宝钢集团新疆八一钢铁股份有限公司炼铁厂 新疆乌鲁木齐 830022
摘要：通过布料装置研制竖炉布料装置的计算校核，实现熔融还原炼铁工艺布料设备的国产化，并使其得到推广应用。
关键词：竖炉布料装置
The Ye stove Shu stove in Europe cloth device develops analysis
Pengyinjia
(Treasure force group eight steel company chain iron branches)
Summary:Develop a Shu stove through a cloth device the cloth equips of pit in the calculation school, the national product carrying out meltdown revivification chain iron craft cloth equipments turns, and make it get an expansion application.
Keyword:The Shu stove cloth equips
一、综述
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2012年，COREX-3000熔融还原炉整体搬迁到八钢。建设过程中对该工业炉的工艺技术进行了200多项技术改革创新，将其命名为欧冶炉。2015年6月18日欧冶炉成功点火开炉，连续生产69天后停炉检修，生产过程中欧冶炉显示出很多优越性，比如吃高炉不能吃的污泥、废料、低品位矿石、煤块等，铁水日产量曾达到4000吨，且铁水质量与高炉铁水质量差距不大 。
还原炉炉顶设备是实现欧冶炉矿线还原竖炉炉顶装料和布料的执行装置，控制矿石炉料按照工艺布料要求进入还原竖炉，是布料及上部调节的唯一手段，影响炉内的气流分布、还原炉金属化率等，是欧冶炉中最重要、最关键的设备之一。
还原炉布料装置采用西门子奥钢联设计的万向节布料器，随着欧冶炉工艺原料的改变，布料器卡阻的次数和概率增加，布料范围也不能满足工艺的要求，严重影响欧冶炉的正常运行。欧冶炉自2015年开炉以来已发生多起事故，2017年3月25日重新开炉使用至6月底，短短的3个月内今已发生3起故障事故：4月15日布料器卡死，造成休风2693分钟；5月5日布料器堵料，造成休风806分钟；5月26日矿布料器溜槽磨损，布料偏斜休风2135分钟进行检查。从这3起故障事故来看，欧冶炉布料器存在的问题已严重影响到欧冶炉稳定运行。分析总结现布料器存在的问题有如下几方面：
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1）布料器故障率高，且每次故障均会导致欧冶炉长时间的休风。
2）设备控制系统复杂，核心控制技术（MAC8）目前还未解密，处于技术垄断，存在运行技术风险。
3）布料器结构设计对原燃料的适应性差，原料入炉通道仅有300mm,无法满足配加烧结矿的粒度要求。
4）此万向节布料器的布料范围无法满足工艺需要，布料角度偏小，料不能依炉内操作需要布到边缘，导致竖炉边缘气流强，影响竖炉金属化率提升。
5）万向节布料器为进口技术，关键技术受封锁，无法实现国产化
现阶段，八钢公司已实施了欧冶炉处理处置废弃物的工业实验，实现了废物的资源化无害化处置，但布料器的结构尺寸要求入炉废弃物最大尺寸不大于50mm,已限制了处理处置废弃的选择范围，增大了处置成本，通过布料结技术升级，可实现欧冶炉绿色炼铁的长远目标，实现熔融还原炼铁工艺布料设备的国产化，并使其得到推广应用。
二、竖炉布料装置研制分析及计算
2.1竖炉布料装置方案
2.1.1技术方案分析
通过高炉气密箱与欧冶炉布料器工况及功能结构对比、溜槽长度及形式的对比、现有系统接口分析如表1所示，借鉴成熟且可靠的高炉水冷气密箱技术，将水冷气密箱的结构形式应用到还原炉布料装置上，是一种可行的技术方案。
