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适用于高炉热装工艺的HG布料器研发

夏志煌^①，刘斌奇

(中冶南方工程技术有限公司 湖北 武汉 430223)

摘 要：为满足高炉热装工艺的要求，在常规HG布料器的基础上，开发出了闭式水冷HG布料器，论文主要分析了闭式水冷HG布料器的技术特点，根据HG布料器样机的运行情况及CAE仿真分析结果，闭式水冷HG布料器的各关键零部件均满足设计要求。

关 键 词：高炉热装工艺；HG布料器；闭式水冷

1 前言

在今后相当长一段时间内，高炉炼铁工艺在钢铁生产过程中仍将占据主导地位。而低碳、低耗和环保将是未来高炉炼铁技术研究的重点和方向。打破高炉炼铁原、燃料采用冷装的传统工艺，实现高炉原、燃料热装一直是钢铁行业专家的一个梦想，原、燃料热装能够利用高炉炼铁原、燃料的显热，达到有效节约能源和减少CO₂排放的目的。

高炉原、燃料的热装工艺对高炉炉顶设备也提出了新的更高的要求，而布料器则是高炉炉顶中的关键设备，布料器性能的好坏直接影响着高炉冶炼产品的产量和质量。中冶南方工程技术有限公司依托山东焦化北海冶金熔岩炉炉顶设备成套供货项目，以具有自主知识产权的HG(HelixGear)布料器技术为基础，研发了适用于高炉原、燃料热装的闭式水冷HG布料器，下文将对其技术特点进行分析。

2 HG布料器简介

目前，国内外大都采用PW布料器，PW布料器于1972年正式应用于高炉上，迄今为止在全世界有超过一千座高炉的工程业绩，PW布料器采用差动齿轮机构，通过一系列齿轮传动来带动溜槽两侧的悬挂轴旋转，从而实现溜槽倾动。但随着该布料器的广泛应用，其缺点也日益明显，例如传动结构复杂、制造精度要求及高氮气消耗量大等。鉴于PW布料器的上述缺点，同时为了满足炼铁设备向大型化、自动化、高效化、长寿化以及节能环保等方向发展的要求^[1]，国内外钢铁相关的企业及研究机构竞相研究新型无料钟炉顶布料器。例如西门子奥钢联的万向节无料钟炉顶布料器，该布料器采用液压驱动机构和曲柄连杆机构作为驱动机构和执行结构，具备PW布料器相同的功能，但溜槽运动的数学模型非常复杂，对溜槽的控制非常困难。

国内也出现了一些新型的无料钟炉顶布料器，例如攀钢的SS型无料钟炉顶布料器。包钢的BG型无料钟炉顶布料器等，这些布料器大部分停留在设计阶段，没有进入投产或者广泛要用到阶段^[1]。

中冶南方工程技术有限公司近年来也加大了对无料钟炉顶设备特别是无料钟炉顶布料器的研发力度，2010成功研发出具有自主知识产权的HG布料器，并于2011年5月成功制作出样机。HG布料器的传动原理图如图1所示。

HG布料器包括溜槽旋转机构和溜槽倾动机构，溜槽的旋转和倾动是完全分开的独立运动。旋转机构由固定在顶盖上的减速电机驱动上部回转支承的外圈，带动旋转圆筒旋转，从而驱动溜槽旋转。溜槽卡挂在左右动臂上，左右动臂分别通过连杆机构与下部回转支承的内圈连接，当溜槽旋转时，该连杆机构和下部回转支承的内圈都与溜槽一起旋转。下部回转支承的外圈与Helix齿轮固定连接，当两倾动减速电机驱动两倾动齿轮，并共同驱动Helix齿轮，由于Helix齿轮的支承轮是沿螺旋线布置的，当Helix齿轮旋转时，在螺旋轨道的作用下，Helix齿轮边旋转边沿轴线做上下运动。于是，通过下部回转支承带动滑动箱形做上下运动，铰接在滑动箱形圈上的连杆通过曲柄推动悬挂轴和动臂倾动，这样溜槽就完成了倾动。HG布料器的特征在于采用了Helix齿轮，Helix齿轮的最大特点在于：普通齿轮仅做旋转运动，而Helix齿轮在旋转的同时还沿其轴线做上下运动，如同常见螺栓连接中的螺母一样。

HG布料器具有以下有点^[2]：①HG布料器溜槽的旋转和倾动是分开的，布料灵活；②采用连杆机构实现溜槽倾动，结构简单；③Helix齿轮支撑点多，承载能力大；④采用双动臂卡挂溜槽，溜槽更换方便；⑤旋转体采用夹套式水冷结构，冷却效果好；⑥下部环隙采用浮动密封环，氮气耗量小；⑦动臂悬挂轴芯部通水冷却，使用寿命长；⑧下水槽设置水位检测，连锁控制水流量；⑨外部连接与PW布料器相同，可互换。

