[科普中國(guó)]-塞棒

簡(jiǎn)介

塞棒(stopper)是裝在盛鋼桶內(nèi)靠升降位移控制水口開閉及鋼水流量的耐火材料棒，又稱陶塞桿。它由棒芯、袖磚和塞頭磚組成。棒芯通常由直徑為30～60mm的普碳鋼圓鋼加工而成，上端靠螺栓與升降機(jī)構(gòu)的橫臂聯(lián)結(jié)，下端靠螺紋或銷釘與塞頭磚連接，中間套袖磚。塞棒須仔細(xì)砌筑，并經(jīng)48h以上的烘烤干燥后使用，以避免耐火材料炸裂造成漏鋼事故1。

塞棒控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介塞棒機(jī)構(gòu)由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、鉗臂、塞棒以及一套液位檢測(cè)及控制系統(tǒng)所組成。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在中間包上，通過鉗臂將塞棒和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)為一體。塞棒由包裹著耐火材料的鋼管所組成，同中間包水口座磚相配合，塞棒在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下做上下直線運(yùn)動(dòng)，通過改變?nèi)襞c中間包水口磚的開口度，從而來(lái)改變鋼水的流量。

液位控制檢測(cè)及控制以鈷60 為放射源，對(duì)結(jié)晶器內(nèi)鋼水的液位檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到液位偏高時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降，帶動(dòng)鉗臂和塞棒下降，通過減少塞棒和水口磚的縫隙來(lái)減少鋼流，反之，當(dāng)檢測(cè)到液位偏低時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)上升，帶動(dòng)鉗臂和塞棒上升，通過增加塞棒和水口磚的縫隙來(lái)提高鋼流，通過檢測(cè)、反饋、執(zhí)行來(lái)保證結(jié)晶器內(nèi)的鋼水液位。

同時(shí)，在中間包水口下方，設(shè)置緊急閘刀，當(dāng)檢測(cè)到液位突然升高時(shí)，通過對(duì)預(yù)設(shè)值的對(duì)比，系統(tǒng)判斷為鋼水溢流，自動(dòng)對(duì)中間包水口進(jìn)行閘斷，以確保安全2。

導(dǎo)致塞棒控制失效的原因?qū)е氯艨刂剖У脑蛴卸喾N，可分為工藝類和設(shè)備類，工藝類的原因主要有塞棒的侵蝕、中間包浸入水口絮流、保護(hù)渣的影響、鋼水成分。而檢測(cè)系統(tǒng)、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、塞棒和鉗臂緊固連接失效等設(shè)備原因也均可能導(dǎo)致鋼流失控。事后，通過對(duì)控制系統(tǒng)以及液位檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)查以及上機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該兩套系統(tǒng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均符合要求，可以排除該兩套系統(tǒng)導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性。

發(fā)生故障的塞棒在檢查中發(fā)現(xiàn)塞棒和鉗臂有松動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)通過對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控視頻的回放，發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)鋼流失控的前一刻，出現(xiàn)了塞棒滑移的影像，由此可以判斷塞棒和鉗臂連接松動(dòng)是導(dǎo)致事故的直接原因。同時(shí)，在對(duì)緊急閘刀進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)閘刀運(yùn)動(dòng)了一半行程，刀刃前部被熔化。

原因分析塞棒緊固失效是導(dǎo)致事故的直接原因。而出現(xiàn)塞棒緊固失效的可能性有以下幾點(diǎn)：

（1）操作工在安裝塞棒時(shí)，未有效對(duì)塞棒進(jìn)行緊固，施加的預(yù)緊力不夠，導(dǎo)致在使用段時(shí)間后出現(xiàn)松動(dòng)。

（2）由于塞棒、鉗臂安裝在中間包上，中間包內(nèi)盛放鋼水達(dá)到1 500 ℃，受熱輻射作用，塞棒和鉗臂產(chǎn)生變形，由于兩者的變形量不同，導(dǎo)致出現(xiàn)松動(dòng)。

