铁水罐扩容设计

高旭芳

（四川鸿舰重型机械制造有限责任公司，四川攀枝花617063）

铁水罐扩容设计

高旭芳

（四川鸿舰重型机械制造有限责任公司，四川攀枝花617063）

在不改变铁水罐主体结构的前提下，通过增加铁水罐的高度来进行扩容设计。扩容后通过理论计算确定铁水罐的重心位置，并对耳轴、罐底重新进行强度校核，同时计算允许运行的最大速度，以满足使用工况的要求。

扩容；强度；校核

0 引言

铁水罐是冶金行业使用非常广泛的一种设备，它的作用是装运炼铁厂生产出来的铁水，并通过铁水罐车将其运送到铸铁车间铸铁或炼钢厂炼钢。随着技术的不断进步，很多钢铁厂的生产规模都在进一步扩大。由于在线铁水罐的数量较多、使用寿命较长，为满足扩能需求，很多炼铁厂考虑对原有铁水罐进行扩容设计。

现以云南某炼铁厂65 t铁水罐为例，考虑到铁水罐车的运载能力、天车起吊能力等限制因素，拟在现有铁水罐的高度上加高380 mm，将额定容量由65 t扩大到80 t。

1 扩容前65t铁水罐

65 t铁水罐是梨形的焊接结构件，罐身由4块钢板焊接而成，罐底为球形，罐嘴用螺栓联接在罐身上，扩容前65 t铁水罐示意图如图1所示。

图1 扩容前65 t铁水罐示意图

罐体钢结构重8.545t；耐材重10.6t；空罐总重19.145t；装上65 t铁水后重84.145 t；自由空间高度370 mm；罐高2 959 mm；罐口直径3 240 mm；罐壁厚度30 mm；罐底厚度20 mm。

2 扩容可行性分析

铁水罐本体可使用年限较长，主要是罐口压板和罐嘴容易损坏，耳轴易磨损，所以扩容前需考虑以下几个方面：1）罐口压板和罐嘴容易损坏，罐体加高时将罐口压板和罐嘴部位去掉；2）对钢板的变形情况及焊缝进行检查，对罐身变形严重或焊缝不合格的铁水罐不进行扩容；3）检查耳轴部位，如果耳轴套磨损严重需先更换耳轴套，对于没有套的耳轴若磨损严重，先进行电镀或者堆焊修复并消除应力后再考虑扩容的方案。

3 扩容方案

对扩容可行的铁水罐，按照以下方案和顺序进行扩容，见图2。1）扩容前先将罐口压板去除，然后两罐臂侧上焊接厚20 mm，高380 mm的钢板（罐臂侧围板）；2）两罐嘴侧先沿罐体罐嘴平面将上部罐体变形部分去除，然后焊接厚20 mm，高度约670 mm的钢板（罐嘴侧围板）；3）在罐体最上端焊上厚30 mm的压板；4）两罐嘴侧按图2所示分别焊上加强筋板；5）如罐嘴无损伤，原有罐嘴利旧，围板上缺口尺寸根据罐嘴实际尺寸修改，螺栓孔做相应处理；6）罐臂侧围板、罐嘴侧围板主要焊缝超声波探伤，达到GB/T11345-89的Ⅱ级。

4 扩容后80t铁水罐参数

罐体钢结构的重量为10 t；耐材重量12.2 t；空罐总重量22.2 t；装上80 t铁水后的重量102.2 t；自由空间高度480 mm。

5 扩容后80t铁水罐的校核

铁水罐确定扩容方案后，必须通过以下几方面的校核：1）通过理论计算确定铁水罐的重心位置，验算重心位置是否在规定的范围之内；2）对耳轴、罐底重新进行强度校核，确保使用过程中的安全；3）计算铁水罐车允许运行的最大速度，保证在满罐运输时铁水罐不会发生倾翻。所有指标达到要求后，再实施扩容方案。

5.1 重心校核

图2 扩容后80 t铁水罐

图3 铁水罐组成示意图

图4 铁水示意图

65 t的铁水罐扩容到80 t后，罐体加高了380 mm，罐体钢结构、耐材、铁水的重量相应地增加了，其重心必然发生了变化。根据《冶金用钢水罐》（YB/T4175-2008）的标准规定：耳轴中心应高于钢水罐（含新砌耐材）满罐合成重心以上200～400 mm。如果合成重心太低，铁水罐倾倒铁水费力；如果合成重心太高，铁水罐在吊运过程中有发生倾翻的危险。所以扩容后的铁水罐必须重新校核重心的位置。

铁水罐组成示意图如图3。铁水罐的形体比较复杂，使用组合法计算铁水罐的重心，则整个铁水罐的重心用有限形式的重心坐标公式求出，由于铁水罐相对于坐标轴X、Z对称，所以重心点在Y坐标轴上。