表1 还原炉布料器与高炉水冷气密箱对比表
2.1.2技术方案确定
方案确定如下：
1）借鉴成套无料钟炉顶系统布料器代替欧冶炉布料器, 溜槽倾动采用液力平衡控制技术，溜槽旋转采用变频控制技术，便于控制系统的实现。
2）布料溜槽单独旋转、单独倾动以及旋转和倾动合成运动。
3）实现环形、螺旋、扇形、定点和中心布料等全功能布料。
4）增大物料通过颗粒度的范围。
5）增加溜槽长度，增大溜槽布料角度，满足工艺布料范围要求。
6）溜槽装卸采用卡挂方式，便于维修和拆装，增加其使用寿命。
7）布料装置内部冷却采用开式水冷却或闭式水冷却，降温保护，杜绝烧损。
8）布料装置密封采用浮动环式自润滑密封，保证设备内部运行环境。
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布料器方案图及参数如下：
1)布料溜槽长度：L=2500mm
2)布料溜槽倾动角度： 5°～45°
3)中心喉管：φ500mm
4)料流量：Q0=0.3m3/s
5)装料批重：C=8t， O=28.8t （料罐有效容积按16 m3计算）
6)堆比重：烧结矿γ：1.8 t/ m3，焦碳τ：0.5 t/ m3
7)溜槽旋转速度：n1=8.45r/min
8)溜槽最大倾动速度：n2=6°/s= 1r/min
9)旋转电机功率：N1=5.5kW，转速1445r/min
10)溜槽及托架重：2505kg
11)旋转减速机：速比I=36.52，输出转矩：1320N•m，输出轴转速：n=40r/min
2.2竖炉布料装置研制计算与校核
2.2.1倾动力矩及旋转力矩计算与校核
1）溜槽上的料重：（以料批中烧结矿的重量料容计算）
A.料罐有效容积：Q=16 m3
B.最快过料时间：t=Q/Q0=16/0.3=53.3s
C.溜槽每转一圈的时间：t0=1/n ×60=1/8.45 ×60=7.1s
F=0.196 m2， V=1.53m/s
E.溜槽有效长度上的料重（按烧结矿计算）：
W=（L料/V）* Q0γ=（2.2/1.53）×0.3×1.8×1000 =776kg
2） 溜槽重心：（不带料重心和带料重心）
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图1无矿料负载溜槽45°时重心位置
图2有矿料负载时溜槽45°时重心位置
图3无矿料负载时溜槽5°时重心位置
由图1、图2、图3，得溜槽重心位置表
3)最大倾动力矩和最大回转力矩计算：
●上回转支承垂直吊挂负荷：T=T0+ T溜槽+ T料
T0 ：吊挂在上回转支承上的各部分的重量（包括旋转套筒、框架、托圈、下回转支承、耳轴、曲柄、曲柄尾轮等）约 4200kg；
T溜槽：溜槽及溜槽托架重量约2505kg；
T料：溜槽上料的重量（按矿石计算）最大约776kg；
T：吊挂在上轴承上的所有重量，包括最大料重。
T=4200kg + 2505kg + 776kg=7481kg
●溜槽倾动力矩：
A.当溜槽摆动到最小角度5°时，由图11可计算溜槽转矩M0空
M0空= T溜槽×X5空/1000
=2505×282/1000=706 kg•m
B.当溜槽摆动到最大角度45°时，
M45空= T溜槽×X45空/1000
=2505×413/1000
=1035kg•m
C.当溜槽摆动到角度45°时，可计算出溜槽带料时（重心）的力矩
M45料= （T溜槽+T料）×X45料/1000
=（2505+776）×461/1000
=1513 kg•m
●倾动摩擦矩：
●溜槽旋转力矩：
上回转支撑在调质状态下，最大圆周力：18.8t，
额定圆周力：18.8/2=9.4t，
则最大许用回转力矩为：
M上轴承=9.4×(1572/2)=7388.4kg•m
A.mO= T•μ2•R1
μ2—滚道摩擦系数，取0.025
