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[摘 要]铁水罐是高炉铁水收集和运输的设备，随着转炉炉容的扩大，造成现有高炉铁水罐的容积不够。由于高炉底下铁水罐通过的高度空间有限，欲对现有140t铁水罐罐盖加高200mm进行实验，检查铁水罐的通过能力以及是否满足扩容的要求。结合工况及铁水罐的相关规范对其是否满足扩容可行性进行分析研究。
[关键词]140t铁水罐 三维模型 应力分析 重心
中图分类号：TE972 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0019-01
攀钢炼铁厂高炉冶炼钒钛磁铁矿铁水易粘罐，使得高炉铁水罐的容积在使用过程中因粘罐而造成容积逐渐变小，且炼钢厂转炉铁水入炉量由一期的132t/炉扩容至现在的143t/炉以上，由此造成现有高炉铁水罐的容积不够，高炉铁水经高炉铁水罐运至炼钢厂后，需要将高炉铁水罐内的铁水进行翻铁组罐作业，兑入炼钢专用铁水罐内，才能满足铁水脱硫作业对铁水罐的反应空间要求和转炉装入量的要求，所以需要对高炉铁水罐扩容改造进行研究。使高炉铁水与转炉炼钢很好的衔接起来，降低生产成本。由于炼铁厂高炉炉下的高度空间不同且有限，欲在现用140t铁水罐的基础上增加罐盖200mm高度进行实验， 检验其高炉炉下通过能力的同时研究是否满足铁水罐扩容的可行性。
2、铁水罐现状
攀钢炼铁厂现使用的140t铁水罐为类球缺底椭圆柱焊接体罐。罐外壳由上部罐盖、中部罐壳和吊架、下部类球缺罐壳组成，各部份间采用焊接联接。铸钢吊架上焊接有起吊用的吊轴（直径Φ390，材质为45号钢）及供铁水罐坐于车架上的支轴，与吊架铸在一起的还有供铁水罐在铸铁机前方支柱上倾翻回转的支爪；罐下部有螺栓联接的吊耳座，吊耳座上装有供铁水罐翻转及卷扬机吊钩提升用销轴，铁水罐罐嘴用螺钉连接在铁水罐罐口上。铁水罐内衬砌高铝耐火砖及永久耐火泥。
3、铁水罐罐盖加高扩容可行性分析
3.1、建立三维模型
根据现用140t铁水罐图纸资料分别创建罐盖加高200mm后的铁水罐、耐材、铁水（距罐顶300mm）的三维模型。图1所示为罐盖加高后铁水罐安全距离下满载铁水的模型，通过完成三维的建模能方便的计算罐盖加高200mm后的铁水罐理论安全最大装铁量由原～140t/罐增加到～150t/罐（铁水密度按6.83t/m3计）。在理论安全最大装铁量情况下，铁水罐及耐材和铁水总重由～178.2t/罐增加到～188.9t/罐。理论上罐盖加高200mm后的铁水罐能满足铁水罐扩容要求，但因炼铁厂高炉冶炼钒钛磁铁矿铁水易粘罐，使得高炉铁水罐的容积在使用过程中因粘罐而造成容积逐渐变小。所以铁水罐改造所需要的有效容积还需考虑使用过程的铁水粘罐量。关于铁水罐使用过程中粘渣量的考虑需根据现场铁水罐的周转周期以及现场对铁水罐的粘渣处理能力进行具体分析。
3.2、耳轴应力分析
铁水罐耳轴采用45号钢调质处理，耳轴与罐体采用过盈配合，可以认为耳轴一端固定在罐体上，一端悬臂出来供吊车吊钩吊装。耳轴悬臂出来供吊钩吊装的尺寸为250mm。吊钩吊装铁水罐时，固定在铁水罐内的耳轴在其径向面承受剪切力和弯曲力的作用。由于悬臂较短，吊钩又充满吊装部位，所以忽略弯曲力产生的影响。对耳轴作受纯剪切力应力分析。
查机械设计手册，考虑到45号钢Φ390mm直径的耳轴调质可能有些困难，耳轴屈服强度取回火σS=265MPa。根据有关的规范，塑性材料一般在静载情况下的安全系数n=1.5～2。取安全系数n=2对耳轴的许用应力进行计算，。因塑性材料的许用剪应力，取许用剪应力=0.6×132.5=79.5MPa。罐盖加高200mm后铁水罐加理论最大装铁水量总重188.9t，考虑到吊装液体和起动时惯性力的作用按210t静载计算耳轴承受的剪应力。单个耳轴受载， 耳轴受剪应力。耳轴安全系数。