3 适合于高炉热装工艺的HG布料器的设备组成

随着HG布料器的成功研发及样机(重型HG布料器)的无故障运行，中冶南方先后承接了首钢伊犁2×1260立方米高炉炉顶设备供货项目及山东焦化北海冶金熔岩炉炉顶设备供货项目。前者主要是对HG布料器的样机进行小型化设计，而后者则是将传统的冷料入炉改为800℃的高温红料直接入炉，对HG布料器的所有组成部分特别是水冷系统提出了新的更高的要求。因此需要重点解决设备冷却、隔热、密封、构件高温下的强度和刚度、设备热膨胀的克服和适应、高温耐磨等问题^[1]。中冶南方的研发团队针对这些问题逐一进行了研究，开发出适用于高炉热装工艺的闭式水冷HG布料器，其技术参数见表1。

闭式水冷HG布料器的三维模型如图2所示。其组成主要包括顶盖组件、倾动驱动组件、旋转装配组件、布料器壳体、水冷旋转接头、Helix齿轮、支撑轮及其他配套部件。

4 闭式水冷HG布料器的技术特点

1)闭式水冷HG布料器的水冷系统由于高炉热装工艺是采用800℃的高温红料直接入炉，要求必须提高HG布料器的冷却强度，常规的HG布料器为开式水冷系统。在该系统中，布料器上部的旋转接水槽位于布料器旋转体的上方并随之一起旋转，冷却水从上方进水管到达旋转接水槽中并在重力作用下往下流动到达布料器旋转体上沿，随后顺着布料器旋转体的四周外壁表面继续向下到达布料器旋转体下沿，最后到达设置在布料器旋转体下方的布料器下部固定接水槽中，并通过固定接水槽的排水系统排出。由于开式循环水冷系统中的水流靠重力驱动下流，在管径确定后，系统的最大水流量就确定了，流速也不可能很高，一旦炉内出现高温时，无法通过增加水流量来增强冷却能力，因此为适应热装炉顶工艺，在常规的HG布料器基础上，增加了闭式水冷系统。

采用有压供水和有压排水。

闭式水冷系统的关键设备———水冷旋转接头的结构图如图3所示。水冷旋转接头主要包括内圈、外圈、密封环、回转支撑，在旋转接头的内圈上端面往下开有若干组内圈供水通道和内圈回水通道(如图3所示，假定深色通道为供水通道，浅色通道为回水通道)，相对应的，从旋转接头的外圈下端面往上开有若干组外圈供水通道和外圈回水通道，各供水通道、各回水通道均能通过各自的周向通道汇聚后联通，供水通道和回水通道采用密封装置分开，构成如图4所示的封闭式冷却回路^[3]。

闭式冷水HG布料器除了具有常规HG布料器的优点外，还具有以下优点：①流量控制方便：根据在线检测到的回水温度可方便的调整供水压力来保证布料器的冷却能力合适；②采用有压供水和有压排水，可以方便的通过调节供水水压力来提高冷却效果，特别适应于炉顶热装工艺等需要大冷强度的工况；③冷却水通道分布更均匀，对旋转体的冷却效果也更均匀；④在封闭环境下对布料器进行液体回流冷却，避免开始水冷系统在布料器内部蒸发的水蒸汽对布料器内部零部件腐蚀破坏；⑤冷却水可循环利用，降低了水量的消耗。

其他关键零部件为了使用高炉的热装工艺，除了对旋转筒体进行水冷外，还在旋转筒体的内壁与高炉煤气直接接触的部分涂覆了高温隔热材料。但悬挂组件的悬挂臂，挂溜槽的轴，以及悬挂组件的花键轴均有部分裸露与高炉煤气中，且悬挂臂和挂溜槽的轴无法水冷，因此在材料选择上，闭式水冷HG布料器的这些设备采用了高温耐热铸钢，并进行了CAE仿真分析。溜槽挂件CAE分析结果如图5所示。

通过分析，各关键设备的应力、应变均符合设计要求。

5 结论

高炉热装工艺新技术未来的应用空间及社会效益将非常巨大，中冶南方在自己开发的具有完全自主知识产权的HG布料器基础上，根据高炉热装需要布料器能够承受热装高温条件的要求，开发了适应原、燃料热装的闭式水冷HG布料器，根据HG布料器样机的运行情况及CAE分析仿真结果，闭式水冷HG布料器的各关键零部件均满足设计要求，在当今节能环保的大环境下，闭式水冷HG布料器也将会有越来越广泛的应用前景。

参 考 文献：

[1]   刘斌奇．HG布料器的研制及开发[J]．炼铁．2013，32(2)：16－19．

[2]   中冶南方工程技术有限公司．高炉炉顶布料装置：中国，200920292322．2[P]．2010－09－15．

[3]   中冶南方工程技术有限公司．液冷旋转接头及采用其的布料器闭式冷却系统和布料器：中国，201210117662．8[P]．2012－08－22．