R1—上回转支承滚道半径，取0.7m
mO =7481×0.025×1.4/2=131 kg•m<<7388.4kg•m,
故上轴承完全满足要求。
B.m1= T1•μ2•R2
R2—下回转支承滚道半径，取0.9m
m1=（M45料/（0.32×cos8°））×0.025×1.8/2
=4774.6×0.025×1.8/2=107.4 kg•m
T1是溜槽摆动到角度45°时，带料溜槽对下回转支承的作用力，等于M45料。
4）计算校核电机功率和油缸能力：
●旋转电机校核
电机过载能力：经查手册λ=2.5
5.5×2.5=13.75＞6.4故旋转电机启动时不会过载，满足要求。
●倾动油缸校核：
托圈等上下运动部件的重量能否将溜槽压起45°需克服负载力：
托圈与导轨间的摩擦力：
Ff =（M45料/（L•cos8°））•(L•cos8° -e)/s•μ=1513/0.317×0.317/0.47×0.1=322 kg
e—耳轴中心偏心距，
L—曲柄长度，
s—导轮跨距，
μ—摩擦系数
当溜槽被压起摆动到45°时，产生的总反力矩为：
M总= M45料=1513 kg•m
托圈等上下运动部件的重量：G托圈=1980 kg
当溜槽被压起摆动到45°时，曲柄上摆8°，此时压起溜槽的力应满足：
油缸拉起溜槽的总力应满足：F拉=G托圈+ F2=1980+3017=4997 kg
a)每个油缸上的最大拉力为：F拉= F总/3=4997/3=1666kg
b)每个油缸的最大推力为：F推=2795/3=932 kg
c)查油缸手册得知：100/63的油缸在工作压力10MPa时，推力为 7850kg,拉力为4734kg，完全可以满足要求。
通过上述的计算，布料器驱动功能完全满足设计要求。
2.2.2料流轨迹计算
1 落料过程理论分析
由于接触到溜槽后，料流的运动方向发生改变，速度要减小。通过实验可测得特定条件下的折算因素。该过程如图14 所示。
炉料落到溜槽后的流速为：
λ1—速度折算因素
v1 —料流落到溜槽前初始速度，m/s
α—溜槽倾角，°
根据受力分析，沿溜槽方向炉料的运动规律可以按照下列的运动方程进行描述。
炉料在溜槽末端沿溜槽轴线方向下滑的速度为：
式中L0—炉料在溜槽上滑行的距离，m
b—倾动距，即溜槽摆动中心到溜槽底部的距离，m
ω—溜槽旋转角速度，r/s
μ—炉料与溜槽之间摩擦系数
从溜槽末端的下缘起，到料面间的高炉空间叫空区。炉料离开溜槽后落入了空区，除受到重力继续作用外，还受到煤气阻力作用。料流是由一个单元离散体组成的。每一块料所受的潜体阻力的大小不仅与炉喉内煤气速度有关，也与块料自身速度有关。在求煤气阻力时，炉料的流速远远大于煤气的流速，另外还有高炉内的热流以及煤气中的粉尘都会对潜体阻力产生影响，这是个非常复杂的过程。如图所示
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由溜槽旋转中心 O 到炉料落点 P 的水平距离 r 为：
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2 还原炉布料器炉料轨迹理论计算
计算边界条件如下表4。
1）利用CAE软件建立整套还原炉布料装置的虚拟样机，模拟布料装置的与钢结构的空间位置关系以及布料器更换过程等。同时对布料器内部进行动作干涉检查，并对整体结构以及关键零部件进行有限元分析进行强度刚度校核。
布料器局部结构调整，满足空间更换要求。
2）采用有限元软件对箱体、水冷盘、托圈等关键受压受力零部件进行了有限元模拟计算，
校核设计强度刚度。
1)箱体强度校核
2)边界条件
c.结论
Q355B的屈服强度为355MPa，分析部分最大值为97.5MPa，安全系数为3.6，满足设计要求。
1)托圈强度校核
d.边界条件
f.结论
Q355B的屈服强度为355MPa，分析部分最大值为37.6MPa，安全系数为9.4，满足设计要求。
