余楊
（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司裝備技術(shù)工程中心，重慶 400013）

【摘　要】本文對三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)異響產(chǎn)生原因和機(jī)理進(jìn)行了分析，并指出：只要轉(zhuǎn)爐爐體與托圈之間的徑向定位為擋座系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)運(yùn)行中，均會(huì)產(chǎn)生不同的聲響。本文還對擋座系統(tǒng)中如何減小和避免轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)異響提出了具體措施和建議。
【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)；擋座系統(tǒng)；異響
0　引言
目前全世界煉鋼廠運(yùn)行有不同形式的轉(zhuǎn)爐，其中按轉(zhuǎn)爐爐體與托圈之間的定位方式劃分，有托圈上部三點(diǎn)球鉸支撐+擋座式轉(zhuǎn)爐、托圈上部耳軸二點(diǎn)支撐+擋座式轉(zhuǎn)爐、鋼絲繩吊鉤支撐+擋座式轉(zhuǎn)爐、彈簧板吊掛+擋座式轉(zhuǎn)爐、爐體下懸掛支撐+擋座式轉(zhuǎn)爐、垂直與水平雙球鉸拉桿+導(dǎo)向座轉(zhuǎn)爐等。
以上形式轉(zhuǎn)爐在傾動(dòng)時(shí)，只有無擋座的雙球鉸拉桿+導(dǎo)向座轉(zhuǎn)爐(VAI專利技術(shù))不會(huì)產(chǎn)生異響，而只要是擋座式轉(zhuǎn)爐，在使用一段時(shí)間后，由于轉(zhuǎn)爐不規(guī)則熱變形，托圈上擋座和爐體上擋座之間會(huì)產(chǎn)生一定的間隙，使制動(dòng)塞墊逐步脫落，使轉(zhuǎn)爐在傾動(dòng)時(shí)，在爐體對擋座的強(qiáng)大沖擊下，發(fā)出很大的異常響聲，這對轉(zhuǎn)爐設(shè)備運(yùn)行安全，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重隱患，同時(shí)在轉(zhuǎn)爐連續(xù)生產(chǎn)過程中，不得不頻繁停爐，鋼廠維修工利用其短暫間隙，冒著高溫和熱輻射，在狹窄危險(xiǎn)的高空作業(yè)區(qū)，對爐體與托圈擋座間隙進(jìn)行塞墊和焊接緊急處理。長期以來，如何減小和消除轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)的異響以及相應(yīng)處理時(shí)間，成為困惑鋼廠技術(shù)人員有待解決的轉(zhuǎn)爐最大難題之一。
1　三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐異響分析
1.1三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐
圖1三點(diǎn)球鉸上支撐轉(zhuǎn)爐曾經(jīng)為國內(nèi)最流行的轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)，現(xiàn)仍有不少三點(diǎn)球鉸轉(zhuǎn)爐在國內(nèi)鋼廠服役，源自寶鋼二十世紀(jì)八十年代從日本新日鐵引進(jìn)300t轉(zhuǎn)爐。主要由爐體、托圈、傾動(dòng)裝置、軸承座、托圈上部球鉸支撐，以及托圈上、下部防傾擋座等組成。爐體通過三點(diǎn)球鉸支撐裝置與托圈連接，并利用防傾擋座使?fàn)t體與托圈徑向定位。