高炉加压水冷齿轮箱新技术及应用

于成忠，张荣军，徐宝军

（鞍钢股份有限公司炼铁总厂，辽宁 鞍山 114021）

高炉冶炼技术经过20多年不断发展，冶炼工艺趋向于中心布焦的高强度冶炼方向发展，同时高炉降低成本和节约能源也成为一个新需求，而传统的水冷齿轮箱要保证稳定运行，需要加大氮气的消耗，帮助齿轮箱得到有效的温度控制，但是随着工业的快速发展，使本属于副产品的氮气成为了主要能源消耗之一，氮气消耗量增加的同时，也提高了高炉的运营成本，为高炉布料的关键设备水冷齿轮箱提出一个新课题，如何能够适应高炉高顶温布料环境，实现低成本节能运行。加压水冷齿轮箱的设计理念就是基于这样的思维应运而生的。

1　加压水冷齿轮箱的结构及工作原理

与传统水冷齿轮箱相比，加压水冷传动齿轮箱的外形按照尺寸、工作原理、布料溜槽安装方式及尺寸都没有改动。目的是为了保证新型设备和传统设备可以做到互为备用，节约齿轮箱备件的库存量，降低备件库存成本。

1.1　齿轮箱的基本机构和原理

加压水冷齿轮箱的基本结构与传统齿轮箱相似，其组成部分为:传动齿轮箱、倾动齿轮箱和行星齿轮箱。 根据高炉的有效容积不同，分别有适合3200 m3以上大型高炉的加强型齿轮箱和适合3000 m3以下的标准型齿轮箱。

无论是加强型齿轮箱，还是标准型齿轮箱，其工作原理大致相同，如图 1（a）～（b）所示。 图 1（a）为行星齿轮箱，图1（b）为传动齿轮箱。

图1（a）旋转电机通过二级轴使齿轮3发生转动，齿轮3与齿轮4啮合带动行星齿轮箱的空心轴，通过空心轴回转驱动齿轮5，与图1（b）大齿圈I啮合驱使齿轮箱旋转底座转动，使溜槽完成旋转动作。图1（a）倾动电机通过蜗轮1和蜗杆1驱动行星齿轮箱的太阳轮1倾，倾动电机启动后使太阳轮1倾与太阳轮7组成的差动轮系产生差动传动。这样使两个行星轮2倾带动行星齿轮箱的实心轴转动，实心轴上的回转驱动齿轮3倾与图1（b）传动齿轮箱大齿圈Ⅱ啮合，并且通过大齿圈Ⅲ和倾动齿轮箱的驱动小齿轮5倾驱动扇形齿7倾，带动溜槽悬挂轴上的齿轮6倾实现溜槽的倾动动作。

加压水冷齿轮箱保留了传动齿轮箱的基本结构和工作原理，所以传统齿轮箱的电动驱动系统完全适用于加压水冷齿轮箱，并且布料溜槽的结构形式没有改变。

图1　齿轮箱工作原理

1.2　齿轮箱的润滑系统

加压水冷齿轮箱的传动齿轮箱和行星齿轮箱的润滑系统采用集中自动润滑系统。其中22个润滑点作用于旋转与倾动的大轴承，如图2所示。2个润滑点作用于回转驱动齿轮，如图3所示。

行星齿轮箱上有2个点润滑（见图3（a）中2个圆圈标注处，图3（b）为剖面图），分别作用于空心小齿轮轴上部盘根密封、实心轴小齿轮轴下部盘根密封和空心小齿轮轴的滚珠轴承。该润滑系统是集中自动润滑，并且在分配器润滑箱内安装极限开关，监控润滑系统是否按照要求完成动作。

