爐前脫硅噴槍系統改造

任玉軍 葛國軍

（1：寶鋼股份煉鐵廠 上海 201900；

2：北京中冶設備研究設計總院有限公司 上海 201900）

1 前言

鐵水預處理是介于高爐——轉爐之間的一道重要工序，旨在降低鐵水中有害元素（硫、磷和硅等）的含量，俗稱“三脫”。為了達到更好的脫磷效果，要求鐵水中硅的質量分數低于0.15%，這是由于在熱力學上硅優先于磷氧化，這使得預處理脫硅成為鋼鐵企業必不可少的工藝。目前，國內外采用的脫硅工藝主要有兩種：上置法（也稱投撒法）和噴吹法，其發生過程可以劃分為鐵水預處理車間脫硅和高爐出鐵場爐前脫硅，由于爐前脫硅在高爐出鐵過程中完成，可縮短鐵水在高爐——轉爐間的停留時間、減少鐵水罐車用量及減輕脫硅反應對鐵水罐內襯的侵蝕，在鋼鐵廠逐漸受到重視］。

寶鋼4號高爐于2005年投產，其脫硅方法采用高爐出鐵場爐前噴吹法，脫硅所用的噴槍系統主要由升降部件、回轉部件、擺動部件、行程指示器等組成，可以實現在噴吹過程中噴槍的上下升降、噴槍前后擺動及左右擺動一定角度。使用一定年限后，由于結構方面的原因，在實現以上功能時整個機架晃動，運動不順暢；上升下降過程中，易發生卡阻，工作非常不穩定，無法達到脫硅噴吹所需的動作要求，導致噴槍噴料的準確性降低，影響了鐵水的脫硅質量。本文根據現場的實際情況并查閱相關文獻，對寶鋼4號高爐的4套爐前脫硅噴槍系統進行改造。

2 原脫硅噴槍系統

原有噴槍設備如圖1所示，其回轉功能通過電機帶動回轉支承來實現，升降通過滑輪帶動滑塊上下移動來實現，擺動則由電動絲桿推動整個噴槍裝配前后轉動一定角度。該設備剛投入時，運行還比較穩定，但隨著設備的磨損和長時間的運轉，穩定性逐漸降低，在回轉過程中，機架晃動嚴重；滑塊在上下移動時，很容易出現卡阻現象。由于定位精度下降，經常出現噴嘴對不準擺動流嘴，造成脫硅作業性差，依照寶鋼日常檢修修復已達不到正常使用效果，修復工作量及修復難度均較大。因此在原有的基礎上對整個脫硅噴槍設備進行重新設計，并對升降部件、回轉部件等結構進行驗算。

圖1 原噴槍設備圖

圖2 4BF脫硅噴槍設備改造方案圖

3 方案設計及驗算

針對上述問題及在保證噴吹必需功能的前提下，回轉功能仍采用電機驅動回轉支承的方法，但對回轉支承及電機重新進行選型設計，確保其穩定性；升降部件進行重新設計，采用電機驅動鏈輪的方式使滑車在機架上滑動，使滑動阻力減小。方案如圖2所示。

3.1 升降部件結構及驗算

升降部件主要由滑車、導輪、立柱、鏈輪裝配、中間驅動裝置及電機減速機等構成。滑車采用工字形結構；立柱按全行程設計，并將上下端的鏈輪裝配設置在立柱里面，可簡化設備結構，降低設備高度；電機減速機的鏈傳動采用一級傳動；與擺動部件間的聯接設計為兩鉸點聯接，改善了相關零部件的受力狀態，提高了傳動穩定性。

根據現場提出的工況要求和測繪得出，4BF噴槍傳動設備改造行程為S＝3500mm，升降速度要求約為v＝5.6m／min，以此選擇電機功率P、減速機速比i和鏈傳動比i1。