（3）由于處于高溫環(huán)境，止動(dòng)墊圈回火，彈性失效，起不到止動(dòng)功效。

（4）由于高溫烘烤，鉗臂的鉗口發(fā)生變形，鉗臂表面與墊圈配合不平，導(dǎo)致螺母松動(dòng)。

（5）高溫氧化，鉗臂表面出現(xiàn)氧化層，當(dāng)氧化層剝落后，出現(xiàn)松動(dòng)。

根據(jù)功能說(shuō)明書，緊急閘刀的設(shè)計(jì)功能是在緊急情況下對(duì)中間包水口進(jìn)行閘斷，利用閘刀本體來(lái)對(duì)鋼水進(jìn)行封堵，而事故中，緊急閘刀并未對(duì)中間包鋼水進(jìn)行有效封堵。為此，特向原設(shè)計(jì)單位進(jìn)行咨詢，得到答復(fù)是其所設(shè)計(jì)的緊急閘刀正常工作的前提條件是塞棒首先要落入中間包水口磚內(nèi)進(jìn)行封堵，而不是通過閘刀本體直接進(jìn)行封堵。功能說(shuō)明書中所述封堵的鋼水是指從塞棒和水口座磚配合間隙中流出的鋼水，對(duì)于大流量的鋼水，并不在其設(shè)計(jì)考慮之內(nèi)。

塞棒緊固失效結(jié)論當(dāng)塞棒在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的牽引下不斷做上下運(yùn)動(dòng)，加之中間包鋼水內(nèi)的流動(dòng)，使得塞棒和螺母出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致塞棒從蟹鉗中滑脫。由于塞棒滑脫，塞棒頂部完全與中間包內(nèi)水口座磚分離，塞棒無(wú)法對(duì)水口座磚進(jìn)行封堵，使得鋼水大流量流出。當(dāng)檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)液位偏高時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)下降，但由于塞棒已脫離正常工作位置，故無(wú)法減少鋼水流量。此時(shí)，在控制系統(tǒng)的自動(dòng)計(jì)算下，緊急閘刀自動(dòng)工作，對(duì)中間包水口進(jìn)行閘斷作業(yè)。由于緊急閘刀無(wú)法應(yīng)對(duì)大流量鋼水，導(dǎo)致刀刃前部被熔化，而由于閘刀刀刃前部被熔化，熔化的閘刀堵塞了其工作軌道，使其無(wú)法前進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼水的封堵。

改造方案導(dǎo)致塞棒緊固失效有五種可能性，而這五種可能性在日常設(shè)備維護(hù)、點(diǎn)檢、管理中可以通過提高操作工的責(zé)任心、及時(shí)更換損壞的鉗臂、墊圈等措施來(lái)予以防范，但又由于均需要人的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，而人又具備許多不可控制因素，因此無(wú)法完全做到徹底防范，因此最佳的對(duì)策是通過設(shè)備改進(jìn)來(lái)確保塞棒不會(huì)松動(dòng)，或者出現(xiàn)松動(dòng)但不能從蟹鉗中脫離。

1 塞棒安裝現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析

塞棒安裝現(xiàn)有結(jié)構(gòu)：塞棒由包裹著耐火材料的鋼管所組成，鋼管尾部為螺紋段。鉗臂為開有缺口的長(zhǎng)槽，塞棒尾部安裝在鉗臂的長(zhǎng)槽內(nèi)，通過上下兩對(duì)螺母對(duì)其夾緊，同時(shí)上螺母各配有一個(gè)止動(dòng)墊圈來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖緊。

塞棒從鉗臂中滑落是由于鉗臂設(shè)計(jì)為帶缺口的長(zhǎng)槽設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)成單個(gè)圓孔，即使螺母松動(dòng)也不會(huì)產(chǎn)生塞棒滑脫的現(xiàn)象。而鉗臂設(shè)計(jì)為帶缺口的長(zhǎng)槽，這是由塞棒結(jié)構(gòu)、安裝特點(diǎn)所決定的，這是因?yàn)槿粲砂突鸩牧系匿摴芩M成，中間包水口座磚也為耐火材料砌筑而成，由于兩者均為耐火材料，無(wú)法像金屬件制作的非常精準(zhǔn)，需要安裝后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)

調(diào)整，因此鉗臂必須制作成長(zhǎng)槽，為塞棒的位置調(diào)整提供足夠的距離空間。同時(shí)，處于塞棒安裝順序以及安全考慮，鉗臂上的長(zhǎng)槽必須設(shè)置成開口狀。

