130吨转炉支承螺栓异常断裂的探索与分析

郭亮，易荣伟，韩云珍，李少坤，朱婉清

（武汉工程科技学院，湖北 武汉 430200）

某钢厂2号转炉于2011年8月投产，是该钢厂实现产线升级、提高市场竞争能力的重要设备。由于在实际生产过程中，2016年5月以来，2号转炉炉体支撑装置球铰出现断裂等异常状况，严重影响转炉生产安全和人员安全。同时，转炉故障检修、维护工作量大、时间长，不仅检修人员劳动强度大，而且影响生产计划的正常安排。因此，必须对转炉炉体支撑装置球铰断裂异常原因进行探索与分析，以满足安全生产的要求。

1 转炉炉体支撑装置球铰的功能及组成

转炉炉体三球铰支撑装置是转炉的重要组成部分，三球铰按120°均匀分布在水冷托圈上方，通过其与炉壳法兰圈板的装配来实现载荷的传递，由托圈耳轴上的悬挂减速机带动炉体进行360度方向上旋转，完成冶炼工艺流程。

转炉炉体支撑装置球铰的主要组成部分为：支承螺栓、下部球面垫（1）、下部球面垫（2）、上部球面垫（1）、上部球面垫（2）、四波纹垫圈、Tr280×12螺母、φ350销轴等。如图1所示。

图1 转炉炉体支撑装置球铰示意简图

在正常情况下，球铰支承只承受轴向载荷，径向力由上下定位块承担，并可自动调节制造和安装误差。当炉体倾斜和炉壳与托圈受热膨胀时，上下部球面垫之间通过产生相对位移，可以补偿炉壳与托圈受热膨胀变形。因此,该装置不仅能保证连接件间载荷的传递，而且当转炉冶炼时能很好的吸收炉壳和托圈的热膨胀和变形，消除热膨胀产生的机械应力。

2 探索存在问题与原因分析

2.1 止动托座被挤脱落

转炉炉体支撑装置球铰在使用过程中，因长期处于重载、高温的环境，0度方向（以游动端处）上的支承螺栓于2014年11月出现螺栓螺纹中部处断裂脱落约100mm，后被迫减掉四个四波纹垫圈，得到82mm螺纹长度，将Tr280×12螺母旋下锁紧，仅能达到基本固定炉体的目的。2016年6月起，在对炉体的例行检查中发现正120度方向上止动托座二（见图2）频繁脱落，原因就是因为在炉壳支架位移巨大作用力下，将调整垫板直接挤脱，直至将焊接在托圈上的止动托座挤脱落。

图2 止挡托座示意简图

同时，350销轴（见图3）也在炉体的巨大作用力下出现位移，位移距离最多的时候达到了150mm。为防止销轴继续向外滑，被迫在销轴的外断面焊接40mm挡板作为止挡板，但效果不理想。

图3 350销轴示意简

由于转炉炉体支撑装置球铰结构设计、安装在托圈上端面，止挡座和止挡板的焊接工作量极大，作业空间相当狭窄，仅能一名作业人员焊接施工，焊接时间往往在4～6h，再加上检修作业时转炉的热辐射量大，在水冷降温等措施下局部温度仍在60℃左右，对检修工作带来了非常大的难度。

2.2 三点支承螺栓分别出现断裂

2015年12月，在例行检查时，发现负120度方向上支承螺栓螺母出现松动，350销轴持续在炉壳作用力下向外位移，在随后拆除掉支承装置保护罩后，发现支承螺栓根部处整体断裂，被迫停炉检修。检查发现，断裂部位发生在支柱螺栓根部，断裂面与基本底座平行，呈线状分布。从断裂面表象分析，原因应该是支柱螺栓在长期高温重载情况下，炉体将极大的弯矩作用力传递到螺栓上，该径向力在螺栓根部集中，产生的应力超过其强度极限并导致疲劳断裂。2016年2月，采用整体挖补炉壳支撑板的方式进行支承螺栓整体更换。

2.3 支承螺栓断裂原因分析

2.3.1 支承螺栓断裂处受力分析

炉体转动到90°时，由于整个炉体重心的偏移，断裂的支柱螺栓此时所承受的径向力最大（F=P）,可以简化成如图4所示的悬臂梁。

图4 支柱螺栓受力及弯矩图

在图4中，P为炉体、炉衬和钢水的总重。L1=514.5mm；L2=135mm。由 公 式，抗拉强度σb≥985Mpa；屈服强度σs≥835Mpa；由装置图D=280mm，则抗弯截面系数。

以上数据为单个支承所承受的安全数值，装置由三点球铰支承共同承受，若分配到每个支承上的量处于材料安全承受值之内，则装置能正常运行工作。

该厂实际转炉最大重量为：铁水120t，废钢40t，炉衬420t，炉壳198.6t，3套炉体22.6t，合计总重量约800t，当=800t时，数据代入，可得：M=1520.96kN.m，=705.74MPa。总承重量=800t由三点球铰支承共同承受，参照表1中支柱螺栓性能参数可知，以上单个支承所承受M和σ的数值均在其材料所能承受的安全数值,内。装置能正常使用，设计合理。

表1 支柱螺栓性能参数

参照表1中支柱螺栓性能参数可推得，当单个支承承重372.18t时，材料未发生塑性变形，能正常使用，当单个支承承重超过上述值时，材料开始从弹性状态非均匀的向弹-塑性状态过渡，它标志着宏观塑性变形的开始，此时装置不能正常使用，若继续使用，随时都有可能发生断裂，不利于安全的工作操作。

