余杨
（中冶赛迪工程技术股份有限公司装备技术工程中心，重庆 400013）

【摘　要】本文对三点球铰支撑转炉倾动异响产生原因和机理进行了分析，并指出：只要转炉炉体与托圈之间的径向定位为挡座系统，在转炉倾动运行中，均会产生不同的声响。本文还对挡座系统中如何减小和避免转炉倾动异响提出了具体措施和建议。
【关键词】转炉倾动；挡座系统；异响
0　引言
目前全世界炼钢厂运行有不同形式的转炉，其中按转炉炉体与托圈之间的定位方式划分，有托圈上部三点球铰支撑+挡座式转炉、托圈上部耳轴二点支撑+挡座式转炉、钢丝绳吊钩支撑+挡座式转炉、弹簧板吊挂+挡座式转炉、炉体下悬挂支撑+挡座式转炉、垂直与水平双球铰拉杆+导向座转炉等。
以上形式转炉在倾动时，只有无挡座的双球铰拉杆+导向座转炉(VAI专利技术)不会产生异响，而只要是挡座式转炉，在使用一段时间后，由于转炉不规则热变形，托圈上挡座和炉体上挡座之间会产生一定的间隙，使制动塞垫逐步脱落，使转炉在倾动时，在炉体对挡座的强大冲击下，发出很大的异常响声，这对转炉设备运行安全，会产生严重隐患，同时在转炉连续生产过程中，不得不频繁停炉，钢厂维修工利用其短暂间隙，冒着高温和热辐射，在狭窄危险的高空作业区，对炉体与托圈挡座间隙进行塞垫和焊接紧急处理。长期以来，如何减小和消除转炉倾动时的异响以及相应处理时间，成为困惑钢厂技术人员有待解决的转炉Z大难题之一。
1　三点球铰支撑转炉异响分析
1.1三点球铰支撑转炉
图1三点球铰上支撑转炉曾经为国内Z流行的转炉结构，现仍有不少三点球铰转炉在国内钢厂服役，源自宝钢二十世纪八十年代从日本新日铁引进300t转炉。主要由炉体、托圈、倾动装置、轴承座、托圈上部球铰支撑，以及托圈上、下部防倾挡座等组成。炉体通过三点球铰支撑装置与托圈连接，并利用防倾挡座使炉体与托圈径向定位。托圈二端耳轴支撑在轴承座装置上，通过倾动装置驱动，使转炉正反缓慢转动，逐一完成兑铁水、摇匀、出渣和出钢等冶炼操作。转炉倾动力矩通过扭力杆装置的扭力杆扭转弹性变形平衡和缓冲，并将其转换为拉压负荷传递给扭力杆轴承座地基。整个转炉重量，均由耳轴承担，耳轴负荷为低速重载及频繁启停制动，工作条件恶劣，耳轴支撑轴承经常处于局部工作状态，而托圈在高温、重载下会产生耳轴轴向伸长和挠曲变形，耳轴在轴向有伸缩并发生偏转[1]，因此传动侧耳轴轴承座支撑是固定的，而非传动侧耳轴轴承座支撑是浮动的。

1.2三点球铰支撑转炉托圈与炉体连接特点
托圈与炉体的连接为球铰支撑及防倾挡座构成。在图2球铰支撑机构中，炉体法兰焊接在炉壳上，2个球面块合对分别安装固定在炉体法兰开孔中。支座焊接在托圈上，销轴安装在托圈支座孔内，并与吊挂螺栓铰接。2个球面垫装在吊挂螺栓上，分别与2个球面块贴合。
吊挂螺栓的螺母拧紧时，就将托圈与炉体连接为一体。当炉体径向热膨胀时，吊挂螺栓绕销轴摆动，同时吊挂螺栓上的球面垫沿固定在炉体法兰上的球面块滑移错动，使销轴中心线与球面垫中心线由原重合状态改变偏离x距离，以适应其炉体热膨胀。图2的3个球铰支撑位于托圈上方，对称出钢口成120º圆周均布。

在图3防倾挡座中，防倾挡座对应炉体和托圈部位成对焊接，其中托圈挡座分别焊在炉体挡座的二侧，托圈挡座与炉体挡座之间二端的间隙中，分别插入塞垫，并点焊固定。
图3的3～4组防倾挡座分别位于托圈上、下方，其中防倾挡座在托圈上方3组的位置分别是出钢口一侧、耳轴的固定端和浮动端，在托圈下方4组分别对称布置在耳轴的二侧。这种球铰支撑+防倾挡座连接结构能有效地在360º旋转范围内支撑炉体，利用双球面机构来吸收炉壳相对于托圈的膨胀，其特点为：三点球铰上支撑，刚性过约束支撑吊挂系统。

