高爐爐頂布料裝置旋轉電流異常波動分析及齒輪箱維護

陳建平,師 驊,喬 棟,喻 鵬,胡萬強

(武漢鋼鐵有限公司設備管理部,湖北 武漢 430083)

1 高爐布料裝置簡介

高爐爐頂布料裝置(見圖1)是冶煉生產中的核心設備[1],由上部齒輪箱(動力來源)、傳動齒輪箱和布料溜槽組成,旋轉電動機和傾動電動機的轉動可以帶動布料溜槽同時進行旋轉運動和上下傾動,保障了高爐上料的連續性和布料的均勻性,更有利于高爐的冶煉順行。齒輪箱工作環境比較惡劣,冶煉過程中的荒煤氣存在高溫和粉塵的特性,因此,傳動齒輪箱采用冷卻板和氮氣壓制的方式隔離高溫和粉塵,保護運轉系統。齒輪箱為進口設備,價格比較昂貴,且更換比較復雜,更換工期長,如果維護不到位,提前損壞會造成較大的經濟損失,因此需加強對齒輪箱的維護。

圖1 高爐爐頂布料裝置

2 齒輪箱旋轉電流波動異常現象

武鋼4#高爐布料裝置正常工況下旋轉電動機電流會維持在12 A左右,但自2022年6月開始,偶然會出現電流陡然增大的情況,頻繁時每周會出現多次,絕大多數電流會超過38 A,最大可到50 A,導致過流開關跳閘,布料停止,影響高爐生產。跳停后,崗位人員將開關復位,切換至500 r/min轉速,反向點動旋轉電動機后,如過流開關不跳,可轉至1 500 r/min正常生產。

3 故障原因排查及處理

鑒于故障是偶發、非持續的,只能待高爐休風后進入齒輪箱內部排查原因。4#高爐于2022年10月12日休風,專業技術人員結合傳動齒輪箱內部構造(見圖2),從以下幾個方面展開對旋轉電流陡增故障的分析與排查。

圖2 傳動齒輪箱內部結構

3.1 齒輪箱機械傳動部分檢查及處理

(1)旋轉體各部件,如傾動齒圈與傾動支撐座(圖2傾動齒圈處)、旋轉齒圈和旋轉支座(圖2旋轉齒圈處)、傾動大齒輪與傾動齒圈(圖2傾動大齒輪處)、旋轉體上部與下部(圖2旋轉體上下部連接處)等均采用螺栓連接。螺栓松動、斷裂等失效狀況均可導致旋轉體整體或部分下垂,與下水槽產生摩擦卡阻。處理方法是打開齒輪箱檢修人孔門,檢修人員對螺栓緊固情況進行檢查確認,未發現螺栓松動情況。

(2)旋轉齒輪副磨損量大、斷齒或回轉軸承損壞也會導致旋轉電動機電流陡增。處理方法是在人孔門打開的情況下,通過盤動旋轉電動機,對齒輪及其嚙合面進行目視檢查;啟動旋轉電動機,利用聽音棒檢查齒輪傳動情況。經排查未發現齒輪副嚙合異常。

3.2 齒輪箱結構卡阻檢查及處理

(1)考慮到4#高爐處于爐役后期,高爐錐臺襯板出現過部分損壞的情況,錐臺殼體受局部高溫的影響,爐頂鋼圈有變形的現象,水平度已超出允許值2 mm,鋼圈變形可能會導致傳動齒輪箱旋轉體(圖2粉紅色部分)與中心喉管摩擦,從而導致旋轉電流陡增。處理方法是將布料溜槽抬至適宜高度,搭設跳板,檢修人員掛設防墜器進入高爐內部,從下往上觀察間隙和摩擦情況。未發現摩擦卡阻點。

(2)經過以上方法的排查后,基本可以排除機械傳動故障及外部結構對旋轉體的卡阻。將故障點鎖定到下水槽邊緣與密封壓板,查找下水槽邊緣與密封壓板之間是否存在摩擦,因為該處間隙很小(3 mm左右)。依次拆除殼體壓板、防塵板、密封壓板,發現密封壓板有1/4周長出現3 mm左右凹槽,經判定為密封壓板與水槽邊緣摩擦所致。為何此處存在摩擦呢?專業技術人員通過旋轉電動機電流歷史曲線(見圖3)發現,電流與爐頂上升管溫度(以下簡稱頂溫)之間存在線性關聯,旋轉電流波動升高時,頂溫也在上升;頂溫下降時,電流值隨之降低,說明爐頂溫度影響著電流波動,應考慮此處存在熱膨脹導致的間隙變小的問題。