托圈二端耳軸支撐在軸承座裝置上，通過傾動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，使轉(zhuǎn)爐正反緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，逐一完成兌鐵水、搖勻、出渣和出鋼等冶煉操作。轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)力矩通過扭力桿裝置的扭力桿扭轉(zhuǎn)彈性變形平衡和緩沖，并將其轉(zhuǎn)換為拉壓負(fù)荷傳遞給扭力桿軸承座地基。整個(gè)轉(zhuǎn)爐重量，均由耳軸承擔(dān)，耳軸負(fù)荷為低速重載及頻繁啟停制動(dòng)，工作條件惡劣，耳軸支撐軸承經(jīng)常處于局部工作狀態(tài)，而托圈在高溫、重載下會(huì)產(chǎn)生耳軸軸向伸長和撓曲變形，耳軸在軸向有伸縮并發(fā)生偏轉(zhuǎn)[1]，因此傳動(dòng)側(cè)耳軸軸承座支撐是固定的，而非傳動(dòng)側(cè)耳軸軸承座支撐是浮動(dòng)的。

1.2三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐托圈與爐體連接特點(diǎn)
托圈與爐體的連接為球鉸支撐及防傾擋座構(gòu)成。在圖2球鉸支撐機(jī)構(gòu)中，爐體法蘭焊接在爐殼上，2個(gè)球面塊合對分別安裝固定在爐體法蘭開孔中。支座焊接在托圈上，銷軸安裝在托圈支座孔內(nèi)，并與吊掛螺栓鉸接。2個(gè)球面墊裝在吊掛螺栓上，分別與2個(gè)球面塊貼合。
吊掛螺栓的螺母擰緊時(shí)，就將托圈與爐體連接為一體。當(dāng)爐體徑向熱膨脹時(shí)，吊掛螺栓繞銷軸擺動(dòng)，同時(shí)吊掛螺栓上的球面墊沿固定在爐體法蘭上的球面塊滑移錯(cuò)動(dòng)，使銷軸中心線與球面墊中心線由原重合狀態(tài)改變偏離x距離，以適應(yīng)其爐體熱膨脹。圖2的3個(gè)球鉸支撐位于托圈上方，對稱出鋼口成120º圓周均布。

在圖3防傾擋座中，防傾擋座對應(yīng)爐體和托圈部位成對焊接，其中托圈擋座分別焊在爐體擋座的二側(cè)，托圈擋座與爐體擋座之間二端的間隙中，分別插入塞墊，并點(diǎn)焊固定。
圖3的3～4組防傾擋座分別位于托圈上、下方，其中防傾擋座在托圈上方3組的位置分別是出鋼口一側(cè)、耳軸的固定端和浮動(dòng)端，在托圈下方4組分別對稱布置在耳軸的二側(cè)。這種球鉸支撐+防傾擋座連接結(jié)構(gòu)能有效地在360º旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)支撐爐體，利用雙球面機(jī)構(gòu)來吸收爐殼相對于托圈的膨脹，其特點(diǎn)為：三點(diǎn)球鉸上支撐，剛性過約束支撐吊掛系統(tǒng)。

1.3三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐異響分析
轉(zhuǎn)爐在任意角度下停止傾動(dòng)時(shí)，它的全部重量W都可以分解為與轉(zhuǎn)爐爐體中心線平行Fn和垂直Ft二個(gè)分力。從圖4轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)受力分析中可看出，與轉(zhuǎn)爐爐體中心線平行分力Fn使?fàn)t體沿托圈平面垂直方向竄動(dòng)，這個(gè)力由三點(diǎn)球鉸支撐來承受，與轉(zhuǎn)爐爐體中心線垂直分力Ft使?fàn)t體沿托圈徑向方向移動(dòng)并產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，這個(gè)力和力矩由防傾擋座裝置來平衡[1]。

