張瑋

( 萊鋼集團設(shè)備檢修中心，山東萊蕪271104)

摘要: 通過對轉(zhuǎn)爐設(shè)備結(jié)構(gòu)及多年的故障統(tǒng)計，結(jié)合故障樹建立分析過程，建立轉(zhuǎn)爐設(shè)備故障樹并進行定性分析，通過故障樹建立及定性分析有效地提高了設(shè)備維護的針對性，降低了設(shè)備故障的發(fā)生。

關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)爐; 故障樹; 定性分析

0 引言

山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠1－3#爐是50 t 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，該轉(zhuǎn)爐原設(shè)計為25 t 頂吹式轉(zhuǎn)爐， 2003 年挖潛改造爐體擴容至50 t。2016 年隨著鋼鐵產(chǎn)能提升要求，對轉(zhuǎn)爐設(shè)備維護的水平逐步增加，如何通過對歷年故障統(tǒng)計，數(shù)據(jù)分析，為設(shè)備穩(wěn)定運行提供理論基礎(chǔ)，成為提高有效作業(yè)率的關(guān)鍵。通過采用轉(zhuǎn)爐設(shè)備結(jié)構(gòu)、歷年故障統(tǒng)計，結(jié)合故障樹建立的模式，對轉(zhuǎn)爐設(shè)備進行故障樹建立及定性分析，為提高設(shè)備運行效率奠定了良好的基礎(chǔ)。

1 轉(zhuǎn)爐設(shè)備的主要構(gòu)成

轉(zhuǎn)爐煉鋼是長流程技術(shù)( 高爐煉鋼) 煉鋼重要環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)爐車間設(shè)備組成總體可概括分為五大部分，主要包括轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備、原料供應(yīng)系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、副槍檢測系統(tǒng)及余熱鍋爐系統(tǒng)( 煙氣凈化及回收處理系統(tǒng)) ，其中股份煉鋼受前期設(shè)計空間影響，未采用副槍檢測系統(tǒng)。轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備重點包括轉(zhuǎn)爐爐體、轉(zhuǎn)爐支撐系統(tǒng)及轉(zhuǎn)爐傾動裝置及相應(yīng)控制系統(tǒng); 原料供應(yīng)系統(tǒng)主要包括四個方面: 鐵水供應(yīng)系統(tǒng)、散裝料供應(yīng)系統(tǒng)、廢鋼供應(yīng)系統(tǒng)及合金供應(yīng)系統(tǒng); 供氧系統(tǒng)主要

涉及氧氣、氮氣、底吹，其關(guān)鍵核心為氧槍系統(tǒng); 余熱鍋爐系統(tǒng)主要包括一次除塵系統(tǒng)，主要包括余熱鍋爐煙道、汽包、一次除塵風(fēng)機、相應(yīng)的水系統(tǒng)等。同時隨著環(huán)保的重視，排放指標的嚴格落實與控制，部分鋼廠增設(shè)有二次除塵系統(tǒng)，甚至包括三次除塵系統(tǒng)。

其中轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)主要包括爐型、爐體裝配、爐體支撐結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)爐傾動結(jié)構(gòu)四部分。爐型主要是指轉(zhuǎn)爐爐襯內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要表示參數(shù)為爐容比及高寬比，目前使用爐型主要包括球型及截錐型兩種，其中截錐型爐底主要優(yōu)點為制造和砌磚都較為簡便，其缺點為強度不如球型底好，故只適用于中小型轉(zhuǎn)爐。球型爐底的優(yōu)缺點與截錐型剛好相反，通常為大型轉(zhuǎn)爐采用; 爐體裝配主要包括爐殼、水冷爐口及爐底三部分組成，主要對爐型及爐襯進行支撐作用，其中爐體裝配主要包括死爐底結(jié)構(gòu)及活爐底結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式，目前中小噸位轉(zhuǎn)爐多采用活爐底結(jié)構(gòu); 爐體支撐系統(tǒng)主要包括托圈與耳軸、止動裝置、球面支撐、耳軸軸承座等五部分; 轉(zhuǎn)爐傾動系統(tǒng)按其傳動結(jié)構(gòu)方式不同可分為落地式傳動結(jié)構(gòu)、半懸掛式傳動結(jié)構(gòu)、全懸掛式傳動結(jié)構(gòu)及液壓傳動的傾動結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)在綜合考慮設(shè)計的安全性，普遍采用的爐傾結(jié)構(gòu)為全懸掛式爐傾結(jié)構(gòu)。其中全懸掛式爐傾結(jié)構(gòu)主要包括四臺電機、制動器、控制系統(tǒng)、一級減速器及二級減速器及扭力桿裝置、事故緩沖裝置等，重點針對轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)設(shè)備進行可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計。

