基于3D的150 t轉(zhuǎn)爐傾動力矩的計算

孫 巖，李繼宏，蘭 勇，吳 鐵，陳瑩瑩，谷世群

(1．遼寧科技大學機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051;2．鞍鋼集團工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114021;3．中鋼設(shè)備有限公司，北京 100080)

1 前言

計算轉(zhuǎn)爐傾動力矩的目的在于正確確定耳軸位置，并作為傾動機械設(shè)計的基本載荷參數(shù)，使設(shè)計的傾動機械既能保證所設(shè)計的轉(zhuǎn)爐能夠滿足安全生產(chǎn)的要求，又經(jīng)濟合理。轉(zhuǎn)爐傾動力矩由三部分組成，即空爐力矩、爐液力矩和摩擦力矩。其中，空爐力矩由爐殼和爐襯的重量引起，空爐力矩是傾轉(zhuǎn)角的正弦函數(shù)，爐液力矩由鐵水和熔渣引起，傾動時液體的形狀隨角度不斷變化;摩擦力矩是指傾動時耳軸上的摩擦力矩，方向始終和傾動方向相反，大小基本不變。

在轉(zhuǎn)爐傾動過程中，爐內(nèi)液體的形狀、重心位置隨著傾轉(zhuǎn)角度的變化而變化，并且在出鋼過程中其重量也在變化。用公式法或切片法進行計算，工作量都很繁重，誤差也較大。本文結(jié)合三維軟件SolidWorks，確定鞍鋼150 t轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)最佳耳軸位置，計算了轉(zhuǎn)爐在不同傾角下的傾動力矩。

2 空爐和爐液重量及其初始重心的確定

2.1 空爐重量及其初始重心的確定［1］

在3D中繪制好轉(zhuǎn)爐的爐型構(gòu)造，包括爐殼和爐襯，定義好各自的材料，即可確定爐殼和爐襯的重量大小和重心位置，進而確定空爐的重量和重心，爐形如圖1所示。

空爐爐殼材料選定為鑄鋼，密度為7 800 kg/m3，爐襯材料密度為2 800 kg/m3，通過3D中的質(zhì)量特性得出，空爐質(zhì)量為595101.731 kg，重心坐標為0，4188.26，0。

圖1 爐形圖

2.2 爐液重量及其初始重心的確定

爐內(nèi)液體包括鐵水和爐渣，質(zhì)量如下:

鐵水質(zhì)量 =(1.1～1.14)出鋼量 =1.12×150×103=1.68×105kg

爐渣質(zhì)量=0.15出鋼量=0.15×150×103=2.25×104kg

鐵水密度為6 900 kg/m3，爐渣密度為3 000 kg/m3，根據(jù)鐵水和爐渣的質(zhì)量，在3D軟件中繪制出當轉(zhuǎn)爐傾角為0°時鐵水和爐渣的形狀，進而確定爐液的初始重心位置，爐液初始形狀見圖2。

圖2 爐液初始形狀

通過3D中的質(zhì)量特性得出，爐液初始重心坐標為(0，2314.06，0)。

3 按預選耳軸位置轉(zhuǎn)爐傾動力矩的確定

預選耳軸位置為空爐重心以上100 mm，即4288.26 mm。

3.1 按預選耳軸位置空爐力矩的確定［2］

式中，MK為空爐力矩;GK為空爐重量，GK=595 101.731×9.8=5 831 996.96N，L為力臂。

在3D軟件中設(shè)定好耳軸位置之后，將空爐繞耳軸旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)10°，確定此種狀態(tài)下空爐的重心，重心中的x軸坐標即為空爐的力臂，空爐重量不變。轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)不同角度得到的空爐力矩見表1。

表1 空爐力矩

3.2 按預選耳軸位置爐液力矩的確定

式中，MYE為爐液力矩;GYE為爐液重量;L為力臂。

爐液力矩的計算與空爐力矩的計算相似，但也有不同之處。由作圖得知，當轉(zhuǎn)爐傾角在0°～86°范圍內(nèi)時，沒有出鋼，爐液重量不變;當轉(zhuǎn)爐傾角在86°～126°范圍內(nèi)時，屬于出鋼階段，爐液重量發(fā)生變化，逐漸減少。在傾動過程中爐液重心位置和力臂一直在發(fā)生變化。

