鐵水KR脫硫鋼平臺設計要點

周循

摘要：鐵水KR法脫硫的基本原理是利用十字形攪拌頭的旋轉，帶動鋼包內鐵水轉動，同時加入脫硫劑，置換出鐵水中的硫元素，通過扒渣機將脫硫渣扒出。由于脫硫鋼平臺面積較小，且多為單跨結構、側向剛度小，攪拌器旋轉過程中產生的周期擾力以及扒渣機的沖擊會造成鋼平臺的豎向振動和水平晃動。文章對鐵水KR脫硫鋼平臺設計要點進行了分析。

關鍵詞：鐵水KR法脫硫；脫硫鋼平臺；豎向振動；水平晃動；設計要點；攪拌器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TF702 文章編號：1009-2374（2017）07-0033-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.015

1 概述

當前世界上主流的煉鐵工藝是高爐煉鐵，而高爐鐵水通常含硫量都比較高，較高的含硫量會對后期的連鑄和軋制過程造成不利影響，降低成材的品質，因此國內近些年新建煉鋼廠中基本上都設有鐵水脫硫站。

脫硫站鋼平臺普遍都是面積小、層數多、不規則、剛度差，不僅承受較大的設備荷載，同時還需抵抗強烈的設備沖擊作用和攪拌器的周期擾力作用。近年來，隨著鐵水罐體容積的不斷增加、設備質量的不斷加大，脫硫站在生產過程中出現振動、晃動甚至局部破壞的事故時有發生。本文將結合工程實踐，簡要介紹鐵水脫硫站的生產工藝，描述和提煉平臺基本特征，總結出KR脫硫鋼平臺結構設計要點。

2 鐵水脫硫工藝簡介

鐵水脫硫的一般方法是向鐵水中加入活性較強的脫硫劑（一般是鈣或鎂的化合物），通過鐵水與脫硫劑間的化學反應，將鐵水中的硫元素置換出來，形成脫硫渣，最后將渣扒出。而在加入脫硫劑過程中，為使二者充分接觸并快速起反應，需要外加動力使鐵水形成漩渦或對流。根據脫硫劑和鐵水對流方式的不同，鐵水脫硫工藝方法可分為兩種，分別為噴吹法和KR機械攪拌法。

噴吹法：利用插入容器中鐵水深處的噴槍，通過噴吹通道由高壓氮氣將脫硫粉劑大流量噴入溫度大于1250℃的鐵水中，并在噴槍噴口的噴射流場組織作用下，實現脫硫劑與鐵水的分散混合與接觸反應。

KR機械攪拌法：通過插入鐵水中攪拌器的旋轉，將加入到鐵水液面上的脫硫劑卷入鐵水中，并通過脫硫劑與鐵水的循環混合與接觸反應，達到鐵水脫硫的目的。本文僅研究KR機械攪拌法結構平臺。

3 KR脫硫鋼平臺基本特征

單套KR脫硫平臺橫向一般為單跨、兩列柱，跨度不小于10m；縱向一般3～5個柱距，單層面積一般不超過350m2。

平臺一般分為5層：

首層為扒渣平臺，主要功能是扒渣作業，扒渣機及操作室置于該層平臺。該層一般不完整，鐵水罐車開行范圍內均不能布置梁板。

第二層為脫硫主平臺，主要設備有攪拌器更換小車、液壓翻板、升降溜槽、除塵管道等，該層一般較完整。

第三層為攪拌器更換平臺，主要設備有電動翻板、稱量斗等。本層平臺須在電葫蘆吊運范圍內流出空當，故本層平臺一般都不完整，缺口較大。

第四層為電葫蘆檢修平臺，與第三層類似，平臺須留出電葫蘆吊運通道。

第五層為提升裝置平臺，主要設備是攪拌器提升裝置。為了緊湊布置，脫硫劑料倉一般置于該層平臺。攪拌器吊運電葫蘆置于該層平臺下部。

此外，攪拌器升降機構通過四根豎向導軌與各層平臺連接，升降機構升降到位后，通過水平液壓頂緊裝置固定于四根導軌上。

綜合來看，KR脫硫鋼平臺具有以下基本特征：（1）平臺面積小且平面不規則。平臺為橫向單跨結構，面積小，抗扭剛度差。僅脫硫主平臺一層為完整平臺，其他各層均殘缺不全；（2）橫向不能設完整支撐、橫向剛度差。由于傾翻車及渣罐車沿著縱向從平臺中間穿過，故平臺橫向均不能設支撐，只能設計成框架，依靠梁柱剛節點提供剛度；（3）設備運行動荷載大。攪拌器在鐵水灌中快速旋轉，形成渦流，為脫硫劑與鐵水的充分接觸反應提供動力，因此會產生較大的反向扭矩作用于平臺結構上。此外，旋轉結構（攪拌器及電機轉軸、轉子）由于安裝偏差或攪拌頭不對稱磨損等原因引起的質量偏心，旋轉過程中會產生較大扭矩和徑向擾力。扒渣機工作時，扒渣頭經常撞擊鐵水罐，反作用于扒渣平臺上的豎向沖擊荷載也非常大。

