高爐風口套在線修復方案設計及實施

賈 晗

（武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430000）

0 引言

煉鐵系統高爐的風口套因工況所限經長期使用后，密封錐面會出現磨損、風蝕等現象，造成風口大套與風口中套密封不嚴、出現氣體泄漏等現象，給安全生產造成隱患。常規高爐風口套有兩種連接形式，一種為帶法蘭式，法蘭與爐皮焊接完成，風口套通過法蘭連接，另一種為風口套直接與爐皮焊接式。帶法蘭式風口套出現磨損漏風后直接更換風口套即可，焊接式風口套需將原風口套從爐皮原焊接處進行氣焊割除，然后將新制造的風口套通過電焊與爐皮進行焊接。如果高爐爐齡較長，爐皮經過長期高溫、惡劣環境下使用，內部組織成分主要是含碳量會發生變化，而含碳量又是影響風口套與爐皮焊接性能的主要參數，當含碳量降低到一定程度，焊接工藝將無法完成，在國內個別高爐曾經出現過在風口套更換時，風口套與爐皮焊接不實的現象，被迫將爐皮及風口套等全部更換，造成檢修工期延長，成本巨額增加。為避免這一風險，提出根據仿形加工原理設計專機來實施風口套在線加工修復的工藝方案，并經現場實施一舉獲得成功。

通過現場工況考察，高爐風口套安裝部位在高爐平臺上方1000 mm 左右高度范圍，擁有吊裝能力，具備施工條件。根據工況條件，憑借多年的現場加工修復經驗，提出利用仿形原理設計專機，來實現風口套在線加工修復的方案。

1 現場定位功能設計

風口大套環高爐本體設置，數量與高爐容積配套，下方為環繞高爐設置的高爐平臺，具備施工的工況條件，但平臺強度不滿足設備固定條件，根據設備所需要的固定、調整條件，設計設備固定平臺底座，下方與高爐本體焊接固定，平臺底座外側通過焊接斜拉筋板與高爐本體固定，使平臺底座與高爐本體穩固連接，滿足設備固定及調整條件。

2 設備功能設計

（1）實現在線修復需滿足動力、傳動及運動功能，動力采用30 kW 電機帶動變速箱將動力傳遞給專用動力頭。

（2）設計傳動主軸，主軸整體精度在ΦD（0～0.06）mm，粗糙度＜0.6，◎＜0.06 mm，一端為7∶24 錐柄，錐度與動力頭主軸孔相對應。

（3）在主軸與動力頭主軸孔裝配后，通過拉釘拉緊，中間設置傳動定位鍵，在主軸的被動側。

（4）設置主軸旋轉支撐支座，支座內孔與主軸之間設定自潤滑銅套機構，配合間隙0.04 mm，既保證主軸旋轉自如，又滿足精度要求，使動力頭的旋轉動力能夠平穩的傳遞到主軸上。

（5）將支座固定在風口套的內側，在設備定位后，通過設備及支座的相應調整，來實現主軸旋轉中心與需修復的風口套的中心的同軸度在圖紙設計范圍。

3 仿形加工單元的設計

加工單元的設計采用仿形加工原理，刀架結構的設計為錐形，刀架錐度與風口套內孔配合錐面的錐度相一致，常規風口套錐度為1∶50，刀架本體上設計加工出可調整式刀體傳動導軌，刀體在導軌上通過絲杠、絲母傳動副可實現刀體的軸向進給，通過調整刀體傳動導軌的精度使刀體移動軌跡與風口套錐面相一致。刀架內孔為可鎖緊式，內孔與主軸外徑相對應，配合精度0.10 mm 左右，刀架可以實現在主軸軸向輕松滑動，通過鎖緊單元又可以實現刀架與主軸軸向位置及徑向兩個方向的位置鎖緊。

