120 t頂側復吹技術AOD轉爐耳軸故障分析

張 巍，張益平

（甘肅鋼鐵職業技術學院 ,甘肅嘉峪關 735100）

120 t頂側復吹技術AOD轉爐耳軸故障分析

張 巍，張益平

（甘肅鋼鐵職業技術學院 ,甘肅嘉峪關 735100）

120t頂側復吹技術AOD轉爐系統在冶煉中耳軸出現裂紋，分析耳軸裂紋形成機理、耳軸材料金相組織、耳軸靜態載荷校核、耳軸扭轉振動疲勞，確定耳軸出現裂紋的主要原因是轉爐結構設計不合理，耳軸剛度低及緩沖效果差等系統缺陷。

AOD轉爐；耳軸裂紋；形成機理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.51

0 概述

由德國SMS-Demag設計，國內合作制造的AOD（Argon Oxygen Decarburization Furnace）氬氧精煉轉爐，在冶煉中發現HMI（Human Machine Interface，人機界面）畫面傾動電機無法選擇。經檢查發現，傾動角度編碼器、1#抱閘電液缸電纜管受擠壓變形，管口電纜斷芯，導致通訊中斷。排查過程中發現，傾動減速機在搖爐過程中東西方向扭動較大，且有下沉跡象，最終確定托圈驅動側耳軸斷裂。經過現場分析、理論計算以及儀器分析得出耳軸斷裂的主要原因是轉爐結構設計不合理、耳軸尺寸整體剛度低、緩沖器裝置效果差，同時轉爐耳軸斷裂處外裝不能直接拆卸的定位套，影響日常實施著色及超聲探傷，起不到對耳軸內部的監測作用。

1 120 t頂側復吹技術AOD轉爐結構

120 t AOD轉爐采用頂側復吹技術，爐體傾動裝置全懸掛結構，爐體安放在O形托圈中，托圈裝在一臺運輸車上，轉爐全部重量通過軸承座作用于車體，緩沖器安裝在車體上，車體僅僅壓靠在4個支撐塊上，沒有任何固定連接，完全處于浮動狀態，轉爐托圈和車體都固定在固定座支撐塊上。轉爐托圈設計為焊接的封閉箱形,驅動側與傾動系統相連,通過耳軸軸承座安裝在爐體運輸車上。托圈的結構設計不對爐體的膨脹產生阻礙,耳軸承擔著支承和傾動爐體的雙重任務。托圈平面的位置高于爐體內鋼液水平面，當爐子傾動機構發生故障時，爐體受鋼液重力矩的作用，會自動轉回垂直位置，為了保證安全，托圈上的耳軸放置在兩側支撐架上軸承內。

2 耳軸裂紋形成機理

為分析耳軸出現裂紋的原因，對耳軸及軸承座與減速機之間的定位套（切割破壞性拆除）進行拆除，拆除后發現耳軸上有明顯的斜斷裂型裂紋，裂紋一端深入減速機側，另一端深入耳軸軸承座內部，見圖1。

2.1 裂紋斷口分析

從AOD轉爐耳軸斷面裂紋可以看出，裂紋起源于靠近傾動減速機側（圖2），初始裂紋變化沒有規律，后在交變振動扭矩的作用下沿著直徑 620 mm 的軸下上45°方向擴展，直到剖分軸承側（圖3）貫通斷裂。裂紋形態符合標準扭轉切斷疲勞的特點：斷裂表面與軸向成 45°角，即沿最大正應力作用的平面發生的斷裂。單向脈動扭轉時為螺旋狀，雙向扭轉時斷裂面呈星狀，應力集中較大的呈鋸齒狀。

圖1 耳軸裂紋

圖2 靠近傾動減速機側裂紋

圖3 靠近剖分軸承側裂紋

圖4 剖分軸承軸面裂紋

圖5 裂紋源頭氧化鋁類夾雜

圖6 剖分軸承軸面硅酸鹽類夾雜

2.2 耳軸材料金相分析

為了檢驗材料是否存在缺陷，從裂紋源頭（圖 2）和安裝剖分軸承軸面（圖4）取2個試樣進行金相分析。

從金相組織可以看出裂紋源頭存在氧化鋁類夾雜，長度達到291 μm。剖分軸承軸面存在硅酸鹽類夾雜，長度152.9 μm，裂紋源頭的夾雜缺陷大于其他部位（圖 5、圖6）。相關資料顯示金屬的疲勞失效對材料的缺陷具有敏感的特點，因為疲勞斷裂總是起源于微裂紋處。這些材料本身的冶金缺陷可以導致微裂紋的產生。