该铁水罐由以下部分组成：A1铁水；A2耐材；A3壳体；A4吊轴；A5支承轴；A6倾翻装置；A7罐臂。

以支承轴中心线与罐体回转中心线的交点为坐标原点。5.1.1 计算铁水的重心（如图4）

1）平截正圆锥体部分A11质量：

2）平截正圆锥体部分A11重心：

3）平截正圆锥体部分A11转换坐标（重心从圆锥体下底面转换到坐标原点）：

4）球缺部分A12质量：

6）转换坐标（重心从球心转换到坐标原点）：

7）铁水组合A1重心：

铁水组合A1质量：

用同样的方法可依次算出A2耐材、A3壳体、A4吊轴、A5支承轴、A6倾翻装置、A7罐臂的质量和重心位置。

5.1.2 铁水罐重罐重心合成

重心：

重心在耳轴中心下方距离为：h重=545-y重=545-213.2= 331.8 mm。

5.1.3 铁水罐空罐重心合成计算

重心在耳轴中心下方距离为：h空=545-y空=545-264.8= 280.2 mm。

通过计算，空罐时合成重心在吊装耳轴中心下方距离为280.2 mm；装上80 t铁水时合成重心在吊装耳轴中心下方距离为331.8 mm。满足了《冶金用钢水罐》（YB/T4175-2008）中耳轴中心应高于钢水罐（含新砌耐材）满罐合成重心以上200～400 mm的要求。

5.2 起吊耳轴强度校核

起吊耳轴是铁水罐的关键部件，它直接影响着整套设备的安全。65t铁水罐扩容成80 t后，重量发生了变化。因此必须重新校核起吊耳轴的强度是否还满足要求，以确保使用过程中的安全性。

图5 耳轴受力图

铁水罐上有2根起吊耳轴，直径d=256 mm，龙门钩厚度l=160mm，材料为35钢，屈服强度极限［σs］=275 MPa。耳轴的受力图如图5所示。

从图中可以看到，耳轴根部受到的复合力影响最为严重，因此针对耳轴根部作弯扭合成强度计算：

式中，α为折合系数，取α=0.6。

安全系数：n=σs/σ=275/32.17≈8.55。

按照《AQ2002-2004炼铁安全规程》的规定：铁罐耳轴安全系数不应小于8。因此起吊耳轴的强度满足要求。

5.3 支撑轴强度校核

支撑轴同样要重新进行强度校核。铁水罐上有4根支撑耳轴，它们的直径d=230 mm，长度l=175 mm，材料为35钢，屈服强度极限［σs］=275 MPa。

同样的计算方法：σ＝29.3 MPa。

安全系数：n=σs/σ=275/29.3=9.4。

因此起吊耳轴的强度也满足要求。

5.4 罐底强度校核

铁水罐扩容后，罐壁加高部分在罐体上部，使用中加高部分在安全净空距离中。因此罐壁在满罐铁水静压力下，罐壁加高部分受影响不大，薄弱环节在SR1470mm球形罐底与罐身的连接处，对此处做铁水静压力下连接处A-A强度校核。

A-A截面铁水静压力下连接处应力：σ＝kF/A。

式中：F为铁水静压力；A为截面面积；K为考虑冲击及罐口粘渣等不确定因素，K取4。

F=（80+12.2+1.6）×1 000×10 N=938 000 N（铁水80 t、耐材12.2 t、球形罐底1.6 t），A＝π×（r2外－r2内）＝π×（1.472-1.452）≈0.18 m2，σ＝4×938 000/0.18=20.84 MPa。

安全系数：n=σs/σ=325/20.84≈15.6。式中，罐体用的是Q345钢板焊接而成的，屈服强度极限［σs］=325 MPa。

因此铁水罐由65 t扩容成80 t后，罐底钢板的强度满足要求。

5.5 运行稳定性

《钢铁企业总图运输设计规范》（GB50603-2010）中规定：厂内铁路线最高设计转弯速度（重车）10 km/h。铁水罐车在运行中转弯时，如果运行速度过快，支撑耳轴就会有从铁水罐车上滑落的危险。因此首先计算出允许运行的最大速度，如果扩容后实际运行速度小于允许运行的最大速度，那么就是安全的。现场铁路转弯半径R=60 m，铁水罐车的实际运行速度v=20 km/h。

式中：g为重力加速度，g=9.8 m/s2；R为运行转弯半径，R= 60 m；L1为离心力力臂，L1=0.42 m（支撑耳轴中心到罐体回转中心的水平距离）；L2为重力力臂，L2=0.213 2 m（满罐重心位置到支撑耳轴中心的垂直距离）。

计算所得：V=17.3 m/s=62.28 km/h。

在满罐运行中罐体本身不发生绕支承耳轴倾翻的最大列车允许运行达到62.28km/h，而厂内铁路运输速度要求最大为20km/h，因此，在满罐运输时铁水罐不会发生倾翻。

6 结语

通过理论计算，云南某炼铁厂65 t铁水罐通过增加高度扩容成80 t后各项参数都符合要求。在正常工况条件下，安全性没有任何问题。而且扩容完成后的铁水罐在现场使用情况良好。这项改进不仅加快了生产节奏，而且节约了成本，为企业带来巨大的效益。实践表明：铁水罐扩容是一种可行的方案，可为其它炼铁厂铁水罐扩容提供参考。

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［6］ 国家安全生产监督管理局.GB50603-2010钢铁企业总图运输设计规范［S］.中国标准出版社，2011.

［7］ 国家安全生产监督管理局.AQ2001-2004炼钢安全规程［S］.中国标准出版社，2005.

［8］ 国家安全生产监督管理局.AQ2002-2004炼铁安全规程［S］.中国标准出版社，2005.

（编辑：启 迪）

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1002－2333（2014）04－0253－03

高旭芳（1985—），女，助理工程师，主要从事冶金设备设计及制造研究工作。

2014-01-20