1.3三点球铰支撑转炉异响分析
转炉在任意角度下停止倾动时，它的全部重量W都可以分解为与转炉炉体中心线平行Fn和垂直Ft二个分力。从图4转炉倾动受力分析中可看出，与转炉炉体中心线平行分力Fn使炉体沿托圈平面垂直方向窜动，这个力由三点球铰支撑来承受，与转炉炉体中心线垂直分力Ft使炉体沿托圈径向方向移动并产生偏转力矩，这个力和力矩由防倾挡座装置来平衡[1]。

从三点球铰支撑转炉托圈与炉体连接特点可以看出，球铰支撑的螺母拧紧力至关重要：不能太大，也不能过小，螺母拧紧力太大，吊挂螺栓上的滑移球面垫与炉体上固定球面块之间摩擦阻力就大，甚至发生合配球面之间的咬合，失去自适应炉体热膨胀的作用(此外，球铰支撑的上、下两球面垫的制造和安装不同心，径向偏摆受阻，球面垫与球面块之间润滑不良等，也会增加摩擦阻力或产生胶合);螺母拧紧力过小，炉体与托圈平面垂直方向产生窜动，制动垫板之间产生摩擦，使制动塞垫逐步脱落，形成间隙，导致转炉倾动时，炉体挡座与托圈挡座之间产生强烈冲击及声响。此外，螺母拧紧力过小，还会导致吊挂螺栓所承受的冲击力加大，同时又使得双球面支撑结构球面错动量加大，甚至在吊挂螺栓截面系数变化较大的根部形成应力集中而断裂，造成更大的生产事故。
我们知道，转炉在高温和频繁启停冲击重载生产过程中，球铰支撑机构的螺母与吊挂螺栓之间连接螺纹付所形成的拧紧力会不断变化，需要定期进行拧紧调整，而在高温和热辐射，狭窄、昏暗而危险的托圈上高空作业热区进行球铰支撑螺母的合理拧紧，以及对炉体与托圈挡座之间间隙进行快速塞垫和焊接固定处理谈何容易。
既使在托圈和下炉体挡座制动托架中间增加垫板[1](如图5所示)，可能会改善因球铰支撑螺母松动或吊挂螺栓拉伸变形，炉体沿托圈平面垂直方向的窜动，但还有以下因素，使炉体与托圈挡座之间仍会产生间隙：由于挡座垫板为多层薄板，经受压后薄板间隙消除，导致在挡座间产生间隙;炉体挡座两边有6º的斜角，炉体的热膨胀会产生间隙;受载后垫片、挡座等有局部屈服和变形产生间隙;转炉倾动过程中挡座面的磨损产生间隙;由于挡座之间的不断正反重荷冲击，在炉体挡座二侧的托圈挡座焊缝强度逐步减弱或塑性变形，并使挡座反向滑移，形成岔口间隙(该点为球铰支撑转炉防倾挡座致命缺陷)等。

