高炉气密箱倾动分析及处理

孙万权 聂高升 张辉 蹇华 向何 张红雨 侯振文

(宁波钢铁有限公司 浙江宁波 315807)

1 前言

气密箱无疑是高炉炉顶最重要、最复杂的设备之一。就其重要性而言，它承担着高炉物料的进料与分布，是高炉的咽喉，直接影响高炉的生产；复杂性而言，它集成了定轴齿轮系、蜗轮蜗杆轮系、差动齿轮系等诸多传动机构，另外还集成了大型转盘轴承、轴瓦、滚动轴承、水冷系统、氮封系统等，结构紧凑、运行精度较高。因其密封形式为氮气体密封，故称为气密箱，从传动和冷却形式来看，又常称其为水冷传动齿轮箱，另外因其功能是实现布料溜槽的布料，故又称为布料器。

由于气密箱的工况环境较差(直接接触高炉炉内高粉尘浓度、高温度的煤气流)，作业率较高，且日常点检困难，气密箱先后出现过多起设备故障，本文即对2#高炉气密箱在2019年出现故障后，问题排查、抢修经过及吸取的经验进行了简述、总结，为气密箱倾动出现类似问题提供有效的快速处理方法。

2 气密箱概况

宁钢2#高炉为2500m3，为标准型气密箱，图1为气密箱的传动示意简图[1]。

该气密箱经过三套旋转齿轮副传动，实现布料溜槽的旋转功能，经过六套倾动齿轮副，实现布料溜槽的倾动功能，另外，通过图1中倾动齿轮副二(差动齿轮传动)的差动功能，可实现布料溜槽的单独旋转、单独倾动、旋转和倾动的联合动作。主要技术参数如表1。

表1 气密箱主要技术参数

图1 气密箱传动示意图

2#高炉气密箱自2008年投运后总体运行平稳，到服役中后期先后出现过驱动(倾动、旋转)故障、冷却系统故障、隔热板脱落引起的箱内温度高等问题。

3 问题分析及排查

2019年9月29日12:33，2#高炉气密箱在布料后准备下倾至4°自动加注干油时，发现只能下倾至8.1°，变频器报过流保护跳停，后续几次测试后仍如此，由于近期炉况较差，顶温低，炉内成像模糊，基本上是黑屏，无法直观判断溜槽的布料情况，遂决定暂不加油，维持生产，至10月4日，炉况劣化严重，厂部召集设备、生产相关人员进行会诊，分析可能的原因如下[2]：

1)布料溜槽内可能卡异物，导致布料料流偏析不准，进而影响炉况；

2)布料溜槽鹅颈头区域有异物，倾动时卡阻，导致前期电流过高跳停，也进而使布料出现问题；

3)气密箱出现异常，特别是倾动出现故障，使布料不准。

结合溜槽下倾，电机跳停的现象，原因主要集中在后两种，但不管是哪种原因，均需要高炉休风处理。随后，生产协调，进行休风检查。通过点火孔，发现炉料集中在中部区域，炉料未能按照生产设定的布料模型进行布料。

在打开炉顶大方孔后，对布料溜槽进行了仔细检查，未发现异常，排除了第一种和第二种原因。随后，打开气密箱人孔，进行气密箱的倾动、旋转试验，查找气密箱的问题所在。气密箱旋转试验，无异常，倾动试验时，出现了异常：在溜槽下倾试验时，中控显示约8°，现场实际已到0°，扇形齿轮一端已与安全销轴接触上，中控再操作下倾，气密箱倾动电机保护跳电；溜槽上抬试验时，现场实际只能到30°，继续上抬操作，则发现：倾动齿轮副五的蜗杆正常转动(图1所示)，但倾动小齿轮无动作，由此说明齿轮传动在蜗杆至倾动小齿轮间的发生了中断，即倾动齿轮箱出了问题。

图2为倾动齿轮箱结构简图，可能出现问题的有：蜗杆3，轴承2、4、14、15，蜗轮7。首先，在数次倾动试验中，倾动齿轮箱的各部位轴承未出现异音，可以排除轴承问题；其次蜗杆如果出现螺旋齿的损坏，则倾动就会失效，不会有0°～30°的正常倾动现象，故可排除蜗杆损坏的问题；最后就是蜗轮，有两种情况，一种就是蜗轮与蜗轮轴的联结(键)失效，但这种也会造成倾动的彻底失效，故可排除，另一种是蜗轮轮齿损坏，由于正常工作时，常用的角度在30°～40°间，在这个区间的齿损坏会造成目前的情况，且蜗轮轮齿为铜质，强度和耐磨性上较蜗杆要低[3]，故蜗轮轮齿的局部损坏最有可能是目前问题的原因。

