KR法鐵水脫硫攪拌裝置軸承故障分析及改進對策

龍劍群，鄭同六，曾偉業，張宇軒，陳賢波

0 引言

KR(Kambara Reactor)法[1]，又稱為旋轉攪拌脫硫法，是將表面澆注有耐火材料的攪拌槳浸入鐵水中旋轉，將脫硫劑(CaO、CaC2、Mg等)與鐵水攪拌混合的鐵水脫硫技術，如圖1所示，其化學反應式為：

圖1 KR法鐵水脫硫實例Fig.1 The KR method of liquid iron desulfurization

鐵水經過脫硫再進入轉爐冶煉的工序稱為鐵水預處理，它能有效降低轉爐煉鋼生產負荷，對于降低鋼渣含量、提高鋼水質量、提升生產效率、降低生產成本等方面意義匪淺。其工藝流程：混鐵車鐵水→倒罐站→鐵水罐→鐵水罐傾翻車→脫硫前扒渣→測溫/取樣→攪拌脫硫→測溫/取樣→脫硫后扒渣→兌入轉爐。

自寶鋼湛江東山鋼鐵基地2#BF投產以來，鐵水預處理工序生產節奏陡然加快，三工位KR脫硫攪拌設備滿負荷運轉，攪拌裝置接連發生多次軸承故障，KR設備停機對轉爐生產節奏和產品質量造成嚴重影響，經濟損失巨大。該現象暴露出KR法鐵水脫硫攪拌裝置現有技術性能、設備維護水平達到瓶頸，對該裝置軸承故障原因與改進措施的研究迫在眉睫。

1 結構原理

1.1 KR脫硫攪拌裝置

KR脫硫攪拌裝置主要由旋轉攪拌裝置和卷揚裝置組成。旋轉攪拌裝置整體安裝在升降小車上，由卷揚裝置驅動，在固定框架和導軌內上下升降、旋轉攪拌，主要由電機、減速機、軸、上部軸承、下部軸承、套筒、攪拌槳及其他部件組成，脫硫攪拌裝置結構如圖2所示。

圖2 KR攪拌裝置Fig.2 The stirring apparatus for the KR

1.2 旋轉攪拌裝置軸承

旋轉攪拌裝置軸上設計安裝了上部和下部兩組軸承，如圖3所示。其中，上部軸承如圖3中A所示，采用成對安裝的雙列圓錐滾子軸承，主要承受攪拌槳傳遞而來以軸向載荷為主的軸向和徑向聯合載荷[2]，用于固定整個驅動軸及軸上零件；下部軸承如圖3中B所示，采用調心球面滾子軸承，主要承受攪拌槳傳遞而來以徑向載荷為主的徑向和軸向聯合載荷，調心性能良好，用于減輕攪拌槳熔損、結渣后離心慣性力對裝置的振動[3]。

2 故障分析

2.1 故障經過

圖3 旋轉攪拌裝置軸承剖面圖Fig.2 The profiles of stirring apparatus bearings

2017年上半年，KR攪拌裝置接連發生兩起停機故障，組織檢修人員對裝置進行拆檢過程中，發現攪拌裝置下部軸承嚴重損壞，經清理、更換軸承后恢復使用。

2.2 原因分析

為了分析KR法鐵水脫硫攪拌裝置軸承故障原因，分別對下部軸承外部工況勘察、軸承內部狀態檢查以及其他影響因素分析，下部軸承剖面結構及潤滑路徑如圖4所示。

（1）軸承外部工況勘察

①粉塵工況。KR脫硫攪拌時，脫硫粉劑與氧化鐵皮等揚塵通過除塵系統捕集，由于吸塵口位置固定，仍有部分粉塵彌漫在環境中，隨著旋轉攪拌裝置下部軸承塵封11和油封10與軸接觸摩擦，一旦密封件老化失效，軸承內的潤滑脂將沿密封間隙流失，造成軸承潤滑不良，灰塵易反向竄入軸承5內部而加劇軸承磨損，粉塵工況還對區域內其他設備及生產人員的職業健康造成潛在危害。

②高溫工況。下部軸承工作時套筒6外部常受鐵水烘烤因而處于高溫工況，為掌握其實際受熱狀態，使用Fluke Ti 200紅外熱像儀分別在待機與工作兩個狀態下進行熱成像，測量統計3組數據，下部軸承套筒及攪拌槳法蘭部位溫度場[4]如圖5所示，統計數據見表1。

從檢測結果看，攪拌裝置待機時，下部軸承外部套筒外表平均溫度106.2℃；工作狀態下，套筒外表平均溫度282.2℃。下部軸承與套筒之間的軸承座2內設有空氣冷卻管路，用以隔離和降低外部熱傳遞，達到保護軸承的作用。因而，高溫工況下軸承內部冷卻及潤滑須可靠有效[5-6]，否則將對軸承使用壽命造成嚴重影響。

