一种对转炉装置进行扩容改造的方法

张皓天

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

炼钢转炉是钢铁企业炼钢厂的核心设备，主要作用是将高炉冶炼出的铁水同配加的废钢、铁合金一起，利用铁水本身物理热量及通过一系列的化学反应，再采用规定工艺动作进行处理，冶炼出所需的钢水。转炉设备组主要由倾动装置、托圈装置、轴承座装置、炉壳装配、悬挂系统及相应的润滑与水气配管组成。随着国家对钢铁企业的环保要求日趋严格，以及在国家化解钢铁产能过剩并提升钢铁品质的大背景下，我国众多钢铁企业开始实施产能置换或者企业退城项目。因此，当前我国各地钢厂需要升级改造大量的转炉炼钢设备。

1 改造背景

以某钢铁企业原出钢量为130~140t的转炉设备为原型，通过对其进行一系列的技术改造，最终使其出钢量达到180t。其原参数如下：倾动输出转速为0.1~1.4 r/min；倾动输入转速为735 r/min；倾动电机功率为132 kW；炉壳直径及高度为Φ6 950 mm×9 445 mm；托圈相关参数为Φ7 400 mm（内径）×Φ9 000 mm（外径）×2 100 mm（高度）；转炉悬挂形式为三点球铰上悬挂；炉壳砌砖后容量为140 m3；转炉出钢量为140 t。

因受场地及投入资金限制，现用户要求在原土建基础与转炉炉体不改变的前提下对整套转炉设备进行升级改造，要求升级后转炉出钢量达到180 t，输出转速提升至1.5 r/min，并且随着资金投入、设备变更，改造周期要尽可能小。

2 改造技术分析

按照扩容后相应的力能要求对该转炉设备的原有参数进行计算分析，并与某公司历年来设计制造的出钢量在180~200 t的转炉相关技术参数进行对比，可以得出：

1）原转炉托圈装置的耳轴直径尺寸，相应钢板厚度、轴承座轴承型号、炉体钢板厚度及设备相关土建基础均可以满足扩容后（出钢量180 t）设备的使用要求，不需要做相应变更。

2）托圈内外径尺寸为Φ7 400 mm（内径）×Φ9 000 mm（外径）及炉体尺寸为Φ6 950 mm×9 445 mm，与标准180 t转炉设备相比较小，并不能很好满足扩容要求，但由于用户已经明确要求炉壳部分要利旧，因此炉壳与托圈不再做变更升级，可采用减小相应炉壳砌砖厚度、增加炉壳容积的方法满足用户扩容要求。

3）因涉及到转炉扩容及提速，经过计算，原倾动装置并不能满足设备要求。具体表现为：输出转速较低，不满足要求；扭力杆直径为290 mm，在转炉扩容后，扭转角太大，其危险截面应力接近许用应力，有发生断裂的风险；电机功率132 kW，无法满足扩容要求；扩容后某些齿轮与齿轮轴强度较低，主要是二次减速机大齿轮接触与弯曲强度不够，一次减速机齿轮齿轴计算强度较富余，且第三轴与第四轴的轴承寿命不满足使用要求。因此，需要整体更换升级倾动装置，并要满足用户土建尺寸及中心高度不变的要求。经对齿轮计算的结果见表1，对轴承计算的结果见表2。

表1 改造前齿轮强度安全系数计算结果

表2 改造前轴承（进口）寿命情况

4）原转炉悬挂系统为三点球铰支撑形式，其支撑螺栓直径为Φ260 mm。通过对其进行受力分析得出：其尺寸无法满足转炉扩容要求，需要对其加强升级改造，并且在国内其他企业中，该型号支撑螺栓在出钢量为180~200 t时有出现过断裂的情况。

