铁水KR脱硫钢平台设计要点

周循

摘要：铁水KR法脱硫的基本原理是利用十字形搅拌头的旋转，带动钢包内铁水转动，同时加入脱硫剂，置换出铁水中的硫元素，通过扒渣机将脱硫渣扒出。由于脱硫钢平台面积较小，且多为单跨结构、侧向刚度小，搅拌器旋转过程中产生的周期扰力以及扒渣机的冲击会造成钢平台的竖向振动和水平晃动。文章对铁水KR脱硫钢平台设计要点进行了分析。

关键词：铁水KR法脱硫；脱硫钢平台；竖向振动；水平晃动；设计要点；搅拌器 文献标识码：A

中图分类号：TF702 文章编号：1009-2374（2017）07-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.015

1 概述

当前世界上主流的炼铁工艺是高炉炼铁，而高炉铁水通常含硫量都比较高，较高的含硫量会对后期的连铸和轧制过程造成不利影响，降低成材的品质，因此国内近些年新建炼钢厂中基本上都设有铁水脱硫站。

脱硫站钢平台普遍都是面积小、层数多、不规则、刚度差，不仅承受较大的设备荷载，同时还需抵抗强烈的设备冲击作用和搅拌器的周期扰力作用。近年来，随着铁水罐体容积的不断增加、设备质量的不断加大，脱硫站在生产过程中出现振动、晃动甚至局部破坏的事故时有发生。本文将结合工程实践，简要介绍铁水脱硫站的生产工艺，描述和提炼平台基本特征，总结出KR脱硫钢平台结构设计要点。

2 铁水脱硫工艺简介

铁水脱硫的一般方法是向铁水中加入活性较强的脱硫剂（一般是钙或镁的化合物），通过铁水与脱硫剂间的化学反应，将铁水中的硫元素置换出来，形成脱硫渣，最后将渣扒出。而在加入脱硫剂过程中，为使二者充分接触并快速起反应，需要外加动力使铁水形成漩涡或对流。根据脱硫剂和铁水对流方式的不同，铁水脱硫工艺方法可分为两种，分别为喷吹法和KR机械搅拌法。

喷吹法：利用插入容器中铁水深处的喷枪，通过喷吹通道由高压氮气将脱硫粉剂大流量喷入温度大于1250℃的铁水中，并在喷枪喷口的喷射流场组织作用下，实现脱硫剂与铁水的分散混合与接触反应。

KR机械搅拌法：通过插入铁水中搅拌器的旋转，将加入到铁水液面上的脱硫剂卷入铁水中，并通过脱硫剂与铁水的循环混合与接触反应，达到铁水脱硫的目的。本文仅研究KR机械搅拌法结构平台。

3 KR脱硫钢平台基本特征

单套KR脱硫平台横向一般为单跨、两列柱，跨度不小于10m；纵向一般3～5个柱距，单层面积一般不超过350m2。

平台一般分为5层：

首层为扒渣平台，主要功能是扒渣作业，扒渣机及操作室置于该层平台。该层一般不完整，铁水罐车开行范围内均不能布置梁板。

第二层为脱硫主平台，主要设备有搅拌器更换小车、液压翻板、升降溜槽、除尘管道等，该层一般较完整。

第三层为搅拌器更换平台，主要设备有电动翻板、称量斗等。本层平台须在电葫芦吊运范围内流出空当，故本层平台一般都不完整，缺口较大。

第四层为电葫芦检修平台，与第三层类似，平台须留出电葫芦吊运通道。

第五层为提升装置平台，主要设备是搅拌器提升装置。为了紧凑布置，脱硫剂料仓一般置于该层平台。搅拌器吊运电葫芦置于该层平台下部。

此外，搅拌器升降机构通过四根竖向导轨与各层平台连接，升降机构升降到位后，通过水平液压顶紧装置固定于四根导轨上。

综合来看，KR脱硫钢平台具有以下基本特征：（1）平台面积小且平面不规则。平台为横向单跨结构，面积小，抗扭刚度差。仅脱硫主平台一层为完整平台，其他各层均残缺不全；（2）横向不能设完整支撑、横向刚度差。由于倾翻车及渣罐车沿着纵向从平台中间穿过，故平台横向均不能设支撑，只能设计成框架，依靠梁柱刚节点提供刚度；（3）设备运行动荷载大。搅拌器在铁水灌中快速旋转，形成涡流，为脱硫剂与铁水的充分接触反应提供动力，因此会产生较大的反向扭矩作用于平台结构上。此外，旋转结构（搅拌器及电机转轴、转子）由于安装偏差或搅拌头不对称磨损等原因引起的质量偏心，旋转过程中会产生较大扭矩和径向扰力。扒渣机工作时，扒渣头经常撞击铁水罐，反作用于扒渣平台上的竖向冲击荷载也非常大。

