张玮

( 莱钢集团设备检修中心，山东莱芜271104)

摘要: 通过对转炉设备结构及多年的故障统计，结合故障树建立分析过程，建立转炉设备故障树并进行定性分析，通过故障树建立及定性分析有效地提高了设备维护的针对性，降低了设备故障的发生。

关键词: 转炉; 故障树; 定性分析

0 引言

山钢股份莱芜分公司炼钢厂1－3#炉是50 t 氧气顶吹转炉，该转炉原设计为25 t 顶吹式转炉， 2003 年挖潜改造炉体扩容至50 t。2016 年随着钢铁产能提升要求，对转炉设备维护的水平逐步增加，如何通过对历年故障统计，数据分析，为设备稳定运行提供理论基础，成为提高有效作业率的关键。通过采用转炉设备结构、历年故障统计，结合故障树建立的模式，对转炉设备进行故障树建立及定性分析，为提高设备运行效率奠定了良好的基础。

1 转炉设备的主要构成

转炉炼钢是长流程技术( 高炉炼钢) 炼钢重要环节，转炉车间设备组成总体可概括分为五大部分，主要包括转炉系统设备、原料供应系统、供氧系统、副枪检测系统及余热锅炉系统( 烟气净化及回收处理系统) ，其中股份炼钢受前期设计空间影响，未采用副枪检测系统。转炉系统设备重点包括转炉炉体、转炉支撑系统及转炉倾动装置及相应控制系统; 原料供应系统主要包括四个方面: 铁水供应系统、散装料供应系统、废钢供应系统及合金供应系统; 供氧系统主要

涉及氧气、氮气、底吹，其关键核心为氧枪系统; 余热锅炉系统主要包括一次除尘系统，主要包括余热锅炉烟道、汽包、一次除尘风机、相应的水系统等。同时随着环保的重视，排放指标的严格落实与控制，部分钢厂增设有二次除尘系统，甚至包括三次除尘系统。

其中转炉设备系统主要包括炉型、炉体装配、炉体支撑结构及转炉倾动结构四部分。炉型主要是指转炉炉衬内部结构，其主要表示参数为炉容比及高宽比，目前使用炉型主要包括球型及截锥型两种，其中截锥型炉底主要优点为制造和砌砖都较为简便，其缺点为强度不如球型底好，故只适用于中小型转炉。球型炉底的优缺点与截锥型刚好相反，通常为大型转炉采用; 炉体装配主要包括炉壳、水冷炉口及炉底三部分组成，主要对炉型及炉衬进行支撑作用，其中炉体装配主要包括死炉底结构及活炉底结构两种结构形式，目前中小吨位转炉多采用活炉底结构; 炉体支撑系统主要包括托圈与耳轴、止动装置、球面支撑、耳轴轴承座等五部分; 转炉倾动系统按其传动结构方式不同可分为落地式传动结构、半悬挂式传动结构、全悬挂式传动结构及液压传动的倾动结构，目前国内在综合考虑设计的安全性，普遍采用的炉倾结构为全悬挂式炉倾结构。其中全悬挂式炉倾结构主要包括四台电机、制动器、控制系统、一级减速器及二级减速器及扭力杆装置、事故缓冲装置等，重点针对转炉系统设备进行可靠性分析及优化设计。

2 故障因素及故障统计

如图1 为50 t 转炉设备系统图，股份炼钢厂50 t转炉原设计为25 t 转炉，先后经过2003 年扩容改造、2007 年水冷改造成为目前设计结构形式。其炉型为截锥型，炉体装配为活炉底结构，如图2 所示为50 t转炉砌筑模型图，其炉容比计算方式如下:

式( 1) ～ ( 4) 中: V帽为炉帽部位体积; V身为炉身部位体积; V0为炉底部位体积; T 为出钢量。

鉴于转炉炉容比小于0．7，冶炼过程喷溅较为严重，造成设备运行环境恶劣，同时受空间限制，裙板与围板之间距离为190 mm，水冷改造后炉帽、炉口水箱等管路与耳轴采用软管进行联接，造成炉体冷却水管损坏，同时裙板使用寿命较低，裙板损坏严重，炉壳受喷溅渣烘烤影响，炉底、炉口法兰烧损变形，炉壳使用寿命较低。如表1 炉体装配使用寿命所示，为设备自2009～2011 年以来设备使用寿命情况。