圖4 下部軸承潤滑路徑（改進前）Fig.4 The lubrication path of lower side bearing before improvement

表1 下部軸承套筒外表溫度Tab.1 Surface temperature outside the lower side bearing’s sleeve℃

③振動工況。從KR設備實際使用狀態來看，KR攪拌過程中鋼結構發生輕微振動，振動對KR設備帶來潛在隱患，表明了KR攪拌工位框架設計結構剛度不足，吳雪兵等在文獻[7]中對KR攪拌過程中攪拌槳離心力等導致的振動問題進行了分析。

（2）軸承內部狀態檢查

通過排查下部軸承潤滑路徑，該軸承采用“下進上出”的脂潤滑方式，潤滑脂通過補脂孔1進入軸承座2下部，不斷上升后通過軸承3內部間隙，最終從排脂孔7注滿排出。

經現場拆檢，發現下部軸承潤滑不良，緊定套4與軸發生刮擦，一個滾動體在輥道內異常旋轉約90°，另一個滾動體嚴重磨損并已全部剝落，軸承解體檢查情況如圖6所示。

在對潤滑管路現場檢查過程中，發現軸承排脂孔7嚴重堵塞，油封10和塵封11均已損壞。

圖5 攪拌裝置下部軸承外部溫度場Fig.5 The temperature field outside the lower side bearing of stirring apparatus

2.3 分析結論

綜上分析，造成KR脫硫攪拌裝置軸承故障軸承故障原因如下：

（1）軸承內部潤滑不良。因軸承座排脂孔發生嚴重堵塞，在向軸承內部補充潤滑脂的過程中，內部正壓力造成油脂無法進入軸承內部，或從密封件處流失，造成軸承潤滑不良，由于下部軸承外部高溫工況，潤滑不良的軸承在工作中發生異常摩擦和溫升[8]，引起油封損壞，加速了潤滑脂泄漏，加劇了軸承失效。

圖6 攪拌裝置軸承解體檢查Fig.6 Strip inspection for bearing of stirring apparatus

（2）潤滑路徑設計缺陷。軸承座補脂孔位置設計在軸承下部，并未按照軸承設計油孔從中間補充油脂，粉塵工況下排脂孔管路堵塞，對軸承內部潤滑造成嚴重威脅。

3 改進對策

3.1 對策措施

根據上述分析的故障原因，提出對策措施進行改進。

（1）優化軸承潤滑路徑。對原有補脂孔移位，改為從軸承寬度方向中心徑向進油，通過軸承設計油孔將潤滑脂帶入軸承滾動體、保持架及內外圈輥道，提升潤滑效果，如圖7所示。

圖7 下部軸承潤滑路徑（改進后）Fig.7 The lubrication path of lower side bearing after improvement

（2）增加自動潤滑裝置。為了避免因軸承密封件老化失效或軸振動導致潤滑脂從密封處泄漏，將原有人工周期補油脂的潤滑方式改進為采購自動潤滑裝置周期補油脂，同時提高加油頻率，提升軸承潤滑效果。

（3）加強環境除塵改善。新增負壓吸塵裝置，改善生產灰塵彌漫對設備和人員帶來的安全隱患，進一步改善KR區域環境。

（4）提高設備結構剛度。對KR工位進行振動監測，根據監測結果有針對性地組織檢修方緊固螺栓、加固結構，提高KR設備結構剛度。

（5）加強設備日常管理。通過定期點檢確認軸承等關鍵部位潤滑情況，確保補排脂管路暢通，提高軸承使用壽命。

3.2 改進效果

自2016年2號高爐投產以來，KR區域設備滿負荷運轉，KR攪拌裝置軸承故障率居高不下，自2017年起對KR攪拌裝置軸承潤滑路徑等改進措施陸續實施以后，KR設備狀態明顯提升，KR設備停機故障時間如圖8所示。

4 結論

通過對寶鋼湛江煉鋼廠KR脫硫攪拌裝置軸承故障進行原因分析，提出了消除軸承潤滑路徑設計缺陷等相應改進對策，為降低設備故障率，提升產量，降低企業損失具有重要作用。

圖8 KR設備故障停機時間Fig.8 Equipment downtime of KR

軸承作為傳動機械中的關鍵精密零件，應當被精心呵護，對于冶金機械中的軸承而言，其往往工作在嚴苛惡劣的環境工況中，高溫、粉塵、振動等不利因素均威脅著軸承使用壽命。良好的潤滑是軸承正常穩定工作的最基本保證，軸承潤滑路徑的設計、使用以及維護的合理性和有效性，應當引起設計人員、設備維護人員以及管理者的足夠重視。

參考文獻：

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