图2　22点倾动与旋转轴承润滑点

图3　驱动齿轮2个润滑点

倾动齿轮箱润滑系统是独立于传动齿轮箱和行星齿轮箱的润滑系统。倾动齿轮箱安装位置在传动齿轮箱内部的旋转底座上，随着齿轮箱的旋转动作一同旋转，并且只能在高炉休风打开齿轮箱检修门时才能进行检查，向润滑油罐内加油。然而水冷传动齿轮箱的最大负载布料溜槽，正是安装在倾动齿轮箱溜槽悬挂轴上，因此，溜槽悬挂轴的使用寿命直接取决于润滑系统的运行情况。

与传统的倾动齿轮箱润滑系统不同，该润滑系统采用了最新设计，见图4。

图4　最新设计倾动齿轮箱润滑系统

将原设计的溜槽必须运行到2°～5°倾角的位置才能利用凸轮传动压缩油泵对溜槽悬挂轴注油润滑，改为由倾动大齿圈带动小齿轮驱动油泵连续注油润滑，在溜槽上倾时分别向溜槽悬挂轴上的8个注油点（见图4中圆圈处）注入润滑油，另外，溜槽上倾时对其进行润滑也会起到减轻溜槽悬挂轴负荷的作用。这样就摆脱了由于倾动不到位或者维护时小凸轮位置调整不当，造成在一个休风周期内溜槽的悬挂轴得不到有效及时的润滑，从而减少设备使用寿命的弊端。润滑系统的储油罐容量为25 L，并保证倾动齿轮箱在6个月内的油量。干油润滑系统的长期、稳定运行可以有效地延长齿轮箱的使用寿命，也为高炉定修周期从3个月的间隔延长到4个月以上提供了保证。

2　加压水冷传动齿轮箱水冷系统及氮气回路

2.1　齿轮箱内部水冷系统

加压水冷传动齿轮箱的内部水冷系统分为两个部分，上部旋转部分的冷却回路和下部固定部分的冷却回路,见图 5（a）～（b）。

图5　加压水冷齿轮箱水冷系统

上部旋转部分的冷却回路，冷却水路由齿轮箱顶部进水管进入齿轮箱，先通过S-杯的进水腔将冷却水直接送到齿轮箱水冷板的底部管接口，然后水至下而上的回到S-杯的回水腔,再通过齿轮箱顶部的出水管回到水冷站。

下部固定部分的冷却回路是在已经被取消的传统齿轮箱的下水槽位置安装一根冷却水管，进、出水管接口在齿轮箱壳体的下部分别连接到水冷站的进水端和回水端。

加压水冷齿轮箱S-杯的特殊结构实现了水路密闭循环，与传动齿轮箱的水冷系统完全不同。密闭循环水路系统冷却水不存在由于接触高炉煤气和灰尘或者过量的润滑油脂进入上/下水槽造成冷却水路污染问题。另外该密闭循环水路可以采用工业软水作为冷却水介质,这样就延长或者避免了冷却水板结垢期。

加压水冷齿轮箱冷却水的流量相对于传统标准和加强型水冷齿轮箱的水流量也有所增加，详细数据见表1。

表1　加压水冷齿轮箱与传动齿轮箱冷却水流量对比

由表1可知,冷却水的水流量增加了一倍，冷却强度也相应增加。不同类型齿轮箱对应于高炉炉顶温度工况条件如表2所示。

表2　不同类型齿轮箱适应高炉炉顶温度条件

由表2可知，加压水冷齿轮箱所承受的最高炉顶中心温度已经提高到900℃。针对高强度的冶炼工艺，加压水冷齿轮箱能更好地适应工况条件，提高炉顶上料的系统工作稳定性。

2.2　加压水冷齿轮箱水冷站

加压水冷齿轮箱的冷却水路为闭环冷却水路，所以水冷站主要设备由2台水泵和2台板式冷却器（均为1台工作，1台备用）组成。水介质的酸碱度由pH值测量仪表控制，如果pH值超出7～9的范围就会报警，并且利用补水管对系统换水。

