馬鋼2 500 m3高爐上料系統(tǒng)設(shè)備的改造分析

周金超，徐志坤

（中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019）

0 引言

馬鞍山鋼鐵股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱馬鋼）第二煉鐵總廠1#2 500 m3高爐由中冶華天工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，并于1994年4月25日建成投產(chǎn)，2007年2月26日經(jīng)過一次停爐大修。至2018年，鑒于1#2 500 m3高爐生產(chǎn)已進(jìn)入爐役后期，生產(chǎn)中爐缸溫度偏高；系統(tǒng)設(shè)備磨損、老化嚴(yán)重；以及工藝裝備水平難以滿足現(xiàn)行高爐生產(chǎn)要求，特別是上料系統(tǒng)的設(shè)備嚴(yán)重破損，性能結(jié)構(gòu)落后，維修故障率和成本非常高，不能滿足環(huán)保要求，因此馬鋼決定于2018年8月再次對(duì)1#2 500 m3高爐進(jìn)行大修。

1 上料系統(tǒng)設(shè)備及改造內(nèi)容

1#2 500 m3高爐目前礦槽為雙排布置，共設(shè)16個(gè)料槽。槽下各種物料均采用分散篩分、分散稱量，按上料程序通過1#、2#上料主膠帶機(jī)接力形式加到爐頂料罐。槽下振動(dòng)篩篩下碎礦、碎焦分別經(jīng)各自膠帶機(jī)運(yùn)送到碎礦、碎焦系統(tǒng)，再進(jìn)行篩分分級(jí)，回收焦丁和礦丁入爐。本次高爐大修工程，礦焦槽及上料系統(tǒng)原則上不做大的改造，現(xiàn)有槽下系統(tǒng)工藝布置不變，只是進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備改造，新增槽下液壓站和集中潤(rùn)滑站以及對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)性改進(jìn)。新增槽下液壓站供槽下稱量漏斗的液壓缸用，新增潤(rùn)滑站供槽下稱量漏斗的軸承潤(rùn)滑和上料主皮帶機(jī)頭輪的軸承潤(rùn)滑用。改造內(nèi)容主要包括1#上料主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置更換、2#槽下主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置更換、各種稱量漏斗的改造以及各種礦倉(cāng)閘門的改造等等。

2 上料主皮帶機(jī)的改造分析

2.1 上料主皮帶機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

改造后1#上料主皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù):膠帶機(jī)寬度：1 600 mm；膠帶機(jī)速度：2 m/s；上料能力：礦石 2 730 t/h，焦炭 680 t/h；水平長(zhǎng)度：304.508 m；提升高度：～60.79 m；膠帶：鋼絲繩膠帶 ST2000；電機(jī) ：4×250kW，6KV，3用1備。

改造后2#槽下主皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù):膠帶機(jī)寬度：1 600 mm；膠帶機(jī)速度：2 m/s；上料能力：礦石 2 730 t/h ，焦炭 680 t/h；水平長(zhǎng)度：139.4 m；提升高度：～ 6.05m；電機(jī) ：2×160 kW，380V，1用 1備。

運(yùn)輸物料的堆比重：焦炭：0.5 t/m3；燒結(jié)礦：1.8 t/m3；球團(tuán)礦：2.2 t/m3；塊礦：2.5 t/m3。

由于上料主皮帶機(jī)的整體布置和以前保持不變，只是帶速由1.8 m/s提高到2.0 m/s，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的功率等參數(shù)可以保持不變，如表1是上料主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的技術(shù)參數(shù)。圖1是1#上料主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置布置圖，圖2是2#槽下主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置布置圖。

表1 上料主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的技術(shù)參數(shù)

圖1 1#上料主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置布置圖

圖2 2#槽下主皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置布置圖

2.2 上料主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力的校核

先對(duì)1#上料主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力的校核。

皮帶機(jī)的運(yùn)輸能力:Im=Svkρ（kg/s）

得到:Q=3.6Svkρ（t/h）

上式中S:皮帶機(jī)上物料的最大截面積，m2；v:帶速；k:傾斜系數(shù)；ρ:物料堆比重，kg/m3。

（1）1#上料主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力Q核算

確定S值：由槽角α=35°，得堆積角θ=（0.5～0.75°）×α=17.5～26.25°，取 θ=20°。由《運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）表1-3查得S=0.3 m2。

確定k值：皮帶機(jī)的傾角δ=arctgH/Lh=arctg60.79/304.508=11.3124°。上式中，Lh：皮帶機(jī)的水平長(zhǎng)度；H：皮帶機(jī)的提升高度。由《手冊(cè)》表2-28查得k=0.93。

