260 t轉爐吹氧裝置的研究與開發(fā)

張 春

(鞍鋼集團工程技術有限公司，遼寧 鞍山 114021)

0 前言

吹氧裝置［1］是氧氣頂吹轉爐車間的關鍵工藝設備之一，完成向轉爐內(nèi)吹送氧氣的工作。此前，國內(nèi)僅有兩家鋼廠擁有250 t以上大型轉爐，其吹氧裝置主要設備由國外引進，投資大、噸鋼氧氣耗量大、氧槍更換時間長。在借鑒引進設備的基礎上，鞍鋼自行研制了260 t轉爐吹氧裝置。

1 260 t轉爐吹氧裝置

1.1 工藝技術參數(shù)和技術指標

轉爐平均出鋼量/t/爐 260

轉爐最大出鋼量/t/爐 270

供氧強度/Nm3/(min·t鋼) 3.44

純吹氧時間/min 16

2 氧槍的研究與開發(fā)

2.1 氧槍結構

氧槍由噴頭、槍體和槍尾組成，在爐內(nèi)高溫下工作，采用循環(huán)水冷卻。260 t轉爐氧槍結構如圖1所示。

(1)噴頭。噴頭采用鑄造式六孔拉瓦爾型結構，噴頭結構如圖2所示。

(2)槍體。槍體由三層同心直管組成，內(nèi)管通氧氣;內(nèi)管和中間管之間的通路進水;中間管與外管之間的通路排水。槍體的材質為20無縫鋼管;無縫鋼管要求經(jīng)過清洗、去污、脫脂。內(nèi)管尺寸 Φ273 mm×8 mm;中間管尺寸，Φ351 mm×8 mm;外管尺寸:Φ402 mm×12 mm。

(3)槍尾。槍尾結構如圖1所示。氧槍采用槍尾密封，氧氣管(內(nèi)管)可軸向自由伸縮。槍尾的氧氣彎管端部通過法蘭與一個波紋管連接，波紋管通過法蘭與金屬軟管連接。槍尾的進水管和出水管都帶有兩個活接、四個90°彎頭。槍尾的進水管和出水管分別通過法蘭與金屬軟管連接。

2.2 氧槍在使用中存在的問題

(1)氧槍噴頭經(jīng)常出現(xiàn)噴頭鼓包、拉瓦爾噴嘴擴孔、倒棱現(xiàn)象;轉爐冶煉過程中，經(jīng)常出現(xiàn)跑渣、粘渣、粘鋼現(xiàn)象，直接影響冶金效果;氧槍使用壽命較低，平均為100爐以下。

(2)氧槍更換時間長，更換一根氧槍約需2 h，最長需4 h。

2.3 分析問題產(chǎn)生的原因

(1)氧槍內(nèi)管與中間管之間的密封在氧槍槍尾，主要由密封座、密封環(huán)、支撐環(huán)和壓蓋等組成。由于氧槍槍尾的密封需承擔槍管重量，為保證密封，采用盤根或唇形密封圈，造成內(nèi)管與密封環(huán)之間的滑動間隙小，氧槍吹氧時滑動段在受熱膨脹時不滑動，起不到補償作用，只能靠槍尾的波紋管補償熱膨脹。由于波紋管的補償能力有限，所以內(nèi)管的熱膨脹導致了與其焊接的噴頭的變形，出現(xiàn)噴頭鼓包現(xiàn)象。

(2)由于現(xiàn)有氧槍槍尾進、出水管各有4個彎頭，造成氧槍進出水阻力增大，氧槍噴頭冷卻效果不理想，是導致出現(xiàn)噴頭鼓包、拉瓦爾噴嘴擴孔、倒棱現(xiàn)象的主要原因。

(3)由于車間管網(wǎng)氧氣壓力達不到設計值，導致氧槍實際入口壓力低于設計值，故噴頭出口馬赫數(shù)、噴孔夾角等重要參數(shù)及其結構不能滿足實際需要，導致煉鋼過程中出現(xiàn)跑渣、粘渣、粘鋼現(xiàn)象。

(4)氧槍氧管、進出水管與氧氣金屬軟管、水金屬軟管采用法蘭聯(lián)接。拆氧槍時需拆卸40只螺栓，換上新槍時又需重新旋緊這40只螺栓，導致了換槍時間長。

(5)由于氧槍槍尾的氧管與兩個水管不是固定在同一個平面上，相對獨立，在制造時難免會有誤差，使得槍尾的氧管和兩個水管不能同時與金屬軟管聯(lián)接緊密，經(jīng)常出現(xiàn)氧管和一個水管聯(lián)接緊密而另一個水管無法與金屬軟管聯(lián)接緊密，出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。需要反復調整金屬軟管上的法蘭來保證槍尾氧管和兩個水管分別與三個金屬軟管緊密聯(lián)接，導致?lián)Q槍時間長。

