張振峰
（天津天鋼聯(lián)合特鋼有限公司，天津 301500）
[摘 要] 針對 1×75 m 鑄鐵機關(guān)鍵設(shè)備使用壽命低、運行故障多等問題開展研究，分析了鑄鐵機罐修庫一體化布置設(shè)計、鐵水澆注方式、固定鐵水槽、鑄鐵模結(jié)構(gòu)設(shè)計及材質(zhì)、存在的問題進行創(chuàng)新優(yōu)化改進，配置了結(jié)構(gòu)合理又緊湊的除塵系統(tǒng)，提高了鑄鐵機生產(chǎn)效率。
[關(guān)鍵詞] 鑄鐵機；優(yōu)化；澆注；鑄模
0 引言
在大型鋼鐵企業(yè)中，鑄鐵機工藝系統(tǒng)是用于高爐鐵水連續(xù)鑄成鐵塊的重要生產(chǎn)工序工藝設(shè)備，是高爐煉鐵工藝設(shè)備中鐵水處理中重要工序，在煉鋼工序檢修或接收鐵水困難的情況下起到平衡生產(chǎn)分流鐵水壓力的作用，是煉鐵與煉鋼生產(chǎn)之間緩沖鐵水供需的重要鋪助設(shè)施。雖然鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)工序中占據(jù)著非常重要地位，但近年來在鋼鐵工藝設(shè)計中，出現(xiàn)設(shè)計上鋼廠產(chǎn)能略大于鐵水產(chǎn)能趨勢，如大容積轉(zhuǎn)爐配置，從而消弱對鑄鐵機工藝設(shè)備數(shù)量的需求，這樣鑄鐵機雖然是高爐工藝設(shè)備中不可缺少的設(shè)備，但在工藝設(shè)計創(chuàng)新及設(shè)備制造發(fā)展上略有滯后，相關(guān)的設(shè)計和技術(shù)改造也常沿襲以往的工作經(jīng)驗，特別是鋼鐵企業(yè)升級改造過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些有待斟酌商榷的問題，如鑄鐵機系統(tǒng)的廠房平面布置、生產(chǎn)組織方式、臺數(shù)配置、鐵水罐傾翻方式、機后鐵塊運輸方式、投資與環(huán)保要求等。
2009 年 10 月，為承擔(dān)天鋼聯(lián)合特鋼升級改造工程 3×1 080 m3 高爐部分鐵水的分流及鑄塊的生產(chǎn)平衡工作，就此問題，在工程設(shè)計組織中，從產(chǎn)品制造、運行安裝、實際操作、綠色環(huán)保角度入手，進行了原因分析，并對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計改進，使該工藝設(shè)備機型的性能水平、實際使用效果得到提高，有效地滿足了生產(chǎn)應(yīng)用的要求，使工程造價大約降低了30%，經(jīng)濟效益十分明顯。
1 鑄鐵機工藝流程
機車（380~480t）將 100t的鐵水罐從高爐出鐵場運送罐修車間（延伸跨）鑄鐵機位，并牽引至前方支柱前配合對位后，再借用設(shè)計中一體化罐修庫120t鑄造起重吊車的主鉤提升副鉤傾翻，鐵水罐中鐵水經(jīng)過鑄鐵機機前兩段式鐵水溜槽導(dǎo)引流入至1×75 m 雙鏈帶滾輪固定式鑄鐵機鑄鐵模內(nèi)。鑄鐵機鏈帶向上移動過程時，鑄鐵模內(nèi)鐵水經(jīng)一小段時間自然空氣（或風(fēng)機強制）冷卻后，再將冷卻水噴淋在鑄鐵模上，促使鐵水凝固。長壽鑄鐵模采用特殊鑄鋼，內(nèi)形設(shè)計為大圓弧結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計更有利于消除應(yīng)力，在鑄鐵機使用說明書要求的工況條件下平均單模過鐵量達 160t以上。鑄鐵機上的鐵模是用螺栓固定在鏈帶裝置上的，鏈帶在驅(qū)動電機的帶動下，自鑄鐵機前向機后運動，從而也帶著鐵模向機后運動。