2.3 AOD轉爐耳軸靜態載荷校核

AOD轉爐安裝軸承部位軸的外徑670 mm，內徑300 mm。在穩加載荷情況下，耳軸等傳動系統彈性元件所受的力矩與所加載的靜力矩相等，只有在啟動和制動條件下，動態力矩會大于靜態力矩，不會超過設計扭矩1200 kN·m，用第三強度理論和設計扭矩1200 kN·m 校核耳軸在直徑截面620 mm（扭斷部位）的合成應力為59.7 MPa，低于耳軸材料18MnMoNb的屈服強度400 MPa（參見《機械設計手冊》）。

2.4 耳軸扭轉振動疲勞分析

根據疲勞理論，疲勞斷裂按總周次的大小（N）可分為高周疲勞（N＞105）和低周疲勞（N＜104）。一般轉爐設計按照傾動疲勞次數計算轉爐的使用壽命，相關文獻介紹疲勞次數＞106，應該屬于高周疲勞，按該次數計算，轉爐耳軸至少應該使用40 a以上。但實際扭轉力矩次數自投產以來，耳軸所受扭轉力矩次數達2.23×105次。數據統計：每爐平均倒爐5次，耳軸受扭轉力矩交變5次，每爐耳軸受扭轉力矩交變次數5次，每天平均冶煉爐數15爐，每年330 d，轉爐投產年數9 a，通過計算得出，耳軸雖未達到使用上限卻斷裂的主要原因，是振動疲勞周次已經達到2.0×108次，屬于高周疲勞次數。分析10爐轉爐振動的測量結果（每爐測量5次），共50個數據。水平方向（緩沖器方向）的主要振動頻率為7.5 Hz。其中振動幅值＞5 mm/s的有24個數據，占50個樣本數的48%。意味著每一爐大約有2個測量數據＞5 mm/s，也就是說在冶煉后期的階段振動＞5 mm/s。取平均冶煉時間10 min以及每天平均冶煉15爐為例計算該轉爐自投產以來水平方向上7.5 Hz主要頻率下的振動沖擊次數，測量傾動時振動幅值最大達到2 mm/s,而在計算振動疲勞周次時，選用在冶煉后期階段振動＞5 mm/s的主振頻率7.5 Hz進行計算。每天平均冶煉爐數15爐、每年天數330 d、轉爐投產年數9 a,最終確定轉爐從投產之初就發現振動大，緩沖器沒有起到減振作用，從耳軸斷口和振動分析，可以確定斷裂原因是扭轉振動疲勞所致。

3 結論

（1）從金相組織可以看出，耳軸材料內部有 2～3級金屬夾渣物，裂紋源頭的缺陷大于其他部位。這些缺陷雖不會導致耳軸出現脆斷，但在受到外界往復交變載荷（振動），這些缺陷會逐漸發展形成微裂紋，因為組織的不均勻性，如非金屬夾雜物、疏松、偏析等缺陷均使疲勞抗力降低而成為疲勞裂紋形成的重要原因。

（2）該微裂紋作為疲勞源在扭轉振動載荷的作用下會按一定半徑進行發展。

（3）當耳軸裂紋發展到 200 mm 后，在扭轉力矩作用下裂紋沿著與軸向成 45°角（最大正應力作用的平面）的方向加速擴展，直到斷裂。

（4）由于緩沖器沒有把冶煉過程中產生的、作用在耳軸上的振動能量進行有效吸收，導致耳軸頻繁受到交變振動載荷作用，雖然傾動疲勞周次低于設計次數，但振動導致的疲勞次數卻已經達到了高周疲勞程度，導致耳軸疲勞斷裂。

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TG232.2

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〔編輯 李 波〕