寶鋼3BF高爐大修無料鐘爐頂裝料設備優化設計

蘇 虹

(中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安710201)

寶鋼3BF高爐大修無料鐘爐頂裝料設備優化設計

蘇 虹①

(中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安710201)

寶鋼3BF高爐大修重建工程中，爐頂裝料設備采用旋轉受料罐+吊掛式稱量料罐的串罐式無料鐘爐頂形式，并優化了各部件的結構。其中旋轉受料罐采用大齒圈+支撐輪+導向輪取代原設計的帶齒回轉軸承，上料閘采用單側油缸驅動取代原設計的雙側油缸驅動，稱量壓頭設計安裝在吊桿上，過渡短管代替眼鏡閥。

優化設計 串罐式無料鐘爐頂 旋轉受料罐 支撐環梁 上料閘 吊掛式稱量料罐

1 前言

寶鋼3BF高爐始建于1992年，于1994年9月投產。高爐采用盧森堡PW公司最新的無料鐘爐頂技術，由重慶鋼鐵設計院為主的七個設計院、所擔任設計工作，是當時國內繼寶鋼2BF高爐之后的第二座4000級大型高爐，采用受料罐旋轉式串罐無料鐘爐頂設備，其中主要部件下部閥箱和溜槽傳動齒輪箱均采用PW公司進口產品。

2013年10月寶鋼3BF高爐大修重建后開爐投產，爐容由4350m3擴容到4850m3。爐頂采用旋轉受料罐+吊掛式稱量料罐的串罐式無料鐘爐頂，料罐有效容積由大修前的80m3增加到85m3。爐頂設備由旋轉受料罐、上料閘、吊掛式稱量料罐、下部閥箱、波紋管、眼鏡閥、溜槽傳動齒輪箱等部件組成。在設備滿足工藝要求的前提下，為了降低投資、縮短建設工期，在爐頂設備設計過程中，對各單體設備進行優化設計，下部閥箱和溜槽傳動齒輪箱也全部國產化。

2 旋轉受料罐的優化設計

旋轉受料罐用作承接高爐上料主皮帶機送來的爐料，安裝在整個爐頂最上部(主皮帶機頭罩下)，結構如圖1所示。

圖1 旋轉受料罐裝配

1-料罐殼體及襯板; 2-蓋板及防塵裝置; 3-插入件; 4-支撐環梁; 5-驅動裝置; 6-支撐輪; 7-大齒圈; 8-導向輪; 9-回轉接頭

2.1 旋轉受料罐組成

1)焊接鋼結構殼體(有效容積85m3)，罐內裝有耐磨襯板；

2)料罐蓋板和防塵保護；

3)插入件和插入件保護襯板(由錐體和吊管組成)；

4)用于料罐安裝維修的鎖緊裝置；

5)接近開關IP65(用于脈沖測定轉速)

6)大齒圈(分體5塊)；

7)支撐輪(8組)；

8)導向輪(4組)；

9)傳動裝置(2組，對稱安裝在支撐環梁上)；

10)旋轉料罐支撐環梁；

11)液壓(潤滑)旋轉接頭、電氣旋轉接頭(各1組)；

12)機上液壓及潤滑配管。

2.2 工作原理及結構特點

旋轉受料罐在承接高爐主皮帶機送來的爐料時，由于料罐自身旋轉使得爐料在罐體內得以均勻分布。而帶有保護襯板的插入件可使爐料從旋轉料罐放入稱量料罐時減少爐料偏析，同時起到混料作用。插入件為可調的，在開爐裝料時可將插入件調節適當位置，以得到爐料的最佳分布。料罐上部的蓋板和防塵罩用于裝料時防塵。安裝在支撐環梁上的接近開關用于 測定料罐轉速。安裝在旋轉料罐頂部的旋轉接頭，用以解決上料閘上的液壓、潤滑和電控，其結構復雜，要求密封性能好，并能穩定連續的工作。