4 設計要點

針對KR脫硫鋼平臺空間不規則、橫向剛度差、設備運行荷載大等主要特點，設計者應采取相應的措施進行應對。鋼平臺設計過程可以分為三個階段，即概念及體系設計、靜力計算、動力分析。

4.1 概念及體系設計階段

在滿足工藝要求的前提下，盡量增加平臺薄弱部的剛度。平臺整體扭轉剛度應大于平動剛度，x、y兩個方向的平動剛度宜相近。由于KR脫硫平臺一般橫向（垂直于渣罐車開行方向）不能設支撐，只能采用多層框架，因此橫向剛度一般遠小于縱向剛度。設計過程中可從以下方面采取措施，增加橫向剛度：

4.1.1 采用插入式剛接柱腳。

4.1.2 梁柱連接采用剛接節點，跨度較大時，采取加腋或增設隅撐。

4.1.3 合理控制水平力作用下柱反彎點的位置。

下面通過對比排架、完全框架、一般框架三種結構體系，說明梁柱線剛度比∑ib/∑ic對側向剛度的影響（圖1）。

排架結構柱頂位移：△1=h3/（3EIb）

完全框架柱頂位移：△2=h3/（12EIb）=△1/4

一般框架柱頂位移：△2<△3<△1

可以看出，柱子反彎點位于柱子正中部時，結構側向剛度最大，此時梁柱線剛度比∑ib/∑ic>10。反之，∑ib/∑ic值越小，反彎點越靠近支座，結構側向剛度越小。在實際工程中，一般控制∑ib/∑ic>3，即可保證反彎點位于柱中部1/3范圍內。

簡單的加大框架梁截面以獲得較大的梁柱線剛度比，往往是不經濟的，為了使框架梁的剛度和承載力都能得到充分利用，在布置平臺次梁時，應盡量使次梁長度方向垂直于框架方向，如圖2方案二所示。

4.1.4 在工藝允許的條件下，增加框架中梁的層數和柱子的列數，可以有效提高框架側向剛度，如圖3所示。

4.2 靜力計算階段

主要工作是計算平臺構件在設備運行荷載、檢修荷載、積灰荷載、風載等單獨作用或組合作用下的應力、穩定、撓度、疲勞。此時應注意，設備動荷載或沖擊荷載應考慮動力系數。

4.3 動力分析階段

主要任務是分析平臺結構在周期動載作用下的動力反應，包括水平向和豎向。須采用SAP、ANSYS等軟件進行整體建模分析。

水平向的周期動載來源于攪拌器的旋轉，攪拌器正常工作轉速為80～120r/min，即周期0.5～0.8s，屬于低頻動載，動力反應以位移控制為主。縱觀多個項目的建模分析結果，脫硫鋼平臺的第一階平動及扭轉周期基本都在0.3～0.8s范圍內，與攪拌頭工作時的擾力周期范圍非常接近，因此極易引起共振效應。分析結果若顯示二者周期相近、振幅位移超限，則應重新調整平臺結構布置方式及構件截面，從而改變結構自振周期，避開共振區間。豎向的周期動載主要來源于液壓傳動脈沖引起的扒渣機晃動，周期為0.5～1.0s，同樣是振幅或位移控制。豎向振動分析僅針對扒渣機底座下部支承平臺梁，平臺梁的周期或基頻計算可參照《公路橋涵設計通用規范》中的公式。

為了避免平臺梁產生較大豎向振動，設計時應合理選取梁截面，使其基頻避開設備沖擊荷載的頻率。

5 結論及展望

作為一種鋼鐵冶煉重型設備平臺，脫硫鋼平臺結構設計過程中須面對工藝復雜、設備笨重、工況復雜、沖擊荷載大等各種不利因素，設計者除了需要熟悉生產工藝和設備工況外，重點是要采取有效措施提高平臺重點部位和薄弱部位的剛度、控制結構的自振周期從而避免發生強共振。設計過程中，概念和體系設計是至關重要的，平臺結構的承載效率、經濟性和合理性基本上都取決于此；靜力計算是所有結構設計工作都必不可少的，此階段千萬不能忽視動載設備的沖擊系數；為了避免平臺在周期動載作用下發生劇烈振動或晃動，動力分析在脫硫鋼平臺設計過程中是不可或缺的。

參考文獻

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（責任編輯：黃銀芳）