2.2.4布料器控制系统及辅助系统研制
1布料器给排水及氮气供给系统
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布料器的正常运行需要保证冷却水供给满足设计要求以及排放。布料器冷却水供给采用原水泵系统，增加相应调节阀、测控设备及管道后供给布料器主体。布料器排水采用U形水封原理，利用水柱压差抵消布料器箱体内部压力，实现排水而不漏气，原理见图24 。
布料器采用氮气密封，在原布料器氮气供给的系统上增加相应调节阀、测控设备及管道后供给布料器主体。氮气消耗量设计值每小时200～500NM3 /h左右，使布料器箱内压力高于炉内～0.002MPa左右，也就是使传动箱相对于炉内保持微小的正压，原理见图24。
布料器底部中心位置采用煤气冷却，利用原布料器煤气供给的系统上直接供给布料器主体。冷煤气耗量设计值2000～3000Nm³/h，压力约0.4Mpa，高于炉内压力约0.02MPa。
布料器水氮气煤气系统介质设计耗量表
布料器采用成熟的干油智能润滑系统。智能润滑原理见图25。布料器的正常运行，确保传动箱内两个回转支承和齿面的润滑，共计15个润滑点。
布料器干油智能润滑系统为40Mpa高压润滑系统，主要由补油泵、电动高压润滑泵、主控柜、电磁给油器集成、干油过滤器、截止阀带滤芯（数量5）、站外电缆、电脑监控系统、压力传感器等组成，系统分别由电动加油泵向高压润滑泵供油脂，高压润滑泵通过电磁给油器、流量传感器及管道分别点对点将油脂供应到需要润滑的位置。
3布料器控制系统
1） 电气控制系统
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布料器电气控制系统由控制柜、现场操作箱及端子接线箱组成，其控制原理如图26。
控制柜安装于平台电气室内，采用DP总线通讯形式与主控系统PLC进行数据交互，接受来自主控系统PLC的运行指令，向主控系统PLC发送现场设备的运行状态、数据。现场操作箱就近安装于布料器本体附近，便于现场检修维护操作，且方便本体设备的更换拆卸。电气仪表、传感器、执行器集中设置端子接线箱以方便线缆敷设及电气设备检修。
控制柜控制功能有选择投用变频器功能、控制布料器旋转（β角）功能和控制布料器倾动（α角）功能。
●选择投用变频器功能
控制柜内设计两台旋转变频器，一用一备驱动同一台布料器旋转电机，完成布料器的旋转运行控制。控制柜上设置有本柜/远程选择开关，在本柜控制模式下，可通过柜门上的选择开关选择投用的变频器；在远程控制模式下，可通过主控选择投入使用的变频器，以确保在一台变频器出现故障时，另一台变频器可以远程投入使用。
●控制布料器旋转（β角）功能
控制柜接收来自现场操作箱或主控系统PLC的旋转指令，控制变频器以设定的转速驱动布料器旋转。现场操作箱上设旋转现场/旋转远程转换开关用于选择布料器旋转指令源。当转换开关选择旋转现场档位时，可通过现场操作箱上的正转、反转、停止按钮控制布料器的旋转启停；当转换开关选择旋转远程档位时，可通过主控系统PLC远程控制布料器的旋转启停。
不论是现场控制布料器旋转还是主控系统PLC控制布料器旋转，旋转速度都由主控系统PLC统一设定。
●控制布料器倾动（α角）功能
控制柜接收来自现场操作箱或主控系统PLC的倾动指令，控制液压比例阀以设定的开度驱动布料器倾动。现场操作箱上设倾动现场/倾动远程转换开关用于选择布料器倾动指令源。当转换开关选择倾动档位时，可通过现场操作箱上的上倾、下倾按钮控制布料器的倾动动作，该操作按钮为点动操作模式；当转换开关选择倾动远程档位时，可通过主控系统PLC远程控制布料器的倾动动作。
主控系统PLC远程控制布料器倾动动作指令分为点动和定点两种控制方式。主控系统点动控制倾动为开关量远程动作指令，与现场操作箱控制方式相同，主要用于设备检修修动作测试；主控系统定点控制为编码器负反馈闭环控制，控制柜将按照主控系统给的的目标倾动角度自动调节比例阀开度直至编码器反馈值与目标值满足设计误差范围。倾动角度定点控制为系统正常运行时的控制方式。