從三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐托圈與爐體連接特點(diǎn)可以看出，球鉸支撐的螺母擰緊力至關(guān)重要：不能太大，也不能過小，螺母擰緊力太大，吊掛螺栓上的滑移球面墊與爐體上固定球面塊之間摩擦阻力就大，甚至發(fā)生合配球面之間的咬合，失去自適應(yīng)爐體熱膨脹的作用(此外，球鉸支撐的上、下兩球面墊的制造和安裝不同心，徑向偏擺受阻，球面墊與球面塊之間潤滑不良等，也會(huì)增加摩擦阻力或產(chǎn)生膠合);螺母擰緊力過小，爐體與托圈平面垂直方向產(chǎn)生竄動(dòng)，制動(dòng)墊板之間產(chǎn)生摩擦，使制動(dòng)塞墊逐步脫落，形成間隙，導(dǎo)致轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)時(shí)，爐體擋座與托圈擋座之間產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊及聲響。此外，螺母擰緊力過小，還會(huì)導(dǎo)致吊掛螺栓所承受的沖擊力加大，同時(shí)又使得雙球面支撐結(jié)構(gòu)球面錯(cuò)動(dòng)量加大，甚至在吊掛螺栓截面系數(shù)變化較大的根部形成應(yīng)力集中而斷裂，造成更大的生產(chǎn)事故。
我們知道，轉(zhuǎn)爐在高溫和頻繁啟停沖擊重載生產(chǎn)過程中，球鉸支撐機(jī)構(gòu)的螺母與吊掛螺栓之間連接螺紋付所形成的擰緊力會(huì)不斷變化，需要定期進(jìn)行擰緊調(diào)整，而在高溫和熱輻射，狹窄、昏暗而危險(xiǎn)的托圈上高空作業(yè)熱區(qū)進(jìn)行球鉸支撐螺母的合理擰緊，以及對爐體與托圈擋座之間間隙進(jìn)行快速塞墊和焊接固定處理談何容易。
既使在托圈和下爐體擋座制動(dòng)托架中間增加墊板[1](如圖5所示)，可能會(huì)改善因球鉸支撐螺母松動(dòng)或吊掛螺栓拉伸變形，爐體沿托圈平面垂直方向的竄動(dòng)，但還有以下因素，使?fàn)t體與托圈擋座之間仍會(huì)產(chǎn)生間隙：由于擋座墊板為多層薄板，經(jīng)受壓后薄板間隙消除，導(dǎo)致在擋座間產(chǎn)生間隙;爐體擋座兩邊有6º的斜角，爐體的熱膨脹會(huì)產(chǎn)生間隙;受載后墊片、擋座等有局部屈服和變形產(chǎn)生間隙;轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)過程中擋座面的磨損產(chǎn)生間隙;由于擋座之間的不斷正反重荷沖擊，在爐體擋座二側(cè)的托圈擋座焊縫強(qiáng)度逐步減弱或塑性變形，并使擋座反向滑移，形成岔口間隙(該點(diǎn)為球鉸支撐轉(zhuǎn)爐防傾擋座致命缺陷)等。

從以上轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)分析以及大量生產(chǎn)實(shí)際觀察，我們可得出如下的三點(diǎn)球鉸支撐轉(zhuǎn)爐異響聲源產(chǎn)生緣由結(jié)論：
1)傾動(dòng)過程中，雙球面支撐結(jié)構(gòu)球面之間錯(cuò)動(dòng)卡阻發(fā)出異響;
2)傾動(dòng)過程中，球面支撐機(jī)構(gòu)螺母未擰緊，爐體與托圈平面垂直方向產(chǎn)生竄動(dòng)，使擋座制動(dòng)墊板之間產(chǎn)生摩擦異響;
3)傾動(dòng)過程中，托圈上部擋座間隙使得爐體和擋座產(chǎn)生沖擊異響，托圈下部與爐體擋座聯(lián)結(jié)螺栓松動(dòng)及擋座間隙也會(huì)產(chǎn)生異響;
4)傾動(dòng)過程中，爐體變形導(dǎo)致裙板穩(wěn)態(tài)變化發(fā)出的異響。