國(guó)內(nèi)外連鑄機(jī)塞棒機(jī)構(gòu)上的鉗臂均為帶缺口的長(zhǎng)槽設(shè)計(jì)，差異只在部分為直通行長(zhǎng)槽，有些為“L”型長(zhǎng)槽。相對(duì)直通行長(zhǎng)槽，“L”型長(zhǎng)槽帶有直角彎，通過直角彎的設(shè)計(jì)來(lái)阻擋塞棒的滑脫，但還是存在滑脫的可能性。

2 改造方案

綜合考慮設(shè)備安裝的安全性、操作方便性、以及最少改造投資，設(shè)計(jì)一種新型的塞棒安裝結(jié)構(gòu)，確保塞棒安裝牢靠，不易發(fā)生松動(dòng)，以及一旦發(fā)生松動(dòng)的情況下盡量減少偏移量，完整的技術(shù)方案如下。

首先，鉗臂的槽口設(shè)置仍為開口型，以滿足塞棒在安裝過程中的位置需要。同時(shí)，相對(duì)于直通行長(zhǎng)槽，“L”型長(zhǎng)槽比較可靠，故參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)用的結(jié)構(gòu)，改原有直通行長(zhǎng)槽為L(zhǎng)”型長(zhǎng)槽。

但由于“L”型長(zhǎng)槽帶有直角彎，在正對(duì)長(zhǎng)槽的方向，雖然可以通過直角彎的阻擋塞棒在長(zhǎng)槽放下的滑脫，但如果塞棒滑動(dòng)至長(zhǎng)槽底部后，還是存在向側(cè)向運(yùn)動(dòng)的空間，滑脫事故依然存在可能性。為此，對(duì)原有的平墊圈（壓板）進(jìn)行改進(jìn)，以求徹底消除滑脫的可能性。

原有的平墊圈的設(shè)計(jì)為環(huán)形墊圈，其設(shè)計(jì)目的用于調(diào)整鉗臂表面的不平度以及增加摩擦接觸面積。而本次改進(jìn)中將墊圈作為實(shí)現(xiàn)消除塞棒滑脫的主要構(gòu)件，改進(jìn)后的新型墊圈呈“凸臺(tái)狀”，凸臺(tái)的寬度等于墊圈通孔的直徑，凸臺(tái)的高度為鉗臂厚度的一半。

凸臺(tái)型墊圈的工作原理：改進(jìn)前，設(shè)有兩個(gè)平墊圈，分別位于鉗臂的上表面和下表面。而改進(jìn)后的塞棒安裝設(shè)置一個(gè)凸臺(tái)型墊圈和一個(gè)平墊圈，凸臺(tái)型墊圈安裝在鉗臂上方，凸臺(tái)型墊圈的凸臺(tái)嵌入鉗臂的長(zhǎng)槽中，鉗臂下方的平墊圈位置及安裝方式保持不變。

當(dāng)上下螺母擰緊后完成塞棒的緊固，在通過每個(gè)螺母的鎖緊螺母進(jìn)行鎖緊。如果出現(xiàn)松動(dòng)，發(fā)生塞棒滑動(dòng)，塞棒將帶著凸臺(tái)墊圈一起移動(dòng)。由于“L”型長(zhǎng)槽的寬度等于塞棒的直徑，在沒有凸臺(tái)墊圈設(shè)計(jì)之前，塞棒可以順利通過長(zhǎng)槽的直角彎。

3 效果

通過采用現(xiàn)有的“L”型長(zhǎng)槽結(jié)構(gòu)以及自主創(chuàng)造的凸臺(tái)墊圈兩項(xiàng)技術(shù)的同時(shí)使用，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了塞棒不會(huì)從鉗臂中脫落的功能保證，同時(shí)通過管理制度的完善以及對(duì)制度的嚴(yán)格執(zhí)行，以及在點(diǎn)檢、操作對(duì)設(shè)備的正確維護(hù)下，自設(shè)備改造以來(lái)，未發(fā)生過一起事故，確保了生產(chǎn)安全正常使用，效果明顯。

總結(jié)改造實(shí)施完成后，經(jīng)過將近一年的運(yùn)行，塞棒安裝穩(wěn)固，未發(fā)生一起塞棒脫落事故降低，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定目標(biāo)，有效保證了設(shè)備安全、簡(jiǎn)化操作的要求要求，為生產(chǎn)順行奠定了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)在設(shè)備改造中成功應(yīng)用了自主創(chuàng)新技術(shù)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益3。