為方便于鑄鐵塊從模具自行脫模，在鑄鐵機運行到下方時需要連續(xù)向鑄鐵模具進行噴漿作業(yè)，噴漿原料為煤粉漿垣石灰漿（按鐵塊脫模要求進行比例配置）。鐵塊自機頭星輪處脫落，受場地限制以及減少投資項，在設(shè)計組織中機尾不設(shè)鏈板輸送機，經(jīng)鐵塊溜槽滑入地面，再經(jīng)鏟車以及運輸車輛及時運出。1×75m鑄鐵機工藝作業(yè)流程圖見圖 1。
2 鑄鐵機罐修庫一體化布置設(shè)計
天津天鋼聯(lián)合特鋼 300 萬t 升級改造項目總圖布置在 1 200 畝（1 畝≈666.67 m2）地域里，總圖整體設(shè)計要求噸鋼占地面積不大于 0.56 m2。這就需要鑄鐵機工藝系統(tǒng)平面布置緊湊、順暢、環(huán)保、美觀，特別是在設(shè)計理念上、方法上的創(chuàng)新，優(yōu)化工藝流程及工藝布局。本次鑄鐵機子系統(tǒng)總圖布置經(jīng)過組織優(yōu)化設(shè)計，修改了 2×60 m 鑄鐵機系統(tǒng)的設(shè)計方案（見表 1），采用鐵水罐修理庫與 75 m 雙鏈帶滾輪固定式鑄鐵機（一列式一體化）布置，并將升級改造項目新建 3×1 080 m3 高爐及原廠區(qū)小高爐鐵路相互連通，可實現(xiàn) 3×1 080 m3 高爐及原廠區(qū) 2×500 m3 小高爐的鐵水交叉組織生產(chǎn)平衡和消化澆鑄鐵水作業(yè)。罐修庫與 1伊75 m 鑄鐵機為一列式設(shè)計布置，罐修庫內(nèi)設(shè)置有 8 個罐修位（一列式設(shè)計）和 2 個罐修坑以及煤氣烤罐設(shè)施，100t 鐵水罐澆注鐵水后的清理殘渣鐵、組織扣罐、拆除罐內(nèi)殘余耐材、罐內(nèi)耐材砌筑、煤氣烘烤等相關(guān)作業(yè)均可在一體化罐修庫（鑄鐵機）內(nèi)進行。這種一體化處理方式不僅可節(jié)省 100 t 鐵水罐由鑄鐵機到修理罐體之間的運輸和時間等工序成本，并且由于是一體化廠房的組織設(shè)計，其中 120 t 鑄造吊車以及風(fēng)、水、電等能源介質(zhì)和公用設(shè)施配置可相互交叉借用，不僅體現(xiàn)了其作業(yè)靈活性，也顯著減少了設(shè)計、建設(shè)投資費用。
2.1 平面布置與吊車傾翻方式
在鑄鐵過程中將 100t 鐵水罐中待澆注的鐵水較緩慢平穩(wěn)流出，如何選擇適宜的 100 t 鐵水罐傾翻方式是鑄鐵機系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。因此，在組織罐修和鑄鐵一體化平面布置設(shè)計中，考慮將庫延伸-跨與鑄鐵機系統(tǒng)合并在一起布置（一列式），這樣既可借用鐵水罐（烘烤）庫的 120 t 鑄造吊將鐵水罐托起（依靠前方支柱）來傾翻作業(yè)，在日常作業(yè)運行中可節(jié)省澆鑄鐵水與處理，以及修罐之間的運行成本，特別是采用鑄鐵機前方支柱支撐 100 t 鐵水罐澆注作業(yè)，與 120 t 鑄造吊匹配其生產(chǎn)組織的安全性大大提高。同時，共用鐵水罐修（烘烤）庫跨與120 t 鑄造吊車進行“一罐到底”式鐵水罐的鑄鐵作業(yè)，這種“一機多用”又達到節(jié)約升級改造工程建設(shè)投資的優(yōu)勢。
2.2 主要設(shè)計優(yōu)化及設(shè)備選型
在升級改造項目組織設(shè)計過程中，為節(jié)省投資費用和占地面積，方便組織生產(chǎn)，因此，我們與設(shè)計院、設(shè)備制造單位三方緊密結(jié)合進行組織優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合以往生產(chǎn)組織中鑄鐵機時常出現(xiàn)的各類問題，對每個具體問題細致認真研究，從中確定優(yōu)化組織改進實施方案。
