鐵水KR脫硫鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

周 循

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

鐵水KR脫硫鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

周 循

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

鐵水KR法脫硫的基本原理是利用十字形攪拌頭的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鋼包內(nèi)鐵水轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)加入脫硫劑，置換出鐵水中的硫元素，通過(guò)扒渣機(jī)將脫硫渣扒出。由于脫硫鋼平臺(tái)面積較小，且多為單跨結(jié)構(gòu)、側(cè)向剛度小，攪拌器旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的周期擾力以及扒渣機(jī)的沖擊會(huì)造成鋼平臺(tái)的豎向振動(dòng)和水平晃動(dòng)。文章對(duì)鐵水KR脫硫鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

鐵水KR法脫硫；脫硫鋼平臺(tái)；豎向振動(dòng)；水平晃動(dòng)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；攪拌器

1 概述

當(dāng)前世界上主流的煉鐵工藝是高爐煉鐵，而高爐鐵水通常含硫量都比較高，較高的含硫量會(huì)對(duì)后期的連鑄和軋制過(guò)程造成不利影響，降低成材的品質(zhì)，因此國(guó)內(nèi)近些年新建煉鋼廠中基本上都設(shè)有鐵水脫硫站。

脫硫站鋼平臺(tái)普遍都是面積小、層數(shù)多、不規(guī)則、剛度差，不僅承受較大的設(shè)備荷載，同時(shí)還需抵抗強(qiáng)烈的設(shè)備沖擊作用和攪拌器的周期擾力作用。近年來(lái)，隨著鐵水罐體容積的不斷增加、設(shè)備質(zhì)量的不斷加大，脫硫站在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)、晃動(dòng)甚至局部破壞的事故時(shí)有發(fā)生。本文將結(jié)合工程實(shí)踐，簡(jiǎn)要介紹鐵水脫硫站的生產(chǎn)工藝，描述和提煉平臺(tái)基本特征，總結(jié)出KR脫硫鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 鐵水脫硫工藝簡(jiǎn)介

鐵水脫硫的一般方法是向鐵水中加入活性較強(qiáng)的脫硫劑（一般是鈣或鎂的化合物），通過(guò)鐵水與脫硫劑間的化學(xué)反應(yīng)，將鐵水中的硫元素置換出來(lái)，形成脫硫渣，最后將渣扒出。而在加入脫硫劑過(guò)程中，為使二者充分接觸并快速起反應(yīng)，需要外加動(dòng)力使鐵水形成漩渦或?qū)α?。根?jù)脫硫劑和鐵水對(duì)流方式的不同，鐵水脫硫工藝方法可分為兩種，分別為噴吹法和KR機(jī)械攪拌法。

噴吹法：利用插入容器中鐵水深處的噴槍?zhuān)ㄟ^(guò)噴吹通道由高壓氮?dú)鈱⒚摿蚍蹌┐罅髁繃娙霚囟却笥?250℃的鐵水中，并在噴槍噴口的噴射流場(chǎng)組織作用下，實(shí)現(xiàn)脫硫劑與鐵水的分散混合與接觸反應(yīng)。

KR機(jī)械攪拌法：通過(guò)插入鐵水中攪拌器的旋轉(zhuǎn)，將加入到鐵水液面上的脫硫劑卷入鐵水中，并通過(guò)脫硫劑與鐵水的循環(huán)混合與接觸反應(yīng)，達(dá)到鐵水脫硫的目的。本文僅研究KR機(jī)械攪拌法結(jié)構(gòu)平臺(tái)。

3 KR脫硫鋼平臺(tái)基本特征

單套KR脫硫平臺(tái)橫向一般為單跨、兩列柱，跨度不小于10m；縱向一般3～5個(gè)柱距，單層面積一般不超過(guò)350m2。

平臺(tái)一般分為5層：

首層為扒渣平臺(tái)，主要功能是扒渣作業(yè)，扒渣機(jī)及操作室置于該層平臺(tái)。該層一般不完整，鐵水罐車(chē)開(kāi)行范圍內(nèi)均不能布置梁板。