在計(jì)算含鐵礦運(yùn)輸能力的時(shí)候，ρ取燒結(jié)、球團(tuán)、塊礦的綜合堆比重1.95 t/m3，

則：Im=Svk ρ=0.3×2×0.93×1 950=1 088 kg/s；

所以1#上料主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力滿足含鐵礦運(yùn)輸工藝要求。

在計(jì)算焦炭運(yùn)輸能力的時(shí)候，ρ取0.5t/m3，

則：Im=Svkρ=0.3×2×0.93×500=279 kg/s；

所以1#上料主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力滿足焦炭運(yùn)輸工藝要求。

（2）2#槽下上料主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力Q核算

根據(jù)同樣的原理，計(jì)算皮帶機(jī)的傾角δ=arctgH/Lh=arctg6.05/139.4=12°，由《手冊(cè)》表2-28查得k=0.93。

則含鐵礦：Im=Svkρ=0.3×2×0.93×1 950=1 088kg/s；

所以2#槽下主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力滿足含鐵礦運(yùn)輸工藝要求。

則焦炭：Im=Svkρ=0.3×2×0.93×500=279 kg/s；

所以2#槽主皮帶機(jī)運(yùn)輸能力滿足焦炭運(yùn)輸工藝要求。

2.3 聯(lián)軸器的改造分析

1#上料主皮帶電機(jī)和2#槽下主皮帶電機(jī)后面選用的是液力耦合器與減速機(jī)鏈接，因?yàn)檫@樣可以改善設(shè)備啟動(dòng)性能和減少電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)沖擊。按照工藝和設(shè)備啟動(dòng)要求，決定選用帶制動(dòng)輪限矩型液力耦合器。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率由《手冊(cè)》表1-44和表1-45選定了型號(hào)分別是YOXⅡZ750和YOXⅡZ560。帶制動(dòng)輪限矩型液力耦合器的主要特點(diǎn)是

（1）設(shè)備起動(dòng)平穩(wěn)，在運(yùn)行中消減沖擊與振動(dòng)。

（2）提高電動(dòng)機(jī)能力，減少電網(wǎng)的沖擊電流。

（3）可以起到過載保護(hù)的作用，保護(hù)電機(jī)、工作機(jī)，不會(huì)因過載而損壞、燒毀。

（4）可以縮短啟動(dòng)電流的持續(xù)時(shí)間，節(jié)省能源。

（5）在多電機(jī)并聯(lián)時(shí)能均衡負(fù)荷。

（6）液力偶合器構(gòu)件無(wú)機(jī)械磨損，壽命長(zhǎng)。

2.4 減速機(jī)的改造分析

對(duì)于減速機(jī)的主要技術(shù)要求如下：減速機(jī)采用平行軸；減速機(jī)需帶逆止器，1#上料主皮帶機(jī)逆止力矩不能小于39 kN.m，2#槽下主皮帶機(jī)逆止力矩不能小于15.2 kN.m；減速機(jī)的機(jī)械功率不小于1.8倍的電動(dòng)機(jī)功率；減速機(jī)的熱功率不小于1.15倍的電動(dòng)機(jī)功率；電源條件：AC380V；不允許采用非標(biāo)產(chǎn)品；減速箱提供油溫、高速軸軸承測(cè)溫點(diǎn)；減速箱軸承采用SKF品牌減速箱高低速軸有良好的密封保護(hù)措施，確保開機(jī)無(wú)滲漏。

（1）1#上料主皮帶機(jī)減速機(jī)的改造分析

根據(jù)表1計(jì)算如下：

減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速：n=v×60/（2r×π）=2×60/（2×0.625×3.14）=30.56,

減速機(jī)的速比i=1 000/30.56=32.72

減速機(jī)功率：P2N≥P2×f1×f2=250×1.5×1=375 kW，

式中：f1是工作機(jī)系數(shù)，f2是原動(dòng)機(jī)系數(shù)。

根據(jù)弗蘭德樣本減速機(jī)初步選型型號(hào)H3SH15，額定功率P2N=512 kW，速比iN=31.5。

所以由弗蘭德樣本3.3×P=3.3×250=750 kW≥512 kW（其中3.3是安全系數(shù)），滿足要求。

在對(duì)自然冷卻熱容量、風(fēng)扇冷卻熱容量和風(fēng)扇+冷卻盤管冷卻熱容量的計(jì)算后，根據(jù)減速機(jī)的熱功率不小于1.15倍的電動(dòng)機(jī)功率的條件，選定減速機(jī)的型號(hào)是H3SH15+F+C。

（2）2#槽下主皮帶機(jī)減速機(jī)的改造分析

根據(jù)表1計(jì)算如下：

減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速：n=v×60/（2r×π）=2×60/（2×0.5×3.14）=38.21，

減速機(jī)的速比：i=1500/38.21=39.26。

減速機(jī)功率 P2N≥P2×f1×f2=200×1.5×1=300kW

根據(jù)弗蘭德樣本減速機(jī)初步選型型號(hào)H3SH12，額定功率P2N=307 kW，速比iN=40。

所以由弗蘭德樣本3.3×P=3.3×200=660 kW≥307 kW（其中3.3是安全系數(shù)），滿足要求。

在對(duì)自然冷卻熱容量、風(fēng)扇冷卻熱容量和風(fēng)扇+冷卻盤管冷卻熱容量的計(jì)算后，根據(jù)減速機(jī)的熱功率不小于1.15倍的電動(dòng)機(jī)功率的條件，選定減速機(jī)的型號(hào)是H3SH12+F+C。