在3D中，將爐液密度設(shè)置為鐵水和爐渣的綜合密度5 978.7 kg/m3，將爐液繞預設(shè)耳軸旋轉(zhuǎn)，依據(jù)傾角在0°～86°范圍內(nèi)爐液質(zhì)量不變，并且液面保持水平，每旋轉(zhuǎn)10°，繪制出各種傾角狀態(tài)下爐液的形狀，進而確定不同傾角時爐液的重心位置;轉(zhuǎn)爐傾角在86°～126°范圍時，屬于出鋼階段，爐液質(zhì)量逐漸減少，液面保持水平，可確定出爐液質(zhì)量和重心位置。

轉(zhuǎn)爐傾角為90°和50°時，爐液的狀態(tài)見圖3。轉(zhuǎn)爐旋轉(zhuǎn)不同角度時的爐液力矩見表2。

圖3 轉(zhuǎn)爐傾動時爐液的狀態(tài)

表2 爐液力矩

3.3 摩擦力矩的計算

式中，GK為空爐重量，GK=5 832 kN;GYE為爐液重量，GTE=1 867 kN;GT為托圈重量，GT=1 000 kN;GX為懸掛裝置重量，GX=2 000 kN;μ為摩擦系數(shù)，滾動軸承取μ=0.2;d為軸承直徑，滾動軸承取軸承內(nèi)外徑的平均值，d=100 mm。

4 實際轉(zhuǎn)爐傾動力矩的確定

4.1 最佳耳軸位置的確定［3］

通過前述研究得，(MK+MYE)min=221 207 N·m，此時轉(zhuǎn)爐傾角為100°，解得

所以，最佳耳軸位置在預定耳軸位置下方18.3 mm處。

4.2 轉(zhuǎn)爐傾動力矩的計算

最佳耳軸位置確定后，就可以準確確定轉(zhuǎn)爐空爐力矩、爐液力矩、傾動力矩和計算傾動力矩，步驟同前，結(jié)果見表3，轉(zhuǎn)爐力矩曲線見圖4。

表3 轉(zhuǎn)爐傾動力矩計算值

角度/(°) XK/mm MK/N·m Xye/mm Gye/kN Mye/N·m (Mk+Mye+Mm)/N·m Mj/N·m 90 81.7 476 474.4 －96.58 1 391.306 －134 372.344 449 092 7 293 227.76 351 873.32 100 80.46 469 242.7 －727.99 500.78 －364 562.86.06 538 910.47 95 81.39 474 666.5 －322.82 893.466 －288 428.71 71 249 242.67 299 091.2 110 76.77 447 722.6 －1 403.31 139.16 －195 285.6 2 211 669.86 254 003.83 105 78.92 460 261.4 －1 188.64 267.54 －318 008.7 4 359 428.005 431 313.6 120 70.75 412 614 －1 959.22 36.652 －71 809.3 447794.7 537 353.6

圖4 150 t轉(zhuǎn)爐傾動力矩曲線圖

5 結(jié)論

基于3D軟件，結(jié)合理論知識，既能夠準確確定耳軸的位置，又能夠快捷地計算轉(zhuǎn)爐傾動力矩，同時也能模擬不同傾轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)爐及爐液的狀態(tài)。通過與現(xiàn)場的實際數(shù)據(jù)對比，本文所計算的轉(zhuǎn)爐傾動力矩與現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)基本一致，對轉(zhuǎn)爐傾動機構(gòu)的設(shè)計具有指導意義。

［1］ 林翔，謝永奇．SolidWorks 2004基礎(chǔ)教程［J］．2004，(4):36-248．

［2］ 譚牧田．氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備［J］．1983，(7):167-220．

［3］ 羅振才．煉鋼機械［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1989．