張 春

(鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山 114021)

0 前言

吹氧裝置［1］是氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間的關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，完成向轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐，其吹氧裝置主要設(shè)備由國外引進(jìn)，投資大、噸鋼氧氣耗量大、氧槍更換時(shí)間長。在借鑒引進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，鞍鋼自行研制了260 t轉(zhuǎn)爐吹氧裝置。

1 260 t轉(zhuǎn)爐吹氧裝置

1.1 工藝技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)爐平均出鋼量/t/爐 260

轉(zhuǎn)爐最大出鋼量/t/爐 270

供氧強(qiáng)度/Nm3/(min·t鋼) 3.44

純吹氧時(shí)間/min 16

2 氧槍的研究與開發(fā)

2.1 氧槍結(jié)構(gòu)

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(zhuǎn)爐氧槍結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)噴頭。噴頭采用鑄造式六孔拉瓦爾型結(jié)構(gòu)，噴頭結(jié)構(gòu)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(jìn)水;中間管與外管之間的通路排水。槍體的材質(zhì)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(jié)構(gòu)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(gè)波紋管連接，波紋管通過法蘭與金屬軟管連接。槍尾的進(jìn)水管和出水管都帶有兩個(gè)活接、四個(gè)90°彎頭。槍尾的進(jìn)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(kuò)孔、倒棱現(xiàn)象;轉(zhuǎn)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(shí)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(dān)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(dòng)間隙小，氧槍吹氧時(shí)滑動(dòng)段在受熱膨脹時(shí)不滑動(dòng)，起不到補(bǔ)償作用，只能靠槍尾的波紋管補(bǔ)償熱膨脹。由于波紋管的補(bǔ)償能力有限，所以內(nèi)管的熱膨脹導(dǎo)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(jìn)、出水管各有4個(gè)彎頭，造成氧槍進(jìn)出水阻力增大，氧槍噴頭冷卻效果不理想，是導(dǎo)致出現(xiàn)噴頭鼓包、拉瓦爾噴嘴擴(kuò)孔、倒棱現(xiàn)象的主要原因。

(3)由于車間管網(wǎng)氧氣壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致氧槍實(shí)際入口壓力低于設(shè)計(jì)值，故噴頭出口馬赫數(shù)、噴孔夾角等重要參數(shù)及其結(jié)構(gòu)不能滿足實(shí)際需要，導(dǎo)致煉鋼過程中出現(xiàn)跑渣、粘渣、粘鋼現(xiàn)象。

(4)氧槍氧管、進(jìn)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(shí)需拆卸40只螺栓，換上新槍時(shí)又需重新旋緊這40只螺栓，導(dǎo)致了換槍時(shí)間長。

(5)由于氧槍槍尾的氧管與兩個(gè)水管不是固定在同一個(gè)平面上，相對(duì)獨(dú)立，在制造時(shí)難免會(huì)有誤差，使得槍尾的氧管和兩個(gè)水管不能同時(shí)與金屬軟管聯(lián)接緊密，經(jīng)常出現(xiàn)氧管和一個(gè)水管聯(lián)接緊密而另一個(gè)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(fù)調(diào)整金屬軟管上的法蘭來保證槍尾氧管和兩個(gè)水管分別與三個(gè)金屬軟管緊密聯(lián)接，導(dǎo)致?lián)Q槍時(shí)間長。

2.4 改進(jìn)措施

(1)對(duì)噴頭的重要參數(shù)進(jìn)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(jì)算噴孔出口直徑。

(2)對(duì)噴頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)優(yōu)化后的重要參數(shù)修改噴頭的結(jié)構(gòu)。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(dòng)密封聯(lián)接。

(3)對(duì)槍尾結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。取消槍尾密封;重新設(shè)計(jì)槍尾，將進(jìn)、出水管彎成R≥700 mm的弧，且進(jìn)、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(jìn)、出水管分別與固定在支撐架內(nèi)的相應(yīng)的管接頭焊接。槍尾的氧管和進(jìn)、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(zhuǎn)爐爐口上方27.30 m平臺(tái)上進(jìn)行清渣處理，工作條件十分惡劣，為減輕維修工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，解決氧槍粘渣問題，在氧槍的槍體與噴頭之間增設(shè)一段錐段。

改進(jìn)后的氧槍和噴頭結(jié)構(gòu)分別如圖3、圖4所示。

2.5 改進(jìn)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(zhuǎn)爐平均純吹氧時(shí)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(duì)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(dòng)強(qiáng)度。

3 氧槍升降橫移裝置

3.1 氧槍升降橫移裝置結(jié)構(gòu)組成

氧槍升降橫移裝置由一個(gè)固定導(dǎo)軌、兩臺(tái)升降小車、兩套升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩臺(tái)橫移臺(tái)車和一套鎖緊裝置組成。其中，兩套升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別布置在兩臺(tái)橫移臺(tái)車上。氧槍升降橫移裝置如圖5所示。轉(zhuǎn)爐吹煉設(shè)兩支氧槍，一支在工作位，一支在備用位。換槍時(shí)，氧槍橫移臺(tái)車將工作氧槍橫移到備用位;同時(shí)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(dǎo)軌。如圖5所示的固定導(dǎo)軌為開口的框架結(jié)構(gòu)。當(dāng)橫移臺(tái)車在工作位停止時(shí)，橫移臺(tái)車上的移動(dòng)導(dǎo)軌與固定導(dǎo)軌合為一個(gè)完整的導(dǎo)軌，此時(shí)，升降小車可沿導(dǎo)軌上下移動(dòng)。