第二層為脫硫主平臺(tái)，主要設(shè)備有攪拌器更換小車(chē)、液壓翻板、升降溜槽、除塵管道等，該層一般較完整。

第三層為攪拌器更換平臺(tái)，主要設(shè)備有電動(dòng)翻板、稱(chēng)量斗等。本層平臺(tái)須在電葫蘆吊運(yùn)范圍內(nèi)流出空當(dāng)，故本層平臺(tái)一般都不完整，缺口較大。

第四層為電葫蘆檢修平臺(tái)，與第三層類(lèi)似，平臺(tái)須留出電葫蘆吊運(yùn)通道。

第五層為提升裝置平臺(tái)，主要設(shè)備是攪拌器提升裝置。為了緊湊布置，脫硫劑料倉(cāng)一般置于該層平臺(tái)。攪拌器吊運(yùn)電葫蘆置于該層平臺(tái)下部。

此外，攪拌器升降機(jī)構(gòu)通過(guò)四根豎向?qū)к壟c各層平臺(tái)連接，升降機(jī)構(gòu)升降到位后，通過(guò)水平液壓頂緊裝置固定于四根導(dǎo)軌上。

綜合來(lái)看，KR脫硫鋼平臺(tái)具有以下基本特征：（1）平臺(tái)面積小且平面不規(guī)則。平臺(tái)為橫向單跨結(jié)構(gòu)，面積小，抗扭剛度差。僅脫硫主平臺(tái)一層為完整平臺(tái)，其他各層均殘缺不全；（2）橫向不能設(shè)完整支撐、橫向剛度差。由于傾翻車(chē)及渣罐車(chē)沿著縱向從平臺(tái)中間穿過(guò)，故平臺(tái)橫向均不能設(shè)支撐，只能設(shè)計(jì)成框架，依靠梁柱剛節(jié)點(diǎn)提供剛度；（3）設(shè)備運(yùn)行動(dòng)荷載大。攪拌器在鐵水灌中快速旋轉(zhuǎn)，形成渦流，為脫硫劑與鐵水的充分接觸反應(yīng)提供動(dòng)力，因此會(huì)產(chǎn)生較大的反向扭矩作用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)上。此外，旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)（攪拌器及電機(jī)轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子）由于安裝偏差或攪拌頭不對(duì)稱(chēng)磨損等原因引起的質(zhì)量偏心，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大扭矩和徑向擾力。扒渣機(jī)工作時(shí)，扒渣頭經(jīng)常撞擊鐵水罐，反作用于扒渣平臺(tái)上的豎向沖擊荷載也非常大。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)KR脫硫鋼平臺(tái)空間不規(guī)則、橫向剛度差、設(shè)備運(yùn)行荷載大等主要特點(diǎn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)采取相應(yīng)的措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程可以分為三個(gè)階段，即概念及體系設(shè)計(jì)、靜力計(jì)算、動(dòng)力分析。

4.1 概念及體系設(shè)計(jì)階段

在滿足工藝要求的前提下，盡量增加平臺(tái)薄弱部的剛度。平臺(tái)整體扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)大于平動(dòng)剛度，x、y兩個(gè)方向的平動(dòng)剛度宜相近。由于KR脫硫平臺(tái)一般橫向（垂直于渣罐車(chē)開(kāi)行方向）不能設(shè)支撐，只能采用多層框架，因此橫向剛度一般遠(yuǎn)小于縱向剛度。設(shè)計(jì)過(guò)程中可從以下方面采取措施，增加橫向剛度：

4.1.1 采用插入式剛接柱腳。

4.1.2 梁柱連接采用剛接節(jié)點(diǎn)，跨度較大時(shí)，采取加腋或增設(shè)隅撐。

4.1.3 合理控制水平力作用下柱反彎點(diǎn)的位置。

下面通過(guò)對(duì)比排架、完全框架、一般框架三種結(jié)構(gòu)體系，說(shuō)明梁柱線剛度比∑ib/∑ic對(duì)側(cè)向剛度的影響（圖1）。

圖1

排架結(jié)構(gòu)柱頂位移：△1＝h3/（3EIb）

完全框架柱頂位移：△2＝h3/（12EIb）＝△1/4

一般框架柱頂位移：△2＜△3＜△1

可以看出，柱子反彎點(diǎn)位于柱子正中部時(shí)，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度最大，此時(shí)梁柱線剛度比∑ib/∑ic＞10。反之，∑ib/∑ic值越小，反彎點(diǎn)越靠近支座，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度越小。在實(shí)際工程中，一般控制∑ib/∑ic＞3，即可保證反彎點(diǎn)位于柱中部1/3范圍內(nèi)。