随后将气密箱倾动至0°左右，同步检查气密箱两侧的倾动齿轮箱蜗轮齿面，均发现齿面磨损严重、局部出现剃齿现象。

4 方案选择及处理

经讨论初步形成两种处理方案：一是整体更换气密箱；二是更换倾动减速机[4]。

但这两种方案实施的前题是必须要将布料溜槽拆下取出[5]，而溜槽已无法上抬至更换角度，拆下取出溜槽困难重重，另外两种方案的耗时均较长，除了拆下取出溜槽耗时外(时间不可预测)，按前期的经验，第一种方案可能会在50小时以上，第二种方案至少也在20小时以上。是否有更好的方案呢？对蜗轮损坏齿的区域进行了分析，表2为蜗轮、蜗杆、倾动小齿轮和扇形齿轮的相关参数表。根据表2参数，绘制出该倾动齿轮箱传动时意图，图3中a)、b)、c)分别为布料溜槽倾动至0°、30°、40°时的状态图。

表2 蜗轮蜗杆等相关参数表

图3 倾动状态图一

溜槽常用角度为30°～40°，故蜗轮损坏的齿基本集中在相应的这个区域，见图3中弧段AB，最多损坏10个齿。在图4中，a)为0°时蜗轮损坏的齿的位置，b)为在0°时，将损坏齿转至约180°示意图，c)、d)分别为40°、65°时，损坏齿的位置示意图。

由图4中b)、c)、d)可知，将蜗轮损坏的齿转动约180°位置后，损坏的齿完全避开了气密箱正常使用(包括溜槽更换的角度)时，蜗轮蜗杆的啮合区，此方案理论上有可行性。如何实现在线将蜗轮损坏的齿调转180°呢？要想达到此目的，就需要倾动小齿轮相对于扇形齿轮脱开啮合而单独转动，即倾动小齿轮与扇形齿轮啮合脱开，常见的方案有两种：一种是将扇形齿轮拆下，倾动电机转动，将蜗轮损坏齿转至约180°位置，再将扇形齿原位装回；另一种是将倾动小齿轮从倾动轴上拆下，随后重复第一种方案的后续动作，再将倾动小齿轮回装。理论上，这两种方案均可实施，但在线拆倾动小齿轮或扇形齿轮非常困难，停机检修时间长。

图4 倾动状态图二

故此，分析思考出第三种方案：割齿脱齿旋转法。

因为有负载布料溜槽，扇形齿轮与倾动小齿轮轮齿处于啮合受力状态，如果要将扇形齿轮与倾动小齿轮轮齿脱开，需要将布料溜槽转至0°以下，这样，扇形齿轮被0°限位销挡住，而0°限位销受空间限制是无法拆除取出的，如果割除0°限位销，将不能恢复0°限位销的功能，因此这样脱齿法不可取。

技术人员经过分析，决定采用先割齿、后脱齿再旋转的方法。首先，将气密箱倾动至0°，在倾动小齿轮的某齿明显位置做个标记，如图4中a)倾动小齿轮的8#齿位置(黑三角标记)，然后倾动至25°左右，将扇形齿左端齿割除2.5个，如图5中a)，然后倾至0°，因布料溜槽的重心在左侧，扇形齿轮割掉后的半齿始终会受到倾动小齿轮轮齿的作用力，见图5中c)，为避免扇形齿对倾动小齿轮轮齿的冲击，关键点是，将布料溜槽旋转到大人孔位置，用钢丝绳将布料溜槽套牢，然后将布料溜槽旋转180°，用倒链往外拉住，使扇形齿轮与倾动小齿轮轮齿在割齿位置脱离，这时，倾动小齿和扇形齿啮合脱开，见图5中b)，倾动小齿继续逆时针旋转，直转至图4中b)的位置，完成割齿脱齿旋转工作。

按照上述方案，进行实施，本次气密箱的抢修工作，从方案的制订，到抢修工作结束，共用时仅约5小时。

5 处理效果

检修结束后，进行了多次倾动试验，试验结果见表3。

表3 倾动试验数据 单位°

图5 倾动状态图三

从试验数据来看，气密箱的倾动功能已恢复正常。从检修投用以来的这三个月的使用情况来看，倾动也正常，完全满足生产的布料要求。

6 结束语

本次气密箱故障，暴露出了对气密箱倾动齿轮箱蜗轮点检的片面性和缺乏有效性，即未点检到有效部位(经常啮合的齿面)，对此，将对点检标准进行针对性的修订完善。

从气密箱抢修的方案制定及实施过程来看，本次抢修工作非常成功，极大地降低了检修难度和缩短了检修时间，在不换气密箱、不换倾动减速机、不拆除布料溜槽、不割除0°限位销的前提下，采用“割齿脱齿旋转法”恢复倾动减速机功能的处理方法属国内首创，为同行业提供了经验。