水罐的托杆，托杆呈“L”形，其中“L”形中的水平段放置钢水罐，竖直段能对钢水罐起到限位固定作用，保证钢水罐在托杆上放置的稳定性。圆弧托架与对面的固定托架分别放置钢水罐中的两个耳轴，固定托架设置在地面上，圆弧托架和固定托架形状一致。

1—驱动电机 2—电力液压鼓式制动器 3—减速器4—输出轴 5—主轴 6—大齿圈 7—行程开关8—圆弧托架 9—托杆 10—固定托架 11—钢水罐12—钢渣斗 13—除尘管 14—除尘装置 15—驱动气缸16—横移平台 17—新滑动水口油缸 18—悬臂吊框架19—悬挂机构 20—滑轮组图3 全能型热修系统侧视图Figure 3 Side view of a thermal repair systemwith full function

驱动电机驱动大齿圈旋转，随后带动托杆转动，在托杆上的钢水罐也随之转动不同角度，其中圆弧托架和固定托架始终对钢水罐中的耳轴起承托作用，耳轴能够在圆弧托架和固定托架上转动。该倾翻装置结构简单，且动力传输平稳。该倾翻装置中单个驱动电机的损坏并不影响整个倾翻工作。同时在操作平台一侧设有悬臂吊，悬臂吊的回转半径可达到钢水罐中心线，用于检修或吊运钢水罐中的内部及底部部件。钢水罐倾翻装置技术参数如下：

电机功率：132 kW×2

减速机数量：2台

翻转角度：0°～130°

倾翻速度：1 r/min

倾翻锁定角度：0°、90°、110°

扇形齿轮材质：40Cr

小齿轮材质：35CrMo

3.2 除尘装置

除尘罩与减速电机连接，实现在两条滑轨之间移动，除尘罩为上吸式除尘罩，覆盖范围广且除尘效果好。当需要对钢水罐进行除尘操作时，倾翻装置将钢水罐由竖直状态翻转为水平状态，此时，减速电机驱动，驱动除尘罩移动至钢水罐的上方，除尘罩将有效覆盖钢水罐，对钢水罐的前部烟气和尾部烟气进行全方面收集。除尘装置结构简单，除尘效果好。除尘罩装置技术参数如下：

为保证模拟结果的可靠性，对光滑管从0.5～2.0m/s的入口流速进行模拟，由于研究流体为无相变流体在光滑管管内作强制流动，可将模拟得到的摩擦系数fA与Blasius公式计算理论值对比[9]，从而判定模拟结果的可靠性。结果如表2所示。

电机功率：5.5 kW×2

横移距离：0～8000 mm

横移速度：0～9.26 m/min

主动轮传动：双排链传动

除尘罩结构：框架焊接结构(内铺陶瓷纤维棉毯)

3.3 加引流砂装置

全能型钢水罐热修系统总布置图中加引流砂装置包括设置在上层平台体上的操作台，操作台上设有引流砂管，引流砂管与引流砂存储设备连接，引流砂存储设备中的引流砂通过引流砂管进入到钢水罐中。操作台底部设有滚轮组，滚轮组中的齿轮均分别与链条啮合，链条与驱动电机连接，通过驱动电机驱动链条，随后带动滚轮组，最终实现操作台移动，传动简单且稳定，在操作台安装时，需以操作台上的引流砂管对准钢水罐中的加砂孔，方便后续加引流砂的操作。

当加砂完毕后，加引流砂装置缩回至上层平台体上，不妨碍钢水罐的倾翻和吊运工作，结构简单，操作方便。加引流砂装置加砂小车主要技术参数如下：

伸缩行程：0～3500 mm

加砂管下降行程：0～6245 mm

3.4 滑动水口油缸更换装置

全能型热修系统侧视图中滑动水口油缸更换装置包括设置与中层平台体通过楼梯连接的机架，机架上有横移平台，横移平台与驱动气缸连接，实现在机架上移动。机架设置在中层平台体的一侧，以不妨碍钢水罐翻转为基准。将机架与中层平台体集合，中层平台体上的操作人员可通过楼梯进入到机架上的横移平台，跟着横移平台一起移动至钢水罐中水口油缸的对应位置进行更换。

