鐵水罐晃動仿真分析

呂曉飛，杜鵬遠(yuǎn)，2，習(xí) 杰，3，蒿潤濤，2，楊 磊

（1.新興河北工程技術(shù)有限公司，河北邯鄲 056003；2.河北省球墨鑄鐵管工程研究中心，河北邯鄲 056003；3.新興鑄管股份有限公司，河北邯鄲 056003）

1 前言

近年來，“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運工藝逐漸在各大鋼廠投入應(yīng)用。所謂“一罐到底”就是高爐承接鐵水的鐵水罐和轉(zhuǎn)爐鐵水罐為同一罐車，鐵水罐直接從高爐出鐵場接出鐵水經(jīng)鐵路運至煉鋼場地，直接將鐵水兌入轉(zhuǎn)爐而不經(jīng)過混鐵爐或?qū)ｉT向轉(zhuǎn)爐兌鐵的鐵水包[1]。這種鐵水轉(zhuǎn)運工藝縮短了工藝流程，使得鐵損、溫降、煙塵排放點都大大減少，不僅降低了煉鋼成本，也在環(huán)保除塵方面取得了明顯效果[2]。

在“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運工藝應(yīng)用之前，煉鐵、煉鋼車間所用的鐵水罐由于種種原因，可能存在結(jié)構(gòu)、容量、耳軸尺寸等均不相同的情況。這就使得在銜接處，需要將鐵水從一個鐵水罐倒入另一個鐵水罐里，勢必會造成鐵損、溫降、煙塵排放超標(biāo)等問題。

在“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運工藝改造過程中，由于時間、成本等多方面原因，不可能將幾十個鐵水罐一次性統(tǒng)一，這就會造成板鉤與鐵水罐耳軸不匹配的問題。目前并沒有關(guān)于鐵水罐板鉤與耳軸間隙的相關(guān)國家規(guī)范。但是板鉤與耳軸的間隙過大，必然會造成鐵水罐晃動風(fēng)險加大。

關(guān)于鐵水罐的晃動可以分以下兩種情況：一是由于鐵水罐耳軸磨損后，造成耳軸軸心與鐵水罐重心偏移而引起的轉(zhuǎn)動；二是在天車起、制動過程中，因慣性導(dǎo)致的鐵水罐的晃動。

2 因重心偏移引起的鐵水罐轉(zhuǎn)動

我們假定新鐵水罐完全對稱，但是由于罐嘴沾鐵等因素，會造成鐵水罐重心向一側(cè)偏移，且沾鐵量與重心的偏移距離成正比。假設(shè)鐵水罐罐嘴沾鐵1t，則根據(jù)重心合成理論，鐵水罐的重心O 會向罐嘴側(cè)偏移大約13mm，如圖1 所示。

圖1 鐵水罐重心與耳軸軸心偏移示意圖

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，耳軸的磨損往往發(fā)生在罐嘴一側(cè)，這會導(dǎo)致耳軸軸心向罐嘴的另一側(cè)偏移Rmm。根據(jù)力矩平衡原理，此時如果鐵水包不發(fā)生轉(zhuǎn)動，應(yīng)滿足如下條件：

式中，μ 為板鉤與耳軸之間的摩擦系數(shù)，取為0.15；d 為耳軸直徑，現(xiàn)為155mm。

根據(jù)上式計算可得耳軸軸心的偏移量

由于耳軸的磨損量X 是耳軸軸心偏移量的2倍，所以可得X≤20.5。

由于煉鐵所用鐵水罐耳軸直徑d 為310mm，即當(dāng)耳軸的最小直徑為289.5mm 時，鐵水罐即有可能在起吊過程中發(fā)生偏心旋轉(zhuǎn)。

3 因慣性導(dǎo)致的鐵水罐晃動

根據(jù)能量守恒定律，天車吊著鐵水罐進行制動時，鐵水罐會偏轉(zhuǎn)[3]。不考慮沾鐵、耳軸磨損、耳軸與板鉤之間的接觸變形，以及由天車變頻器制動電阻消耗的動能等情況，對天車吊著鐵水罐運行的過程進行仿真分析。以煉鐵車間鐵水罐及板鉤相關(guān)實際參數(shù)為依據(jù)，進行如下設(shè)置：