2.2.1 優(yōu)化選型 1×75 m 雙鏈帶滾輪固定式鑄鐵機 （見表 1）
目前，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)所使用的鑄鐵機主要有 3種類型，包括滾輪固定式、滾輪移動式和滾輪移動懸臂式，都采用鑄鐵模平行排列、相互塔接方式，鐵模子兩端與兩邊的由螺栓與鏈條固定聯(lián)結(jié)，組成一條巨大的封閉循環(huán)的金屬輸送帶。
鑄鐵機在高爐工藝系統(tǒng)中雖是輔助系統(tǒng)，但在鋼鐵生產(chǎn)工序組織過程中急需鑄鐵消化解決鐵水和鑄塊時，會特別要求設(shè)備的穩(wěn)定可靠。
實際生產(chǎn)表明，無論是滾輪固定式、滾輪移動式，還是滾輪移動懸臂式的鑄鐵機基本上都能滿足生產(chǎn)要求。這其中各有優(yōu)缺點與不足之處，滾輪移動式的滾輪隨鏈帶移動，滾輪容易在工作時出現(xiàn)掉道現(xiàn)象，影響生產(chǎn)進程，特別是滾輪軸承與鏈條的軸銷處在高溫作用下潤滑困難、磨損嚴重。滾潤滑移動懸臂式同樣也存在類似缺點。滾輪固定式則通過改進以及創(chuàng)新克服了以上缺點，不足之處在于設(shè)備重量大，零件加工量較多，但是，無論是緊湊布局還是設(shè)備的可靠性和鑄鐵量角度考慮，1×75 m 雙鏈帶滾輪固定式鑄鐵機以其穩(wěn)定可靠的生產(chǎn)能力被組織設(shè)計時優(yōu)先選用。
2.2.2 鑄鐵機采用前方支柱設(shè)計技術(shù)
在鑄鐵機鐵水罐傾翻方式的選擇中，采用與“一罐到底”生產(chǎn)組織方式的鐵水罐上部凸爪相適應(yīng)的前方支柱配合，當(dāng)鐵水由鐵水罐車經(jīng)鐵路運至鑄鐵機前的前方支柱旁時，鐵水罐利用罐修庫鑄造吊車提升副鉤將鐵水罐下部底一側(cè)吊耳軸向上緩慢吊起，鐵水罐凸爪與前方支柱銜接并進行傾翻作業(yè)。此設(shè)計簡單實用，滿足要求，安全可靠，對比以往降低投資優(yōu)勢明顯。
2.2.3 優(yōu)化鐵水分流槽設(shè)備
采用鑄鐵機緩沖防飛濺（兩段）式長壽鐵水分流（燕尾形）槽，傳統(tǒng)中的鑄鐵機上機前平臺接鐵水以及分流鐵水槽設(shè)備，經(jīng)常出現(xiàn)燒穿漏鐵事故，其設(shè)備使用壽命非常短，極大地影響了鑄鐵效率和鑄鐵進程的安全性。因此，優(yōu)化機前平臺接鐵水方式以及使用（兩段）式長壽鐵水分流槽工藝設(shè)備，同時更新改進（兩段）式分流鐵水槽用耐火材料材質(zhì)及澆注方式，增強其使用壽命，提高了鑄鐵連續(xù)性。
其使用其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計為兩段搭接式鐵水分流槽結(jié)構(gòu)。它包括一段緩沖式耐沖刷接鐵水槽、二段過渡鐵水流槽和分流鐵水（燕尾形）槽，采用流動性及耐用性較好的 Al2O3-SiC-C 質(zhì)速干澆注料，可保證進行快速烘烤并且不爆裂，特別是具有較強的耐高溫鐵水的沖刷、抗侵蝕性能，澆注后其整體性好，無裂紋和氣孔，有利的增強鐵水槽使用壽命高。
2.2.4 優(yōu)化鐵模壽命，選用長壽型
原來鑄鐵機鏈帶上的鑄鐵模具內(nèi)容鐵量小且淺，鐵水澆注過程中流速稍快，則鐵水極易溢出，不僅同等機組運行速度的情況下產(chǎn)量自然較小，同時也大量增加鐵水損耗，成為制約鑄鐵產(chǎn)量的主要原因。另外，鑄鐵模是鑄鐵機的主要關(guān)鍵部件和易損件，工作條件十分惡劣，當(dāng) 1 450~1 470 ℃以上的高溫鐵水流注入鑄鐵模內(nèi)時，鑄鐵模內(nèi)表面溫度急速上升，模具內(nèi)與外表面產(chǎn)生巨大溫差效應(yīng)。生產(chǎn)組織過程中，鑄鐵模具處于急冷、急熱的溫度分布極不均勻的環(huán)境條件下，溫度梯度變化極大，且鑄鐵模具存在很大的熱應(yīng)力和嚴重的高溫熔蝕、燒損及龜裂問題，極易增加備件消耗量。
