150t转炉倾动力矩计算分析

杨 燕，姚 娟

（中冶南方工程技术有限公司炼钢分公司，武汉430223）

1 引言

转炉作为炼钢的主要设备，倾动机构是其重要的组成部分。倾动机构的能力既要满足转炉安全生产，又要经济合理，因此需对转炉倾动力矩进行计算分析，合理确定转炉的倾动力矩，为转炉倾动机设计提供依据。

2 150t转炉主要参数及建模

150 t转炉主要参数见表1。

150 t转炉炉体支承装置采用改进型三点球铰连接方式（中冶南方专利）。假定耳轴位置距炉口4735 mm处，利用se软件三维建模计算得出，转炉空炉重量（炉壳、炉帽挡渣板、连接装置及水冷配管）为242.7 t，重心位置距炉口4572 mm。

3 倾动力矩计算条件

转炉的倾动力矩是指当炉体倾动时，作用在耳轴上的静力矩，由3部分组成：空炉力矩（由炉体质量引起的力矩MK）；炉液力矩（由炉液质量引起的力矩MD）；耳轴的摩擦力矩MM（其方向始终与倾动方向相反．大小基本不变）[1]。本文合成力矩MH是指MK、MD、MM三项之和，合成重量为炉内耐材重量+空炉重量。

表1 150t转炉主要参数

转炉耳轴的摩擦力矩：MM=μ×R×G式中：μ为调心滚子轴承的摩擦系数，取0.02[2]；R为两耳轴滚子轴承的当量半径，R=（R内+R外）/2=0.64 m；G为空炉本体+托圈及其冷却水+旋转接头+倾动机+炉内耐材+最大装入量+液渣及炉口粘渣的总重。

以转炉安全生产为原则，本工程设计的150 t转炉采用全正力矩，即生产过程中发生突发事件（制动器失灵或电机故障等），转炉处于任何角度都能克服摩擦力矩及炉口、炉帽粘渣产生的负力矩自动回到吹炼工位[3]。为满足全正力矩的要求，计算的最小合成力矩MHmin需大于炉口、炉帽粘渣产生的力矩及两倍的摩擦力矩。本工程炉口、炉帽粘渣总重按10 t设计，产生的力矩按45 t·m考虑。

对新炉（刚砌筑的转炉，耐材未侵蚀）来说，其倾动力矩计算结果比较准确。但新炉的计算结果并不能正确反映冶炼时转炉的倾动力矩，因转炉在高强度供气冶炼过程中，炉内耐材各部分会有不同程度的侵蚀，且随着炉龄的增大，侵蚀可能越严重，所以仅计算新炉的倾动力矩是不合理的。

因无法准确推算转炉冶炼时炉内耐材情况，则只能根据以往工程老炉炉内耐材侵蚀情况来考虑，即假定理论老炉炉型。本文理论老炉炉型分两种情况做比较，一种假定炉身工作层侵蚀剩200 mm，炉底工作层侵蚀100 mm，如图1中b1线所示；另一种假定炉身工作层侵蚀剩100 mm，炉底工作层侵蚀200 mm，如图1中b2线所示。

图1 150t转炉炉内耐材内腔线

4 倾动力矩计算结果

假定耳轴位置距炉口4735 mm，使用中冶南方开发的倾动力矩计算软件，计算结果如下。

4.1 新炉倾动力矩计算结果

经计算，新炉的合成重量：626.3 t，合成重心在距炉口4980 mm处，摩擦力矩为：14.32 t·m。计算结果如图2所示。

图2 新炉倾动力矩计算结果

可以看出：新炉在30°（即转炉炉口朝上从吹炼位向炉后旋转60°）时产生最大合成力矩为：296.3 t·m。在-5°（转炉炉口朝上从吹炼位向炉后旋转95°）时产生最小合成力矩为：120.4 t·m。

4.2 理论老炉倾动力矩计算结果

b1内腔线-理论老炉的合成重量为465.8 t，合成重心在距炉口5094 mm处，摩擦力矩为12.3 t·m。计算结果如图3所示。可以看出：理论老炉在25°（即转炉炉口朝上从吹炼位向炉后旋转65°）时产生最大合成力矩为280.5 t·m。在-10°（转炉炉口朝上从吹炼位向炉后旋转100°）时产生最小合成力矩为 101.4 t·m。

计算结果分析：最大倾动力矩出现在新炉，最小倾动力矩出现在理论老炉，根据全正力矩原则，101.4-2×12.3-45=31.8 t·m，若选取此种内腔作为老炉情况计算倾动力矩，富余量稍大。此种情况，可重新寻找最佳耳轴位置，将耳轴往炉底方向下调40 mm，即耳轴位置距炉口4775 mm。重新计算得出最小合成力矩为：79.7 t·m（出现在老炉-10°），最大合成力矩为：268.7 t·m（出现在新炉 30°）。这样通过调节耳轴位置，最大合成力矩较之前减少了27.6 t·m，得出的力矩值更为经济合理。但由于转炉冶炼情况较恶劣，此种老炉内腔情形可能无法满足转炉后期全正力矩冶炼，因此不采用此种情况作为老炉炉型来设计倾动机构。

图3 b1内腔线-理论老炉倾动力矩计算结果

b2内腔线-理论老炉的合成重量：422 t，合成重心在距炉口5086 mm处，摩擦力矩为：11.7 t·m。计算结果如图4所示。可以看出：理论老炉在25°（即转炉炉口朝上从吹炼位向炉后旋转65°）时产生最大合成力矩为268.4 t·m。在-10°（转炉炉口朝上从吹炼位向炉后旋转100°）时产生最小合成力矩为 78.9 t·m。

图4 b2内腔线-理论老炉倾动力矩计算结果

计算结果分析：最大倾动力矩出现在新炉，最小倾动力矩出现在理论老炉，根据全正力矩原则，78.9-2×11.7-45=10.5 t·m，富余量合理，确定最佳耳轴位置距炉口4735 mm。根据经验，本工程选取此种内腔作为老炉情况计算倾动力矩来设计倾动机构。

实际生产过程中，在冶炼后期，若本转炉耐材侵蚀情况比b2内腔线严重，则转炉后期亦无法满足全正力矩要求。另外，若转炉内炉帽及炉身部分无侵蚀，而是粘渣过多，此时合成重心会往炉口方向上移，转炉可能出现头点地的现象。

冶炼时，转炉炉内耐材情况较为复杂，理论计算与实际情况存在一定差异，因此需加强炉衬的保养和炉内耐材情况的监测，来保障转炉安全生产。

5 结论

通过上述计算结果及分析，可以得出以下结论：

（1）本转炉的最大合成力矩为296.3 t·m，出现在新炉。考虑其他因素对力矩的影响，取系数～1.2，即此转炉最大合成力矩取355 t·m，转炉倾动机构按此值进行设计。

（2）本转炉的最小合成力矩MHmin=78.9 t·m，出现在理论老炉。根据全正力矩原则，老炉炉口、炉帽粘渣总重量大于10 t时需及时清理。

（3）本转炉的最佳耳轴位置在距炉口4735 mm处。

（4）老炉炉内耐材情况对倾动力矩及倾动机构的设计影响较大。

[1]唐玢.转炉倾动力矩的设计计算[J].安徽冶金科技职业学院学报，2011，21（3）:29.

[2]成大先.机械设计手册[M].5版.北京：化学工业出版社，2007.

[3]中国冶金建设协会.炼钢工艺设计规范[M].北京：中国计划出版社，2008.