2 故障因素及故障統(tǒng)計

如圖1 為50 t 轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)圖，股份煉鋼廠50 t轉(zhuǎn)爐原設(shè)計為25 t 轉(zhuǎn)爐，先后經(jīng)過2003 年擴容改造、2007 年水冷改造成為目前設(shè)計結(jié)構(gòu)形式。其爐型為截錐型，爐體裝配為活爐底結(jié)構(gòu)，如圖2 所示為50 t轉(zhuǎn)爐砌筑模型圖，其爐容比計算方式如下:

式( 1) ～ ( 4) 中: V帽為爐帽部位體積; V身為爐身部位體積; V0為爐底部位體積; T 為出鋼量。

鑒于轉(zhuǎn)爐爐容比小于0．7，冶煉過程噴濺較為嚴重，造成設(shè)備運行環(huán)境惡劣，同時受空間限制，裙板與圍板之間距離為190 mm，水冷改造后爐帽、爐口水箱等管路與耳軸采用軟管進行聯(lián)接，造成爐體冷卻水管損壞，同時裙板使用壽命較低，裙板損壞嚴重，爐殼受噴濺渣烘烤影響，爐底、爐口法蘭燒損變形，爐殼使用壽命較低。如表1 爐體裝配使用壽命所示，為設(shè)備自2009～2011 年以來設(shè)備使用壽命情況。

對頻發(fā)故障進行細化統(tǒng)計，如表2 爐體冷卻水管頻繁故障情況所示，為50 t 轉(zhuǎn)爐集中頻繁故障階段的故障原因分析。

表3 為轉(zhuǎn)爐支撐裝置使用壽命情況記錄表。

轉(zhuǎn)爐爐體支撐裝置主要包括托圈、球面支撐、止動裝置及耳軸軸承，耳軸軸承型號為239 /710W33，傳動側(cè)軸承考慮其更換的方便性采用剖分軸承，采用內(nèi)圈加寬的方式; 球面支撐及止動裝置采用傳統(tǒng)加持器機構(gòu)，球面支撐橫銷采用螺紋連接固定結(jié)構(gòu)，減少了球面支撐橫向竄動造成銷軸竄出問題; 托圈寬度為540 mm，高度為1 400 mm，收集自2003～2013 年設(shè)備故障數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)爐支撐裝置進行壽命分析。

轉(zhuǎn)爐傾動裝置采用全懸掛爐傾裝置，主要由4 臺電機驅(qū)動，單臺電機能夠完成轉(zhuǎn)爐一個工作循環(huán)，一次減速機為圓柱齒輪減速機，二次減速機采用四級齒輪軸與大齒輪嚙合，大齒輪與耳軸采用切向鍵聯(lián)接，全懸掛減速機底部設(shè)置扭力桿裝置，將爐傾減速機運行過程中產(chǎn)生的慣性力矩轉(zhuǎn)化為扭矩。爐傾系統(tǒng)試用壽命如表4。

3 故障樹

3．1 故障樹概述

故障樹分析法( Fault Tree Analysis，縮寫為FTA) ， 1961 年由美國貝爾電話研究所沃森首次提出，同時該所在后期進行了不斷改進，重點針對火箭偶發(fā)事故預(yù)測問題進行改進。1976 年，清華大學(xué)首次在國內(nèi)核反應(yīng)工程開展可靠性工程研究應(yīng)用，截止目前可靠性工程已廣泛應(yīng)用于宇航、核能、電子、機械、化工等領(lǐng)域。故障樹分析法是一種圖形分析演繹方法，是故障事件發(fā)生的邏輯規(guī)律。它主要由圖、節(jié)點、邊、連通圖、圈等要素組成。樹即是一個無圈的連通圖; 故障樹，它是一種從結(jié)果到原因描繪事故發(fā)生的一種有向邏輯樹，其中樹中的節(jié)點有邏輯判斷性質(zhì)，它具有有向性和開放性兩個特點^［1］。