對于上述轉(zhuǎn)爐異響的根源分析，第1)條為轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)過程中，爐體和托圈之間會(huì)有彈性變形，該變形會(huì)造成雙球面支撐結(jié)構(gòu)球面錯(cuò)動(dòng)，由于雙球面接觸面的不均勻(為非標(biāo)加工)，重載下的接觸會(huì)造成局部膠合卡阻，使得錯(cuò)動(dòng)過程中發(fā)出異響，該條只有靠球面支撐機(jī)構(gòu)自然跑合來消除。第2)條和第3)條是最危險(xiǎn)的，需要用戶在轉(zhuǎn)爐使用過程中加以重點(diǎn)關(guān)注，也是設(shè)備維護(hù)的重點(diǎn)。
對于第4)條爐體變形導(dǎo)致裙板穩(wěn)態(tài)變化發(fā)出的異響，其原因是爐體剛度大，變形方向主要是沿徑向和軸向，同時(shí)傾動(dòng)過程由于受鐵水流動(dòng)載荷，爐體有橢圓變形。而裙板比較薄，剛度小，溫度及變形受操作噴濺影響，是不規(guī)則的，而爐體與裙板的聯(lián)結(jié)為過約束聯(lián)結(jié)，使得裙板有在轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)過程中，爐體變形導(dǎo)致裙板穩(wěn)態(tài)變化，有翹曲彈性變形而發(fā)出異響(類似人踩在鼓突的薄鋼板上會(huì)發(fā)出聲響)，該聲響是無害的，會(huì)隨著時(shí)間而消失。
1.4三點(diǎn)球鉸上支撐機(jī)構(gòu)及擋座存在的問題
綜合三點(diǎn)球鉸上支撐機(jī)構(gòu)連接特點(diǎn)以及生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)行情況觀察，可得出該支撐機(jī)構(gòu)及擋座存在如下問題：
1)吊掛機(jī)構(gòu)為過約束，在某些條件下會(huì)造成吊掛螺栓從根部折斷。該機(jī)構(gòu)本質(zhì)上是一種擺桿、擋座組合的吊掛系統(tǒng)，但該系統(tǒng)在聯(lián)接系統(tǒng)自由度設(shè)計(jì)上有嚴(yán)重的過約束現(xiàn)象。擺桿螺栓本身自由度不足，當(dāng)擋座出現(xiàn)間隙時(shí)，擺桿螺栓根部易出現(xiàn)沖擊彎曲應(yīng)力。
2)該球鉸支撐的側(cè)向(或環(huán)向)無偏擺功能，不能適應(yīng)爐體立體不規(guī)則熱膨脹變形。
3)支撐機(jī)構(gòu)位于爐冒段，且被爐體裙罩遮蔽，調(diào)整及維護(hù)困難，冷卻條件不好，降低支撐機(jī)構(gòu)的壽命。
4)轉(zhuǎn)爐重心上移，操作時(shí)轉(zhuǎn)爐容易失控或溜鋼，操控安全性較差。
5)為達(dá)到轉(zhuǎn)爐正力矩設(shè)計(jì)特性，爐體底部需加配重，轉(zhuǎn)爐設(shè)備較重，傾動(dòng)功率加大。
6)由于擋座間隙形成爐體對擋座二單側(cè)的反復(fù)正反重載沖擊，擋座焊縫強(qiáng)度逐步減弱，并使二側(cè)托圈擋座相對爐體擋座反向滑移，形成岔口，從而加大擋座間隙。另外，反復(fù)重載沖擊也會(huì)使剛度較弱的托圈擋座逐步產(chǎn)生塑性變形，也易形成岔口并加大擋座間隙。
7)擋座間隙不斷塞墊和固焊、擋座不定期加熱補(bǔ)焊或更換等維護(hù)和調(diào)整作業(yè)，會(huì)傷及托圈處理部位母材，縮短托圈工作壽命。
2　三點(diǎn)球鉸上支撐轉(zhuǎn)爐異響預(yù)防措施
通過上述三點(diǎn)球鉸上支撐轉(zhuǎn)爐異響原因和機(jī)理分析，可采用如下改進(jìn)措施來減小或消除其轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)異響：