(2)升降小車。升降小車的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

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

(3)升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、減速器、制動(dòng)器、卷筒裝置、滑輪組、鋼絲繩等組成;升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)

提升負(fù)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(tái)車。每座轉(zhuǎn)爐有兩臺(tái)氧槍升降裝置(包括升降小車和升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu))，分別裝置在兩臺(tái)氧槍橫移臺(tái)車上。一臺(tái)橫移臺(tái)車攜帶氧槍升降裝置處于轉(zhuǎn)爐中心的操作位置時(shí)，另一臺(tái)處于等待備用位置，每臺(tái)都各有獨(dú)自的驅(qū)動(dòng)裝置。

為了使氧槍橫移臺(tái)車準(zhǔn)確地對(duì)中轉(zhuǎn)爐的中心，設(shè)置了橫移對(duì)位止動(dòng)裝置，即鎖緊裝置。當(dāng)行程限位開關(guān)將小車停在距爐子中心±20 mm范圍內(nèi)之后，啟動(dòng)鎖緊裝置，將其頂桿推入橫移臺(tái)車定位槽中，使橫移臺(tái)車對(duì)中。

橫移臺(tái)車的結(jié)構(gòu)如圖7所示。車體及其載荷的全部重量都由四個(gè)走行輪支承，而車體的傾翻力距則由兩個(gè)導(dǎo)向輥形成的一組力偶平衡，所以導(dǎo)向輥的作用是既起導(dǎo)向作用又承受傾翻力。車體由橫移臺(tái)車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器和鏈輪鏈條直接傳動(dòng)行走輪。借行程開關(guān)停車，沒有剎閘制動(dòng)裝置。

當(dāng)工作槍需要更換時(shí)，氧槍橫移機(jī)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)快速更換氧槍的功能。氧槍橫移機(jī)構(gòu)由橫移小車及橫移小車驅(qū)動(dòng)裝置組成，橫移小車是一個(gè)焊接的矩形框架組成。通過小車上的車輪支撐在導(dǎo)軌上。

橫移臺(tái)車的技術(shù)參數(shù):

運(yùn)行負(fù)荷/t 50

運(yùn)行速度/m/min 0～4

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

橫移距離/m 3.4

驅(qū)動(dòng)方式 電動(dòng)

(5)鎖緊裝置。如圖8所示，鎖緊裝置主要由電液推動(dòng)器、輥?zhàn)印⒅ё?、底座、磁塊、磁開關(guān)和定位板等組成。主要用來對(duì)位制動(dòng)工作位的橫移臺(tái)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(shí)間平均為2 h，最長可達(dá)4 h，換槍時(shí)間長，導(dǎo)致勞動(dòng)強(qiáng)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(dǎo)軌是框架結(jié)構(gòu)，升降小車的車輪在框架的升降導(dǎo)軌內(nèi)旋轉(zhuǎn)，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(diào)正氧槍。260 t轉(zhuǎn)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(diào)重合比較困難。

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

3.4 改進(jìn)措施

(1)槍尾的進(jìn)水管、出水管和氧管分別與三個(gè)管接頭焊接，三個(gè)管接頭通過一個(gè)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(jìn)水管和回水管的兩個(gè)懸臂取消。

(3)升降小車懸掛點(diǎn)位置與氧槍及升降小車重心在同一直線上。

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

圖9 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)后的升降小車的使用效果

(1)通過氧槍槍尾與轉(zhuǎn)爐氧槍快換裝置的整體插接，實(shí)現(xiàn)氧槍和升降小車自動(dòng)快換，不需要人工調(diào)整對(duì)正，整個(gè)換槍時(shí)間可縮短到30 min，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)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(huì)泄漏，有效地增強(qiáng)了設(shè)備的安全性。

(3)轉(zhuǎn)爐氧槍快換裝置的底拍下部的半球凹坑與設(shè)在氧槍托架上的凸球配合，形成轉(zhuǎn)動(dòng)的球形關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)氧槍在任何狀態(tài)下都能與爐口垂直并隨意調(diào)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(zhuǎn)爐吹氧裝置生產(chǎn)情況

鞍鋼260 t轉(zhuǎn)爐與國外采用爐內(nèi)脫磷和脫碳工藝的大型轉(zhuǎn)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(zhuǎn)爐相繼投產(chǎn)、達(dá)產(chǎn)。多年的生產(chǎn)實(shí)踐證明，鞍鋼3座260 t轉(zhuǎn)爐氧槍系統(tǒng)吹煉效果良好，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)工藝技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)指標(biāo)，如轉(zhuǎn)爐耗氧量為51.088 Nm3/t鋼，平均純吹氧時(shí)間只用13.98 min;氧槍更換只30 min;氧槍壽命達(dá)到400爐左右。

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

5 結(jié)論

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

(2)鞍鋼260 t轉(zhuǎn)爐吹氧裝置，既適用于新廠建設(shè)，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(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備(M)．北京．機(jī)械工業(yè)出版社，1983:414．

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