張瑋
( 萊鋼集團設備檢修中心，山東萊蕪271104)
摘要: 通過對轉爐設備結構及多年的故障統計，結合故障樹建立分析過程，建立轉爐設備故障樹并進行定性分析，通過故障樹建立及定性分析有效地提高了設備維護的針對性，降低了設備故障的發生。
關鍵詞: 轉爐; 故障樹; 定性分析
0 引言
山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠1－3#爐是50 t 氧氣頂吹轉爐，該轉爐原設計為25 t 頂吹式轉爐， 2003 年挖潛改造爐體擴容至50 t。2016 年隨著鋼鐵產能提升要求，對轉爐設備維護的水平逐步增加，如何通過對歷年故障統計，數據分析，為設備穩定運行提供理論基礎，成為提高有效作業率的關鍵。通過采用轉爐設備結構、歷年故障統計，結合故障樹建立的模式，對轉爐設備進行故障樹建立及定性分析，為提高設備運行效率奠定了良好的基礎。
1 轉爐設備的主要構成
轉爐煉鋼是長流程技術( 高爐煉鋼) 煉鋼重要環節，轉爐車間設備組成總體可概括分為五大部分，主要包括轉爐系統設備、原料供應系統、供氧系統、副槍檢測系統及余熱鍋爐系統( 煙氣凈化及回收處理系統) ，其中股份煉鋼受前期設計空間影響，未采用副槍檢測系統。轉爐系統設備重點包括轉爐爐體、轉爐支撐系統及轉爐傾動裝置及相應控制系統; 原料供應系統主要包括四個方面: 鐵水供應系統、散裝料供應系統、廢鋼供應系統及合金供應系統; 供氧系統主要
涉及氧氣、氮氣、底吹，其關鍵核心為氧槍系統; 余熱鍋爐系統主要包括一次除塵系統，主要包括余熱鍋爐煙道、汽包、一次除塵風機、相應的水系統等。同時隨著環保的重視，排放指標的嚴格落實與控制，部分鋼廠增設有二次除塵系統，甚至包括三次除塵系統。
其中轉爐設備系統主要包括爐型、爐體裝配、爐體支撐結構及轉爐傾動結構四部分。爐型主要是指轉爐爐襯內部結構，其主要表示參數為爐容比及高寬比，目前使用爐型主要包括球型及截錐型兩種，其中截錐型爐底主要優點為制造和砌磚都較為簡便，其缺點為強度不如球型底好，故只適用于中小型轉爐。球型爐底的優缺點與截錐型剛好相反，通常為大型轉爐采用; 爐體裝配主要包括爐殼、水冷爐口及爐底三部分組成，主要對爐型及爐襯進行支撐作用，其中爐體裝配主要包括死爐底結構及活爐底結構兩種結構形式，目前中小噸位轉爐多采用活爐底結構; 爐體支撐系統主要包括托圈與耳軸、止動裝置、球面支撐、耳軸軸承座等五部分; 轉爐傾動系統按其傳動結構方式不同可分為落地式傳動結構、半懸掛式傳動結構、全懸掛式傳動結構及液壓傳動的傾動結構，目前國內在綜合考慮設計的安全性，普遍采用的爐傾結構為全懸掛式爐傾結構。其中全懸掛式爐傾結構主要包括四臺電機、制動器、控制系統、一級減速器及二級減速器及扭力桿裝置、事故緩沖裝置等，重點針對轉爐系統設備進行可靠性分析及優化設計。
2 故障因素及故障統計
如圖1 為50 t 轉爐設備系統圖，股份煉鋼廠50 t轉爐原設計為25 t 轉爐，先后經過2003 年擴容改造、2007 年水冷改造成為目前設計結構形式。其爐型為截錐型，爐體裝配為活爐底結構，如圖2 所示為50 t轉爐砌筑模型圖，其爐容比計算方式如下:
式( 1) ～ ( 4) 中: V帽為爐帽部位體積; V身為爐身部位體積; V0為爐底部位體積; T 為出鋼量。
鑒于轉爐爐容比小于0．7，冶煉過程噴濺較為嚴重，造成設備運行環境惡劣，同時受空間限制，裙板與圍板之間距離為190 mm，水冷改造后爐帽、爐口水箱等管路與耳軸采用軟管進行聯接，造成爐體冷卻水管損壞，同時裙板使用壽命較低，裙板損壞嚴重，爐殼受噴濺渣烘烤影響，爐底、爐口法蘭燒損變形，爐殼使用壽命較低。如表1 爐體裝配使用壽命所示，為設備自2009～2011 年以來設備使用壽命情況。
對頻發故障進行細化統計，如表2 爐體冷卻水管頻繁故障情況所示，為50 t 轉爐集中頻繁故障階段的故障原因分析。
表3 為轉爐支撐裝置使用壽命情況記錄表。