水冷系统虽然是闭环冷却系统，但是冷却水仍然存在少量的蒸发量消耗。水冷站根据安装在齿轮箱S-杯内水位计的状态显示对水冷系统进行自动补水，补水量为25 L/d。

2.3　齿轮箱的氮气回路

氮气回路分为持续供给和紧急供给两种。

（1）氮气持续供给回路。氮气流量100 m3/h，由 3路ND32的氮气管注入齿轮箱顶部S-杯处；氮气流量100 m3/h，有1路ND65的氮气管注入齿轮箱的壳体。这两路持续供应的氮气可以保证齿轮箱内部压力略高于高炉内部压力防止灰尘进入。

（2）氮气紧急供给回路。氮气流量500 m3/h，由1路ND100的氮气管注入齿轮箱的壳体。如果齿轮箱的温度过高，可开启紧急氮气管道加强齿轮箱的冷却强度，保证齿轮箱的稳定正常运行。水冷站系统及氮气回路见图6。

图6　水冷站系统及氮气回路

3　加压水冷传动齿轮箱的效果

随着高炉冶炼强度的增加，对炉顶齿轮箱耐高温的要求也越来越高,加压水冷传动齿轮箱就是为了适应该高效率和高强度的冶炼强度而设计改进的。它在提高自身冷却强度的同时保留了传统齿轮箱的壳体安装尺寸和方式，避免了新旧齿轮箱更换交替时期的备件储备成本。

加压水冷传动齿轮箱的闭环有压水冷系统提高了冷却强度，有效地减少了氮气的消耗量。由于近几年钢铁行业的发展迅速，造成能源紧张，氮气由免费的附属产品逐渐成为主要的能源介质。传统齿轮箱在现有的冶炼工况条件下，氮气实际消耗量均在1 000～2 000 m3/h之间，而加压水冷传动齿轮箱则能够将系统的综合氮气消耗量保持在500 m3/h左右。

对加压水冷齿轮箱和传统齿轮箱进行简单的经济对比分析。按照1年350天计算传统齿轮箱和加压水冷却齿轮箱设备水、电、氮气消耗所需成本，其中氮气单价为0.2元/m3，水为1.8元/m3，电为0.7元/度。年消耗成本计算公式为:单价×小时消耗量×24 h/d×350 d/a，计算结果如下:

（1）传统型齿轮箱年消耗成本

水消耗为:1.8×1×350=630 元

电消耗为: 4×0.7×24×350=23 520 元

氮气消耗为:0.2×1 600×24×350=2 688 000元

（2）加压水冷却齿轮箱年消耗成本

水消耗为: 1.8×0.025×350=15.75元

电消耗为: 5×0.7×24×350=29 400 元

氮气消耗为:0.2×500×24×350=840 000 元

（3）加压冷却齿轮箱年节水、节氮气和耗电成本

节水成本:630-15.75=614.25元

耗电成本:29 400-23 520=5 880.00元

节氮气成本:2 688 000-840 000=1 848 000元

加压冷却齿轮箱年节约总成本为:

1848000+614.25-5880≈184.3万元

计算结果表明，采用加压冷却齿轮箱氮气消耗大幅降低，可达73%以上，年可节约人民币约184.3万元。2014年鞍钢炼铁总厂11号高炉首次引进高炉加压水冷齿轮箱后，在2015年和2017年分别在3号高炉和1号高炉应用，均实现预期降氮的目标。

4　结语

高炉加压水冷齿轮箱2014年在鞍钢股份有限公司炼铁总厂11号高炉首次引进应用。从实际运行来看，新旧齿轮箱的备件储备成本没有增加，由于倾动润滑方式的改进，使齿轮箱运行更加稳定，为高炉定修周期间隔的延长也提供了保证，同时齿轮箱冷却强度的提高和水冷站工艺流程的集成简化单元运行，也减少了工业氮气消耗量和水冷站的维护量。目前鞍钢炼铁总厂已经在3号高炉和1号高炉应用该加压水冷齿轮箱，取得了预期效果。