鐵水罐(含滿罐鐵水)總重量：150t；

大車最大運行速度：1333mm/s；

大車起制動時間：9s；

中間勻速運行時間：11s；

鐵水罐重心到鐵水罐耳軸（晃動時的旋轉(zhuǎn)中心）的距離：300mm；

板鉤開口尺寸：340mm；

板鉤內(nèi)弧面半徑：330mm；

鐵水罐耳軸直徑尺寸：280mm，310mm，325mm三種規(guī)格；

鐵水罐晃動時的旋轉(zhuǎn)中心：鐵水罐耳軸。

建立鐵水罐運動仿真模型如圖2 所示。

對耳軸直徑280mm 的鐵水罐，在天車起、制動情況下的晃動情況進行仿真，結(jié)果如圖3 所示。

對耳軸直徑310mm 的鐵水罐，在天車起、制動情況下的晃動情況進行仿真，結(jié)果如圖4 所示。

圖2 鐵水罐運動仿真模型

對耳軸直徑325mm 的鐵水罐，在天車起、制動情況下的晃動情況進行仿真，結(jié)果如圖5 所示。

從上述分析結(jié)果可以看出，在天車按設(shè)定速度運行時，不同耳軸直徑的鐵水罐，最大俯仰擺角基本相同，為2°左右。但是，耳軸直徑越小，擺角波動越頻繁。如圖所示，耳軸直徑325mm 時，鐵水罐擺角基本為平滑曲線；耳軸直徑280mm 時，鐵水罐擺角波動頻率很大，為不穩(wěn)定狀態(tài)，會造成鐵水罐內(nèi)鐵水液面的波動加劇，鐵水罐內(nèi)鐵液溢出的風(fēng)險加大。

圖3 耳軸直徑280mm 鐵水罐的晃動仿真分析

圖4 耳軸直徑310mm 鐵水罐的晃動仿真分析

圖5 耳軸直徑325mm 鐵水罐的晃動仿真分析

4 鐵水罐耳軸加軸套

如上所述，為了保證鐵水罐吊運過程中的安全性，板鉤與鐵水罐耳軸間隙應(yīng)盡量小。由于目前煉鐵車間所用鐵水罐耳軸直徑小于煉鋼車間所用鐵水罐耳軸直徑，為了應(yīng)用“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運工藝，最經(jīng)濟、快捷的辦法是將板鉤尺寸統(tǒng)一，對于耳軸尺寸較小的鐵水罐，進行加軸套處理。加軸套后對于鐵水罐耳軸也起到了保護作用，在耳軸套磨損后，可以方便的進行更換[4]。具體方案如圖6 所示。

5 鐵水罐耳軸加軸套后現(xiàn)場試驗

按照上述方案制作鐵水罐耳軸的軸套，并且將煉鐵、煉鋼的板鉤形狀尺寸進行統(tǒng)一。在車間對于上述情況進行試驗，試驗情況如圖7 所示。

圖6 耳軸加軸套方案

圖7 鐵水罐加軸套后的晃動試驗

試驗結(jié)果顯示，鐵水罐在各種工況下的晃動均在可接受范圍內(nèi)，不會導(dǎo)致鐵水溢出。

6 結(jié)束語

本文通過對重心偏移、耳軸磨損造成的鐵水罐轉(zhuǎn)動情況進行計算，對耳軸直徑不同的鐵水罐進行仿真分析，得出板鉤與耳軸間隙過大會造成鐵水罐晃動頻率加快，鐵液溢出風(fēng)險加高。為了經(jīng)濟、快捷的應(yīng)用“一罐到底”鐵水轉(zhuǎn)運工藝，需對耳軸尺寸較小的鐵水罐，進行加軸套處理，并給出了具體方案。現(xiàn)場試驗證明，該方案簡便、可靠，且軸套磨損后易于更換。