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150t 轉(zhuǎn)爐的優(yōu)化設(shè)計

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2024-11-11  作者:陳林權(quán) 1 ,張思維 2  瀏覽次數(shù):2226
 
核心提示:摘要:本文通過某廠 150t 轉(zhuǎn)爐的改造項目,論述了轉(zhuǎn)爐出鋼視線、爐口的型式、托圈、傾動力矩、剩余力矩、傾動速度、爐體支撐方式、耳軸位置等主要參數(shù)對轉(zhuǎn)爐爐型優(yōu)化設(shè)計的影響;并通過最終的核算證明了各種參數(shù)選擇的安全性、合理性、經(jīng)濟性,為 150t 轉(zhuǎn)爐的設(shè)計和改造提供一些有益的參考經(jīng)驗。實踐結(jié)果表明:(1)噸鋼成本降低近~50 元/t;(2)下渣厚度減少了 120mm,冶煉周期縮短 3.3min;(3)轉(zhuǎn)爐爐型選擇是合理的,即爐容比顯著增加,由 0.93m3 /t 提高到 1.01m3 /t,更加適合中磷鐵
 150t 轉(zhuǎn)爐的優(yōu)化設(shè)計

陳林權(quán) 1 ,張思維 2

(1. 南京 建鄴區(qū),210019 2 唐山瑞豐鋼鐵(集團)有限公司,河北 唐山 063303)

摘要:本文通過某廠 150t 轉(zhuǎn)爐的改造項目,論述了轉(zhuǎn)爐出鋼視線、爐口的型式、托圈、傾動力矩、剩余力矩、傾動速度、爐體支撐方式、耳軸位置等主要參數(shù)對轉(zhuǎn)爐爐型優(yōu)化設(shè)計的影響;并通過最終的核算證明了各種參數(shù)選擇的安全性、合理性、經(jīng)濟性,為 150t 轉(zhuǎn)爐的設(shè)計和改造提供一些有益的參考經(jīng)驗。實踐結(jié)果表明:(1)噸鋼成本降低近~50 元/t;(2)下渣厚度減少了 120mm,冶煉周期縮短 3.3min;(3)轉(zhuǎn)爐爐型選擇是合理的,即爐容比顯著增加,由 0.93m3 /t 提高到 1.01m3 /t,更加適合中磷鐵水的冶煉,減少了轉(zhuǎn)爐冶煉過程中溢渣和噴濺可能性,鋼鐵料消耗降低,運行成本降低;(4)轉(zhuǎn)爐傾動全過程中,為全正力矩,符合國家的煉鋼安全規(guī)范;(5)有利于爐后搖爐室觀察出鋼鋼流和加鐵合金情況,生產(chǎn)更加安全;(6)轉(zhuǎn)爐最大出鋼量由 158t 提高到 170t 情況下,轉(zhuǎn)爐電機容量維持不變,減少了備品備件的數(shù)量;(7)轉(zhuǎn)爐平均出鋼量由 150t 增加到 165t,實現(xiàn) 2 座轉(zhuǎn)爐與 2 臺連鑄機的配合,減少 1 座轉(zhuǎn)爐和勞動定員;(8)轉(zhuǎn)爐傾動速度由 0~0.76rpm 增加到 0.15~1.5rpm,縮短了輔助作業(yè)時間,提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率;(9)轉(zhuǎn)爐的最佳耳軸位置=4715mm,即在爐口粘渣 15t 的情況下,能夠保證轉(zhuǎn)爐傾動過程為全正力矩;且剩余力矩很小,運行成本低。

關(guān)鍵字:轉(zhuǎn)爐;爐型;優(yōu)化設(shè)計

1 前言

某鋼廠現(xiàn)有 3 套脫硫裝置、3 座 150t 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐、3 座 LF 鋼包爐、2 座 RH 真空爐、2 臺板坯連鑄機,年產(chǎn)合格連鑄坯 350 萬 t。

原 1#、2#轉(zhuǎn)爐是二手設(shè)備,70 年代初設(shè)計,技術(shù)落后,存在著以下問題:

(1)隨著國家標(biāo)準(zhǔn)的升級,原轉(zhuǎn)爐按正負正力矩設(shè)計的,不符合新的國家安全標(biāo)準(zhǔn)[1],即《煉鋼安全規(guī)程》(AQ2001—2018);

(2)轉(zhuǎn)爐采用上支撐方式,擋渣板角度小,出鋼看不到鋼流和加鐵合金,存在安全隱患;

(3)轉(zhuǎn)爐采用水冷爐口,使用過程中,容易開裂漏水,引起安全事故;

