轉爐傾動力矩在線實測法及分析

嚴 淑 蔡 煒

(中冶南方工程技術有限公司 湖北武漢430223)

轉爐傾動力矩在線實測法及分析

嚴 淑①蔡 煒

(中冶南方工程技術有限公司 湖北武漢430223)

針對轉爐傾動力矩的理論計算值和實際生產中的實際值存在較大差異這一現象，提出一種在線實測轉爐傾動力矩及其數據分析的方法，并通過與相應的理論計算值進行對比，發現實際測量值約為理論計算值的75%，這為今后研究優化轉爐傾動力矩的理論計算方法提供依據。

轉爐 傾動力矩 理論計算 在線實測 數據分析

1 前言

轉爐傾動裝置是轉爐煉鋼設備的核心設備之一，它的作用是驅動轉爐爐體±360°旋轉，完成兌鐵水、加廢鋼、取樣、出鋼和倒渣等冶煉操作要求，并使轉爐傾動平穩，停位準確。轉爐傾動力矩作為傾動裝置設計的重要基本參數一直受到高度關注，計算合理的最大傾動力矩值是使轉爐傾動裝置兼具可靠性和經濟性的前提。然而，筆者從多年的煉鋼設備設計研究工作中發現，傳統的傾動力矩理論計算值與實際生產中的轉爐傾動力矩有較大差異，由于傳統的傾動力矩的理論計算中涉及到轉爐爐型、耳軸位置、爐襯侵蝕、爐口粘渣等眾多因素影響，所以理論計算值與實際值存在一定差異是可能的。為了進一步驗證這一觀點并得到轉爐傾動力矩實際值與理論值的關系，筆者提出一種在線測量轉爐實際傾動力矩值的方法，并對實測數據進行擬合分析；與此同時，利用三維建模等手段對轉爐傾動力矩進行精確理論計算，由此得到轉爐最大傾動力矩實際值與理論計算值的比例關系。

2 常規測量轉爐傾動力矩的方法

1)測量傾動力矩的方法一般有平衡力法、能量轉換法和傳遞法三種，在轉爐傾動力矩測量中一般采用的是傳遞法，即貼片法。傳遞法的測量方法是將應變片直接粘貼在傳動軸的表面上，組成測量電橋，用應變儀測量由轉矩作用產生的剪應變或剪應力，推算出轉矩。這種方法的優點是直接測量傳動軸的扭轉變形，減少了由功率和轉速推算的間接影響因素。

2)傳遞法是目前測量轉爐傾動力矩采用最多的方法，其優越性不再贅述，然而該方法也存在如下不利因素：

(1)測量時需要停產，每臺轉爐停爐時間大約兩天(48h)；

(2)只能測量出空爐轉矩，無法測量帶鋼水的負荷轉矩；

(3)測量時需要安裝傳感器支架等設備；

(4)測量設備費用較高，含貼片、粘接劑等耗材費，檢測儀器設備折舊費、人工費等。

3)因此，為了適應在生產期間全爐役測量轉爐的傾動力矩，本文嘗試在不停爐狀態下通過生產過程中傾動電機變頻器記錄的電機輸出轉矩來估算出轉爐傾動力矩的大小。

3 在線實測法測量轉爐傾動力矩

3.1 測量方法原理

根據動力學公式，當轉爐自由運動，即沒有受到制動器約束時，將轉爐視為一個整體對象且忽略摩擦轉矩，其運行規律可以簡化為以下方程：

(1)

