轉爐軸承支座受損分析與修復

周賤生 漆良明 鄧志宏

（新余鋼鐵集團有限公司 江西新余 338001）

1 引言

新余鋼鐵集團有限公司第一煉鋼廠2＃轉爐由于發生爆炸事故后，轉爐軸承座局部遭受嚴重損壞，為早日恢復生產，必須盡快了解設備損壞情況，制定簡單、可行、可靠的修復方案。

2 轉爐設備損壞情況

由于2＃轉爐發生爆炸使托圈非傳動側耳軸在水平面上偏離其軸線約80mm，造成轉爐非傳動側軸承支座破壞，軸承支座往爐后下方明顯傾斜。軸承支座左側鉸座銷軸剪斷，飛射出撞至臨近混凝土柱（見圖1）。軸承支座右端鉸座破壞錯位（見圖2），且鉸座外側局部崩裂。

圖1 左鉸座銷軸剪斷撞射水泥柱

圖2 右端鉸座破壞錯位

3 轉爐設備損壞修復方案及核算

圖3轉爐總裝圖中右側即為嚴重受損的非傳動側軸承座。

3.1 轉爐修復方案

轉爐設備可視損壞主要位于非傳動側軸承支座下部的鉸支座，因此必須先修復鉸座，使托圈與耳軸恢復至原始安裝狀態，進而搖爐以便檢查、調整其它設備。由圖3看出，傳動側耳軸軸承是調心滾子軸承，最大允許偏心角度為1.5°。故可將非傳動側軸承座頂升至合適高度，在線更換修復損壞的鉸座，然后在水平方向施加推力使轉爐整體包括托圈、非傳動側軸承座恢復原始位置。其過程簡化為圖4模型，使轉爐爐體、托圈以及非傳動側軸承座以傳動側軸承座為支點（圖中O1點）向上偏轉一定角度，修復完鉸座后，再沿垂直紙面方向偏轉一定角度復位。

圖3 轉爐總裝圖

3.2 轉爐修復方案核算

圖4 轉爐受力分析示意圖

3.2.1 非傳動側軸承支座強度核算

此時轉爐自重約580t，其中包括爐體設備180t、耐材340t、爐內渣和殘鋼60t；托圈自重為256t。轉爐受力簡化為圖4所示，F1為傳動側軸承座支撐力，F2為非傳動側軸承座支撐力，G1為爐體及托圈總重，G2為傾動裝置重量。

根據轉爐系統力學平衡條件［1］，以轉爐中心O點為力矩平衡點，可得如下力學方程

式（1）中，爐體和托圈自重G1＝580t＋256t＝836t；傾動裝置自重G2＝114.8t，代入（1）式得

即傳動側軸承支座支撐力為557.75t，非傳動側軸承支座支撐力為393.05t，因此非傳動側軸承支座頂升力必須大于393.05t。

為保證非傳動側軸承支座頂升時的穩定，擬對稱布置2個千斤頂位于非傳動側軸承支座底部，兩千斤頂相距500mm，單個千斤頂最大頂升能力500t。

核算2個500t千斤頂同時頂升時，須先核算非傳動側軸承支座的機械強度，以保證頂升時不損壞支座。已求出非傳動側軸承支座支撐力為393.05t，有限元計算時載荷取400t，均布作用在軸承支座上表面。

按非傳動側軸承支座圖簡化，建立軸承支座三維計算模型［1］。兩個千斤頂直接作用在軸承支座下表面，假定千斤頂與支座接觸面為Ф400mm圓，千斤頂中心到軸承支座中心線距離為500mm，計算時在接觸面施加固定約束，如圖5所示。

圖5 支座有限元計算模型

計算結果如圖6，最大應力約為86MPa，出現在千斤頂與支座接觸面邊緣。軸承支座底板材料為Q235B，厚度為100mm，其屈服極限為205MPa，則軸承支座的安全系數n＝20 5／86＝2.38。由計算結果知，軸承支座強度足夠，符合安全要求。

圖6 頂升時軸承支座應力分布

3.2.2 土建結構強度核算

頂升時千斤頂下部作用于土建基礎平臺上，千斤頂位置距離基礎邊緣超過500mm且作用點不懸空，經核算＋5.990m基礎平臺能提供足夠支撐力。

軸承支座水平方向平推矯正需借助爐后混凝土柱提供千斤頂支撐，該混凝土柱下端固定、上端自由，柱子截面尺寸為600×800mm，以截面剪力校核柱子強度，經計算柱子可以承受最大46.2t的水平推力。因為柱子上端是平臺，平臺可以將力傳遞到其他柱子，則柱子可承受的水平力可提高約35%左右，即62.37t。