3 稱量漏斗的改造分析

3.1 稱量漏斗的改造優(yōu)化

（1）為了減少振動(dòng)篩出來的物料對(duì)稱量漏斗錐段襯板的磨損，一是增加襯板厚度；二是在稱量漏斗的直段上部增加料墊裝置，料墊裝置是由料墊和H型鋼組成，先把H型鋼焊接在稱量漏斗的內(nèi)壁，H型鋼到稱量斗頂面的距離500 mm左右，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)情況可調(diào)整，然后料墊用緊固件固定在H鋼上，而且料墊的位置根據(jù)需要可以移動(dòng)，料墊中充滿物料相當(dāng)于料打料，振動(dòng)篩出來的物料經(jīng)過料墊裝配緩沖后再進(jìn)入稱量漏斗，這樣大大加大了漏斗錐段襯板的壽命，節(jié)省了更換襯板，增加了效益，圖3是料墊裝配簡(jiǎn)圖。

圖3 料墊裝配簡(jiǎn)圖

（2）原有的稱量漏斗采用電機(jī)加減速機(jī)和四連桿機(jī)構(gòu)的方式卸料，這種方式成本較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且需要工人定期巡檢耗費(fèi)人力，這次改成蝸輪蝸桿手動(dòng)調(diào)節(jié)閘門+液壓驅(qū)動(dòng)閘門的驅(qū)動(dòng)方式來卸料。稱量漏斗的支架以前是支撐在平臺(tái)上，現(xiàn)在要求支架落地。

蝸輪蝸桿手動(dòng)調(diào)節(jié)閘門用來控制物料的流量，不同的物料就打開的不同開口度。閘門上裝有行程標(biāo)尺，能夠準(zhǔn)確控制開口度。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，螺桿帶動(dòng)閘板沿著閘門本體上的軌道運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閘門開口度的調(diào)節(jié)。當(dāng)手輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，閘門達(dá)到所需要的開口度時(shí)，由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)本身具有自鎖功能，所以在沒有外力的情況下閘門不會(huì)往回運(yùn)動(dòng)。

（3）為了適應(yīng)環(huán)保的要求，稱量漏斗的下部閘門直接插入槽下主皮帶的導(dǎo)料槽內(nèi)，液壓驅(qū)動(dòng)閘門放在稱量漏斗的內(nèi)部，這樣灰塵難以散開到外面。閘門的開口度通過接近開關(guān)控制，在稱量漏斗的內(nèi)部還有襯板來控制它的極限打開位置，另外除塵罩與振動(dòng)篩的出口處采用橡膠軟連接。

3.2 稱量漏斗液壓閘門的設(shè)計(jì)分析

稱量漏斗液壓閘門是由液壓缸驅(qū)動(dòng)曲柄，曲柄帶動(dòng)軸和翻板轉(zhuǎn)動(dòng)。翻板焊接在鋼管上，鋼管的兩側(cè)通過平鍵連接兩個(gè)半軸。軸直徑的確定是關(guān)鍵所在，根據(jù)工況要求塊礦的堆比重最大，此時(shí)翻板受力最大。經(jīng)過計(jì)算落在翻板上的料柱的重力是1.684 t，對(duì)軸的轉(zhuǎn)矩是8 385 Nm。液壓缸的選用內(nèi)徑63 mm，活塞桿直徑選用45 mm，工作壓力選用10 Mpa，力臂是296 mm時(shí)，則液壓缸的推力是31.17 kN，對(duì)軸的轉(zhuǎn)矩是 31.17×103×0.296=9 226 Nm。＞8385 Nm，滿足要求。圖3是半軸的三維模型。

對(duì)半軸進(jìn)行三維建模，對(duì)半軸進(jìn)行有限元分析，安裝軸承處的力是8420 N，彎矩是9 226 Nm，分析后得到最大的應(yīng)力是40 Mpa。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，翻版軸選用Φ100 mm、40Cr材質(zhì)的軸，其而許用應(yīng)力是55 Mpa，所以剪切應(yīng)力滿足要求。

圖3 半軸的三維模型

4 結(jié)語(yǔ)

馬鋼1#2 500 m3高爐大修工程上料系統(tǒng)設(shè)備的改造工程已經(jīng)投產(chǎn)一年了，目前運(yùn)行情況良好。尤其對(duì)主皮帶機(jī)減速機(jī)和液力耦合器的選型合理經(jīng)濟(jì)，對(duì)稱量漏斗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改造和稱量漏斗閘門驅(qū)動(dòng)的改進(jìn)使得整個(gè)上料系統(tǒng)運(yùn)行更加順暢，還減少了維修成本，此次改造非常成功，對(duì)同類型高爐的生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。