式中ω—轉爐轉速，可以通過電機軸上的編碼器測得的電機轉速經齒輪減速比算出；

TM—電機輸出力矩折算到傾動主軸的值，可以通過測得的電機輸出轉矩經齒輪減速比算出；

θ—轉爐傾角，可以通過角度編碼器測量得到；

m—轉爐總重量，包括轉爐自重和裝入的鐵(鋼)水重量，是未知量；

T(θ,m)—轉爐的合成力矩(包括空爐力矩、鋼液力矩)，與θ和m有關；

J(θ,m)—轉爐轉動慣量，與θ和m有關。

本測量方法的基本思想是根據公式(1)在已知TM和ω的條件下，估算出T(θ，m)和J(θ，m)的最優解，但問題的難點在于轉爐總重量m的不確定性，因為m本身不可測量，且每個爐次m的值也不相同，為了去除m的影響，考慮將一個爐次內的轉爐運行過程分為幾個階段，在一個階段內轉爐的總重量m不變或者總重量m的變化可以以θ的變化替代表示。若以m的變化為標準，本文將一個爐次內轉爐的運行過程劃分為以下幾個階段：

1)倒渣完畢后回零位然后至加料位階段：

傾動角度運行范圍：﹢90°～0°～+45°，這個階段轉爐無鋼液、無鋼渣，近似于空爐狀態，屬于最簡單的工況，對其分析過程可以指導后續復雜工況的分析。以下簡稱加料階段。

2)測溫取樣返回到打開出鋼口階段：

傾動角度運行范圍：+45°～0°～ -45°，這個階段轉爐重量無變化，而且爐內鋼水未出，是最大力矩可能出現的可能階段，該工況是在吹煉結束后，出鋼操作前。以下簡稱測溫取樣階段。

3)出鋼階段：

傾動角度運行范圍：-45°～ -115°這個階段鋼水逐漸流出轉爐，轉爐重量逐漸變小，鋼水出量近似與轉爐角度相關，因此可以將重量變化的影響折算到角度上考慮。這個過程操作點動頻繁，加速度和轉矩變化劇烈，是最復雜的過程。

4)倒渣階段：

傾動角度運行范圍：- 115°～ +90°，這個階段,轉爐中只有渣和少量殘液，整個階段轉爐質量無變化。

在上述每一個階段內T(θ，m)可以簡化為T(θ)，J(θ，m)可以簡化為J(θ)，如果在該階段內對電機轉矩、轉速等進行了N次采樣，根據公式(1)，N次采樣得到N個方程組成的方程組

…

(2)

T(θ),J(θ)的函數形式未知，但是根據泰勒定理，T(θ),J(θ)可以近似的由θ的冪級數多項式來表示。設：

(3)

(4)

式中ai,bi—待求的多項式系數；m1,m2—擬合階數，一般取5～7階。

將公式(3)、(4)帶入公式(2)得到：

……

(5)

(5)是關于ai,bi的線性方程組，一般的N>m1+m2，可以使用最小二乘法得到ai,bi的最優解，則可求得同一個爐次下不同階段的T(θ)表達式，再進一步的分析比較某一個階段在多個爐次的T(θ)的值，就可以找到轉矩隨爐位變化的一定規律，為轉爐傾動裝置的設計給出指導。

3.2 測量實例

以某鋼廠210t轉爐為研究對象對轉爐運行數據進行了采集和分析。通過轉爐PLC和傾動電機變頻器連續采集了該轉爐12個月的運行數據，包括轉爐傾動角度、傾動電機轉速、電機輸出力矩以及轉爐工作狀態(出鋼，吹煉)等。數據測量的采樣時間為0.1s，即0.1s就產生一次采樣測量結果，由于采樣結果數據樣本非常龐大，實際數據分析時將數據樣本以爐次為單位分割，只是隨機抽取多個爐次進行分析計算。

圖1是根據本文所述方法估算出的多個爐次出鋼和測溫取樣階段的T(θ)繪制的曲線，其中每一條曲線代表一個爐次的測量結果。由于這兩個階段都屬于轉爐滿載階段，特別是測溫取樣階段，所以將兩個階段的波形繪制在了一起。多條曲線反應出的宏觀趨勢是大致相同的，如轉矩最大位置在75°和-60°左右，最大合成轉矩值不超過2500kN·m。

