160t电炉门型架回转支承设计缺陷改进和分析

李英刚①，雷雨田

(1．太钢不锈炼钢二厂，山西太原 030003；2．苏州宝联重工，江苏 苏州 215152)

摘 要：160t电炉门型架回转支承使用寿命较低，通过观察分析回转支承损坏特征、损坏部位，逐项分析原因，排除设备维护、设备安装造成损坏可能性，核算设备承载力，对设备工况运行状态进行检测，分析得出由于设计时未考虑振动冲击因素造成设计缺陷，并对此进行针对性改进。

关 键 词：电炉；回转支承；设计缺陷；振动冲击；改进

1 引言

某厂2台160t电炉2006年9月投产，是不锈钢冶炼主要设备，电炉门型架回转支承均为原装进口，分别在2009年5月、2010年6月损坏更换，其中1#炉使用进口回转支承，2#炉试用国产回转支承，分别使用24个月、20个月后损坏。回转支承安装在门型架底部，所以更换一次回转支承需要把炉体、炉盖、电极系统全部拆装一次，最少100小时，不仅仅付出备件成本、人工成本，还给不锈钢生产造成较大损失。

2 回转支承工况介绍

2．1 回转支承工作概况

电炉门型架VAI设计，与传统设计不同，门型架除回转支承外没有任何支承，这种设计布置紧凑、短网长度缩短，从而节省电能。门型架回转支承在电炉炉盖装料抬起和旋转时回转支承直接承受来自炉盖、电极、导电横臂、电极立柱及其升降驱动油缸、门型架等设备的偏心压力载荷，只在冶炼期炉盖放置在电炉炉体上，回转支承不承受炉盖重量；在冶炼过程炉体会向出渣方向前倾10°流渣，出钢时炉体向出钢方向后倾40°，回转支承承受前后方向的倾翻力矩。

2．2 回转支承结构及受力分析

电炉采用了三排滚子回转支承，回转支承主承压部分受力最大，但只在一侧受力，与载荷侧成180°方向受力为零；辅承压部分受力比主承压部分略小，方向与主承压部分相反；炉体在工作位径向载荷基本没有，主要起定位作用，出钢、流渣时承受径向力。通过对各部分工况载荷详细计算，结果如表1。

 

3 回转支承损坏情况

主要零部件损坏严重，其中，主承压系统损坏最严重，辅承压系统损坏较轻，径向定位系统(立排滚珠及其滚道)基本没有损坏。

3．1 主承压系统损坏情况

3．1．1 外圈主承压滚道损坏情况

外圈主承压滚道损坏范围：为距外圈S点8°左右起，到距外圈软带S点105°止，约97°范围。此范围外圈滚道出现严重的粘着和剥落，滚道磨痕深度约2mm。与起点、终点相邻的滚道面有水珠状点蚀。与该弧段对面的滚道基本没有磨损。外圈承压滚道侧壁啃磨的深沟：此深沟是由于内圈上半体挤压变形，内圈滚道边缘向外突出，与外圈主承压滚道侧壁发生干涉、啃磨而形成。最深处约为6mm。深沟圆周范围195°。

3．1．2 内圈上半体主承压滚道损坏

内圈上半体滚道粘着剥落损坏范围为距内圈软带S点82．5°左右起到距S点198．5°，约113°范围。此范围的内圈滚道出现严重的粘着和剥落。内圈上半体主承压滚道除了粘着、剥落损坏外，还存在明显的挤压变形，滚道边缘向外突出约10mm。

3．2 辅承压系统的损坏情况

外圈辅承压滚道的损坏：在与上述外圈损伤部位180°方向有两处四个约15mm大小的剥落，其余部分为轻微点蚀；内圈辅承压滚道的损坏：内圈辅承压滚道有一处剥落，长度范围约350mm，其余部分为轻微点蚀。

3．3 设备损坏区域分析

把回转支承上述内圈外圈损伤区域、负载相对位置、工作位置做出回转支承意图，再从回转支承损坏情况上观察分析。损坏区域并不与主负荷区(内圈带炉盖时重心旋转角度)对应，外圈主负荷区右侧36°即50%区域、内圈主负荷区右侧21°均没有受到损伤，可以说明回转支承损伤与回转支承运动没有必然联系。从图中可以看出外圈损伤段中点也是损坏最严重部位在工作位附近，推断该部位是损伤最初发生的地方。内圈损伤范围较长，是因为外圈是固定的，内圈随门型架一起旋转，左侧明显较外圈长得多，可以推测内圈初始损伤同样在工作位，其工作位左侧损伤角度约80°，略大于内圈旋转角度，所以内圈损伤应该是工作位损伤后，旋转过程在损伤滚道滚子压延导致。这样推测超负荷轴向力来自于工作位，工作位炉盖脱离回转支承(放在炉壳上)，此时回转支承上的负荷只有门型架系统即电极、导电横臂电极升降油缸、门型架钢结构等负荷。

 

4 回转支承设计核算

回转支承安装紧固力、紧固顺序、软带安装部位，基础平面度，都严格遵守设备安装要求。设备润滑为集中润滑，为了避免在加油时污染，实行远程加油，回转支承下线后，检查密封完好、油脂润滑均匀湿润。可见不存在设备安装维护问题，需要根据相关文献对回转支承设计进行核算。

