韓 鵬 劉景春

(上海寶鋼工程技術(shù)有限公司，上海201900)

“一包到底”作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)新的工藝近年來越來越受到青睞?！耙话降住笔侵敢环N新的鐵水運輸工藝，即采用大容量鐵水車裝載煉鋼專用鐵水包將高爐鐵水運送到煉鋼廠。運輸中間鐵水不需要進行倒罐，鐵水包中的鐵水經(jīng)預(yù)處理或直接兌入轉(zhuǎn)爐冶煉鋼水。采用大容量鐵水車裝載煉鋼專用鐵水包直接運輸鐵水縮短了工藝流程。與傳統(tǒng)的魚雷型混鐵車運輸工藝比較，減少了一次倒包作業(yè)，取消了煉鋼車間的倒罐站及除塵等設(shè)備，改善了煉鋼廠的作業(yè)環(huán)境。近年來國內(nèi)新建鋼鐵項目如馬鋼慈湖、鞍鋼鲅魚圈、首鋼曹妃甸以及巴西CSV項目均考慮過采用“一包到底”工藝。然而由于“一包到底”需要配備300 t以上大容量鐵水車，而目前國內(nèi)成熟的標準系列鐵水車的最大容量為140 t，非標鐵水車最大容量為180 t，定型的300 t以上大容量鐵水車國內(nèi)尚處于空白，因此使“一包到底”的工藝方案受到設(shè)備的制約而難以順利實現(xiàn)。馬鋼慈湖、鞍鋼鲅魚圈項目最終不得不放棄“一包到底”工藝。目前首鋼曹妃甸項目雖然已確定采用“一包到底”工藝，但大容量鐵水車尚處于試制和模擬試驗階段，能否保證設(shè)備的安全可靠性還有待于工業(yè)性運用后判定。

1 大容量鐵水車設(shè)計的難點

大容量鐵水車設(shè)計的最大難點是如何保證整車運行的安全穩(wěn)定性。由于鐵水車是由車體、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、輪對和彈簧懸掛裝置共同組成的一個復(fù)雜多單元體質(zhì)量系統(tǒng)，并且實際的鐵路軌道不可能是絕對平直和剛性的，存在著各種各樣的不平順，鋼廠內(nèi)部鐵路條件相對更加惡劣，因此車輛在軌道上運行時，輪軌之間會產(chǎn)生不斷變化的輪軌作用力。這些作用力會激起車輛振動，車輛的劇烈振動將對車輛的安全運行構(gòu)成威脅。車輛運行時受到各種橫向力的作用(如: 風(fēng)力、橫向振動慣性力、離心力、偏載等)，使車輛一側(cè)車輪減載,一側(cè)車輪增載。在最不利的組合工況下，車輛一側(cè)的車輪與鋼軌之間的垂向作用力減少到零時，車輛就存在傾覆的危險。另外車輛沿軌道直線部分運行時,正常工作條件下車輪上的踏面部分與鋼軌面接觸。當車輛進入彎道時，由于受到離心力、風(fēng)力、橫向振動慣性力等各種橫向力的作用使轉(zhuǎn)向架前輪對外側(cè)車輪的輪緣貼靠鋼軌側(cè)面。如果在特定條件下，車輪作用在鋼軌上的橫向力很大，而車輪作用在鋼軌上的垂向力很小，車輪就有可能逐漸爬上鋼軌輪緣頂部達到鋼軌頂面而脫離軌道。尤其是在各種不利因素作用下低速重載車輛極易脫軌。

以目前開發(fā)設(shè)計的300 t鐵水車為例。我國鋼廠鐵路的軌距采用國家鐵路標準軌距1 435 mm，而300 t鐵水車所承載的鐵水罐最大直徑約?4 700 mm，由于罐體的外形和結(jié)構(gòu)使車體的外形尺寸嚴重超限。車體的總寬約6 200 mm，鐵水車承載鐵水罐時的總高約6 300 mm，座罐滿載時整車重心處于一個較高的位置，運輸?shù)蔫F水溫度在1 500℃左右，在機車的牽引下通過廠區(qū)的彎曲線路半徑R150 m～R180 m。這些不利條件加大了鐵水車運行時產(chǎn)生傾覆和脫軌的可能。

2 提高大容量鐵水車運行安全可靠性的措施

如何提高大容量鐵水車的運行安全可靠性，我們認為應(yīng)從以下幾方面著手：

(1)適當加大車輛運行軌距，如采用1 600 mm、1 676 mm軌距。通過加寬軌距可以提高車輛的穩(wěn)定性。但在具體實施上存在一定困難。由于我國鋼廠內(nèi)部鐵路線一般均采用國標1 435 mm軌距，車輛和機車的走行裝置也都是按照國標軌距設(shè)計的。若采用加寬的非標軌距將會對鋼廠鐵路線路布置和車輛的管理及維修帶來很大不便。

(2)降低整車重心。設(shè)計大容量鐵水車時應(yīng)盡可能地降低整車的合成重心位置，即盡量降低車輛的高度。同時在轉(zhuǎn)向架軸載荷允許的情況下適當加大車體部分大車架的自重。