轉爐爐體支撐裝置主要包括托圈、球面支撐、止動裝置及耳軸軸承，耳軸軸承型號為239 /710W33，傳動側軸承考慮其更換的方便性采用剖分軸承，采用內圈加寬的方式; 球面支撐及止動裝置采用傳統加持器機構，球面支撐橫銷采用螺紋連接固定結構，減少了球面支撐橫向竄動造成銷軸竄出問題; 托圈寬度為540 mm，高度為1 400 mm，收集自2003～2013 年設備故障數據對轉爐支撐裝置進行壽命分析。
轉爐傾動裝置采用全懸掛爐傾裝置，主要由4 臺電機驅動，單臺電機能夠完成轉爐一個工作循環，一次減速機為圓柱齒輪減速機，二次減速機采用四級齒輪軸與大齒輪嚙合，大齒輪與耳軸采用切向鍵聯接，全懸掛減速機底部設置扭力桿裝置，將爐傾減速機運行過程中產生的慣性力矩轉化為扭矩。爐傾系統試用壽命如表4。
3 故障樹
3．1 故障樹概述
故障樹分析法( Fault Tree Analysis，縮寫為FTA) ， 1961 年由美國貝爾電話研究所沃森首次提出，同時該所在后期進行了不斷改進，重點針對火箭偶發事故預測問題進行改進。1976 年，清華大學首次在國內核反應工程開展可靠性工程研究應用，截止目前可靠性工程已廣泛應用于宇航、核能、電子、機械、化工等領域。故障樹分析法是一種圖形分析演繹方法，是故障事件發生的邏輯規律。它主要由圖、節點、邊、連通圖、圈等要素組成。樹即是一個無圈的連通圖; 故障樹，它是一種從結果到原因描繪事故發生的一種有向邏輯樹，其中樹中的節點有邏輯判斷性質，它具有有向性和開放性兩個特點［1］。
3．2 故障樹定義
故障樹，形似倒立著的樹。樹的“根部”頂點節點通常表示系統的某一個事故; 樹的“梢”底部節點表示事故發生的基本原因，樹的“枝杈”中間節點表示由基本原因促成的事故結果，又是系統事故的中間原因; 事故因果關系的不同性質通常用不同的邏輯門表示。這樣畫成的一個“樹”，用來描述某種故障發生的因果關系，稱之為故障樹［2］。
3．3 故障樹分析建立步驟
故障樹建立步驟主要包括: 明確的系統、可進行定量或者定性分析的頂事件、故障樹模型建立、模型的不斷完善與優化、故障樹的定量或者定性分析，具體實施步驟如圖3 所示。
建立故障樹模型的主要符號包括事件符號、邏輯門符號以及轉移符號三種; 事件符號如圖4 所示，圖4 中從左向右依次為事件、基本事件、省略事件、外部事件、條件事件。
邏輯門符號主要包括與門、或門、禁門、順序與門及異或門四種符號，與門( and 門) ，表示事件同時存在才能發生結構，表達式為F = F1∩F2∩……; 或門( or 門) ，表示事件不管哪一個發生時都會出現故障;表達式為F = F1∪F2∪……; 禁門，表示某輸入事件在一定的條件下才能引起輸出事件發生; 順序與門，只有當F1先于F2發生時，時間發生; 否則事件不發生; 異或門，表示正常情況與或門相同，當兩者同時發生時，事件不再發生，如圖5、6 所示。
轉移符號的主要作用為①可避免相同的子樹在作圖上的重復; ②可解決一張圖紙上畫不開大的故障樹時，作為子樹在不同圖紙上的相互銜接的標志。
3．4 轉爐系統故障樹建立
選取轉爐設備系統作為研究對象，選取轉爐不動作作為頂事件進行系統分析，建立如圖7 轉爐設備系統故障樹。
3．5 故障樹定性分析
通過故障樹的建立，對故障樹進行定性分析，共計建立40 個最小分割集，最小徑集3 個。也就是說轉爐不運轉共計有40 個可能性。但從3 個徑集可得出，只要采取徑集方案中的任何一個，轉爐不動作故障就可以避免。通過系統分析通過優化設計方案提高設備的運行穩定性可有效解決目前轉爐設備不動作故障的發生。
4 結語
以故障樹分析的建立為理論基礎，重點對轉爐系統結構進行了分析，同時結合近年來50 t 轉爐發生故障特點，建立完善50 t 轉爐故障樹，通過對故障樹系統分析，將故障樹分析成40 個分割集及3 個徑集，為可靠性優化設計項目提供了基礎。
參考文獻:
［1］ 紹延峰．故障樹分析法在系統故障診斷中的應用［J］．中國制造業信息化( 學術版) ，2
007( 1) : 72－74．
［2］ 張英會．機械系統故障樹分析法［J］．中國機械工程，1985( 2) : 42－44．