4．1 设备运行载荷核算

对设备零部件重量、负荷重心、倾翻力矩重新进行核查，根据设计要求对回转支承承受主轴向力的主承压区安全系数进行核算，回转支承其他两排滚道损伤轻微，判断为主承压滚道滚子损坏后，运动不平稳造成的为次生损坏，本文不做核算。对于回转支承结构形式轴向额定静负荷容量[1]为：

C0=90f2H×Z0×i0×d0×0×sinγ

=90×(795/750)2×96×60×50×sin90°

=29123712(N)

式中fH—硬度系数，

fH=HV/750；

HV—维氏硬度值，取测量值HRC63，查表

换算维氏硬度值HV=795；

Z0—排滚子数量，主承压滚子数为96；

i0—滚子排数，主承压滚道为1；

d0—滚子直径，主承压滚道为60mm；

l0—滚子当量长度，一般取滚子长度的80%～85%，取83．5%，为50mm；

γ—滚子与滚道接触角，为90°。实际当量轴向负荷[1]为：

C1=4．5MD+GP=4．5×12527000/2．5+2612000=25160600(N)

式中 M—倾翻力矩单位Nm，

取最大值带炉盖时12527000Nm；

D—轴承工程直径为2500mm；

GP—负荷力为2612000N。

则回转支承安全系数为[2]

C=C0/C1=29123712/25160600=1．16

对电炉门型架驱动炉盖旋转来说，运行速度缓慢平稳，理论上是可以满足的。

4．2 设备静止工况检测和核算

图3用精密点检仪测量门型架振动加速度图像经过观察，电炉冶炼时即回转支承静止时倾动平台存在振动现象，用精密点检仪在门型架重心部位测量了振动加速度值，起弧时期振动加速度最大值达到了4．41m/s2(见附图3)，剧烈振动时间持续大约20秒钟，随后振幅逐渐减低，电弧相对稳定后最大值在0．90m/s2左右，熔清后图3用精密点检仪测量门型架振动加速度图像在0．1m/s2以下。电极起弧阶段电流不稳定，超高功率电炉瞬时电流变大，放电区域电磁场变化也很大，电极与炉内金属产生的周期性的电磁作用力相应也很大，这种电磁力产生振动作用于电极，电极产生振动并传递到导电横臂、

 

门型架旋转支承[3]。根据牛顿第二定律，代入不带炉盖设备重量1773000kg，起弧时门型架不带炉盖重心部位承受的最大载荷为：

F=Ma=1773000×4．41=7818930N

因为是在重心部位测量，不带炉盖门型架系统回转支承当量负荷：

C2=4．5×5660000×4．41/2．5+7818930

=52748010(N)

此时回转支承安全系数C=C0/C2=29123712/52748010=0．55，其倒数为1．81也就是说此时回转支承当量负荷是许用应力的1．81倍，这样的冲击力虽然是短暂的，但每加一篮料，电炉都会产生一次冲击，每炉至少都要加两篮料，就会有两次这样的冲击，使得外圈主承压滚道出现裂纹、裂纹扩散、点蚀、逐渐扩展破坏，而内圈上半体未表面淬火部分，调质硬度HRC27左右，远远低于淬硬层HRC62的硬度值，抗压强度相应也远低于滚道，在上方负荷和下方滚子的挤压下发生水平方向塑性变形，过大的挤压变形还造成了内外圈干涉、啃磨，摩擦力不断扩大，直至无法转动，与上述设备损坏区域分析相吻合，可以确定为设计缺陷。

5 改造措施

5．1 回转支承的改造

根据式上述公式估算，结合现场实际，改造方法如图4所示。回转支承基座不动，把与回转支承外圈螺栓孔改为新回转支承的内圈螺栓孔，回转支承设计就有了空间，回转支承外圈整体式改为内圈整体式，更利于承受载荷，回转支承结构和设备空间计算直径可以扩大到3100mm，主承压滚子直径可以增加到70mm，长度可以扩大到80mm，滚子数可以达到108，零件材料与表面热处理与原设计相同，安全系数1．15，可以满足承载要求。以此为依据，经回转支承制造厂校核并完善详细设计制作新回转支承。

 

5．2 门型架支承筒改造

与回转支承联接部分制作一个过渡段新支承筒，结构如图4所示，直径方向与新设计回转支承配套，高度方向保证导电横臂基准高度不变，上下法兰为锻造机加工件。施工时，拆除电极系统和回转支承后以回转支承基座为基准，对正同轴度、平行度后，固定门型架主体，切割既定长度门型架支承筒，对正焊接新支承筒法兰，从4个方向同时焊接，焊接过程中以回转支承基座为基准，随时调整同轴度、平行度，保证安装精度，最后支承筒法兰上下焊接筋板，加强支承筒强度和刚度。

6 结论

1)回转支承损坏不是设备维护、安装不当造成的； 也无关炉盖沾渣等工艺因素。

2)电炉门型架回转支承单点支承结构使回转支承直接承受载荷，损坏根本原因是设计人员对回转支承承受产生于电弧力的冲击和振动负荷没有认识，从而对回转支承最大当量负荷计算错误。

3)在引进或设计电炉门型架回转支承及相关机构时必须充分考虑冲击振动因素，进行校核。

参 考 文 献：

[1]   徐立民．陈卓编．回转支承．合肥：安徽科技出版社，1988：49－50．

[2]   邱 宣 怀 编．机械设计．北京：机械工业出版社，1990：113．

[3]   [日]森井廉著．张果灵译．电弧炉炼钢法，北京：冶金工业出版社，2007：231．