3．2 故障樹定義

故障樹，形似倒立著的樹。樹的“根部”頂點節(jié)點通常表示系統(tǒng)的某一個事故; 樹的“梢”底部節(jié)點表示事故發(fā)生的基本原因，樹的“枝杈”中間節(jié)點表示由基本原因促成的事故結(jié)果，又是系統(tǒng)事故的中間原因; 事故因果關(guān)系的不同性質(zhì)通常用不同的邏輯門表示。這樣畫成的一個“樹”，用來描述某種故障發(fā)生的因果關(guān)系，稱之為故障樹^［2］。

3．3 故障樹分析建立步驟

故障樹建立步驟主要包括: 明確的系統(tǒng)、可進行定量或者定性分析的頂事件、故障樹模型建立、模型的不斷完善與優(yōu)化、故障樹的定量或者定性分析，具體實施步驟如圖3 所示。

建立故障樹模型的主要符號包括事件符號、邏輯門符號以及轉(zhuǎn)移符號三種; 事件符號如圖4 所示，圖4 中從左向右依次為事件、基本事件、省略事件、外部事件、條件事件。

邏輯門符號主要包括與門、或門、禁門、順序與門及異或門四種符號，與門( and 門) ，表示事件同時存在才能發(fā)生結(jié)構(gòu)，表達式為F = F1∩F2∩……; 或門( or 門) ，表示事件不管哪一個發(fā)生時都會出現(xiàn)故障;表達式為F = F1∪F2∪……; 禁門，表示某輸入事件在一定的條件下才能引起輸出事件發(fā)生; 順序與門，只有當(dāng)F1先于F2發(fā)生時，時間發(fā)生; 否則事件不發(fā)生; 異或門，表示正常情況與或門相同，當(dāng)兩者同時發(fā)生時，事件不再發(fā)生，如圖5、6 所示。

轉(zhuǎn)移符號的主要作用為①可避免相同的子樹在作圖上的重復(fù); ②可解決一張圖紙上畫不開大的故障樹時，作為子樹在不同圖紙上的相互銜接的標志。

3．4 轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)故障樹建立

選取轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)作為研究對象，選取轉(zhuǎn)爐不動作作為頂事件進行系統(tǒng)分析，建立如圖7 轉(zhuǎn)爐設(shè)備系統(tǒng)故障樹。

3．5 故障樹定性分析

通過故障樹的建立，對故障樹進行定性分析，共計建立40 個最小分割集，最小徑集3 個。也就是說轉(zhuǎn)爐不運轉(zhuǎn)共計有40 個可能性。但從3 個徑集可得出，只要采取徑集方案中的任何一個，轉(zhuǎn)爐不動作故障就可以避免。通過系統(tǒng)分析通過優(yōu)化設(shè)計方案提高設(shè)備的運行穩(wěn)定性可有效解決目前轉(zhuǎn)爐設(shè)備不動作故障的發(fā)生。

4 結(jié)語

以故障樹分析的建立為理論基礎(chǔ)，重點對轉(zhuǎn)爐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行了分析，同時結(jié)合近年來50 t 轉(zhuǎn)爐發(fā)生故障特點，建立完善50 t 轉(zhuǎn)爐故障樹，通過對故障樹系統(tǒng)分析，將故障樹分析成40 個分割集及3 個徑集，為可靠性優(yōu)化設(shè)計項目提供了基礎(chǔ)。

參考文獻:

［1］ 紹延峰．故障樹分析法在系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用［J］．中國制造業(yè)信息化( 學(xué)術(shù)版) ，2

007( 1) : 72－74．

［2］ 張英會．機械系統(tǒng)故障樹分析法［J］．中國機械工程，1985( 2) : 42－44．