(4)鐵水含 P 較高,渣料用量大,爐容比偏小,容易溢渣和噴濺;

(5)托圈采用水冷托圈,使用過程中,進出水管容易受活動煙罩積渣的掉落,砸壞,漏水;另外,托圈上的檢修人口,受交變應(yīng)力的影響,容易造成漏水;引起安全事故;

(6)采用擋渣棒擋渣出鋼,只能擋后期渣,不利于冶煉含磷低的品種鋼;

(7)轉(zhuǎn)爐最大傾動速度慢,只有 0.76r/min,冶煉周期長,熱效率低;

(8)轉(zhuǎn)爐平均出鋼量偏小,不能實現(xiàn)爐機配合,生產(chǎn)成本較高;

(9)轉(zhuǎn)爐爐口直徑偏小,不利于加廢鋼;

(10)轉(zhuǎn)爐復(fù)吹效果差,終點碳氧濃度積大,終點氧含量高,鋼鐵料、鐵合金消耗高。

因此轉(zhuǎn)爐急需進行安全整改和優(yōu)化,以提高安全性,減少溢渣和噴濺,實現(xiàn)爐機配合,降低生產(chǎn)成本。

2 改造方案

改造方案有 3 種選擇:(1)方案 1:采用 3#轉(zhuǎn)爐爐型;(2)方案 2:采用集團公司內(nèi)二手設(shè)備;(3)方案 3:重新設(shè)計。

2.1 爐型的選擇

爐型的選擇應(yīng)考慮:

(1)運行成本低;

(2)在滿足安全的情況下,傾動力矩小,電機容量小,降低投資;

(3)適合氧槍噴吹的特性,有利爐液與渣料的混合,進行脫磷、脫硫;

(4)提高轉(zhuǎn)爐壽命,減少耐材消耗;即吹煉過程中,即不沖刷爐底,也不沖刷爐壁;

(5)爐口直徑要合適,有利于加廢鋼、兌鐵水;

(6)擋渣板的角度和范圍要合適,在出鋼過程中,可觀測出鋼鋼流和加鐵合金情況;

(7)爐殼重量輕,以降低投資;即在等應(yīng)力原則下,合理選擇爐帽、爐身、爐底鋼板厚度;

(8)轉(zhuǎn)爐的高寬比要合適,以保證轉(zhuǎn)爐的爐容比;即要減少溢渣,又可減少傾動力矩;

(9)耳軸位置要選合適;

(10)出鋼口直徑、長度需要選擇合適,即要減少出鋼時,漏渣到托圈上,又要保證出鋼時間。

根據(jù)客戶意見有三種爐型可以選擇,其主要參數(shù)見比較表 1。

圖片1 

2.1.1 選擇方案 3 的特點

(1)爐容比大,有利于含磷較高的鐵水冶煉,轉(zhuǎn)爐溢渣和噴濺減少[2] [3]

(2)轉(zhuǎn)爐高寬比較小,傾動力矩小,運行成本低;

(3)轉(zhuǎn)爐爐口尺寸較大,有利于加廢鋼;

(4)轉(zhuǎn)爐出鋼口夾角為 0 度,出鋼長度短,壽命長;鋼流短,鋼水二次氧化小,二次渦旋小,下渣量小[2] [3]

(6)所需的傾動電機容量小,投資節(jié)省,備件成本低;

(7)轉(zhuǎn)爐傾動速度快,有利于縮短輔助作業(yè)時間,提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率;

(8)可以實現(xiàn) 2 座轉(zhuǎn)爐與 2 臺連鑄機的配合,減少 1 座轉(zhuǎn)爐的勞動定員。

2.1.2 選擇方案 2 的特點

(1)雖然二手設(shè)備也能滿足要求,節(jié)省轉(zhuǎn)爐設(shè)備投資;

(2)瘦長型轉(zhuǎn)爐,運行成本高;

(3)由于爐殼高度較高,出鋼軌道需要下降 605mm,施工周期長;

(4)由于軌道需要下降,工藝流程不順;

(5)轉(zhuǎn)爐傾動電機容量大,運行成本高;

(6)改造工期長,對現(xiàn)有生產(chǎn)影響較大,改造成本高。

2.1.3 選擇方案 1 的特點

(1)3#轉(zhuǎn)爐,由于設(shè)計較早,技術(shù)落后;

(2)按照新的國家安全規(guī)范,已經(jīng)不符合安全要求

(3)轉(zhuǎn)爐采用下支撐,爐帽容易積渣;