从以上转炉结构分析以及大量生产实际观察，我们可得出如下的三点球铰支撑转炉异响声源产生缘由结论：
1)倾动过程中，双球面支撑结构球面之间错动卡阻发出异响;
2)倾动过程中，球面支撑机构螺母未拧紧，炉体与托圈平面垂直方向产生窜动，使挡座制动垫板之间产生摩擦异响;
3)倾动过程中，托圈上部挡座间隙使得炉体和挡座产生冲击异响，托圈下部与炉体挡座联结螺栓松动及挡座间隙也会产生异响;
4)倾动过程中，炉体变形导致裙板稳态变化发出的异响。
对于上述转炉异响的根源分析，第1)条为转炉倾动过程中，炉体和托圈之间会有弹性变形，该变形会造成双球面支撑结构球面错动，由于双球面接触面的不均匀(为非标加工)，重载下的接触会造成局部胶合卡阻，使得错动过程中发出异响，该条只有靠球面支撑机构自然跑合来消除。第2)条和第3)条是Z危险的，需要用户在转炉使用过程中加以重点关注，也是设备维护的重点。
对于第4)条炉体变形导致裙板稳态变化发出的异响，其原因是炉体刚度大，变形方向主要是沿径向和轴向，同时倾动过程由于受铁水流动载荷，炉体有椭圆变形。而裙板比较薄，刚度小，温度及变形受操作喷溅影响，是不规则的，而炉体与裙板的联结为过约束联结，使得裙板有在转炉倾动过程中，炉体变形导致裙板稳态变化，有翘曲弹性变形而发出异响(类似人踩在鼓突的薄钢板上会发出声响)，该声响是无害的，会随着时间而消失。
1.4三点球铰上支撑机构及挡座存在的问题
综合三点球铰上支撑机构连接特点以及生产实际运行情况观察，可得出该支撑机构及挡座存在如下问题：
1)吊挂机构为过约束，在某些条件下会造成吊挂螺栓从根部折断。该机构本质上是一种摆杆、挡座组合的吊挂系统，但该系统在联接系统自由度设计上有严重的过约束现象。摆杆螺栓本身自由度不足，当挡座出现间隙时，摆杆螺栓根部易出现冲击弯曲应力。
2)该球铰支撑的侧向(或环向)无偏摆功能，不能适应炉体立体不规则热膨胀变形。
3)支撑机构位于炉冒段，且被炉体裙罩遮蔽，调整及维护困难，冷却条件不好，降低支撑机构的寿命。
4)转炉重心上移，操作时转炉容易失控或溜钢，操控安全性较差。
5)为达到转炉正力矩设计特性，炉体底部需加配重，转炉设备较重，倾动功率加大。
6)由于挡座间隙形成炉体对挡座二单侧的反复正反重载冲击，挡座焊缝强度逐步减弱，并使二侧托圈挡座相对炉体挡座反向滑移，形成岔口，从而加大挡座间隙。另外，反复重载冲击也会使刚度较弱的托圈挡座逐步产生塑性变形，也易形成岔口并加大挡座间隙。
7)挡座间隙不断塞垫和固焊、挡座不定期加热补焊或更换等维护和调整作业，会伤及托圈处理部位母材，缩短托圈工作寿命。
2　三点球铰上支撑转炉异响预防措施
通过上述三点球铰上支撑转炉异响原因和机理分析，可采用如下改进措施来减小或消除其转炉倾动异响：
1)根据上支撑三球铰的制造和安装情况，合理确定球铰支撑的螺母拧紧力，同时确认螺栓防松是否有效。为达到合理的拧紧力，可在螺母与球面垫之间，加装刚性足够大的碟簧片，并在螺母与吊挂螺栓之间标注拧紧定位记号，使三个球铰吊挂螺栓拧紧力相同且恒定。
2)支撑球铰的二对球面垫的贴合面均需加工一定的表面粗糙度，防止因表面粗糙度过大，增加摩擦或产生胶合。
3)下炉体挡座制动托架中间增加垫板，改善因球铰支撑螺母松动或吊挂螺栓拉伸变形，使炉体沿托圈平面垂直方向的窜动。
4)初始安装时，托圈挡座与炉体挡座垫片之间必须保证零间隙，因为经转炉倾动受压后，薄板间隙消除，自然会补偿热变形。另外，挡座的垫片层不宜过多。在经倾动受压后，薄板间隙消除所产生的间隙两侧相加不要大于5mm，否则需进行调整加垫(垫片Z好为不会脱落的特殊设计)，即可消除异响。5)从尽量加大托圈挡座的强度和刚度、设置炉体挡座二侧托圈挡座之间的刚性连接件入手，使挡座在炉体倾动时，始终处于封闭受力状态，即可避免挡座岔口间隙和冲击。
3　结论
1)只要转炉炉体与托圈之间的径向定位为挡座系统，在生产倾动运行中，由于转炉不规则热变形，以及材质或结构热膨胀系数不同，导致挡座静态结构之间相对滑移，摩擦、磨损及间隙，产生不同的声响。
2)炉体沿托圈平面垂直方向的窜动，以及挡座之间产生间隙、冲击和声响，是三点球铰上支撑转炉自身结构特点所决定、不可避免的固有缺陷。为了避免这些缺陷，可采用下炉体挡座制动托架中间增加垫板，改善因球铰支撑螺母松动或吊挂螺栓拉伸变形，使炉体沿托圈平面垂直方向的窜动。从尽量加大托圈挡座的强度和刚度、设置炉体挡座二侧托圈挡座之间的刚性连接入手，使托圈整体挡座由一侧受力变为两侧同时受力，受力由C形开口结构变为封闭的环形预应力结构，同时挡座强度大大提高，避免挡座岔口间隙和冲击。
3)三球铰吊挂螺栓拧紧力合理、相同、且恒定，托圈与炉体处于无间隙和无冲击定位是减小或消除三球铰上支撑转炉异响产生的关键。
4)周全的设计、合理的结构、优质的制造以及精心的安装，能够Z大限度的减小或消除挡座系统转炉在运行当中产生的异响。
5)将旧转炉三球铰吊挂支撑结构改造为下悬挂连接结构，并合理布置和优化挡座数量。

来源：《钢铁技术》2016年第4期