横移平台上设有悬挂机构，悬挂机构的末端有新水口油缸。横移平台与滑轮组连接，若干个车轮均与驱动气缸连接，驱动气缸驱动滑轮组，实现横移平台移动，传动平稳简单。更换完毕后，横移平台缩回至原始位置。滑板油缸横移平台装置技术参数如下：

下部平台尺寸：长2500 mm×宽1500 mm×高2700 mm

上部横移平台尺寸：长2700 mm×宽1000 mm

气缸参数：∅160 mm/∅50 mm×2000 mm

横移平台速度：可调(节流阀调节)

3.5 吹氧小车装置

吹氧小车布置如图4。吹氧小车设置在钢水罐开口正前方。吹氧小车向钢水罐中进行吹氧，只有当钢水罐的开口朝向吹氧小车时，吹氧小车才开始工作。吹氧小车包括设置在地面上的轨道，驱动轮组与电机连接，实现在轨道上滑行，且驱动轮组与移动台连接，移动台靠近钢水罐一端有挡板，挡板上有供吹氧管穿过的孔。

1—钢水罐 2—吹氧管 3—轨道 4—移动台 5—吹氧小车图4 吹氧小车布置图Figure 4 Arrangement of an oxygen blowing trolley

当钢水罐翻转至钢水罐上的开口朝向吹氧小车时即当钢水罐呈水平状态时，移动台在轨道上滑行至距离钢水罐开口一段距离，能够实现吹氧，同时保证操作人员安全。操作人员站在移动台上，在挡板后端，手持吹氧管，使其穿过挡板上的孔对钢水罐内部进行吹氧和清理残渣时，挡板有效挡住热辐射，保证操作人员的安全。

当吹氧完成后，吹氧小车退回至原始位置。吹氧小车用于对钢水罐顶部进行吹氧和清理残渣，而底部伸缩平台上的吹氧工位中的吹氧和清理残渣是对钢水罐的底部进行。单靠吹氧工位不能完全将吹氧孔吹透，且吹氧工位进行吹氧时刚好钢水罐处于水平状态，因此吹氧小车可以在进行底部吹氧时同时进行顶部吹氧，将吹氧孔完全吹透，进一步保证钢水罐的吹氧效果较高。吹氧挡板小车技术参数如下：

电机功率：3 kW×2

小车横移行程：0～2760 mm

小车横移速度：0～21.2 m/min

挡板尺寸：5300 mm×4560 mm

4 热修系统液压系统研究与设计

全能型钢水罐热修系统的液压系统主要为滑动水口更换装置和底部伸缩平台装置。介质为脂肪酸脂(HFD-U)46#，所有元件均适用，系统工作压力为20 MPa，系统采用两套主泵组，1开1备，正常情况下可定期转换使用。系统为间歇工作制。

5 整机仿真设计和分析

全能型钢水罐热修系统仿真设计见图5，基于Inventor三维仿真设计软件，对整机进行三维模型设计，建立运动模拟，参数辨识，多变量协同优化设计[2]。根据三维设计齿轮设计器结果分析出啮合和干涉问题，并对其进行加载校核，模拟预览齿轮运行情况，最终得出有效模型结果。

图5 全能型钢水罐热修系统仿真设计图Figure 5 Simulation design of a molten steel tankthermal repair system with full function

6 结语

对现有钢水罐热修系统进行优化改进，设计了全能型热修系统，该系统能够实现对钢水罐全方面检修，极大地提高检修效率，减少工人劳动强度。将加引流砂装置、水口更换装置和吹氧工位集成设置在操作平台上，充分利用设备空间，减少整个系统的占地面积。同时将操作平台设置成多层结构，有效保证每层工作互不干扰，彼此独立；保证整个操作平台的整体强度，减小操作平台占地面积；整个系统结构简单，制备成本低。采用Inventor中功能进行模型参数辨识，整个系统上线前仿真运动模拟，减少安装现场的不稳定因素，缩短安装进度。