因忽略弯曲力产生的影响，所以再对耳轴进行有限元分析校核，
从分析结果可知耳轴所受的最大等效应力为89.74MPa，耳轴在取安全系数n=2的情况下许用应力=132.5MPa， 经强度计算及应力分析可知耳轴的强度满足要求可行。
3.3、重心的校核
根据《冶金用钢水罐》YB/T4175-2008规范，铁水罐耳轴中心线应高于铁水罐满罐合成重心以上200mm～400mm。铁水罐合成重心的计算，一般情况下需要先分别计算出铁水罐壳体、耐材、铁水的重心。然后再对这三个重心合成，最终求出铁水罐最大理论满载铁水的合成重心。关于这三个重心的求解，都需要根据各自的形状进行分部计算，然后再对各分部計算出来的重心进行坐标转换，统一坐标后进行重心合成计算。这种方法求解铁水罐的合成重心步骤繁琐、计算复杂。尤其计算铁水罐外壳的合成重心最为繁琐、计算最为复杂。因为铁水罐中部外壳非常不规则，计算重心时需要对其近似分解成很多规则的小块，计算出每一小块的重心后，再进行合成求出整块的重心。因此采用一般的方法计算铁水罐满罐时的合成重心不但计算量大，而且还容易出错。
采用三维建模的方式求解铁水罐满载时的合成重心最为方便简单。把已经建好铁水罐、耐材、铁水的三维模型进行装配（如图1），装配好后打开三维软件工程图，放置三维模型后直接点重心就能自动求解出合成重心的位置。求得铁水罐满载时耳轴中心线高于合成重心～190mm，不满足规范要求。
4、总结
欲加高铁水罐罐盖200mm增加铁水罐容积的设想不可行，罐盖加高的铁水罐可作高炉炉下的通过实验。三维技术的应用不但能提高工作效率，而且还为一些复杂问题（如铁水罐合成重心的计算）提供了简单的求解方法。通过本次可行性的研究，为后续铁水罐扩容改造的进一步研究打下了良好的基础。
参考文献
[1] 郝素菊.张玉柱.蒋武锋. 高炉炼铁设计与设备[M]. 冶金工业出版社，2011.
[2] YB/T4175-2008，冶金用钢水罐[S].
[关键词]140t铁水罐 三维模型 应力分析 重心
中图分类号：TE972 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0019-01
攀钢炼铁厂高炉冶炼钒钛磁铁矿铁水易粘罐，使得高炉铁水罐的容积在使用过程中因粘罐而造成容积逐渐变小，且炼钢厂转炉铁水入炉量由一期的132t/炉扩容至现在的143t/炉以上，由此造成现有高炉铁水罐的容积不够，高炉铁水经高炉铁水罐运至炼钢厂后，需要将高炉铁水罐内的铁水进行翻铁组罐作业，兑入炼钢专用铁水罐内，才能满足铁水脱硫作业对铁水罐的反应空间要求和转炉装入量的要求，所以需要对高炉铁水罐扩容改造进行研究。使高炉铁水与转炉炼钢很好的衔接起来，降低生产成本。由于炼铁厂高炉炉下的高度空间不同且有限，欲在现用140t铁水罐的基础上增加罐盖200mm高度进行实验， 检验其高炉炉下通过能力的同时研究是否满足铁水罐扩容的可行性。
2、铁水罐现状
攀钢炼铁厂现使用的140t铁水罐为类球缺底椭圆柱焊接体罐。罐外壳由上部罐盖、中部罐壳和吊架、下部类球缺罐壳组成，各部份间采用焊接联接。铸钢吊架上焊接有起吊用的吊轴（直径Φ390，材质为45号钢）及供铁水罐坐于车架上的支轴，与吊架铸在一起的还有供铁水罐在铸铁机前方支柱上倾翻回转的支爪；罐下部有螺栓联接的吊耳座，吊耳座上装有供铁水罐翻转及卷扬机吊钩提升用销轴，铁水罐罐嘴用螺钉连接在铁水罐罐口上。铁水罐内衬砌高铝耐火砖及永久耐火泥。
3、铁水罐罐盖加高扩容可行性分析
3.1、建立三维模型