2 ） 液压系统
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液压系统用于布料器液压缸驱动布料器本体，包括含液压站、控制阀台，其中液压站利用原液压站，控制阀台采用成熟的布料器控制原理，如图27。
a.系统主要参数：到达阀台进口的工作压力：15～18Mpa。
b.液压介质：46#抗磨液压油，油液清洁度NAS 1638 7级。
c. 工作流量：31L/min（对应溜槽上倾4°/s），15.5L/min（对应溜槽下倾4°/s）。
d. 比例阀控制信号为模拟量4-20mA，12mA为阀芯中间位，越接近4和20mA阀芯开度越大；比例阀控制电压：24V DC。
e.系统工作方式：比例阀一用一备。
2.2.5 布料装置气密动作等试验
1 布料器气密性试验
3 布料器通水试验
布料器进水管接通供水源，压力≥0.2MPa，冷却水流量10m3/h，温度为常温。布料溜槽旋转，分别接通两个进水管，并接两个排水孔，调整冷却水量达10m³/h，冷却水无堵塞，水流畅通，管路无泄漏，密封环缝及耳轴处无溢水现象。
安装音叉水位计，调整水位计座高度，满足冷却水量10m³/h时高水位报警。
4布料器连续运转试验
●β角旋转系统：
1）电机及轴承温升：最高≤15℃；
2）噪音：在距布料器1m远处噪音≤70Db；
3）电机三相流：β角电机三相电流相差不超过10％，各相电流均小于额定电流50％。
●α角倾动系统：
1）溜槽倾动平稳，无卡阻、冲击和异常噪音；
2）溜槽倾动范围：溜槽角度最大极限范围为5°～45°。
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2.2.6布料溜槽安装与拆卸分析及应用
由于还原炉无溜槽更换孔，因此设计了布料溜槽更换用支架，见图29。待溜槽安装到布料器本体后整体安装到炉头的水冷盘上。
布料溜槽安装过程如下：
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a. 布料溜槽放置到更换支架底部上，布料器本体放置到更换支架上。这时布料器托架倾动到32°，并用插销锁死。溜槽前、后端吊点分别安装手拉葫芦吊装溜槽。
b. 提升溜槽后端吊点，放松溜槽前端吊点，使溜槽倾斜角度约45°。注意吊装过程中不要磕碰旋转套筒内腔以及溜槽托架等。
c. 水平移动并提升溜槽后端吊点，放松溜槽前端吊点，使溜槽尾部上端面进入托架挡销内，溜槽尾部卡勾越过托架卡角。注意吊装过程中不要磕碰旋转套筒内腔等。
d. 先放松溜槽后端吊点，然后放松溜槽前端吊点，逐步使溜槽尾部卡勾与托架卡角贴合。
e.去掉吊装工具，在溜槽托架与溜槽安全销插孔处安装安全销，拧上螺母后点焊放松脱。
三、结论
通过分析对比计算，结合欧冶炉工艺特点，借鉴现用的高炉用成熟布料器模式，证明技术开发是可行的。同时通过布料装置的开发对中国非高炉炼铁工艺技术提升意义重大。打破了布料器控制系统技术瓶颈，实现控制系统的完全国产化，消除系统运行技术风险。借鉴成熟的布料器结构设计，可大大降低设备故障率，提升欧冶炉作业率。配合欧冶炉工艺技术提升，增强原料适应能力，为持续提升烧结配比，指标优化创造条件，彻底解决因布料器布料角度小而导致竖炉边缘气流强的问题，实现布料最优、煤气流分布更加合理，竖炉金属化率持续提升的目标。实现了欧冶炉处理处置废弃物的工业实验，实现了废物的资源化无害化处置，但布料器的结构尺寸要求入炉废弃物最大尺寸不大于50mm,已限制了处理处置废弃的选择范围，增大了处置成本，通过布料结技术升级，可实现欧冶炉绿色炼铁的长远目标，实现熔融还原炼铁工艺布料设备的国产化，并使其得到推广应用，也同时对相同类似设备研制提出了很全面的计算分析样板。
参考文献：
[1]《机械设计手册》