對鑄鐵模具的結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，要求對其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和尺寸增大并進行優(yōu)化，達到增加鑄鐵產(chǎn)量和減少模具設(shè)備損耗目的。其優(yōu)化的基本原則是消除模具內(nèi)的尖端效應(yīng)和應(yīng)力集中，同時調(diào)整內(nèi)型尺寸和鑄鐵模材質(zhì) 。 即采用在鑄鐵模鑄鋼材質(zhì)ZG270-500 中加入稀土元素制成的大圓弧成型腔鑄鐵模，其壽命可提高 4~5 倍。
2.2.5 從動輪采用防掉帶結(jié)構(gòu)設(shè)計
鑄鐵機在生產(chǎn)運行過程中，經(jīng)常產(chǎn)生調(diào)道現(xiàn)象，其原因很復(fù)雜，主要體現(xiàn)在設(shè)備的銜接誤差上。
如：設(shè)備制造時在主動鏈輪軸線與其相對齒輪中心線的平行度誤差、鑄鐵機在安裝與使用（磨損）過程中產(chǎn)生的誤差等。經(jīng)分析，掉道問題的關(guān)鍵在于解決鏈板端部運行到托輪部位上不沿托輪輪沿爬升的問題。通過參考借用帶式皮帶調(diào)偏托輥設(shè)計原理，加裝了防掉帶托輥滑道以及增加護道軌結(jié)構(gòu)，強制鏈帶沿著滾道運行，實踐證明，該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計新穎，運行穩(wěn)定可靠，完全消除了掉道現(xiàn)象，即使出現(xiàn)無噴濺渣鐵卡滯的跑偏，也能完全消除鏈帶調(diào)道的可能。
另外，采用一種鑄鐵機鏈帶止回裝置，可有效防止鑄鐵機鏈帶以外斷裂而發(fā)生退落回滑導(dǎo)致停機、停產(chǎn)等安全事故。
2.2.6 優(yōu)化鐵塊冷卻方式，解決鑄鐵機湯稀難題
鑄鐵過程中，針對增大鑄鐵塊重量后出現(xiàn)湯稀問題，利用 1×7 5m 鑄鐵機長度優(yōu)勢，將上噴水裝置位置前移 10 m，同時空出位置增加風(fēng)冷+水霧風(fēng)機（2 臺），形成風(fēng)冷+細霧+反射式水冷的冷卻模式。這樣既減少原水急冷裝置過程中水珠造成大鑄鐵塊表面爆炸，產(chǎn)生崩鐵，增加鑄鐵損耗和發(fā)生危害安全及環(huán)境現(xiàn)象，又完全消除了鑄鐵塊湯稀和表面渣化等質(zhì)量問題，其脫模也很順利，效果良好。
3 鑄鐵機機前澆鑄平臺負壓除塵系統(tǒng)
鑄鐵機理論上在翻罐澆注時會產(chǎn)生 150 mg/m3 的金屬粉塵（紅塵、石墨碳粉），根據(jù)以往經(jīng)驗，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)均未給鑄鐵機設(shè)計安裝除塵設(shè)施，雖然個別企業(yè)在鑄鐵機采用除塵設(shè)備，但由于生產(chǎn)現(xiàn)場的經(jīng)驗不足，存在設(shè)計上的不合理，其除塵效果仍然不佳，生產(chǎn)過程里大量的鐵水燃燒產(chǎn)生的煙氣（紅塵、石墨粉、水蒸汽）造成現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境非常惡劣，鑄鐵機旁能見度不高，也影響了生產(chǎn)人員的正常操作，特別是會造成區(qū)域性的環(huán)境污染。