4 加工單元的整體組合設計

（1）刀體固定在刀架導軌上，可實現軸向進給，進給軌跡與風口套錐孔面相對應，通過導軌調整來實現刀體進給運動與風口套錐面一致。

（2）仿形刀架單元裝配在主軸上，即可實現軸向滑動，又可以通過鎖緊機構將其在主軸上相應的位置鎖緊。

（3）主軸的旋轉精度直接影響到加工錐面的粗糙度及同軸度，通過調整設備及主軸固定支座的相應位置來滿足加工精度的需要。

這樣整個風口套在線加工專用設備的傳動系統完成：①電機帶動減速機→減速機帶動動力頭→動力頭通過錐面配合及拉釘鎖緊將動力傳輸到主軸→主軸通過與刀架支座的鎖緊將動力傳輸到刀架座→刀體在刀架座上固定，旋轉動力相應傳輸到刀體，實現刀體的旋轉運動；②刀體在刀架導軌上通過絲杠絲母副實現軸向進給運動。風口套圖紙如圖1 所示，風口套焊接圖如圖2 所示。

圖1 風口套圖紙

圖2 風口套焊接圖

5 檢測單元的設計

根據風口套錐面的尺寸精度，設計、加工、制造錐面環規，要求輕便、精度穩定不易變形，具備手持單元，材料以鋁合金為佳。在首件風口套加工完后，利用環規進行檢測。

（1）通過塞尺檢測環規與加工后的風口套錐面間隙，測量出加工后的錐面的同軸度及錐度偏差。錐度偏差可通過調整刀架支座導軌來完成，同軸度偏差可通過調整主軸支座來完成，反復操作測量，滿足修復技術要求。

（2）錐面涂抹紅丹粉，通過環規與風口套進行錐面研磨，找出高點，通過人工修磨方式進行修磨，達到配合面密封要求。

（3）通過測量環規軸向探出風口套錐面的高度，計算出風口套錐面配合直徑的偏差。在加工修復時，加工量控制在錐面全部見光即可，如果存在個別部位磨損、風蝕嚴重時，需提前進行打磨、焊接后再進行加工修復，使修復加工量在滿足配合精度的前提下越小越好，保證風口套錐面直徑的偏差控制在與中套配合調整范圍之內。如果風口套錐面整體磨損、風蝕嚴重，超出調整量范圍，在加工前就需要進行內孔補焊后再進行加工修復。

6 實施效果及經濟分析

因每座高爐的風口套數量與高爐容積相對應，首次施工時，是在河南某鋼鐵公司2800 m3高爐進行，該高爐擁有風口套數量為30 個（含法蘭式2 個），需在線加工修復28 個，每修復一個風口套，設備需要進行移位、調整一次，為既盡量縮短修復工期，又不造成設備及人員的浪費，在現場實施加工修復時，投入兩套專機、兩組人員，一組人員專門進行設備移位、精度調整、加工后的精度檢測等工作，另一組人員專門負責在線加工，兩臺設備交叉進行保持在線加工工作的連續性，每天完成風口套修復數量為2 個，工期14 d。

采用在線修復風口大套工藝與常規的更換大套方案相比較，以首次施工案例進行效益估算。

（1）此工藝的實施可獨立完成與高爐整體爐內主線大中修項目不產生干涉，不會對施工主工期造成影響，與常規的更換風口套大、中修方案相比較可縮短總檢修工期130 h 左右。

（2）2800 m3高爐按照250 t/h 產量估算，可增加生鐵產量32 500 t 左右，節約的備件費用（新制造風口套費用核減舊風口套廢鐵材料費）6000 元×28=268 000 元，在線加工施工費用30 000×28=840 000 元，按照噸鐵800 元利潤計算，折合該方案的實施可創效：32 500×800-840 000=25 160 000 元（2516 萬元）。

7 結束語

該線加工修復方案首次試驗成功，從課題提出、工藝設計及專用設備的設計、制造等方面均開辟了冶金行業的空白。該案例的成功實施，成功規避風口套更換存在的潛在風險，解決焊接式風口套在線修復的難題，使高爐風口套在不拆除的情況下實現循環再使用，使大修工期得到有效的壓縮，為企業增創高額的利潤。對今后高爐大修方案的制定與實施，起到革命性的作用，有必要在煉鐵系統進行廣泛推廣應用。