2.3.2 支承螺栓倾角过大

由于炉壳与水冷托圈受热膨胀量存在差异，支承螺栓向炉壳外侧最大倾斜设计角度为4度，向炉壳内侧最大倾斜设计角度为3度(见图5偏移角度)。

图5 支承螺栓偏移角度

依据设计图纸可知，支承螺栓可通过上、下部球面垫进行炉体重心调整，但调整幅度有限，只能在炉壳内侧约26.90mm和外侧约71.30mm范围内，当因为炉壳受热膨胀变形，炉内炉衬变化导致炉体重心偏移等因素影响，就会导致炉体的冲击载荷频繁施加到支承螺栓上，而支承螺栓承受的最大冲击扭矩Mmax在350销轴轴向上。

如图4所示，支承螺栓根部（断裂处）距销轴的中心轴长L=209.5mm，设此处的弯曲正应力强度为σ1，由弯曲正应力强度条件得：σ1=1355.09MPa＞σb＞σs，而支承螺栓根部的单个支承所受M1=2920.4kN.m，超过Mmax值较多，参照表1中支承螺栓性能参数，支承螺栓承受的冲击已远超其材料所能承受的安全数值内，综合以上多方因素，致使支承螺栓根部发生断裂。

2.3.3 炉体止动托座脱落

炉体止动托座的作用就是将炉体固定在三支承螺栓合理的受力范围内，正是因为炉壳严重的变形偏移，在生产实际中的表现就是频繁地将止动托座挤脱落，导致炉体重心偏移，超越支承螺栓上、下部球面垫调整极限，将更大的力矩施加到受力更大支承螺栓上。这也是该厂负120度方向上支承螺栓先断裂的原因。

2.3.4 支承螺栓上、下部球面垫润滑不到位

该因素为支承螺栓装置劣化的次要原因，但也是我们需要关注的因素。在生产实际使用中，由于转炉冶炼过程中会产生大量的炉渣，会将支承螺栓罩覆盖，导致球面垫的加油孔形同虚设，只能在首次安装的时候加入一定量的二硫化钼高温润滑油。

支承螺栓防护罩的作用就是防止炉渣等颗粒物进入支承螺栓球面垫中，但是，该罩又遮挡了点检人员的视线，增加检修时间不少于1h。尤其是在支承螺栓劣化的时候，为便于点检和检修，直接拆除了防护罩。这一行为又简洁地加剧了支承螺栓装置的劣化，从拆下损坏的支承螺栓球面垫中就能发现极深的划痕，应该是炉渣进入造成的。

2.3.5 四波纹垫片疲劳失效

该因素为支承螺栓装置劣化的次要因素，波纹垫片的作用就是使Tr280×12螺母能够锁紧支承螺栓，防止螺帽松动。当在施加876kN预紧力时，保证支承螺栓装置中的上下两组球面垫可以正常工作。但在实际高温、重载、冲击载荷的条件下，波纹垫片会产生疲劳损伤而失效，致使Tr280×12螺母无法锁紧支承螺栓，转炉炉体重心偏移加剧，冲击载荷变得更大。

3 改进措施及方法

3.1 增强支承螺栓防断裂能力，改善受力状况

依据上文受力计算分析可知：该厂使用的35CrMo支承螺栓满足塑性强度σ0=705.738674MPa要求，但在重心偏移，受力状况改变的情况下，会突破抗拉强度σb≥985MPa；屈服强度σs≥835MPa的极限值。因此，参考表2，可选用40CrNiMoV作为支承螺栓的材质，增强该螺栓的塑性强度，降低在极端受力情况下断裂的风险。

表2 支柱螺栓不同材质性能参数

3.2 保证支承螺栓倾角在设计范围内

支承螺栓倾角的设计理念就是在转炉炉体在高温、重载下的柔性运动，尽量避免冲击载荷过大造成的破坏。因此，在实际生产实践中，要严格保证炉壳内侧偏移约40.14mm和外侧偏移约71.30mm的范围值。而这个范围值的控制，主要就是依靠炉体水冷托圈上表面固定的6个止动托座，水冷托圈下表面固定的8个止动托座，总共14个止动托座来限制7套炉壳上下部托架（图6）。

图6 止动托座安装位置示意简图

3.3 加强支承螺栓上、下部球面垫润滑

球面垫的润滑是通过支承螺栓端面的干油孔添加的，由于渣量大，干油孔很快就会被堵塞。为解决这一问题，可采取将三球铰干油孔用3/4英寸不锈钢管道引出支承螺栓防护罩，就近放置在两耳轴端，在2h检修期间就可通过耳轴处人孔补油。由于炉体温度较高，必须使用二硫化钼高温润滑油，否则油脂硬化会造成油管堵塞。

同时，尽可能地保持支承螺栓防护罩完好，该防护罩可以最大限度地阻止炉渣等颗粒物进入到支承螺栓球面垫中，保证球面垫结合部处于良好的润滑状态。

3.4 规范四波纹垫片的更换周期

四波纹垫片在现有工况下肯定会疲劳损伤直至失效，在其状况劣化到一定程度时有序更换，就很有必要。因此，可以选择在每1年半的炉役中修期间，将四波纹垫片的更换加入检修项目中。

4 结语

通过本次分析，结合在实际工作过程中出现的支承螺栓根部异常断裂、止动托座脱落、炉壳变形扭曲等现象，找出了转炉支承螺栓断裂原因，提出了改变支承螺栓材质、保证螺栓倾斜角度、保证润滑等措施，解决炉体倾动过程中长期受高温、冲击载荷而产生了严重的应力集中的现象。较好地保障了转炉设备运行安全，提高了设备作业率，降低了维修工人的劳动强度，对同类型转炉支承螺栓的设计、维护提供了很好的借鉴。