圖3 旋轉電動機電流歷史曲線

根據金屬的熱膨脹特性[2],金屬材料的熱膨脹現象是其物理性質的體現,主要表現為金屬在高溫環境下發生的形態改變,其產生機理主要是金屬在高溫環境下發生了原子的運動,而原子的運動帶來了空間位置的變化,體現在宏觀上就是金屬形態體積的擴大。

根據熱膨脹線性計算公式L2=L1×[1+a(t2-t1)],結合水冷板尺寸及高爐頂溫變化,計算膨脹后長度L2。其中L1為水冷板原長度,為700 mm;a為膨脹系數,取材質為碳鋼,20～600 ℃區間,a=13.5×10-6℃-1;t2為升高后的溫度,t2=500 ℃;t1為升溫前溫度,t1=200 ℃。計算得到膨脹后長度L2=702.856 mm。從計算結果可以看出,在頂溫升高到500 ℃時,水冷板熱膨脹2.856 mm,導致該位置基本無間隙。高爐頂溫升高的原因為爐內爐料出現管道,管道出現時頂壓也會隨之波動,布料溜槽在頂壓的沖擊下會出現晃動,旋轉體偏離中心位置,在無間隙的情況下密封壓板與水槽邊緣摩擦加劇,出現卡阻并跳電的現象。為何只存在1/4圓周的摩擦而非整圈?齒輪箱有8塊水冷板(見圖4),其中4塊為垂直設置,4塊為水平設置,上水槽的水流經8塊水冷板后匯入下水槽。通過打壓發現,2塊相連著垂直設置的水冷板嚴重堵塞,已無冷卻功能,堵塞的水冷板正好處于磨損密封壓條的上方,占據密封壓條1/4圈的長度。故障原因明確后,消除故障的關鍵是疏通堵塞的水冷板,解決冷卻問題。水冷板堵塞原因為冷卻水水垢所致,使用水泵將草酸壓入水冷板水道中進行沖洗。遺憾的是由于堵塞過于嚴重,且水道在水冷板中呈180°回轉蛇形布置,根本無法疏通。經測算后,檢修人員決定將該摩擦處的密封壓條加3 mm墊片進行抬高,避免再與水槽邊緣摩擦,經試車及后續使用觀察,故障問題得以解決。但由于水冷板未疏通,該處始終存在隱患,徹底解決需要更換水冷板,在線更換水冷板成本較高,對于處于爐役后期的高爐來說已無必要。

圖4 傳動齒輪箱水冷系統

4 齒輪箱維護事項

(1)針對3.1中所述的維護事項,要確保齒輪及軸承的使用壽命,良好的潤滑是關鍵,要保障齒輪箱的11個自動潤滑點(含上部齒輪箱3個)油路暢通,按維護規程每8 min自動潤滑一次。保障傾動裝置的4臺干油潤滑泵工作良好,采用耐高溫潤滑脂。休風時開人孔門對潤滑情況進行檢查,定期取油脂進行化驗,同時對各部位螺栓進行檢查緊固,有缺失或損壞的螺栓要及時進行更換,防止故障擴大。

(2)針對3.2所述的維護事項,除了安裝齒輪箱時將爐頂鋼圈的水平度找正到標準值以下,在使用過程中應加強爐頂錐臺襯板的維護,確保頂溫升高時不會對錐臺產生影響,進而保護爐頂鋼圈的水平度。另外要確保水冷板水道暢通,每隔半年要利用草酸對水道進行沖洗。制作一套由泵、管道、壓力表、快速接頭組成的清洗裝置,清洗時直接與水道的管路對接,進行帶壓沖洗。如果把沖洗水直接打入上水槽,靠重力作用流經水道進行沖洗,沖洗效果會大打折扣。帶壓沖洗既可以保證清洗效果,且每次清洗都可以對管路的通暢情況進行確認,避免長期不通,管道越堵越實,最終釀成本文所述的難以逆轉的故障。

5 結語

高爐爐頂水冷齒輪箱是高爐連續生產的核心設備,生產中對水冷齒輪箱溫度及電流的控制至關重要,是保證設備穩定運行的關鍵。因此要加強齒輪箱機械傳動部位的潤滑、緊固工作,另外還需重點關注齒輪箱的水冷系統,特別是要保障水冷板的通暢,防止因水冷系統故障導致的事故擴大。