转炉倾动力矩的计算模型及应用

2011-12-11秦雷

一重技术 2011年4期

秦雷

转炉是将高炉铁水通过顶吹氧气和底吹惰性气体，冶炼成满足化学成分和性能要求的钢水，是实现炼钢工艺操作的主体设备。转炉倾动机构是转炉的重要组成部分，关系到整个转炉是否能安全、平稳的运转。

倾动力矩是转炉倾动机构设计的重要参数，该计算模型的开发及应用有助于确定额定倾动力矩值，为转炉及其倾动机构的优化设计提供重要的载荷依据；为土建及相关结构件的设计提供有关数据；确定转炉最佳的耳轴位置。准确地计算倾动力矩对保证转炉安全生产具有重要意义。

1 转炉倾动力矩的计算

转炉倾动力矩由三部分组成[1]：空炉力矩Mk（）是由炉壳和炉衬重量引起的静阻力矩，空炉的重心与耳轴中心的距离是不变的，在倾动过程中，空炉力矩与倾动角度存在正弦函数关系；炉液力矩My（）是由炉内液体引起的静力矩，在倾动过程中，炉液的重心位置以及出钢时其重量均随倾动角度的变化而变化，故和倾动角度也存在函数关系；摩擦力矩Mm（）是在出钢过程中虽有变化，但其值很小，为了计算简便，在倾动过程中可视为常量。

（1）空炉力矩的计算

空炉力矩是转炉倾动力矩的重要组成部分，在计算最佳耳轴位置时起着关键性的作用。由于炉壳和炉衬的密度不同，因此要分别计算炉壳和炉衬的重量和重心位置。虽然转炉形状比较复杂，但大部分都是回转体，只有少数装在炉壳上的零部件是非回转体，而且多是对称布置，故可按其重量及配置尺寸近似简化为回转体。在计算空炉重量、重心时，首先可将外形复杂、各层密度不同的炉体分解为若干个简单的均质回转体，然后计算各简单回转体的重量、重心（可参考有关手册的公式分别进行计算）。每一简单回转体的重心坐标值都应以炉体总坐标为标准。一般取炉体对称轴线为z轴，z轴与炉壳底表面交点为原点0，转炉倾动方向为x轴，与耳轴平行的方向为y轴。最后把各简单回转体的重量、重心进行合成。

算出转炉的重量、重心位置后，可分别计算出不同倾动角度下的空炉力矩值（见图1）。

式中，Gk—空炉重量（kN）；rk—空炉重心至给定耳轴中心的距离（m）；H—预先给定耳轴中心的坐标值（m）；φk—rk与z轴线的夹角

图1 空炉力矩计算示意图

x的坐标值（m）；α—倾动角度（°）。

（2）炉液力矩的计算

炉液的体形和重心位置是随倾动角度而变化的，在出钢过程中其重量也随倾动角度而变化。为求出合成力矩的最大值和最小值，需分别算出各倾动角度下（一般每隔5°或10°）的炉液重量、重心位置、炉液力矩。本文用积分的方法进行求解。

欲计算在任意倾动角度下的炉液力矩，首先要计算与各倾动角度对应的炉液体积和重心位置。转炉炉液的计算坐标与空炉情况下一致。设任意倾动角度α时，炉液在z轴上的区间为a,［］b，在任意高度z处用一与z轴垂直的平面切割炉液，其截交面为一弓形面积S，并取微量dz作为厚度，构成炉液单元体dV，则可用积分公式及理论力学知识计算出在该倾动角度下的炉液体积V及其重心坐标xy、zy（见图 2）。

计算时，可将不同角度下的转炉炉液视为一个旋转体被一个平面斜截所得的立体。将垂直于旋转体轴线的切液面视为弓形面积（见图3、图4）。

式中，r—弓形截面的半径（m）；θ—弓形截面的弦心角，θ=π-2arcsin；e—弓形截面的

图2 积分法求重心原理图

图3 炉液力矩计算主视图

弦高（m）；Zus—炉液液面最高点坐标。

求出V、xy和zy后就可进一步求得炉液重量Gy及炉液的倾动力矩My：

式中，ρ—炉液密度；H—转炉耳轴的轴向坐标值。

Zus是炉液液面最高点坐标值，在未放渣或出钢前，它是随倾动角度变化的一个变量，在计算过程中须不断调整，Zus确定后，液面位置也就确定了。

（3）摩擦力矩的计算

在求出空炉力矩和炉液力矩后，可按如下公式计算摩擦力矩Mm：

式中，Gk—空炉重量（kN）；Gy—炉液重量（kN）Gt—托圈及附件重量（kN）；Gx—当有悬挂减速器时，为悬挂减速器的重量（kN）；μ—摩擦系数，对滑动轴承取 μ=0．1～0．5，对滚动轴承取 μ=0．02～0．05；d—滑动轴承取耳轴直径（m），滚动轴承取轴承的平均直径d1,d2分别为滚动轴承的内径和外径。

在计算过程中，摩擦力矩可视为常量。在求出空炉力矩、炉液力矩和摩擦力矩后，可按公式（1）计算出转炉合成的倾动力矩。