对频发故障进行细化统计，如表2 炉体冷却水管频繁故障情况所示，为50 t 转炉集中频繁故障阶段的故障原因分析。

表3 为转炉支撑装置使用寿命情况记录表。

转炉炉体支撑装置主要包括托圈、球面支撑、止动装置及耳轴轴承，耳轴轴承型号为239 /710W33，传动侧轴承考虑其更换的方便性采用剖分轴承，采用内圈加宽的方式; 球面支撑及止动装置采用传统加持器机构，球面支撑横销采用螺纹连接固定结构，减少了球面支撑横向窜动造成销轴窜出问题; 托圈宽度为540 mm，高度为1 400 mm，收集自2003～2013 年设备故障数据对转炉支撑装置进行寿命分析。

转炉倾动装置采用全悬挂炉倾装置，主要由4 台电机驱动，单台电机能够完成转炉一个工作循环，一次减速机为圆柱齿轮减速机，二次减速机采用四级齿轮轴与大齿轮啮合，大齿轮与耳轴采用切向键联接，全悬挂减速机底部设置扭力杆装置，将炉倾减速机运行过程中产生的惯性力矩转化为扭矩。炉倾系统试用寿命如表4。

3 故障树

3．1 故障树概述

故障树分析法( Fault Tree Analysis，缩写为FTA) ， 1961 年由美国贝尔电话研究所沃森首次提出，同时该所在后期进行了不断改进，重点针对火箭偶发事故预测问题进行改进。1976 年，清华大学首次在国内核反应工程开展可靠性工程研究应用，截止目前可靠性工程已广泛应用于宇航、核能、电子、机械、化工等领域。故障树分析法是一种图形分析演绎方法，是故障事件发生的逻辑规律。它主要由图、节点、边、连通图、圈等要素组成。树即是一个无圈的连通图; 故障树，它是一种从结果到原因描绘事故发生的一种有向逻辑树，其中树中的节点有逻辑判断性质，它具有有向性和开放性两个特点^［1］。

3．2 故障树定义

故障树，形似倒立着的树。树的“根部”顶点节点通常表示系统的某一个事故; 树的“梢”底部节点表示事故发生的基本原因，树的“枝杈”中间节点表示由基本原因促成的事故结果，又是系统事故的中间原因; 事故因果关系的不同性质通常用不同的逻辑门表示。这样画成的一个“树”，用来描述某种故障发生的因果关系，称之为故障树^［2］。

3．3 故障树分析建立步骤

故障树建立步骤主要包括: 明确的系统、可进行定量或者定性分析的顶事件、故障树模型建立、模型的不断完善与优化、故障树的定量或者定性分析，具体实施步骤如图3 所示。

建立故障树模型的主要符号包括事件符号、逻辑门符号以及转移符号三种; 事件符号如图4 所示，图4 中从左向右依次为事件、基本事件、省略事件、外部事件、条件事件。

逻辑门符号主要包括与门、或门、禁门、顺序与门及异或门四种符号，与门( and 门) ，表示事件同时存在才能发生结构，表达式为F = F1∩F2∩……; 或门( or 门) ，表示事件不管哪一个发生时都会出现故障;表达式为F = F1∪F2∪……; 禁门，表示某输入事件在一定的条件下才能引起输出事件发生; 顺序与门，只有当F1先于F2发生时，时间发生; 否则事件不发生; 异或门，表示正常情况与或门相同，当两者同时发生时，事件不再发生，如图5、6 所示。

转移符号的主要作用为①可避免相同的子树在作图上的重复; ②可解决一张图纸上画不开大的故障树时，作为子树在不同图纸上的相互衔接的标志。

3．4 转炉系统故障树建立

选取转炉设备系统作为研究对象，选取转炉不动作作为顶事件进行系统分析，建立如图7 转炉设备系统故障树。

3．5 故障树定性分析

通过故障树的建立，对故障树进行定性分析，共计建立40 个最小分割集，最小径集3 个。也就是说转炉不运转共计有40 个可能性。但从3 个径集可得出，只要采取径集方案中的任何一个，转炉不动作故障就可以避免。通过系统分析通过优化设计方案提高设备的运行稳定性可有效解决目前转炉设备不动作故障的发生。

4 结语

以故障树分析的建立为理论基础，重点对转炉系统结构进行了分析，同时结合近年来50 t 转炉发生故障特点，建立完善50 t 转炉故障树，通过对故障树系统分析，将故障树分析成40 个分割集及3 个径集，为可靠性优化设计项目提供了基础。

参考文献:

［1］ 绍延峰．故障树分析法在系统故障诊断中的应用［J］．中国制造业信息化( 学术版) ，2

007( 1) : 72－74．

［2］ 张英会．机械系统故障树分析法［J］．中国机械工程，1985( 2) : 42－44．