寶鋼3BF高爐原有旋轉受料罐是將罐體與帶齒的回轉軸承外齒圈固定，回轉軸承的內圈則安裝在旋轉料罐支撐環梁上，整個支撐環梁安裝在爐頂鋼結構上。旋轉料罐轉動由兩臺37kW電機通過傳動裝置帶動軸承外齒圈旋轉實現。2組傳動裝置對稱安裝在支撐環梁上。寶鋼2BF、3BF高爐，以及后來的馬鋼1BF、2BF高爐，鞍鋼11BF高爐均采用該種形式的旋轉受料罐，用于料罐旋轉的回轉軸承及驅動電機均為進口件、用于支撐料罐的環梁制造費用也很高，增加了設備的成本費用。而現場實際使用中，常常由于各種原因，設備并沒有達到設計的功能要求，料罐不能保證正常旋轉，旋轉接頭也不能保證在生產期內正常工作，增加了維修量。并且一旦回轉軸承出現故障，更換、安裝的過程相當繁瑣復雜。為了解決這個問題，2001年投產的本鋼5BF高爐爐頂旋轉受料罐結構中取消了帶齒的回轉軸承，將旋轉受料罐罐體固定在大齒圈上，利用安裝在支撐環梁上的支撐輪將齒圈和受料罐托起，再通過2組對稱安裝在支撐環梁上的傳動裝置帶動齒圈旋轉。之后2003年投產的鞍鋼新1﹟高爐爐頂設備中的受料罐開始采用了固定受料罐加固定分配器的形式。固定分配器安裝在受料罐上方。爐料通過皮帶送進固定分配器后通過按不同角度布置的四個料槽均勻的分布在受料罐中。這種形式滿足均勻布料的功能要求，同時減少了機械、電器部分的成本費用及維修費用。受料罐固定式串罐式無料鐘爐頂在國內多座高爐上采用。如鞍鋼新1號、新2號、新3號三座3200m3高爐，南鋼新1號2000m3高爐和新2號2500m3高爐，太鋼和寶鋼4號4350m3高爐，本鋼5號、6號2850m3高爐。

2.3 旋轉料罐結構形式的確定

此次3BF大修，因為是原地改造，高爐主鋼結構及上料方式不變，寶鋼方面提出仍采用受料罐旋轉式串罐式無料鐘爐頂。鑒于設備安裝維護以及投資方面的考慮，受料罐設計過程中，沒有采用帶齒回轉軸承支撐料罐形式，而是借鑒本鋼5BF高爐旋轉料罐的結構形式，將旋轉料罐固定在利用8組支撐輪支撐的大齒圈上，8組支撐輪對稱安裝在支撐環梁上 ，各支撐輪的踏面與大齒圈的支撐面接觸。 同時在支撐環梁上對稱安裝2組傳動裝置。當傳動裝置上輸出齒輪帶動大齒圈轉動時，大齒圈帶著料罐在支撐輪的踏面上滑動。

考慮到大齒圈支撐面承受的最大載荷約300t,大齒圈的材料選用42CrMo鍛件，支撐面熱處理后硬度應達到HB273～302。另外，大齒圈直徑為6640mm，考慮加工、運輸和安裝等方面因素，大齒圈設計為5塊分體結構，用銷軸定位后安裝。

支撐輪通過支撐架固定在支撐環梁上。支撐輪的材料選用42CrNiMoA鍛件, 踏面熱處理后硬度應達到HRC≥40。每組支撐輪上有一套拉桿裝置用于調整支撐輪與大齒圈接觸面之間的位置。支撐輪結構如圖2 所示。

圖2 支撐輪裝配

另外，在支撐環梁上還對稱安裝了4組導向輪，通過偏心軸固定在支撐環梁上。導向輪用于限制旋轉料罐的水平位移。導向輪的材料選用42CrMo鍛件，與大齒圈接觸面熱處理后硬度應達到HRC≥50。每組支撐輪上有一套拉桿裝置安裝在偏心軸上，通過調節拉桿長度，調整支撐輪與大齒圈接觸面之間的距離。導向輪結構如圖3所示。

圖3 導向輪裝配

支撐環梁為焊接鋼結構框架。由于支撐環梁承載旋轉料罐、上料閘、稱量料罐以及下部閥箱等全部的重量，強度要求很高，通過對環梁結構設計進行強度、應力分析，實現最優化的設計。考慮運輸和安裝等方面因素，支撐環梁設計為2塊分體結構，現場安裝時用螺栓固定。支撐輪、導向輪、傳動裝置安裝以及稱量料罐吊桿在支撐環梁上的安裝位置如圖4所示。