參照原噴槍設備，選取滾子鏈24A，節距p＝38.1mm，減速機端小鏈輪齒數z1＝19，大鏈輪齒數z2＝38。則鏈輪傳動比為：

大鏈輪分度圓直徑為：

大鏈輪轉速為：

大鏈輪所傳遞的扭矩為：

式中F—大鏈輪所受載荷，即有效圓周力，F＝mg＋μmg＝10kN；

m—滑車、噴槍及導輪的重量，約900kg；

μ—導輪與立柱的摩擦系數，取0.15。

將有效圓周力的值代入式（4）中，得T2＝24 20。因此大鏈輪傳遞功率為：

選用4級電機，即電機輸出轉速n＝1440r／min，可得減速機速比＝186.5，選用二級擺線針輪減速機，則i＝17×11＝187。

電機功率為：

式中η—鏈傳遞效率，取0.7；

f1—工況系數，查機械設計手冊［6］取1.3；

f2—服務系數，取2。

代入計算得P＝3.64kW，圓整選取電機功率P＝4kW。

3.2 回轉部件結構及驗算

回轉部件采用電機驅動回轉支承型式，曲臂是承載導軌架及升降小車的關鍵部件，通過回轉支承將曲臂固定在機座上，曲臂可通過回轉支承在機座上轉動，從而帶動導軌架、升降小車、噴槍一起轉動，實現噴槍的左右擺動。回轉部件的傳動采用減速器和與之配套的帶制動器電機，通過與電機軸連接的小齒輪與回轉支承外圈的大齒輪嚙合。

噴槍橫向移動軌跡為大直徑圓弧線，其直線度誤差在工藝允許范圍內。此結構尺寸小，設備穩定性高，換槍時能把噴槍移到擺動流嘴除塵罩開孔區域以外，大大改善了更換噴槍頭的操作條件。

根據改造要求，選取4級帶抱閘電機，電機輸出轉速n＝1400r／min，回轉行程正常工作時為±250mm，更換槍頭時回轉角度為25°，速度v約3m／min，回轉支撐大齒輪齒數z2＝139，小齒輪齒數選取z1＝23。則齒輪傳動比為：

大齒輪轉速為：

式中d—噴槍的回轉直徑，mm；

v—回轉速度，m／min。

大齒輪所傳遞的扭矩為：

式中F—齒輪所受載荷，即切向力，N。

計算得電機功率為：

式中η—齒輪傳遞效率，取0.9；

f1—工況系數，查機械設計手冊取1.1；

f2—系數，取2。

選取回轉傳動電機功率P＝1.1kW。

3.3 擺動部件及噴槍頭設計

擺動部件通過可伸縮的升降機與升降部件的立柱和回轉部件的曲臂鉸接，立柱及導軌架上部與曲臂鉸接。升降機的伸縮可實現導軌架及立柱的前后擺動，從而帶動噴槍前后擺動，升降機上設有手輪，通過手動驅動。擺動行程為0～8°。

噴槍頭的作用是將來自噴槍管內的圓柱形脫硅劑流束擴展為扁矩形流束。流束太分散，脫硅劑易被除塵系統抽走，太集中則會加劇擺動流嘴內襯侵蝕，本系統設計采用了帚掃形噴槍頭。

4 結論

設備改造前，脫硅噴吹設備生產運行連續性較差，設備故障頻繁且硅鋼鐵水的硅錳含量合格率較低，寶鋼4BF脫硅劑生產單耗22.17kg／t。經過重新設計實施后，設備穩定性得到提高，有效地減少了脫硅系統設備故障停機時間，經統計現脫硅劑生產單耗為20.30kg／t，節省了1.87 ／t，提高了經濟效益。

［1］耿敬濤，鄒昆昆，孔詳利.鐵水爐外脫硅技術的發展［J］.鋼鐵研究，2013，Vol.41（4）：58-61.

［2］金國范.鐵水脫硅技術的發展［J］.煉鐵，19 87（1）：88-92.

［3］衛計剛，張登山，楊志榮.爐前脫硅技術在太鋼4＃高爐的應用［J］.安徽工業大學學報，2005，Vol.22（4）.

［4］吳建洲，徐少兵.寶鋼4高爐設計采用的新技術及其特點［J］.寶鋼技術，2006（5）：35-39.

［5］周龍義，殷寶鐸，馬鳳茹.寶鋼3號高爐爐前脫硅與噴槍傳動設備設計改進［J］.冶金設備，2000（2）：21-24.

［6］成大先.機械設計手冊（第五版）［M］.化學工業出版社，2007.