1)根據(jù)上支撐三球鉸的制造和安裝情況，合理確定球鉸支撐的螺母擰緊力，同時(shí)確認(rèn)螺栓防松是否有效。為達(dá)到合理的擰緊力，可在螺母與球面墊之間，加裝剛性足夠大的碟簧片，并在螺母與吊掛螺栓之間標(biāo)注擰緊定位記號，使三個(gè)球鉸吊掛螺栓擰緊力相同且恒定。
2)支撐球鉸的二對球面墊的貼合面均需加工一定的表面粗糙度，防止因表面粗糙度過大，增加摩擦或產(chǎn)生膠合。
3)下爐體擋座制動(dòng)托架中間增加墊板，改善因球鉸支撐螺母松動(dòng)或吊掛螺栓拉伸變形，使?fàn)t體沿托圈平面垂直方向的竄動(dòng)。
4)初始安裝時(shí)，托圈擋座與爐體擋座墊片之間必須保證零間隙，因?yàn)榻?jīng)轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)受壓后，薄板間隙消除，自然會(huì)補(bǔ)償熱變形。另外，擋座的墊片層不宜過多。在經(jīng)傾動(dòng)受壓后，薄板間隙消除所產(chǎn)生的間隙兩側(cè)相加不要大于5mm，否則需進(jìn)行調(diào)整加墊(墊片最好為不會(huì)脫落的特殊設(shè)計(jì))，即可消除異響。5)從盡量加大托圈擋座的強(qiáng)度和剛度、設(shè)置爐體擋座二側(cè)托圈擋座之間的剛性連接件入手，使擋座在爐體傾動(dòng)時(shí)，始終處于封閉受力狀態(tài)，即可避免擋座岔口間隙和沖擊。
3　結(jié)論
1)只要轉(zhuǎn)爐爐體與托圈之間的徑向定位為擋座系統(tǒng)，在生產(chǎn)傾動(dòng)運(yùn)行中，由于轉(zhuǎn)爐不規(guī)則熱變形，以及材質(zhì)或結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致?lián)踝o態(tài)結(jié)構(gòu)之間相對滑移，摩擦、磨損及間隙，產(chǎn)生不同的聲響。
2)爐體沿托圈平面垂直方向的竄動(dòng)，以及擋座之間產(chǎn)生間隙、沖擊和聲響，是三點(diǎn)球鉸上支撐轉(zhuǎn)爐自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定、不可避免的固有缺陷。為了避免這些缺陷，可采用下爐體擋座制動(dòng)托架中間增加墊板，改善因球鉸支撐螺母松動(dòng)或吊掛螺栓拉伸變形，使?fàn)t體沿托圈平面垂直方向的竄動(dòng)。從盡量加大托圈擋座的強(qiáng)度和剛度、設(shè)置爐體擋座二側(cè)托圈擋座之間的剛性連接入手，使托圈整體擋座由一側(cè)受力變?yōu)閮蓚?cè)同時(shí)受力，受力由C形開口結(jié)構(gòu)變?yōu)榉忾]的環(huán)形預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，同時(shí)擋座強(qiáng)度大大提高，避免擋座岔口間隙和沖擊。
3)三球鉸吊掛螺栓擰緊力合理、相同、且恒定，托圈與爐體處于無間隙和無沖擊定位是減小或消除三球鉸上支撐轉(zhuǎn)爐異響產(chǎn)生的關(guān)鍵。
4)周全的設(shè)計(jì)、合理的結(jié)構(gòu)、優(yōu)質(zhì)的制造以及精心的安裝，能夠最大限度的減小或消除擋座系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐在運(yùn)行當(dāng)中產(chǎn)生的異響。
5)將舊轉(zhuǎn)爐三球鉸吊掛支撐結(jié)構(gòu)改造為下懸掛連接結(jié)構(gòu)，并合理布置和優(yōu)化擋座數(shù)量。

來源：《鋼鐵技術(shù)》2016年第4期