圖2是根據本文所述方法估算出的多個爐次倒渣階段的T(θ)繪制的曲線，由于該階段爐內沒有鋼液，其相比上圖的帶鋼水時轉矩小了不少。

圖3是根據本文所述方法估算出的多個爐次加料階段的T(θ)繪制的曲線。由于每次轉爐內殘留物的不確定性，該階段不同爐次的轉矩曲線差異較大，整體趨勢規律不明顯。

圖1 出鋼和測溫取樣階段T(θ)曲線

圖2 倒渣階段T(θ)曲線

圖3 加料階段T(θ)曲線

綜上分析，雖然加料和倒渣階段的轉矩變化不規律，但這兩個階段的轉矩相對較小，工程設計中對這兩個階段的轉矩值并不太關心。對轉矩變化的重點分析和研究應放在測溫取樣和出鋼階段，而本文所述的轉矩測算方法較好的測算出該階段的轉矩大小，通過多個爐次的數據分析，我們可以得到轉矩變化的規律及變化范圍。

4 轉爐傾動力矩理論計算

針對上述實測鋼廠210t轉爐，運用Solidedge建模法計算該轉爐的傾動力矩理論值：

1)建立爐殼模型如圖4。

圖4 爐殼模型圖

由模型可得到爐殼重量222t，爐殼重心高度4239mm。

2)建立爐襯模型如圖5。

圖5 爐襯模型圖

由模型可得到爐襯重量505t，爐襯重心高度3266mm。

3)計算合成空爐重量及重心高度

合成后得到空轉爐重量727t，合成重心高度3563.12mm。

4)建立液態鋼水模型，建模基礎如下：

出鋼量210t

鐵水裝入量1.13×210=238t

爐渣重量約合26t

液體體積(238+26)/6.85=38.54m3

模型坐標原點為耳軸處，按轉爐每旋轉5°分別對液態鋼水從0°位置旋轉到115°的位置建立鋼水模型如圖6。

圖6 鋼水模型圖

由模型得到鋼水重心坐標如表1。

表1 鋼水重心表

續表1

注：體積誤差<1%

5)將上述建模得到的重心導入EXCEL進行合成見表2。

表2 合成力矩表

6)利用EXCEL將上表合成力矩數據轉化為合成力矩曲線(未考慮摩擦)如下圖7。

圖7 合成力矩曲線

5 結語

通過上述針對某鋼廠210t轉爐實測法和理論計算法得到的轉爐最大傾動力矩值比較發現，實測法得到的轉爐最大傾動力矩值約為理論計算的75%，這將為下一階段研究優化轉爐傾動力矩的理論計算方法提供依據。同時本文提出的轉爐傾動力矩在線實測法與傳統的貼片法相比，具有明顯的優勢：

1)無需增加安裝測量設備，僅利用工廠現有的生產設備即能完成測量工作，投資省，操作方便。

2)可以連續不斷的采集轉爐力矩、轉速、角度值，這樣有利于獲得全爐役的數據資料。

3)所有數據都在正常生產工況下采集，而非實驗數據，這樣數據更接近實際過程，更具有研究價值。

[1]成大先.機械設計手冊[M].第五版.北京：化學工業出版社,2007.

[2]譚牧田.氧氣轉爐煉鋼設備[M].北京：機械工業出版社,1983.

[3]王巖等.扭矩測量方法現狀及發展趨勢[J].林業機械與木工設備,2010(12).

Online Measurement Method and Analysis of Converter Tilting Torque

Yan Shu Cai Wei

(WISDRI Engineering & Research Incorporation Limited, Wuhan 430223)

In this paper, there is a big difference for converter tilting torque of theoretical calculation and actual values, presented a method for online measurement method to the converter tilting torque and data analysis. At the same time, carried out the corresponding theoretical calculations. On this basis, by comparing the actual value with the theoretical value found that the former is about 75% of the latter. This will provide a basis for optimizing the theoretical calculation method of converter tilting torque.

Converter Tilting torque Theoretical calculation Online Measurement Data analysis

嚴淑，女，1977年出生，畢業于武漢科技大學機械工程及自動化專業，學士，高級工程師，從事機械設備設計研究及創新方法推廣

TF748.2

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.04.008

2015—03—16)