2.4 改進措施

(1)對噴頭的重要參數(shù)進行優(yōu)化。噴孔出口馬赫數(shù)由2.11改為2.06;將噴孔夾角由17.5°改為15°;重新計算噴孔出口直徑。

(2)對噴頭的結構進行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化后的重要參數(shù)修改噴頭的結構。噴頭外壁中央部分由平面改為倒錐面;取消噴頭外壁與內(nèi)壁之間的中央筋板;將噴頭內(nèi)壁中央部分由“V”型改為“雙錐”型;將噴頭與內(nèi)管由焊接改為滑動密封聯(lián)接。

(3)對槍尾結構進行優(yōu)化。取消槍尾密封;重新設計槍尾，將進、出水管彎成R≥700 mm的弧，且進、回水管與氧槍槍體由垂直相交改為長徑≥800 mm的橢圓形相貫線相交;槍尾的氧管和進、出水管分別與固定在支撐架內(nèi)的相應的管接頭焊接。槍尾的氧管和進、出水管通過升降小車上的密封接管間接與金屬軟管聯(lián)接。

氧槍槍體粘上一定厚度的鋼渣后，維修工人需站在轉爐爐口上方27.30 m平臺上進行清渣處理，工作條件十分惡劣，為減輕維修工人的勞動強度，解決氧槍粘渣問題，在氧槍的槍體與噴頭之間增設一段錐段。

改進后的氧槍和噴頭結構分別如圖3、圖4所示。

2.5 改進后的氧槍使用效果

(1)氧槍的使用壽命由原來的100爐提高到400爐左右;

(2)氧槍噴頭使得轉爐平均純吹氧時間由14.24 min縮短至13.98 min，噸鋼耗氧量由55.66 Nm3降至51.088 Nm3;

(3)氧槍槍尾對快速更換氧槍提供了有利條件;

(4)使用錐體氧槍后，有效地解決了氧槍的粘渣問題，減輕了維修工人的勞動強度。

3 氧槍升降橫移裝置

3.1 氧槍升降橫移裝置結構組成

氧槍升降橫移裝置由一個固定導軌、兩臺升降小車、兩套升降傳動機構、兩臺橫移臺車和一套鎖緊裝置組成。其中，兩套升降傳動機構分別布置在兩臺橫移臺車上。氧槍升降橫移裝置如圖5所示。轉爐吹煉設兩支氧槍，一支在工作位，一支在備用位。換槍時，氧槍橫移臺車將工作氧槍橫移到備用位;同時備用氧槍換到工作位，并用鎖緊裝置鎖定。

圖5 氧槍升降橫移裝置Fig.5 Lowering-hoisting and horizontal moving equipment of oxygen lance

(1)固定導軌。如圖5所示的固定導軌為開口的框架結構。當橫移臺車在工作位停止時，橫移臺車上的移動導軌與固定導軌合為一個完整的導軌，此時，升降小車可沿導軌上下移動。

(2)升降小車。升降小車的結構如圖6所示。

圖6 升降小車Fig.6 lowering and hoisting trolley

(3)升降傳動機構。升降傳動機構由電動機、減速器、制動器、卷筒裝置、滑輪組、鋼絲繩等組成;升降傳動機構的技術參數(shù)

提升負荷/t 20

提升速度/m·min－1v高=40，v低=10

升降行程/m 18.4

(4)橫移臺車。每座轉爐有兩臺氧槍升降裝置(包括升降小車和升降傳動機構)，分別裝置在兩臺氧槍橫移臺車上。一臺橫移臺車攜帶氧槍升降裝置處于轉爐中心的操作位置時，另一臺處于等待備用位置，每臺都各有獨自的驅動裝置。

為了使氧槍橫移臺車準確地對中轉爐的中心，設置了橫移對位止動裝置，即鎖緊裝置。當行程限位開關將小車停在距爐子中心±20 mm范圍內(nèi)之后，啟動鎖緊裝置，將其頂桿推入橫移臺車定位槽中，使橫移臺車對中。

橫移臺車的結構如圖7所示。車體及其載荷的全部重量都由四個走行輪支承，而車體的傾翻力距則由兩個導向輥形成的一組力偶平衡，所以導向輥的作用是既起導向作用又承受傾翻力。車體由橫移臺車電動機驅動。電動機經(jīng)減速器和鏈輪鏈條直接傳動行走輪。借行程開關停車，沒有剎閘制動裝置。

當工作槍需要更換時，氧槍橫移機構將實現(xiàn)快速更換氧槍的功能。氧槍橫移機構由橫移小車及橫移小車驅動裝置組成，橫移小車是一個焊接的矩形框架組成。通過小車上的車輪支撐在導軌上。

橫移臺車的技術參數(shù):

