作者： 于鲛
来源：《科技资讯》 2012年第18期
于鲛
(宝钢工程技术集团有限公司 上海 201900)
摘 要:本文主要介绍了目前国内外铁水预处理机械搅拌设备的结构原理,设备组成,重点给出了目前机械搅拌设备设计的主要方法。
关键词:铁水脱硫 机械搅拌 搅拌桨
中图分类号:TF1 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(c)-0127-02
硫作为一种有害元素,不仅对最终钢铁产品的内在质量和机械性能有着显著的不利作用,而且铁水中较高的硫含量还将增加转炉的冶炼负担和铸坯生产热裂纹的危险。因此,采用铁水预处理脱硫技术既可大大减轻高炉铁水脱硫的负担,又可使转炉炼钢甩掉脱硫环节,减轻转炉脱硅、脱磷任务,实现少渣或无渣炼钢,大大改善转炉炼钢的技术经济指标,对转炉炼钢的意义很大。
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目前铁水预处理工艺方法种类繁多,先后发明了约六类十六种,但目前主要应用的工艺方法有如下几种。
(1)机械搅拌法:有代表性的是日本开发的KR法。
(2)喷吹法:包括顶吹喷粉法和底吹法。目前顶吹喷粉法得到最广泛的应用,近年发展了更多的工艺流程,产生了混合喷吹法和复合喷吹法以及分步喷吹法等方法,该方法在欧洲各大钢厂有着广泛的应用。
(3)镁系脱硫法:包括单吹颗粒镁工艺和镁基脱硫剂复合喷吹工艺。
实践证明,这几种工艺技术都能满足钢铁企业铁水深脱硫的要求。几种工艺都能得到铁水终点硫质量分数为0.002%,甚至更低的水平,也能满足转炉生产周期的要求。他们之间的优劣都只是相对而言的,而且所涉及的因素是多方面的。具体选择那种预处理工艺方法,还要结合钢厂本身的条件及项目的投资等综合因素来考虑。
本文重点介绍的是机械搅拌法中的核心设备－机械搅拌设备的设计。
1 机械搅拌设备的设备设计
作为机械搅拌法的核心设备－机械搅拌设备,主要有搅拌桨升降装置,搅拌桨旋转装置,搅拌桨升降小车,搅拌桨升降导向框架,搅拌桨定位夹紧装置,搅拌桨等组成。 1.1 搅拌桨升降装置
搅拌桨升降装置用来升降搅拌桨升降小车,它由升降电机,减速机,钢丝绳卷扬,滑轮组及其联接件等设备组成。在卷扬输出的低速轴,设有编码器,用于搅拌桨升降时的位置控制和显示。
1.1.1 搅拌桨升降电机功率计算
升降装置在上升的过程中基本的公式是:
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(1)式中:P为升降装置起吊量牵引力(N);ν为升降速度(m/sec)(搅拌桨升降速度一般为5～7m/min左右,因为升降速度不快,升降可以选用变频电机,也可不选用变频电机);η为卷扬机械工作效率,通常卷扬设备取η=0.6～0.7。
1.1.2 搅拌桨升降电机事故提升
当全厂主电源及备用电源均出现故障时,在满足相关连锁条件的情况下,事故提升将搅拌桨由当时所处的搅拌工位提升到安全工位。这样一方面可以避免搅拌桨长期浸在铁水罐中,烧坏搅拌桨,另一方面,将搅拌桨提升出铁水罐中,可以通过运输车的事故牵引装置将铁水罐运输出搅拌位。事故提升目前主要有两种方式,一是采用气动事故驱动,二是采用EPS事故电源。
气动事故驱动主要是采用气源,如氮气或压缩空气做为驱动能源。该系统主要包括:储气罐、气动控制阀门站（含仪表及相关电气设备）、气动马达、配套减速器、机上管线以及外部配管。气动事故驱动系统机械设备繁杂,占地面积大,控制调试和实际操作的过程都比较复杂。从维护角度看,由于气动马达需要进行润滑且能经常动作才可以保证其运行的正常稳定,因此对于气动事故驱动系统,需要定期进行试验,防止气动马达失灵。
采用EPS电源事故驱动机械上具有明显优势,机械设备完全不需要增加任何设施,主电机制动器的选型也不受任何影响,驱动主减速机上的设备布置相对方便简洁,占用空间少,控制系统的设计几乎没有增加,增加的部分只是事故状态下电气硬接线的设计。