根据现用140t铁水罐图纸资料分别创建罐盖加高200mm后的铁水罐、耐材、铁水（距罐顶300mm）的三维模型。图1所示为罐盖加高后铁水罐安全距离下满载铁水的模型，通过完成三维的建模能方便的计算罐盖加高200mm后的铁水罐理论安全最大装铁量由原～140t/罐增加到～150t/罐（铁水密度按6.83t/m3计）。在理论安全最大装铁量情况下，铁水罐及耐材和铁水总重由～178.2t/罐增加到～188.9t/罐。理论上罐盖加高200mm后的铁水罐能满足铁水罐扩容要求，但因炼铁厂高炉冶炼钒钛磁铁矿铁水易粘罐，使得高炉铁水罐的容积在使用过程中因粘罐而造成容积逐渐变小。所以铁水罐改造所需要的有效容积还需考虑使用过程的铁水粘罐量。关于铁水罐使用过程中粘渣量的考虑需根据现场铁水罐的周转周期以及现场对铁水罐的粘渣处理能力进行具体分析。
3.2、耳轴应力分析
铁水罐耳轴采用45号钢调质处理，耳轴与罐体采用过盈配合，可以认为耳轴一端固定在罐体上，一端悬臂出来供吊车吊钩吊装。耳轴悬臂出来供吊钩吊装的尺寸为250mm。吊钩吊装铁水罐时，固定在铁水罐内的耳轴在其径向面承受剪切力和弯曲力的作用。由于悬臂较短，吊钩又充满吊装部位，所以忽略弯曲力产生的影响。对耳轴作受纯剪切力应力分析。
查机械设计手册，考虑到45号钢Φ390mm直径的耳轴调质可能有些困难，耳轴屈服强度取回火σS=265MPa。根据有关的规范，塑性材料一般在静载情况下的安全系数n=1.5～2。取安全系数n=2对耳轴的许用应力进行计算，。因塑性材料的许用剪应力，取许用剪应力=0.6×132.5=79.5MPa。罐盖加高200mm后铁水罐加理论最大装铁水量总重188.9t，考虑到吊装液体和起动时惯性力的作用按210t静载计算耳轴承受的剪应力。单个耳轴受载， 耳轴受剪应力。耳轴安全系数。
因忽略弯曲力产生的影响，所以再对耳轴进行有限元分析校核，
从分析结果可知耳轴所受的最大等效应力为89.74MPa，耳轴在取安全系数n=2的情况下许用应力=132.5MPa， 经强度计算及应力分析可知耳轴的强度满足要求可行。
3.3、重心的校核
根据《冶金用钢水罐》YB/T4175-2008规范，铁水罐耳轴中心线应高于铁水罐满罐合成重心以上200mm～400mm。铁水罐合成重心的计算，一般情况下需要先分别计算出铁水罐壳体、耐材、铁水的重心。然后再对这三个重心合成，最终求出铁水罐最大理论满载铁水的合成重心。关于这三个重心的求解，都需要根据各自的形状进行分部计算，然后再对各分部計算出来的重心进行坐标转换，统一坐标后进行重心合成计算。这种方法求解铁水罐的合成重心步骤繁琐、计算复杂。尤其计算铁水罐外壳的合成重心最为繁琐、计算最为复杂。因为铁水罐中部外壳非常不规则，计算重心时需要对其近似分解成很多规则的小块，计算出每一小块的重心后，再进行合成求出整块的重心。因此采用一般的方法计算铁水罐满罐时的合成重心不但计算量大，而且还容易出错。
采用三维建模的方式求解铁水罐满载时的合成重心最为方便简单。把已经建好铁水罐、耐材、铁水的三维模型进行装配（如图1），装配好后打开三维软件工程图，放置三维模型后直接点重心就能自动求解出合成重心的位置。求得铁水罐满载时耳轴中心线高于合成重心～190mm，不满足规范要求。
4、总结
欲加高铁水罐罐盖200mm增加铁水罐容积的设想不可行，罐盖加高的铁水罐可作高炉炉下的通过实验。三维技术的应用不但能提高工作效率，而且还为一些复杂问题（如铁水罐合成重心的计算）提供了简单的求解方法。通过本次可行性的研究，为后续铁水罐扩容改造的进一步研究打下了良好的基础。
参考文献
[1] 郝素菊.张玉柱.蒋武锋. 高炉炼铁设计与设备[M]. 冶金工业出版社，2011.
[2] YB/T4175-2008，冶金用钢水罐[S].