根據文獻［2］鋼-鋼滑動摩擦系數為0.1，靜摩擦系數為0.15，故爐前爐后水平矯正推力啟動時所需克服的水平阻力為：

滑動過程中所需克服的水平阻力為：其中非傳動側軸承支座水平移動矯正的靜摩擦力為（3）式中的589.6kN，小于混凝土柱能承受的最大水平力。因此擬在非傳動側軸承支座下部，鋪設滑軌方鋼方案可行，而無需采用滾動摩擦工裝平推復位。同時，為減小摩擦阻力，平推時在滑軌表面涂抹潤滑脂。

3.3 頂升及修復過程中的相關設備分析

轉爐耳軸調心滾子軸承最大偏心角度為1.5°，兩軸承座之間跨距為10130mm，計算出非傳動側剖分上鉸座最大可頂升262.7mm，見圖7。而剖分鉸座銷軸軸向定位擋板直徑為Φ244mm，頂升高度只需大于銷軸軸向定位擋板半徑R122mm就能裝拆銷軸，即偏心角度為0.75°時，上鉸座可頂升131mm，可滿足銷軸裝拆及剖分鉸座的修復操作所需空間。

圖7 托圈中心線偏轉角度為1.5°時鉸座上升距離

頂升非傳動側軸承支座時，傾動裝置將下沉。由傾動裝置與扭力桿幾何關系知，傳動側軸承座中心相對傾動裝置偏轉1°，扭力桿裝置的連桿偏轉1.7°，曲柄偏轉4°。而扭力桿關節軸承的允許偏轉角為8°，可見非傳動側軸承支座頂升不會影響扭力桿裝置。

頂升非傳動側軸承支座時，傳動側軸承座的密封軸套將與端蓋上、下二處干涉，如圖8所示。因此，頂升前需先拆除傳動側軸承座二端端蓋。

3.4 核算結論

以上核算數據及相關設備分析表明，用千斤頂頂升非傳動側軸承支座一定高度，進而修復軸承支座鉸座，最后平推復位的方案理論上可行。

圖8 頂升時傳動側軸承座相干涉部位

4 修復方案實施

實際修復時共采用6個千斤頂，見圖9修復工裝布置圖。2個500t千斤頂位于非傳動側軸承支座下部，另外4個200t千斤頂分別水平布置，位于軸承支座的東、西、北三個位置，在軸承支座頂升時使轉爐保持穩定，同時還起水平推動軸承支座移動復位作用。在非傳動側軸承支座＋5.990m標高設備底板（厚度50mm）上，鋪設4層60mm厚的1200×1300mm鋼板，2個500t千斤頂放置在這4層厚板上，一方面頂升時防止設備底板變形，另一方面擴大支撐面積，降低頂升軸承支座時作用于土建基礎的壓強。

圖9 實施修復工裝布置圖

在2個500t千斤頂的兩旁設置有箱型結構的支撐立柱，立柱頂部南北方向分別安放墊塊和兩根170×170mm的方鋼，起軸承座水平移位支撐導軌作用。方鋼頂部打磨光滑并涂敷潤滑脂，同樣打磨光滑的軸承支座底板，通過2個500t千斤頂頂升200mm高度后，緩慢放置在兩根方鋼頂面上，然后開始在線分別修復左、右剖分鉸座，修復后裝入新加工的鉸座銷軸，微調北側千斤頂，使剖分鉸座吻合，隨即用東側（爐后）千斤頂水平推動軸承座，使上下鉸座端部對齊，隨后再次頂升軸承支座，拆去箱型立柱后，緩慢下降軸承支座，最后組裝二端鉸座銷軸蓋，至此非傳動側軸承支座鉸座修復工作完成。

圖10 左、右鉸座修復及復位后照片

轉爐非傳動側軸承支座剖分鉸座修復從方案制定、工裝準備、修復實施到最后完成共用時4天，并在拆除腳手架和臨時支撐架后，初步檢查托圈擋座、傾動制動器等設備均正常后開始試搖爐投入生產。2＃轉爐修復后投入正常生產至今，轉爐設備符合安全規范，運行平穩，能滿足生產要求。

5 結束語

簡介了轉爐因事故造成的設備損壞情況，擬定修復方案并進行相關分析、計算驗證，通過實踐證明修復方案可行、有效，對冶金行業轉爐設備設計及事故后設備修復有參考和借鑒意義。

［1］（美）Solidworks公司.Solidworks Simulation高級教程（2009版）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2007.