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近几年新上的KR设备采用EPS作为事故驱动的越来越多,取决于EPS近几年蓄电池技术的成熟发展。而且在费用上也比较有优势。如果现场设置多套KR升降装置,那么采用EPS的价格优势就再明显
不过了,一套EPS可以在期望的时间内将所有的设备逐一进行事故提升。
1.1.3 钢丝绳卷扬装置
钢丝绳卷扬装置目前也主要有两种设计形式,一种是双卷扬装置,一种是单卷扬装置;具体设计时采用哪种结构形式,和设备布置空间大小有关,两种形式都可行并都有应用实例。
1.1.4 钢丝绳的防松检测
在钢丝绳一端固定端设有过载及防松的传感器,当钢丝绳在牵引设备运行时发生异常情况,就会通过传感器发出信号,以保证运行设备的安全。
1.2 搅拌桨旋转装置
搅拌桨旋转装置主要用于产生并输出搅拌桨旋转搅拌所需的动力。采用变频电机作为动力源。旋转电机通过变频装置调节实现无级调速与恒扭矩输出,带动旋转主轴,旋转主轴与搅拌桨相联。该装置主要由旋转电机、联轴器、旋转接头（可通入冷却气体）、上下轴承、旋转主轴等设备组成。
1.2.1 搅拌桨旋转电机功率计算
搅拌功率计算是正确选定搅拌电机最关键的一步,搅拌桨的基本受力情况为:在旋转时受到铁水的阻力。其功率的基本计算公式如下:
mmbbs 在(1)式中:
NL为搅拌桨理论功率,kW;
T为搅拌桨搅拌时所受的铁水阻力矩,N·m;
ω为搅拌桨旋转角速度,rad/sec。
通过动力学及流体力学的变换,我们可以得到:
在(2)式中:
ρ为铁水密度,t/m3;
nj为搅拌桨计算转速,转/sec;
d为搅拌桨直径,mm;
KN为功率系数。（该系数与搅拌桨的外形尺寸,铁水罐的直径,铁水罐内铁水的液面温度有密切关系。）
通过以上计算,可得到搅拌桨所需的理论功率NL。考虑到安全系数、机械效率及搅拌时产生的紊流
及附加加速度,可得出计算功率如下式所列。
在(4)式中:
Nj为计算功率,kW;
k为考虑安全系数、搅拌时产生的紊流及附加加速度后的经验系数;
η为机械效率系数,0.8;
以150tKR为例,计算搅拌桨旋转电机功率;由计算图表得出理论功率约为207kW.
搅拌桨旋转功率计算表（由Excel表格设计）(如表1)。
1.2.2 搅拌桨旋转装置旋转接头
由于搅拌桨在工作过程中要通压缩空气进行冷却,因此在搅拌桨旋转装置上设有软管,搅拌桨高速旋转时就要设有旋转接头。
1.3 搅拌桨升降小车
该装置用于携带搅拌桨,实现其升降和支承旋转搅拌驱动、传动装置。由型钢组成方形结构,坚实牢靠。由安装其上的滑轮组和四组导向轮组成。升降垂直位置定位采用行程开关。小车架下端装有弹簧缓冲装置,以尽可能减小事故态小车坠落时形成的冲击。电梯砝码
1.4 搅拌桨升降导向框架
该设备主要由轨道、框架、改向滑轮组平台、升降卷扬平台等组成,是型钢组成框架结构,框架由下向上穿越各层平台,为保持框架的结构稳定性,使其与各层平台相连。4条导轨安放在框架的内部四角,与导向辊配合,保证升降小车良好运行。框架上部装有滑轮组,与升降小车相连的钢绳经此改向并与卷扬装置的卷筒相连。
1.5 搅拌桨定位夹紧装置
目前机械搅拌设备在搅拌过程的夹紧装置目前主要有两种方式,一种是采用液压缸夹紧装置;另一种是采用弹簧夹紧装置。
液压缸夹紧装置工作原理是在升降小车到达预定位置后,液压缸推动定位块与导轨接触并压紧,将扭矩经框架传递到平台上,以防止搅拌桨旋转时因升降导轨与升降小车之间的间隙而晃动。该装置结构相对复杂,由4个油缸组成,分别安装在升降小车框架的上下部。液压缸轴头前部装有定位块。同时机械搅拌装置还需配有一套液压站和液压系统。液压站在使用2～3年后,容易出现漏油,尤其搅拌桨的辐射温度比较高,液压系统在高温区的环境下长期使用,系统不稳定。
弹簧夹紧装置工作原理是利用了蝶形弹簧具有强力缓冲和减振的功能,完全是机械式设计,结构简单。
搅拌桨夹紧装置由固定导向轮和移动导向轮两部分组成。移动导向轮上的弹簧预先设定一个张紧力,该作用力的方向和搅拌桨旋转的方向反向。也就是当搅拌桨高速旋转时产生的扭矩通过弹簧缓冲力抵消,这样整个框架导轨就不会晃动。
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