(3)減少曲線軌道，加大曲線軌道半徑。在鋼廠鐵水運輸鐵路線的設(shè)計上盡量減少曲線軌道，必須采用曲線軌道時應(yīng)設(shè)計成緩和曲線軌道。曲線軌道的半徑應(yīng)盡可能大。

(4)限制運行速度。大容量鐵水車滿載的運行速度不宜過快，應(yīng)控制在(8～10)km/h之間。(5)提高軌道線路鋪設(shè)精度。鋼廠內(nèi)部鐵路線路的狀況是影響大容量鐵水車運行安全的關(guān)鍵因素。因此軌道線路鋪設(shè)應(yīng)嚴格按照冶鐵機規(guī)ⅠA級和與之匹配的相關(guān)軌道鋪設(shè)標準施工。

(6)提高大容量鐵水車走行部及各支撐連接部分的靈活性。即保證鐵水車各連接心盤面具有良好的潤滑狀態(tài)。

(7)設(shè)計上要考慮大容量鐵水車車體與鐵水罐座罐的固定裝置。即防止車輛側(cè)傾時鐵水罐與車架自行分離的可能。

(8)減小輪軌之間的磨擦。在大容量鐵水車走行裝置兩端的轉(zhuǎn)向架上設(shè)置輪緣潤滑裝置。

如果在設(shè)計大容量鐵水車時注意了以上問題，并且在運行中加強設(shè)備的維護與管理，將有助于提高設(shè)備運行的安全可靠性。

3 國外大容量鐵水車的應(yīng)用

日本JFE京濱制鐵所于上世紀70年代中期采用“一包到底”工藝，采用310 t鐵水車運輸鐵水。鋼廠內(nèi)鐵路的軌距為1 676 mm。鐵水包采用球形底短流鐵口結(jié)構(gòu)，車的走行部分采用6組二軸轉(zhuǎn)向架，鐵水車設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)比較緊湊。機車在直線軌道的牽引速度為(13～16)km/h,曲線軌道時為(6～8)km/h。由于其采用了加寬的1 676 mm軌距使鐵水車的運行安全性得以較大提高。鐵水車運用過程中偶爾也發(fā)生過脫軌情況，通過彎道時車輪對鋼軌的磨損比較嚴重，但使用中沒有發(fā)生過傾覆事故。

4 國內(nèi)大容量鐵水車的研制和試驗

目前國內(nèi)開發(fā)設(shè)計的標準軌距300 t鐵水車有兩種方案，一種走行裝置采用4組三軸轉(zhuǎn)向架(如圖1所示)，另一種走行裝置采用8組二軸轉(zhuǎn)向架(如圖2所示)。每兩組轉(zhuǎn)向架之間通過平衡梁連接。承重車架通過兩端大心盤與走行裝置連接。車鉤連接緩沖裝置采用了日本柴田式大擺角車鉤和新型ST緩沖器，更有利于通過小彎道。為減小車輪與鋼軌的摩擦，保證順暢通過彎道，在走行部分的兩端轉(zhuǎn)向架上設(shè)置了輪緣涂油器。車輛各心盤支撐面采用了自潤滑形式，使其潤滑可靠、操作維護方便。4組三軸轉(zhuǎn)向架方案的結(jié)構(gòu)相對比較緊湊，設(shè)計的車總長度短，8組二軸轉(zhuǎn)向架方案車總長度比前者長，但二軸轉(zhuǎn)向架通過彎道的性能比前者好。兩種方案分別由大連交通大學(xué)和西南交通大學(xué)進行了鐵水車運行傾覆穩(wěn)定性及動力學(xué)分析計算。通過對車輛傾覆、脫軌、車體浮心高度計算及車輛動力學(xué)分析結(jié)果來看，鐵水車運行安全性在理論計算上得到通過。

針對首鋼搬遷曹妃甸工程設(shè)計研制的大容量鐵水車的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。采用了8組二軸轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)。大連重工試制完成了三臺樣車，并于2007年12月在首鋼曹妃甸進行了空載和模擬重載運行試驗。由首鋼院、西南交通大學(xué)、大連重工等單位對運行試驗的數(shù)據(jù)進行了測試?？蛰d和模擬重載運行試驗的情況及數(shù)據(jù)檢測結(jié)果令人滿意，因此大容量鐵水車空載和模擬重載運行試驗獲得了通過。

圖1 標準軌距300t鐵水車方案一Figure 1 Plan 1 for 300t hot metal car on standard gauge

圖2 標準軌距300t鐵水車方案二Figure 2 Plan 2 for 300t hot metal car on standard gauge

5 結(jié)束語

“一包到底”標準軌距大容量鐵水車在我國還剛剛處于試制階段，尚未投入工業(yè)性運用，因此車輛的運行安全可靠性在模擬試驗的基礎(chǔ)上還有待于工業(yè)性試驗的進一步檢驗。目前就其運行的安全可靠性下結(jié)論還為時尚早。近幾年標準軌距大容量鐵水車的開發(fā)研究已取得了初步成果。大容量鐵水車研制、試驗成功的意義是重大的。不僅為“一包到底”工藝方案的實施提供了設(shè)備保障，同時也為工藝革新和創(chuàng)造節(jié)能、環(huán)保、環(huán)境友好的新一代鋼廠起到了關(guān)鍵性的作用。