運行負荷/t 50

運行速度/m/min 0～4

圖7 橫移臺車(右)Fig.7 Horizontal moving device(right)

橫移距離/m 3.4

驅動方式 電動

(5)鎖緊裝置。如圖8所示，鎖緊裝置主要由電液推動器、輥子、支座、底座、磁塊、磁開關和定位板等組成。主要用來對位制動工作位的橫移臺車。

圖8 鎖緊裝置Fig.8 Locking device

3.2 氧槍升降橫移裝置在生產(chǎn)中存在的問題

(1)氧槍換槍的時間平均為2 h，最長可達4 h，換槍時間長，導致勞動強度增大、生產(chǎn)效率降低;

(2)升降小車車輪啃軌道。

3.3 分析氧槍升降橫移裝置問題產(chǎn)生的原因

(1)現(xiàn)有的氧槍升降導軌是框架結構，升降小車的車輪在框架的升降導軌內(nèi)旋轉，由于加工精度和磨損的原因，再加上三條金屬軟管的偏重，需要人工來調正氧槍。260 t轉爐氧槍的外徑是Φ402 mm，氧槍在通入冷卻水的情況下，把重量將近10 t氧槍的中心線與爐口中心線調重合比較困難。

(2)由于來回水管及氧管掛在升降小車一側，造成氧槍和升降小車偏重，氧槍中心偏離轉爐中心，升降小車車輪啃軌道。

3.4 改進措施

(1)槍尾的進水管、出水管和氧管分別與三個管接頭焊接，三個管接頭通過一個連接板的加固與槍體組成整體氧槍，見圖3。

(2)將原氧槍升降小車上用于固定。氧槍尾部氧管，進水管和回水管的兩個懸臂取消。

(3)升降小車懸掛點位置與氧槍及升降小車重心在同一直線上。

(4)在改進后的氧槍開降小車上安裝一個自行研制的轉爐氧槍快換裝置，如圖9、圖10所示。

圖9 轉爐氧槍快換裝置的斷面圖Fig.9 Cross section of oxygen lance quick replacement equipment of converter

圖10 轉爐氧槍快換裝置的平面圖Fig.10 Planar graph of oxygen lance quick replacement equipment of converter

3.5 改進后的升降小車的使用效果

(1)通過氧槍槍尾與轉爐氧槍快換裝置的整體插接，實現(xiàn)氧槍和升降小車自動快換，不需要人工調整對正，整個換槍時間可縮短到30 min，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。

(2)通過密封圈密封，保證氧槍槍尾各管接頭在2.5 MPa的壓力下不會泄漏，有效地增強了設備的安全性。

(3)轉爐氧槍快換裝置的底拍下部的半球凹坑與設在氧槍托架上的凸球配合，形成轉動的球形關節(jié)，實現(xiàn)氧槍在任何狀態(tài)下都能與爐口垂直并隨意調整。

(4)氧槍及小車不再偏重，升降小車車輪不再啃軌道。

4 260 t轉爐吹氧裝置生產(chǎn)情況

鞍鋼260 t轉爐與國外采用爐內(nèi)脫磷和脫碳工藝的大型轉爐吹氧裝置相比較見表1。

從2005年4月至2007年1月，1#、2#、3#轉爐相繼投產(chǎn)、達產(chǎn)。多年的生產(chǎn)實踐證明，鞍鋼3座260 t轉爐氧槍系統(tǒng)吹煉效果良好，設備運行穩(wěn)定，各項工藝技術指標均達到或超過設計指標，如轉爐耗氧量為51.088 Nm3/t鋼，平均純吹氧時間只用13.98 min;氧槍更換只30 min;氧槍壽命達到400爐左右。

表1 鞍鋼與國外大型轉爐吹氧裝置對比Tab.1 Comparison of blowing oxygen equipments of large converters in An Gang and abroad

5 結論

(1)鞍鋼260 t轉爐吹氧裝置與國外大型爐內(nèi)脫磷和脫碳的轉爐吹氧裝置相比，投資少、氧氣耗量低、可快速換槍、檢修維護方便。

(2)鞍鋼260 t轉爐吹氧裝置，既適用于新廠建設，也適用于老廠改造，具有良好的發(fā)展前景。

［1］ 譚牧田．氧氣轉爐煉鋼設備(M)．北京．機械工業(yè)出版社，1983:414．

［2］ 鞍鋼股份有限公司．轉爐氧槍快換裝置．中國，200810011269.4［P/OL］．2009－11－4［2012－2－11］．http://211．157．104．87:8080/sipo/zljs/．

［3］ 鞍鋼股份有限公司．一種轉爐氧槍．中國，200820012523.8［P/OL］．2009 －2 －25［2012 －2 －11］．http://211．157．104．87:8080/sipo/zljs/．