鑄鐵機車間翻罐作業(yè)時散發(fā)的余熱及鐵水輻射對工人的影響很大，環(huán)境較差（紅塵、石墨粉、煙氣和蒸汽量大），特別是鐵水外濺危及操作工人安全并造成鐵水流水不暢。
這些因素需要創(chuàng)新設(shè)計一種能不影響鑄鐵作業(yè)和觀察罐口鐵水、分流鐵水效果，同時在設(shè)計上結(jié)構(gòu)合理達到及時吸走鑄鐵過程產(chǎn)生的各類大量污染煙塵以及水蒸汽的新穎設(shè)計的除塵工藝系統(tǒng)，經(jīng)過吸塵罩以及管槽將煙氣送至除塵設(shè)備進行消塵收集處理。
經(jīng)過調(diào)研了解，國內(nèi)鑄鐵機大部分未設(shè)置除塵裝置，沒有成熟經(jīng)驗可借鑒，由此，經(jīng)過反復(fù)研究考量，我們自行設(shè)計了一套鑄鐵機機前澆鑄平臺負壓除塵系統(tǒng)（見圖 2）。包括：移動式除塵罩（頂吸）、管道、切換閥、脈沖布袋式除塵器、刮板輸送機、斗式提升機、儲灰倉、風(fēng)機（變頻）和放散管道等組成，使鑄鐵機區(qū)域生產(chǎn)環(huán)境得到改善，徹底解決了鐵水飛濺的安全性難題。
4 改進應(yīng)用效果
從鑄鐵機罐修庫一體化布置的設(shè)計和使用可以看出，要設(shè)計一個較為完善的鑄鐵車間，通過整合設(shè)備制造單位、設(shè)計單位和使用單位之間技術(shù)分歧，從已往“拷貝”的設(shè)計組織管理轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新思維管理，在借鑒天鐵、天鋼等鑄鐵機系統(tǒng)設(shè)備的生產(chǎn)組織優(yōu)點與不足的基礎(chǔ)上，使鑄鐵機系統(tǒng)能夠順利地完成高爐鐵水的鑄塊任務(wù)之外，還必須針對其工作環(huán)境臟、苦、累、險的特點，通過充分優(yōu)化設(shè)計和組織創(chuàng)新，實現(xiàn)消減改善生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境和提高生產(chǎn)作業(yè)率，不僅解決了鑄鐵機在設(shè)備和生產(chǎn)中設(shè)計滯后落后問題，為未來無人智能化操作奠定了良好的基礎(chǔ)。
通過優(yōu)化變更原設(shè)計，將 2×60 m 鑄鐵機改為 1并進行組織優(yōu)化設(shè)計，使該機型的技術(shù)水平在整體上性能到較大提高，極大的提升了作業(yè)水平，作業(yè)環(huán)境以及安全上也得到很大改善，日產(chǎn)量由原來的2 000 t 提高到 4 000 t 以上，設(shè)備運行經(jīng)久耐用，平均單模過鐵量達 100~160 t/塊，其中鑄鐵模具更換數(shù)量減少了 30%。
與傳統(tǒng)的項目設(shè)計組織方式相比，升級改造現(xiàn)場優(yōu)化設(shè)計有利提高了加快設(shè)計進度、設(shè)備質(zhì)量和降低升級改造費用成本，可使工程造價降低 5%~20%。其結(jié)構(gòu)巧妙，造價低，適用性強的優(yōu)勢得以繼續(xù)發(fā)揮，1×75 m 雙鏈帶鑄鐵機系統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)中員工勞動強度明顯降低、生產(chǎn)區(qū)域現(xiàn)場管理，特別是安全環(huán)境得到了改善，各種費用降低，企業(yè)經(jīng)濟效益十分明顯，對于新一輪鑄鐵機的設(shè)計和制造有借鑒參考價值。