(4)出鋼過程中,無法觀測鋼流和加合金;

(5)采用水冷托圈和水冷爐口,存在安全隱患。

根據(jù)上表數(shù)據(jù)對比,確定轉(zhuǎn)爐爐型采用方案 3。

2.2 轉(zhuǎn)爐支撐方式

上支撐是上世紀(jì)從日本引進的;下支撐是本世紀(jì)初從奧鋼聯(lián)引進的,而且市場份額逐年增加。其優(yōu)缺點見表 2:

圖片2 

鑒于下支撐方式優(yōu)點眾多,因此確定轉(zhuǎn)爐改造采用下支撐。

2.3 出鋼時的視線

轉(zhuǎn)爐整改后,轉(zhuǎn)爐爐殼與托圈由上支撐改成了下支撐方式,擋渣板與水平方向的夾角由<45°變成了 51.8°。轉(zhuǎn)爐出鋼時,從爐后搖爐室可以觀察到出鋼和加鐵合金的情況。具體見圖 1。

圖片3 

2.4 爐口的選擇

爐口的選擇有:(1)鋼質(zhì)水冷爐口;(2)水冷鑄鐵爐口;(3)非水冷鑄造爐口。它們的優(yōu)缺點如下表 3:

圖片4 

津西 2 座 180t 轉(zhuǎn)爐、河北安豐 2 座 180t 轉(zhuǎn)爐、河北邯鄲 3 座 100t 轉(zhuǎn)爐、江蘇沙鋼 6 座 180t 轉(zhuǎn)爐、沙鋼 3 座 120t 轉(zhuǎn)爐采用了非水冷爐口。

改造前,轉(zhuǎn)爐采用水冷爐口,使用過程中,容易開裂漏水,水存集在渣坑中。

如果發(fā)生溢渣,容易引起爆炸,發(fā)生安全事故。因此,根據(jù)表 3 的比較和國內(nèi)生產(chǎn)實踐情況,決定采用非水冷爐口。

2.5 托圈

托圈的選擇有水冷托圈和非水冷托圈兩種。

水冷托圈使用過程中,進出水管容易受活動煙罩積渣的掉落,砸壞,漏水;另外,托圈上的檢修人口,受交變應(yīng)力的影響,容易造成漏水;引起安全事故。 

使用非水冷托圈,由于沒有水冷,不存在漏水,引發(fā)安全事故;而且節(jié)約用水。但托圈材質(zhì)需要提高,特別是要選擇高溫抗蠕變材料。通常采用 16Mo3(12Cr1MoV),其高溫蠕變溫度在 500℃以上。幾種高溫抗蠕變材料的化學(xué)成分見表 4。

圖片5 

2008 年開始,沙鋼 6 座 180t 轉(zhuǎn)爐,3 座 120t 轉(zhuǎn)爐陸續(xù)投產(chǎn),采用非水冷托圈;2020 年寶德德盛 2 座 150t 轉(zhuǎn)爐,太鋼 2006 年 3 座 180t 轉(zhuǎn)爐也采用了非水冷托圈。

采用非水冷托圈,節(jié)省了冷卻水量,減少了因漏水造成的安全事故發(fā)生。降低了運行成本,但托圈的設(shè)備投資增加 20~25 萬元。

2.6 擋渣出鋼方式的選擇

轉(zhuǎn)爐出鋼通常采用擋渣棒擋渣和滑板擋渣兩種出鋼方式;擋渣棒擋渣與滑板擋渣的特點見表 5。

圖片6 

隨著公司高附加值鋼種增加和品質(zhì)質(zhì)量要求的提高,因此對出鋼質(zhì)量的要求也越來越高,目前的擋渣出鋼方式無法滿足生產(chǎn)需求:即擋前期渣,又擋后期渣,以減少轉(zhuǎn)爐出鋼過程中的下渣量,減少回磷,降低鐵合金消耗和工人的勞動強度,提高擋渣成功率和自動化水平,有利于鋼包爐的精煉,降低冶煉成本。為此,決定采用紅外檢測、液壓滑板擋渣出鋼方式。

150t 轉(zhuǎn)爐一鍵自動出鋼的檢測畫面見附圖 2。

圖片7 

2.7 轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)

原轉(zhuǎn)爐采用的是二手設(shè)備,最大傾動速度慢,只有 0.76r/min,冶煉周期長,熱效率低。改造后,轉(zhuǎn)爐的最大傾動速度達到 1.5r/min,顯著縮短了輔助時間;同時,為了減少傾動設(shè)備磨損,還采取如下措施:

(1)利用檢測傾動設(shè)備的電流、電壓和轉(zhuǎn)矩值曲線,調(diào)整電壓、電流曲線的斜率,實現(xiàn)機械同步,減少傾動設(shè)備的磨損,延長機械壽命、保證轉(zhuǎn)爐傾動的平穩(wěn);

(2)實際電流、電壓和轉(zhuǎn)矩值實際輸出值與計算值力矩對比,判斷轉(zhuǎn)爐爐口粘渣量,利用輕故障、中故障、重大故障信號及時提醒搖爐工;

(3)利用電機輸出電流、電壓和轉(zhuǎn)矩實際輸出值,判斷抱閘松緊;抱閘松了,電機處在發(fā)電狀態(tài);否則電機抱閘正常;

(4)還可以利用每臺電機的輸出轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)傾動電機電流、電壓的實時調(diào)諧;

(5)采用數(shù)據(jù)孿生技術(shù),實現(xiàn)自動搖爐出鋼、出渣,并可視化,見圖 3;

(6)設(shè)置了健康檢查(應(yīng)力波檢測),減少維護工作量,見圖 4。

圖片8 

2.8 預(yù)選耳軸位置

2.8.1 預(yù)選耳軸位置選擇的原則

預(yù)選耳軸位置的條件:

(1)能保證轉(zhuǎn)爐傾動時,安全可靠;

(2)傾動機械系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟合理,運行成本低;

(3)轉(zhuǎn)爐設(shè)備設(shè)計完成以后,盡量小的圖紙修改工作量。

根 據(jù) " 《煉鋼安全規(guī)程》 (AQ2001-2018)" 和 " 《煉鋼工程設(shè)計規(guī)范》(GB50439-2015)"的要求,新設(shè)計的 200t 以下的轉(zhuǎn)爐,必須采用全正力矩[1][4]

全正力矩可以保證轉(zhuǎn)爐在傾動設(shè)備發(fā)生故障時,爐體能夠返回(如出鋼過程中停電、抱閘失靈或齒輪軸斷裂狀況),不至于造成嚴(yán)重事故。

不過采用全正力矩時,也應(yīng)尋求合適的力矩值,以使采用全正力矩時的電機容量和傾動機械都能得到經(jīng)濟使用,否則剩余力矩過大,將使整個力矩相應(yīng)提高,使傾動機械設(shè)計不合理,而且運行成本增加。

2.8.2 預(yù)選耳軸位置 h

根據(jù)經(jīng)驗,預(yù)選的耳軸位置一般按下列公式確定。

(1)爐殼與托圈的連接采用三點球面螺栓、上支撐連接的,按公式(1)計算:

h=H/2+150~200 (1)

h-預(yù)選耳軸位置,即轉(zhuǎn)爐爐底到耳軸中心的距離,mm;

H-轉(zhuǎn)爐全高,mm。

(2)爐殼與托圈的連接采用三點下支撐連接的,按公式(2)計算

h=H/2+0~50 (2)

由于轉(zhuǎn)爐采用的是下支撐方式、全高為 9415,因此計算的預(yù)選耳軸位置為4707.5~4757.5mm。綜合現(xiàn)有的工況條件:耳軸標(biāo)高、轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)半徑、轉(zhuǎn)爐最低點到鋼包上口的安全距離、活動煙罩升降行程等因素,最后確定耳軸位置4715mm。

2.8.3 合理剩余力矩的確定

按剩余力矩能夠達到轉(zhuǎn)爐自返零位原則考慮,即轉(zhuǎn)爐在停電、抱閘失靈的情況下,轉(zhuǎn)爐可以利用自重返回垂直位置。自返零位時的剩余力矩組成關(guān)系如圖 5所示。

圖片9 

剩余力矩按公式(3)計算

Mr=(Mf+Ms+Ma+Mn)×K[2] (3)

式中: Mr -剩余力矩,kN.m;

Mf -摩擦力矩,kN.m; 

Ms -爐口粘渣力矩,kN.m;

Ma -安裝誤差力矩,kN.m;

Mn -帶動齒輪運行所需要的力矩,kN.m;

K -預(yù)留力矩系數(shù)。

(1)摩擦力矩 Mf

摩擦力矩按公式(4)計算。

Mf= (Gk+Gye+Gtou+Gx)μd/2 (4)

式中: Gk 空爐重量,t Gye 鐵水重量(包括渣液重量),t; Gtou 耳軸托圈重量,t; Gx 懸掛齒輪重量,t; μ 摩擦系數(shù); d 摩擦力臂,取軸承滾珠的內(nèi)外套圈的平均值。