簡(jiǎn)單的加大框架梁截面以獲得較大的梁柱線剛度比，往往是不經(jīng)濟(jì)的，為了使框架梁的剛度和承載力都能得到充分利用，在布置平臺(tái)次梁時(shí)，應(yīng)盡量使次梁長(zhǎng)度方向垂直于框架方向，如圖2方案二所示。

圖2

4.1.4 在工藝允許的條件下，增加框架中梁的層數(shù)和柱子的列數(shù)，可以有效提高框架側(cè)向剛度，如圖3所示。

圖3

4.2 靜力計(jì)算階段

主要工作是計(jì)算平臺(tái)構(gòu)件在設(shè)備運(yùn)行荷載、檢修荷載、積灰荷載、風(fēng)載等單獨(dú)作用或組合作用下的應(yīng)力、穩(wěn)定、撓度、疲勞。此時(shí)應(yīng)注意，設(shè)備動(dòng)荷載或沖擊荷載應(yīng)考慮動(dòng)力系數(shù)。

4.3 動(dòng)力分析階段

主要任務(wù)是分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)在周期動(dòng)載作用下的動(dòng)力反應(yīng)，包括水平向和豎向。須采用SAP、ANSYS等軟件進(jìn)行整體建模分析。

水平向的周期動(dòng)載來(lái)源于攪拌器的旋轉(zhuǎn)，攪拌器正常工作轉(zhuǎn)速為80～120r/min，即周期0.5～0.8s，屬于低頻動(dòng)載，動(dòng)力反應(yīng)以位移控制為主?？v觀多個(gè)項(xiàng)目的建模分析結(jié)果，脫硫鋼平臺(tái)的第一階平動(dòng)及扭轉(zhuǎn)周期基本都在0.3～0.8s范圍內(nèi)，與攪拌頭工作時(shí)的擾力周期范圍非常接近，因此極易引起共振效應(yīng)。分析結(jié)果若顯示二者周期相近、振幅位移超限，則應(yīng)重新調(diào)整平臺(tái)結(jié)構(gòu)布置方式及構(gòu)件截面，從而改變結(jié)構(gòu)自振周期，避開(kāi)共振區(qū)間。豎向的周期動(dòng)載主要來(lái)源于液壓傳動(dòng)脈沖引起的扒渣機(jī)晃動(dòng)，周期為0.5～1.0s，同樣是振幅或位移控制。豎向振動(dòng)分析僅針對(duì)扒渣機(jī)底座下部支承平臺(tái)梁，平臺(tái)梁的周期或基頻計(jì)算可參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的公式。

簡(jiǎn)支梁：

連續(xù)梁：

為了避免平臺(tái)梁產(chǎn)生較大豎向振動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選取梁截面，使其基頻避開(kāi)設(shè)備沖擊荷載的頻率。

5 結(jié)論及展望

作為一種鋼鐵冶煉重型設(shè)備平臺(tái)，脫硫鋼平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中須面對(duì)工藝復(fù)雜、設(shè)備笨重、工況復(fù)雜、沖擊荷載大等各種不利因素，設(shè)計(jì)者除了需要熟悉生產(chǎn)工藝和設(shè)備工況外，重點(diǎn)是要采取有效措施提高平臺(tái)重點(diǎn)部位和薄弱部位的剛度、控制結(jié)構(gòu)的自振周期從而避免發(fā)生強(qiáng)共振。設(shè)計(jì)過(guò)程中，概念和體系設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的承載效率、經(jīng)濟(jì)性和合理性基本上都取決于此；靜力計(jì)算是所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作都必不可少的，此階段千萬(wàn)不能忽視動(dòng)載設(shè)備的沖擊系數(shù)；為了避免平臺(tái)在周期動(dòng)載作用下發(fā)生劇烈振動(dòng)或晃動(dòng)，動(dòng)力分析在脫硫鋼平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中是不可或缺的。

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[3]林同炎，S.D.斯多臺(tái)斯伯利．結(jié)構(gòu)概念與體系（第二版）[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013．

（責(zé)任編輯：黃銀芳）

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1009-2374（2017）07-0033-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.015

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