圖4 支撐環梁布置圖

1-支撐輪中心線; 2-導向輪中心線; 3-傳動裝置中心線; 4-吊掛裝置中心線

2.4 旋轉料罐轉速的確定

原3BF 高爐旋轉料罐的轉速：

電機功率及轉速：37kW×2(2臺)/1475r/min

減速機速比：1∶20.6

減速機輸出轉速：71.4r/min

減速機輸出齒輪齒數：26

帶齒回轉軸承齒圈齒數：308

帶齒回轉軸承齒圈轉速：71.4×26/308=6r/min

回轉軸承齒圈分度圓直徑：308×16(模數)=4928mm

回轉軸承齒圈分度圓線速度：4928×π×6=92890.6mm/min=92.9m/min

新設計旋轉料罐的轉速：

電機：QABP 200L4A 三相異步變頻調速電機(ABB出品)

電機功率及轉速：30kW×2 (2臺)/1475r/min

減速機速比：1∶11.27

減速機輸出轉速：130.9r/min

減速機輸出齒輪齒數：25

大齒圈齒數：415

大齒圈轉速：130.9×25/415=7.89r/min

大齒圈分度圓直徑：415×16(模數)=6640mm

取大齒圈分度圓線速度與原3BF 高爐回轉軸承齒圈分度圓線速度相等：

則大齒圈轉速：92890.6/6640×π=4.45r/min

新設計料罐直徑為φ6000mm，比原料罐(φ4842mm)直徑增加了1158mm，考慮在齒圈分度圓線速度相等的情況下，新料罐外圓處離心力遠大于原料罐，因此，旋轉料罐的轉速最終確定為4r/min。

3 上料閘的優化設計

上料閘安裝在旋轉料罐下部，可隨之一起旋轉。對開式上料閘門。用于料罐放料口的開和閉。

3.1 上料閘組成

1)焊接鋼結構殼體，錐段裝有耐磨襯板；

2)油缸驅動的連桿機構；

3)全封閉式防塵結構；

4)閘門及襯板(料閘最大開口度Ф1400mm)；

5)接近開關IP65(用于上料閘閘門的開閉)；

6)干油潤滑管路。

3.2 工作原理及結構特點

寶鋼原3BF高爐上料閘安裝在旋轉料罐錐體部分，是由兩個同心的球形閘門殼體組成的聯動閘門。耐磨襯板是用專用螺栓固定在球形閥板上。閘門的開閉由分別安裝在兩側兩個相同的液壓缸通過四連桿機構控制。現場使用時，常出現因兩個油缸動作不同步，而使閘門無法打開的現象，或其中一個油缸損壞必須維修，增加維修量。另外，由于四連桿機構安裝在料罐上，設備故障時只能現場維修，增加了維修時間。同時上料閘與稱量料罐之間沒有完備的除塵裝置，使細物料容易被吸出。

考慮到上述因素，首先將上料閘設計為獨立完整的單體部件，包括焊接鋼結構殼體、閘門及襯板、軟密封及密封罩、驅動機構及配管，通過法蘭與旋轉料罐連接，這樣在設備維修時，可以將上料閘整體拆除、異地維修，不影響高爐生產。其次，驅動機構采用單側油缸驅動。主動側有一個液壓缸，液壓缸通過連桿機構帶動液壓缸一側的閘板支架動作，同時，通過閘板支架將動作傳到另一側，驅動閘門平穩開啟，行程起始端有接近開關控制。另一側為固定支撐的形式。為了解決設備除塵問題，采用全封閉式防塵結構，在旋轉件與固定件之間利用軟橡膠帶密封，有效降低灰塵排放量，利于環保要求。