(2)爐口粘渣力矩 Ms

爐口粘渣力矩是較大的,采用水冷爐口時會好一些,但仍存在。國內(nèi)外一些轉(zhuǎn)爐粘渣量和粘渣力矩見表 6。

圖片10 

爐口粘渣一般可以按轉(zhuǎn)爐公稱容量的 10%考慮或按爐口上部粘渣厚度200~300mm 來計算是適宜的[2]

(3)安裝誤差力矩 Ma

安裝誤差力矩一般只占最大力矩的 3~5%左右,設(shè)計按耳軸位置誤差5~10mm 考慮。

(4)帶動齒輪所需要的力矩 Mn

Mn 一般較小,而且計算復(fù)雜,因此一般不考慮。

(5)轉(zhuǎn)爐自返的條件

轉(zhuǎn)爐自返的條件是在克服了摩擦力矩、粘渣力矩、安裝誤差、帶動齒輪轉(zhuǎn)動的力矩后,仍有富裕;即滿足下列條件。

Mr > (Mf+Ms+Ma+Mn)×K

K - 預(yù)留力矩系數(shù),一般可取 1.1~1.2。

2.8.4 最小剩余力矩計算

Mr = (Mf+Ms+Ma+Mn)×K

因是老車間改造項目,受吊車起重量的限制,不考慮預(yù)留,所以取 K=1.0,其計算結(jié)果如表 7。

圖片11 

在轉(zhuǎn)爐傾動機械設(shè)計時,均設(shè)有制動器。我國轉(zhuǎn)爐多采用彈簧電磁鐵的制動器,當(dāng)轉(zhuǎn)爐傾動停電時,由于抱閘制動,爐子將固定在停電位置。這樣自返零位是不可能的。因此采用自返零位的剩余力矩時,需要人工松開抱閘(氣動松閘),使轉(zhuǎn)爐自返零位。

3 實踐

轉(zhuǎn)爐改造完成后,帶來如下效果:

(1)噸鋼成本降低近 50 元/t;

(2)采用一鍵自動出鋼技術(shù),每班節(jié)省人工 2 人;

(3)轉(zhuǎn)爐冷卻水由 150t/h 下降至 50t/h;

(4)擋渣效果及冶煉周期縮短見表 8。

圖片12 

從上表可以看出,下渣厚度減少了 120mm,冶煉周期平均縮短 3.3min。

4 結(jié)論

根據(jù)上述計算及分析得出如下結(jié)論:

(1)噸鋼成本降低近~50 元/t;

(2)下渣厚度減少了 120mm,冶煉周期縮短 3.3min。

(3)轉(zhuǎn)爐爐型選擇是合理的,主要體現(xiàn)在爐容比顯著增加,由 0.93m3 /t 提高到 1.01m3 /t,更加適合中磷鐵水的冶煉,減少了轉(zhuǎn)爐冶煉過程中溢渣和噴濺可能性,鋼鐵料消耗降低,運行成本降低;

(4)新的轉(zhuǎn)爐爐型在轉(zhuǎn)爐傾動過程中,為全正力矩,符合國家的《煉鋼安全規(guī)范》AQ2001—2018;

(5)新的轉(zhuǎn)爐爐型有利于操作工從爐后搖爐室觀察出鋼鋼流和加鐵合金情況,生產(chǎn)更加安全;

(6)在最大出鋼量由 158t 提高到 170t 情況下,轉(zhuǎn)爐電機容量維持不變,減少了備品備件的數(shù)量;

(7)轉(zhuǎn)爐平均出鋼量由 150t 增加到 165t,可以實現(xiàn) 2 座轉(zhuǎn)爐與 2 臺連鑄機的配合,減少 1 座轉(zhuǎn)爐和勞動定員,降低運行成本; 

(8)轉(zhuǎn)爐傾動速度由 0~0.76rpm 增加到 0.15~1.5rpm,有利于縮短輔助作業(yè)時間,提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率。

(9)轉(zhuǎn)爐的最佳耳軸位置=4715mm,即在爐口粘渣 15t 的情況下,能夠保證轉(zhuǎn)爐傾動過程為全正力矩;且剩余力矩很小,運行成本低。

[參考文獻]

[1] 煉鋼安全規(guī)程 AQ2001—2018,2018-05-22

[2] 馮聚和,煉鋼設(shè)計原理,化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.8

[3] 煉鋼設(shè)計參考資料,西安冶金建筑學(xué)院,1981.5

[4] 煉鋼工程設(shè)計規(guī)范 GB50439-2015,2015.4.8

 
 
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