基于3D的150 t转炉倾动力矩的计算

孙 岩，李继宏，兰 勇，吴 铁，陈莹莹，谷世群

(1．辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁 鞍山 114051;2．鞍钢集团工程技术有限公司，辽宁 鞍山 114021;3．中钢设备有限公司，北京 100080)

1 前言

计算转炉倾动力矩的目的在于正确确定耳轴位置，并作为倾动机械设计的基本载荷参数，使设计的倾动机械既能保证所设计的转炉能够满足安全生产的要求，又经济合理。转炉倾动力矩由三部分组成，即空炉力矩、炉液力矩和摩擦力矩。其中，空炉力矩由炉壳和炉衬的重量引起，空炉力矩是倾转角的正弦函数，炉液力矩由铁水和熔渣引起，倾动时液体的形状随角度不断变化;摩擦力矩是指倾动时耳轴上的摩擦力矩，方向始终和倾动方向相反，大小基本不变。

在转炉倾动过程中，炉内液体的形状、重心位置随着倾转角度的变化而变化，并且在出钢过程中其重量也在变化。用公式法或切片法进行计算，工作量都很繁重，误差也较大。本文结合三维软件SolidWorks，确定鞍钢150 t转炉倾动机构最佳耳轴位置，计算了转炉在不同倾角下的倾动力矩。

2 空炉和炉液重量及其初始重心的确定

2.1 空炉重量及其初始重心的确定［1］

在3D中绘制好转炉的炉型构造，包括炉壳和炉衬，定义好各自的材料，即可确定炉壳和炉衬的重量大小和重心位置，进而确定空炉的重量和重心，炉形如图1所示。

空炉炉壳材料选定为铸钢，密度为7 800 kg/m3，炉衬材料密度为2 800 kg/m3，通过3D中的质量特性得出，空炉质量为595101.731 kg，重心坐标为0，4188.26，0。

图1 炉形图

2.2 炉液重量及其初始重心的确定

炉内液体包括铁水和炉渣，质量如下:

铁水质量 =(1.1～1.14)出钢量 =1.12×150×103=1.68×105kg

炉渣质量=0.15出钢量=0.15×150×103=2.25×104kg

铁水密度为6 900 kg/m3，炉渣密度为3 000 kg/m3，根据铁水和炉渣的质量，在3D软件中绘制出当转炉倾角为0°时铁水和炉渣的形状，进而确定炉液的初始重心位置，炉液初始形状见图2。

图2 炉液初始形状

通过3D中的质量特性得出，炉液初始重心坐标为(0，2314.06，0)。

3 按预选耳轴位置转炉倾动力矩的确定

预选耳轴位置为空炉重心以上100 mm，即4288.26 mm。

3.1 按预选耳轴位置空炉力矩的确定［2］

式中，MK为空炉力矩;GK为空炉重量，GK=595 101.731×9.8=5 831 996.96N，L为力臂。

在3D软件中设定好耳轴位置之后，将空炉绕耳轴旋转，每旋转10°，确定此种状态下空炉的重心，重心中的x轴坐标即为空炉的力臂，空炉重量不变。转炉旋转不同角度得到的空炉力矩见表1。

表1 空炉力矩

3.2 按预选耳轴位置炉液力矩的确定

式中，MYE为炉液力矩;GYE为炉液重量;L为力臂。

炉液力矩的计算与空炉力矩的计算相似，但也有不同之处。由作图得知，当转炉倾角在0°～86°范围内时，没有出钢，炉液重量不变;当转炉倾角在86°～126°范围内时，属于出钢阶段，炉液重量发生变化，逐渐减少。在倾动过程中炉液重心位置和力臂一直在发生变化。

在3D中，将炉液密度设置为铁水和炉渣的综合密度5 978.7 kg/m3，将炉液绕预设耳轴旋转，依据倾角在0°～86°范围内炉液质量不变，并且液面保持水平，每旋转10°，绘制出各种倾角状态下炉液的形状，进而确定不同倾角时炉液的重心位置;转炉倾角在86°～126°范围时，属于出钢阶段，炉液质量逐渐减少，液面保持水平，可确定出炉液质量和重心位置。

转炉倾角为90°和50°时，炉液的状态见图3。转炉旋转不同角度时的炉液力矩见表2。

图3 转炉倾动时炉液的状态

表2 炉液力矩

3.3 摩擦力矩的计算

式中，GK为空炉重量，GK=5 832 kN;GYE为炉液重量，GTE=1 867 kN;GT为托圈重量，GT=1 000 kN;GX为悬挂装置重量，GX=2 000 kN;μ为摩擦系数，滚动轴承取μ=0.2;d为轴承直径，滚动轴承取轴承内外径的平均值，d=100 mm。

4 实际转炉倾动力矩的确定

4.1 最佳耳轴位置的确定［3］

通过前述研究得，(MK+MYE)min=221 207 N·m，此时转炉倾角为100°，解得

所以，最佳耳轴位置在预定耳轴位置下方18.3 mm处。

4.2 转炉倾动力矩的计算

最佳耳轴位置确定后，就可以准确确定转炉空炉力矩、炉液力矩、倾动力矩和计算倾动力矩，步骤同前，结果见表3，转炉力矩曲线见图4。

表3 转炉倾动力矩计算值

角度/(°) XK/mm MK/N·m Xye/mm Gye/kN Mye/N·m (Mk+Mye+Mm)/N·m Mj/N·m 90 81.7 476 474.4 －96.58 1 391.306 －134 372.344 449 092 7 293 227.76 351 873.32 100 80.46 469 242.7 －727.99 500.78 －364 562.86.06 538 910.47 95 81.39 474 666.5 －322.82 893.466 －288 428.71 71 249 242.67 299 091.2 110 76.77 447 722.6 －1 403.31 139.16 －195 285.6 2 211 669.86 254 003.83 105 78.92 460 261.4 －1 188.64 267.54 －318 008.7 4 359 428.005 431 313.6 120 70.75 412 614 －1 959.22 36.652 －71 809.3 447794.7 537 353.6

图4 150 t转炉倾动力矩曲线图

5 结论

基于3D软件，结合理论知识，既能够准确确定耳轴的位置，又能够快捷地计算转炉倾动力矩，同时也能模拟不同倾转角度的转炉及炉液的状态。通过与现场的实际数据对比，本文所计算的转炉倾动力矩与现场实际数据基本一致，对转炉倾动机构的设计具有指导意义。

［1］ 林翔，谢永奇．SolidWorks 2004基础教程［J］．2004，(4):36-248．

［2］ 谭牧田．氧气转炉炼钢设备［J］．1983，(7):167-220．

［3］ 罗振才．炼钢机械［M］．北京:冶金工业出版社，1989．