4 吊掛式稱量料罐的優化設計

稱量料罐在旋轉料罐和上料閘的下部，稱量料罐下部連下部閥箱。用作儲料和稱重及均壓，配合上、下密封閥的操作，通過下部閥箱實現裝料功能。結構如圖5所示。

圖5 稱量料罐裝配

1-料罐殼體及襯板; 2-插入件; 3-吊掛裝置; 4-上密封閥; 5-拉桿裝配

4.1 稱量料罐組成

1)焊接鋼結構殼體(有效容積85m3)，罐內裝有耐磨襯板；

2)插入件和插入件保護襯板 ；

3)上密封閥(通徑Ф1600mm)；

4)吊掛裝置(3組含稱量壓頭)；

5)用于防扭的拉桿裝置(4組)；

6)入口耐磨襯套；

7)檢修人孔及檢修門。

4.2 工作原理及結構特點

稱量料罐在裝料時，下密封閥及料流調節閥均處于關閉狀態，以保證高爐爐頂壓力穩定。裝完料后對 爐料進行稱量，之后關閉上密封閥，對料罐進行半凈煤氣一次均壓和氮氣二次均壓，使其壓力達到爐頂壓力時開啟下密封閥及料流調節閥，向高爐進料。進料完畢，稱量料罐成為空罐后，先后關閉料流調節閥和下密封閥，然后進行放散。當料罐內的壓力降到大氣壓力，再次開啟上密封閥，對稱量料罐進行第二次裝料。

稱量料罐通過3組稱量壓頭(130t)由三組吊掛裝置懸掛在支撐環梁上。原設計的稱量壓頭安裝在支撐環梁上，但由于此次大修設計采用支撐輪代替回轉軸承，又增加了4組導向輪，環梁上安裝空間相對緊張，對稱量壓頭維護和更換造成不便，因此將稱量壓頭設計安裝在吊桿上。吊掛裝置結構如圖6所示。

圖6 吊掛裝置

由于料罐容積加大，重量增加，考慮罐體強度問題，料罐本體設計時，罐體上、下部連接采用箱型結構的中間座代替原來的法蘭。中間座上焊有與吊掛裝置相連的吊掛架。

在料罐下錐部上有支承架支撐的插入件，用來控制高爐裝料的偏析，并在下料時得到一個均勻連續的料流，降低落料高度。

四個彈性橫向連接桿用來防止料罐旋轉以及料罐在工作時的水平位移，可以在地震情況下減小料罐本身以及支撐鋼結構所受外力的作用。連接桿一端固定在料罐上，另一端固定在平臺上。

5 過渡短管代替眼鏡閥

眼鏡閥用于高爐休風時，把爐頂部分與爐內隔開以確保在安全狀態下實現對無料鐘爐頂設備的檢修和維護。由于高爐生產要求連續性盡量減少休風次數，使設備長時間閑置，利用率不高，加上環境和保養問題，用來移動閥板的液壓馬達不能正常使用，閥板移動要靠人力推拉。其次，閥板壓板壓緊靠四個油缸完成，油缸動作不同步容易造成閥板不到位，導致高爐生產時泄漏。由于以上缺陷，采用過渡短管代替眼鏡閥。過渡短管結構簡單，作用與原眼鏡閥的作用相同。它是由過渡短管本體與盲板及硅密封圈、把合螺栓組成。高爐正常工作時，盲板不裝，在高爐休風檢修時，只需將波紋管提升，在短管上加蓋盲板，用螺栓把合，即可將爐內與爐頂設備阻斷。其特點使用方便，并且成本低。

6 結論

爐頂設備中，還有許多結構需要進行改進，要做好優化設計，需要在真正了解工況的條件下，從理論上加以研究，才能達到目的。

[1]中國冶金設備總公司.現代大型高爐設備及制造技術.北京：冶金工業出版社，1996.

Optimization Design of Charging Equipment for Bell-Less Top in Baosteel 3BF Rebuilding

Su Hong

(Sinosteel Xi’an Machinery Co., Ltd., Xian 710201)

Baosteel 3BF (blast furnace) rebuilding project adopt centrally fed bell less top by rotary receiving hopper + hanging weighing hopper and optimize the structure of each component. The rotary receiving hopper use the structure of gear ring + support wheel and guide wheel instead of tooth type bearing. Charger gate adopt unilateral cylinder instead of bilateral cylinder driving, load cells design mounted on the hanging rod, the transition pipe instead of glasses valve.

Optimization design Centrally fed BLT Rotary receiving hopper Support frame Charger gate Hanging weighing hopper

蘇虹，1965年出生，1987年畢業于東北大學機制專業，學士，高級工程師，一直從事高爐無料鐘爐頂設計工作

TG542.5

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.02.011

2014-02-20)