張 巍，張益平

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院 ,甘肅嘉峪關(guān) 735100）

120 t頂側(cè)復吹技術(shù)AOD轉(zhuǎn)爐耳軸故障分析

張 巍，張益平

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學院 ,甘肅嘉峪關(guān) 735100）

120t頂側(cè)復吹技術(shù)AOD轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)在冶煉中耳軸出現(xiàn)裂紋，分析耳軸裂紋形成機理、耳軸材料金相組織、耳軸靜態(tài)載荷校核、耳軸扭轉(zhuǎn)振動疲勞，確定耳軸出現(xiàn)裂紋的主要原因是轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)設計不合理，耳軸剛度低及緩沖效果差等系統(tǒng)缺陷。

AOD轉(zhuǎn)爐；耳軸裂紋；形成機理

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.51

0 概述

由德國SMS-Demag設計，國內(nèi)合作制造的AOD（Argon Oxygen Decarburization Furnace）氬氧精煉轉(zhuǎn)爐，在冶煉中發(fā)現(xiàn)HMI（Human Machine Interface，人機界面）畫面傾動電機無法選擇。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，傾動角度編碼器、1#抱閘電液缸電纜管受擠壓變形，管口電纜斷芯，導致通訊中斷。排查過程中發(fā)現(xiàn)，傾動減速機在搖爐過程中東西方向扭動較大，且有下沉跡象，最終確定托圈驅(qū)動側(cè)耳軸斷裂。經(jīng)過現(xiàn)場分析、理論計算以及儀器分析得出耳軸斷裂的主要原因是轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)設計不合理、耳軸尺寸整體剛度低、緩沖器裝置效果差，同時轉(zhuǎn)爐耳軸斷裂處外裝不能直接拆卸的定位套，影響日常實施著色及超聲探傷，起不到對耳軸內(nèi)部的監(jiān)測作用。

1 120 t頂側(cè)復吹技術(shù)AOD轉(zhuǎn)爐結(jié)構(gòu)

120 t AOD轉(zhuǎn)爐采用頂側(cè)復吹技術(shù)，爐體傾動裝置全懸掛結(jié)構(gòu)，爐體安放在O形托圈中，托圈裝在一臺運輸車上，轉(zhuǎn)爐全部重量通過軸承座作用于車體，緩沖器安裝在車體上，車體僅僅壓靠在4個支撐塊上，沒有任何固定連接，完全處于浮動狀態(tài)，轉(zhuǎn)爐托圈和車體都固定在固定座支撐塊上。轉(zhuǎn)爐托圈設計為焊接的封閉箱形,驅(qū)動側(cè)與傾動系統(tǒng)相連,通過耳軸軸承座安裝在爐體運輸車上。托圈的結(jié)構(gòu)設計不對爐體的膨脹產(chǎn)生阻礙,耳軸承擔著支承和傾動爐體的雙重任務。托圈平面的位置高于爐體內(nèi)鋼液水平面，當爐子傾動機構(gòu)發(fā)生故障時，爐體受鋼液重力矩的作用，會自動轉(zhuǎn)回垂直位置，為了保證安全，托圈上的耳軸放置在兩側(cè)支撐架上軸承內(nèi)。

2 耳軸裂紋形成機理

為分析耳軸出現(xiàn)裂紋的原因，對耳軸及軸承座與減速機之間的定位套（切割破壞性拆除）進行拆除，拆除后發(fā)現(xiàn)耳軸上有明顯的斜斷裂型裂紋，裂紋一端深入減速機側(cè)，另一端深入耳軸軸承座內(nèi)部，見圖1。

2.1 裂紋斷口分析

從AOD轉(zhuǎn)爐耳軸斷面裂紋可以看出，裂紋起源于靠近傾動減速機側(cè)（圖2），初始裂紋變化沒有規(guī)律，后在交變振動扭矩的作用下沿著直徑 620 mm 的軸下上45°方向擴展，直到剖分軸承側(cè)（圖3）貫通斷裂。裂紋形態(tài)符合標準扭轉(zhuǎn)切斷疲勞的特點：斷裂表面與軸向成 45°角，即沿最大正應力作用的平面發(fā)生的斷裂。單向脈動扭轉(zhuǎn)時為螺旋狀，雙向扭轉(zhuǎn)時斷裂面呈星狀，應力集中較大的呈鋸齒狀。

圖1 耳軸裂紋

圖2 靠近傾動減速機側(cè)裂紋

圖3 靠近剖分軸承側(cè)裂紋

圖4 剖分軸承軸面裂紋

圖5 裂紋源頭氧化鋁類夾雜

圖6 剖分軸承軸面硅酸鹽類夾雜

2.2 耳軸材料金相分析

為了檢驗材料是否存在缺陷，從裂紋源頭（圖 2）和安裝剖分軸承軸面（圖4）取2個試樣進行金相分析。

從金相組織可以看出裂紋源頭存在氧化鋁類夾雜，長度達到291 μm。剖分軸承軸面存在硅酸鹽類夾雜，長度152.9 μm，裂紋源頭的夾雜缺陷大于其他部位（圖 5、圖6）。相關(guān)資料顯示金屬的疲勞失效對材料的缺陷具有敏感的特點，因為疲勞斷裂總是起源于微裂紋處。這些材料本身的冶金缺陷可以導致微裂紋的產(chǎn)生。