4 设计要点

针对KR脱硫钢平台空间不规则、横向刚度差、设备运行荷载大等主要特点，设计者应采取相应的措施进行应对。钢平台设计过程可以分为三个阶段，即概念及体系设计、静力计算、动力分析。

4.1 概念及体系设计阶段

在满足工艺要求的前提下，尽量增加平臺薄弱部的刚度。平台整体扭转刚度应大于平动刚度，x、y两个方向的平动刚度宜相近。由于KR脱硫平台一般横向（垂直于渣罐车开行方向）不能设支撑，只能采用多层框架，因此横向刚度一般远小于纵向刚度。设计过程中可从以下方面采取措施，增加横向刚度：

4.1.1 采用插入式刚接柱脚。

4.1.2 梁柱连接采用刚接节点，跨度较大时，采取加腋或增设隅撑。

4.1.3 合理控制水平力作用下柱反弯点的位置。

下面通过对比排架、完全框架、一般框架三种结构体系，说明梁柱线刚度比∑ib/∑ic对侧向刚度的影响（图1）。

排架结构柱顶位移：△1=h3/（3EIb）

完全框架柱顶位移：△2=h3/（12EIb）=△1/4

一般框架柱顶位移：△2<△3<△1

可以看出，柱子反弯点位于柱子正中部时，结构侧向刚度最大，此时梁柱线刚度比∑ib/∑ic>10。反之，∑ib/∑ic值越小，反弯点越靠近支座，结构侧向刚度越小。在实际工程中，一般控制∑ib/∑ic>3，即可保证反弯点位于柱中部1/3范围内。

简单的加大框架梁截面以获得较大的梁柱线刚度比，往往是不经济的，为了使框架梁的刚度和承载力都能得到充分利用，在布置平台次梁时，应尽量使次梁长度方向垂直于框架方向，如图2方案二所示。

4.1.4 在工艺允许的条件下，增加框架中梁的层数和柱子的列数，可以有效提高框架侧向刚度，如图3所示。

4.2 静力计算阶段

主要工作是计算平台构件在设备运行荷载、检修荷载、积灰荷载、风载等单独作用或组合作用下的应力、稳定、挠度、疲劳。此时应注意，设备动荷载或冲击荷载应考虑动力系数。

4.3 动力分析阶段

主要任务是分析平台结构在周期动载作用下的动力反应，包括水平向和竖向。须采用SAP、ANSYS等软件进行整体建模分析。

水平向的周期动载来源于搅拌器的旋转，搅拌器正常工作转速为80～120r/min，即周期0.5～0.8s，属于低频动载，动力反应以位移控制为主。纵观多个项目的建模分析结果，脱硫钢平台的第一阶平动及扭转周期基本都在0.3～0.8s范围内，与搅拌头工作时的扰力周期范围非常接近，因此极易引起共振效应。分析结果若显示二者周期相近、振幅位移超限，则应重新调整平台结构布置方式及构件截面，从而改变结構自振周期，避开共振区间。竖向的周期动载主要来源于液压传动脉冲引起的扒渣机晃动，周期为0.5～1.0s，同样是振幅或位移控制。竖向振动分析仅针对扒渣机底座下部支承平台梁，平台梁的周期或基频计算可参照《公路桥涵设计通用规范》中的公式。

为了避免平台梁产生较大竖向振动，设计时应合理选取梁截面，使其基频避开设备冲击荷载的频率。

5 结论及展望

作为一种钢铁冶炼重型设备平台，脱硫钢平台结构设计过程中须面对工艺复杂、设备笨重、工况复杂、冲击荷载大等各种不利因素，设计者除了需要熟悉生产工艺和设备工况外，重点是要采取有效措施提高平台重点部位和薄弱部位的刚度、控制结构的自振周期从而避免发生强共振。设计过程中，概念和体系设计是至关重要的，平台结构的承载效率、经济性和合理性基本上都取决于此；静力计算是所有结构设计工作都必不可少的，此阶段千万不能忽视动载设备的冲击系数；为了避免平台在周期动载作用下发生剧烈振动或晃动，动力分析在脱硫钢平台设计过程中是不可或缺的。

参考文献

[1] 李凤喜，喻承欢，等.对KR法与喷吹法两种铁水脱硫工艺的探讨[J].炼钢，2000，16（1）.

[2] 张戴杰.KR铁水脱硫搅拌功率和力矩的计算[J].钢铁，1981，16（12）.

[3] 林同炎，S.D.斯多台斯伯利.结构概念与体系（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2013.

（责任编辑：黄银芳）