一种新型转炉炉体与托圈的连接装置

张宏强

摘要：转炉炉体与托圈的连接装置是转炉本体系统的关键设备之一，它的结构是否合理直接影响托圈和炉壳的寿命及钢产量。本文系统介绍了一种新型转炉炉体与托圈的连接装置的结构及优点。

关键词：连接装置三点下吊挂静定系统特点推广应用

0引言

转炉炉体与托圈的连接装置是转炉本体系统的关键设备之一，炉体通过连接装置与托圈连接。由于炉体重量是公称吨位的5-8倍，并通过连接装置随托圈倾转加减3600，而且炉壳和托圈在机械与热负荷作用下都将产生变形，因此，对连接装置提出要求：连接必须牢固可靠，同时又要适应炉壳和托圈热膨涨时在径向和轴向产生的相对位移，以免造成炉壳或托圈严重变形和破坏。

另外，连接装置还存在一个严重问题是：伴随着炉壳和托圈的变形，在连接装置中引起传递载荷的重新分布，往往造成局部过载，并由此引起严重变形和破坏。

为了满足连接装置的要求，并能较好地克服可能出现的问题，设计连接装置时，应保证以下几点：①保证炉壳、托圈结构合理，提高使用寿命。②保证转炉在任何位置时，都能将炉体负荷尽可能均匀地传递到托圈，并保持炉体在托圈中的正确位置。③能适应炉体在轴向和径向的胀、缩，不产生旷动。④考虑到变形的产生，能以预先确定的方式传递载荷，并避免因静不定问题的存在，而使支承系统承受附加载荷。⑤连接装置应安装、拆卸方便，加工、维修容易。

目前常用的连接装置类型：悬挂支撑盘连接装置、卡板夹持器连接装置、薄带连接装置、三点球面支承连接装置、拉杆吊挂连接装置等。而这些种类的连接装置都有各自的优缺点。

1一种新型炉体与托圈的连接装置

1.1结构说明该装置使用在我单位的50吨转炉上，它采用两组连杆，将炉体吊挂在托圈上。炉体直立时，靠一组垂直连杆吊挂，炉体倾转到水平位置时，靠另一组水平连杆吊挂在托圈上。

炉体倾转时，垂直拉杆与水平连杆及水平导向架一起承受托圈平面内的横向载荷。

图1所示为连杆在托圈1上的配置情况，炉体5通过三个活动垂直连杆3吊挂在托圈1上。两个活动垂直连杆3配置在与耳轴轴线成450的位置，一根连杆3在出钢口对面位置上。在驱动侧和非驱动侧各有一个活动水平连杆2。在出钢口对面位置的下方设有一个水平导向架4，作用是阻止炉体5在托圈1内发生耳轴方向的摆动。炉体5倾转时，水平连杆2与水平导向架4一起承受托圈平面内的横向载荷。

活动垂直连杆3和活动水平连杆2的结构型式相同表示在图2中。

由图2可知：垂直连杆和水平连杆中的连杆10通过两个球铰5和两个轴6铰接，轴6又通过四个球铰14分别与两个托圈凸耳1及两个炉体凸耳17铰接，用其他零件将各个球铰定位且使球铰处于全封闭状态，球铰全部采用先进的耐高温、免维护型球铰轴承。托圈凸耳1焊在托圈的底板上，炉体凸耳17则与炉壳焊在一起。

将水平导向架中的导向快与托圈底板焊在一起，导向支架与炉壳焊在一起。

为了尽量减少炉壳及托圈对结构使用性能的影响。这种连接装置安置在托圈的下部也是炉体下部，这里温度较低，变形较小，对结构是有利的。这种结构的连杆，在炉体处于一定倾转位置时，它们会成为“拉杆”或“压杆”进行工作。

1.2结构分析

1.2.1运动链的建立根据机械原理结合结构说明。可以把该装置看成为由炉体5、托圈1、水平连杆2以及垂直连杆3共七个构件组合而成的一个闭式空间运动链。在该运动链中，构件炉体、托圈与构件两组连杆间是采用…级运动副(球铰)联接，构件炉体与构件托圈间也是采用…级运动副(移动、转动副)联接。

1.2.2运动链的简化及自由度的确定由理论力学可知，空间运动的自由构件有六个自由度，即沿×、Y、Z轴的三个移动和绕三个轴的三个转动。但在该运动链中，由于运动副的特殊配置(图1)，即在×OY平面内水平导向架4的设置，使得该运动链中的各构件都失去了饶Y、Z轴转动以及沿×轴移动的可能性，或者说，对该运动链所有构件的运动加上了三个公共约束。由结1-托圈凸耳2-螺栓3-螺母4-垫片5-轴构说明可知，由于两个水平连承6-轴7-环8-密封环9-夹子10-连杆2所起的限制作用是互为杆11-盖(1)12-盖(2)13-盖(3)14-轴承重复的，即互为虚约束，计算15-螺栓16-套17-炉体凸耳18-环时可除去一个不计。两个配置图2水平、垂直连杆结构图在与耳轴轴线成45°的位置垂直连杆3所起的限制作用是互为重复的，即互为虚约束，计算时可除去一个不计。机构中的球饺(图2中件14)对整个运动链的运动无任何影响，属局部自由度计算时除去不计。这样，该运动链可简化成是由N=5个构件组成，公共约束为3，各个构件之间的联结副为V级副。当固定其中之一为机架后，所剩活动构件数为n=N 1=4。对于这种空间运动链，其自由度的计算公式应为:

式中k为运动副的级数

m为公共约束值

计算这个空间运动链相对于机架的自由度为

F=(6 3)×4-e5-3)×6=0

因此，这个自由度为零空间的运动链是不能产生相对运动的刚性桁架一静定系统。

由于该运动链的自由度为零可以得出，在此静定系统中，各构件的位置保持相对静止，即炉体和托圈位置以及各个连杆的位置保持相对静止且各构件无多余的约束。因此，当以托圈为机架时，且托圈绕耳轴转动过程中，托圈与炉体的相对位置保持不变。

1.2.3虚约束和局部约束在静定系统中的作用实际应用中为使各构件受力均衡，增加各构件的刚性，改善其受力状况，因此，采用了虚约束。水平连杆、垂直连杆数量的增加及对称布置和水平导向架的设置，虽不影响机构的约束，但却改善了其受力状况，使每个连杆的受力减小，增加了其刚性，并且改善了炉体和托圈受力状况，使其受力均衡，因而增加了整个系统的刚性。而且三个垂直连杆3、两个水平连杆2以及水平导向架按图1所示的布置，使得炉体5的中心与托圈1的中心重合，且当炉体5、托圈1产生径向和轴向胀、缩的情况下，各连杆通过其中的各联接副(球铰)发生摆动，同时水平导向架4通过自身联接副适应炉体和托圈产生径向和轴向胀、缩，充分地满足各种变形的需要，并保持炉体和托圈的相对位置不变且不产生相对转动。从而保证该装置的机构属性。既使在托圈倾转过程中，也只是改变各连杆的受力状态。而且各连杆的局部约束(连杆两端的轴的两端支承各采用一球铰)，在托圈和炉体胀、缩的情况下，对该轴不产生附加应力，改变轴的工作状态。

2新型炉体与托圈的连接装置的特点

这种连接装置的特点，在于采取了三点静定的支承系统，连接装置中的球铰的连接能充分地满足各种变形的需要。因此，从原理上来讲，能更好地满足上述五点连接装置设计要求。它具有如下优点：

2.1该连接装置设置在托圈底部，结构合理，工作环境相对较好，并且利于冷却，又采用了多个先进的耐高温、免维护型轴承且这些球铰轴承处于全封闭状态，维护的工作量小。并且载荷传递元件的表面没有间隙，从而不产生旷动。

2.2转炉在任何位置时，都能将炉体负荷尽可能均匀地传递到托圈上面，并且从炉壳到托圈的载荷传递是静态的。

2.3适应炉体在轴向和径向的胀、缩，即使在炉壳非对称的膨胀和变形的情况下，并保持炉体在托圈中的正确位置。

2.4考虑到变形的产生，能以预先确定的方式传递载荷，避免了因静不定问题的存在而使支承系统承受附加载荷。

2.5该连接装置重量轻、结构简单，零件加工制作容易。

2.6由于该连接装置设置在托圈的下部，结构合理，工作环境相对较好，炉体的变形较小，因此炉体的安装和更换容易。

2.7该连接装置的设置对托圈的结构没有任何特殊的要求，因而不会提高托圈的制作难度。

2.8该连接装置设置在托圈的下部，利于中、小型转炉的炉体设置炉帽防热板和挡渣板：利于大、中型转炉炉体设置挡渣板及水冷炉帽，提高炉体的寿命。这一点对大、中型转炉尤为重要。

2.9由于该连接装置设置在托圈的下部，使得整体转炉炉体的重心下移，因此利于转炉采用死炉底结构和活炉底中的小炉底结构。

2.10各连杆的局部约束(连杆两端的轴的两端支承各采用一球铰轴承)，能够适应托圈和炉体的变形，使得托圈和炉体在胀、缩的情况下，对该轴不产生附加应力，不改变轴的工作状态。

2.11各连杆受力状况简单，均为二力杆。该装置的缺点，在于系统中只要有一根杆破坏，整个承载结构就会失去作用。

因此，对杆的材质、加工、处理提出较高要求，同时在生产过程中必须经常进行仔细检查，而静不定结构在个别地方损坏时，尚可利用其承载潜力，不致发生重大事故。

3结论

该炉体与托圈连接装置结构合理、简单、制作、安装容易，实际使用中优势突出，投产一年多使用正常，托圈和炉体的寿命较采用其它连接型式连接装置的同等级转炉相对延长，是一种较为理想的炉体与托圈连接装置。