2.3 AOD轉(zhuǎn)爐耳軸靜態(tài)載荷校核

AOD轉(zhuǎn)爐安裝軸承部位軸的外徑670 mm，內(nèi)徑300 mm。在穩(wěn)加載荷情況下，耳軸等傳動系統(tǒng)彈性元件所受的力矩與所加載的靜力矩相等，只有在啟動和制動條件下，動態(tài)力矩會大于靜態(tài)力矩，不會超過設計扭矩1200 kN·m，用第三強度理論和設計扭矩1200 kN·m 校核耳軸在直徑截面620 mm（扭斷部位）的合成應力為59.7 MPa，低于耳軸材料18MnMoNb的屈服強度400 MPa（參見《機械設計手冊》）。

2.4 耳軸扭轉(zhuǎn)振動疲勞分析

根據(jù)疲勞理論，疲勞斷裂按總周次的大?。∟）可分為高周疲勞（N＞105）和低周疲勞（N＜104）。一般轉(zhuǎn)爐設計按照傾動疲勞次數(shù)計算轉(zhuǎn)爐的使用壽命，相關(guān)文獻介紹疲勞次數(shù)＞106，應該屬于高周疲勞，按該次數(shù)計算，轉(zhuǎn)爐耳軸至少應該使用40 a以上。但實際扭轉(zhuǎn)力矩次數(shù)自投產(chǎn)以來，耳軸所受扭轉(zhuǎn)力矩次數(shù)達2.23×105次。數(shù)據(jù)統(tǒng)計：每爐平均倒爐5次，耳軸受扭轉(zhuǎn)力矩交變5次，每爐耳軸受扭轉(zhuǎn)力矩交變次數(shù)5次，每天平均冶煉爐數(shù)15爐，每年330 d，轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)年數(shù)9 a，通過計算得出，耳軸雖未達到使用上限卻斷裂的主要原因，是振動疲勞周次已經(jīng)達到2.0×108次，屬于高周疲勞次數(shù)。分析10爐轉(zhuǎn)爐振動的測量結(jié)果（每爐測量5次），共50個數(shù)據(jù)。水平方向（緩沖器方向）的主要振動頻率為7.5 Hz。其中振動幅值＞5 mm/s的有24個數(shù)據(jù)，占50個樣本數(shù)的48%。意味著每一爐大約有2個測量數(shù)據(jù)＞5 mm/s，也就是說在冶煉后期的階段振動＞5 mm/s。取平均冶煉時間10 min以及每天平均冶煉15爐為例計算該轉(zhuǎn)爐自投產(chǎn)以來水平方向上7.5 Hz主要頻率下的振動沖擊次數(shù)，測量傾動時振動幅值最大達到2 mm/s,而在計算振動疲勞周次時，選用在冶煉后期階段振動＞5 mm/s的主振頻率7.5 Hz進行計算。每天平均冶煉爐數(shù)15爐、每年天數(shù)330 d、轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)年數(shù)9 a,最終確定轉(zhuǎn)爐從投產(chǎn)之初就發(fā)現(xiàn)振動大，緩沖器沒有起到減振作用，從耳軸斷口和振動分析，可以確定斷裂原因是扭轉(zhuǎn)振動疲勞所致。

3 結(jié)論

（1）從金相組織可以看出，耳軸材料內(nèi)部有 2～3級金屬夾渣物，裂紋源頭的缺陷大于其他部位。這些缺陷雖不會導致耳軸出現(xiàn)脆斷，但在受到外界往復交變載荷（振動），這些缺陷會逐漸發(fā)展形成微裂紋，因為組織的不均勻性，如非金屬夾雜物、疏松、偏析等缺陷均使疲勞抗力降低而成為疲勞裂紋形成的重要原因。

（2）該微裂紋作為疲勞源在扭轉(zhuǎn)振動載荷的作用下會按一定半徑進行發(fā)展。

（3）當耳軸裂紋發(fā)展到 200 mm 后，在扭轉(zhuǎn)力矩作用下裂紋沿著與軸向成 45°角（最大正應力作用的平面）的方向加速擴展，直到斷裂。

（4）由于緩沖器沒有把冶煉過程中產(chǎn)生的、作用在耳軸上的振動能量進行有效吸收，導致耳軸頻繁受到交變振動載荷作用，雖然傾動疲勞周次低于設計次數(shù)，但振動導致的疲勞次數(shù)卻已經(jīng)達到了高周疲勞程度，導致耳軸疲勞斷裂。

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TG232.2

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〔編輯 李 波〕