3 设计改造方案

通过技术分析，现需要对用户的整套倾动装置、转炉悬挂装置进行炉壳砌砖的设计改造，具体如下：

1）炉形改造。因转炉炼钢时铁水及废钢等并不是直接盛装在炉壳内，而是需在砌筑有耐火砖的炉壳内部发生相应化学反应。因此，炉壳砌砖后的空间与转炉出钢量有着直接的关系。炉容比值太小容易发生喷溅、溢渣等风险，炉容比太大会增加无效能耗与投资，因此炉容比太大或者太小都不可行。对用户原转炉砌筑后，炉体容积仅为140 m3，在出钢量为180 t的情况下，其炉容比为0.78，炉容比太小，远不能满足扩容要求，而且用户明确要求炉壳部分要利旧，经分析得出原转炉炉壳砌砖厚度较厚，留有一定富余量。因此，可采取适当减小炉壳砌砖厚度来增加炉壳容积的方案，但该方案也存在缺点，即砌砖厚度减薄后会减少转炉炉役，增加炉壳钢板产生的热影响与热应力。不过用户经结合转炉扩容后的投入产出比及对炉壳钢板材质与厚度分析，认为该方案是可以被接受的。最终在改变炉壳砌砖后，炉体容积达到157 m3，在出钢量为180 t时的炉容比达到0.87，勉强可以满足其扩容出钢要求。

2）倾动改造。对扩容后的转炉进行力矩计算，得出其最大倾动力矩为3 800 kN·m，按此力矩对倾动装置进行强度计算得出：原有倾动装置不能满足使用要求，主要为倾动电机、扭力杆、倾动装置二次减速机齿轮强度及一次减速机部分轴承寿命不满足使用要求，且倾动装置最大输出转速也需由1.4 r/min提升至1.5 r/min，因此，需对整套倾动装置进行升级。具体改造方案为：根据表1齿轮相关计算结果可知，倾动装置一次减速机齿轮齿轴的计算结果较为富余，二次减速机强度不够,因此可以重新优化各齿轮箱中心距及各级齿轮传动速比分配，使得各级齿轮计算结果均衡化；更改二次减速机大齿轮的热处理方式，由调质改为表面淬火，将齿面硬度由300~350（HBW）提升至50~55（HRC），从而提高齿面接触强度与齿根弯曲强度；在保持土建基础不变的前提下，将扭力杆直径由Φ290 mm扩大至Φ320 mm，提高其弯曲与扭转安全系数；调整一次减速机内部分轴承，使其满足新工况下的设备使用寿命要求。经倾动改造后，齿轮计算结果见表3，虽然各级齿轮弯曲强度有所降低，但都满足使用要求，且接触强度较改造之前还有所增加。轴承计算结果见表4，在调整第三轴、第四轴轴承后，其寿命也满足使用要求。

表3 改造后齿轮强度计算结果

表4 改造后轴承（进口）寿命情况

3）悬挂系统改造。原有三点球铰支撑装置不足以满足转炉扩容要求，因此对球铰支撑中的支撑螺栓直径、支撑销轴直径及内部球面垫均进行了强化设计。一是需优化其原有材料，以进一步提升各重要受力件的机械性能；二是需扩大支撑螺栓直径与支撑销轴直径，以提高其强度。但对悬挂系统改造完成后，由于主要零件尺寸增加，使得整个炉体装配后回转中心线上移50mm，这便导致两个问题：一是转炉重心上移，产生了负力矩，在炼钢生产中，转炉负力矩会导致设备在紧急状态下不能自动回位，进而引发安全事故，这是不被允许的，需要消除，因此需在炉壳底部增加配重，将整个转炉重心下移，而配重可以通过改造转炉底吹配管罩的形式来实现，经过计算，炉壳底部增加的配重约9 t；二是炉壳上移后，炉壳上安装悬挂装置下部托架的螺栓孔位置与托架发生错位，因此需重新设计下部托架。

4 现场改造方案

在方案设计及设备制作完成后,还需要在现场进行实际的设备改造与安装，其具体方案如表5所示。

表5 现场改造具体方案

5 结论

1）在制定转炉扩容改造方案时，需要精确计算扩容后的炉容比、倾动力矩，并以此为基础对各个部件进行计算，只有当炉容比满足要求时才可对整套转炉进行扩容改造。

2）对三点球铰支撑形式的悬挂装置进行扩容改造后，有可能会导致转炉整体产生负力矩，而由于受现场安装条件限制，通过调整转炉回转中心线来消除负力矩的方法已经不再适用，此时便需要在炉底增加配重来消除负力矩。

3）当齿轮箱个别齿轮强度以及轴承计算结果不满足使用要求时，可以通过重新调整各级齿轮速比与中心距，以及更改材料与热处理方式的方法来对结果进行优化，使得计算结果更加均衡。