一种转炉倾动力矩的计算方法技术领域
本发明涉及冶金炼钢技术，尤其涉及一种转炉倾动力矩的计算方法。
背景技术
转炉倾动力矩是转炉倾动机构的重要参数之一，不仅是设计倾动机构、炉
壳、托圈等部件的重要依据，同时也是设备安全生产和维护检修的重要参考指
标。转炉设备倾动力矩进行计算以确定耳轴的位置以及倾动机构额定力矩值，
使设备既能保证安全生产又经济合理。转炉的倾动力矩M由三部分组成：
M＝Mk+My+Mm，式中：Mk为空炉倾动力矩，My为炉液倾动力矩，，Mm为
转炉耳轴上的摩擦力矩。其中空炉力矩由炉壳和炉衬和重量引起，空炉力矩是
倾转角的正弦函数；摩擦力矩是指倾动时耳轴上的摩擦力矩，方向始终和倾动
方向相反，大小基本不变；炉液力矩由铁水和熔渣引起，由于在转炉倾动过程
中，炉液形状、重心位置在不断变化，而且出钢过程中重量也在变化，所以My计
算相对比较困难，是计算转炉倾动力矩的关键。对炉液倾动力矩传统的计算方
法有：解析法、切片法、图解法，这些方法存在以下问题：1)需要对转炉原型
进行简化后才能建立其数学计算模型，所以计算精度难以保证；2)计算困难，
过程繁琐。也有使用三维造型获得模型物理属性的方法，虽然计算容易了，因
为要反复与三维平台进行交互，所以整个过程还是比较的繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种转炉倾动
力矩的计算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种转炉倾动力矩的计算方
法，包括以下步骤：
1)在三维系统中构建炉液随倾动角度变化的三维模型，则某倾动角度时炉
液的倾动力矩：Myα＝Gyα·(sinα·Hez-xg)(1)；
其中，Myα为炉液力矩，Gyα为炉液的重量，α为倾动角，Hez为转炉重心到
炉底中点的距离，xg为炉液重心横坐标；
2)在转炉倾动过程中，将对炉液构建的三维模型分为两个阶段：炉液流出
前和炉液开始流出后；炉液没有流出前，其体积Vy0不变；沪液开始流出后，其
液面与出钢口平齐，随倾动角α变化其体积Vα逐步减小至零；
3)在三维模型中计算炉液刚开始流出时的临界倾动角β；具体过程如下：
以过坐标原点的XOY平面为FRONT面，过炉口上点PNTO做轴线A-4，使其垂直
FRONT面，再做自定义平面DTM5绕自定义轴A-4转动，转动角度为θ，切除DTM5
上部的实体，则此时模型体积为Vθ；坐标原点为炉底中点；
设初始值θmin＝0，θmax＝A；其中A由转炉尺寸参数确定；按以下流程
计算临界倾动角β：
3.1)若θmin<θmax，则将θ赋值为θ＝(θmax+θmin)/2,并计算Vθ；
否则，转入步骤3.4)；
3.2)若Vθ<Vy0，则将θ赋值为θ＝θmax；否则则将θ赋值为θ＝θmin；
3.3)若θmax-θmin≤tolerenceθ，转入步骤3.4)；否则转入步骤3.1)；
tolerenceθ为自定义常量，tolerenceθ的取值大小决定该算法的复杂度和精确
度，取值越小，算法中迭代的次数越多，精度也越高；
3.4)将临界倾动角β赋值为β＝(θmax+θmin)/2，结束；
4)在三维模型中，当α≤β时，计算在转炉倾动过程中炉液高度h；所述
炉液高度为炉液平面与原点的距离，具体过程如下：
以过原点的XOZ平面为DTM_OR面，DTM2为过原点的YOZ平面；平面DTM_OR
与DTM2随α转动，在三维空间中构造转炉内腔模型，将与水平面(TOP)平行的
DTM4平移h，切除其上部实体，则剩余模型体积为Vh；
设初始值hmin＝0，hmax＝H，其中H由转炉尺寸参数确定；按以下流程计
算炉液高度h：
4.1)若hmin<hmax，则将h赋值为h＝(hmax+hmin)/2,并计算Vh；否则，转
入步骤4.4)；
4.2)若Vh<Vy0，则将h赋值为h＝hmax；否则将h赋值为h＝hmin；
4.3)若hmax-hmin≤tolerence，转入步骤4.4)；否则转入步骤4.1)；
tolerence为自定义常量，tolerence的取值大小决定该算法的复杂度和精确度，
取值越小，算法中迭代的次数越多，精度也越高；
4.4)将临界倾动角β赋值为β＝(hmax+hmin)/2，结束；
5)根据α和h构造炉液的三维模型，通过二次开发接口得到炉液重心的横坐
标xg，代入步骤1)中的公式中可获得当α≤β时的倾动力矩Myα；
6)当β<α≤A，此时沪液开始流出，液面与炉口保持水平，在此条件下
h＝h4·cosα+r4·sinα；其中h4为炉体高度，r4为炉口半径。
根据α和h构造炉液的三维模型，通过二次开发接口得到炉液重心的横坐标
xg和炉液重量Gyα，代入步骤1)中的公式可获得当β<α≤A时的倾动力矩Myα；
7)计算转炉倾动力矩，
M k = G k · L · sin α ( 2 ) M m = ( G k + G y + G t + G x ) · μ · d / 2 ( 3 ) , ]]>式(2)式表示空炉力矩Mk在
转炉倾动过程中与倾动角度α存在正弦函数关系，Gk为空炉的重量，L为空炉重
心到耳轴线的距离；式(3)为摩擦力矩Mm的计算公式，Gt为托圈重量，Gx为
悬挂装置重量，μ为流动轴承轴摩擦系数，d为轴承直径。
本发明产生的有益效果是：
一、计算效率高，能够保证精度。
二、转炉实现参数化造型，可以对不同的炉型进行计算。
三、通过控制转炉非尺寸参数(空炉、耐材、铁水及炉渣的质量，预选耳
轴的位置)，可对转炉不同使用情况进行倾动力矩的计算。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的转炉转动原理图。
图2是本发明实施例的临界角计算流程图。
图3是本发明实施例的炉液高度计算流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，
对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解
释本发明，并不用于限定本发明。
一种转炉倾动力矩的计算方法，包括以下步骤：
步骤1转炉倾动力矩计算有以下关系表达式
M k = G k · L · s i n α ( 1 ) M y = G y · L y ( 2 ) M m = ( G k + G y + G t + G x ) · μ · d / 2 ( 3 ) , ]]>式(1)式表示空炉力矩Mk在转炉
倾动过程中与倾动角度α存在正弦函数关系，Gk为空炉的重量，L为空炉重心到
耳轴线的距离。式(2)为炉液力矩My的计算公式，中Gy为炉液的重量，Ly为力
臂。式(3)为摩擦力矩Mm的计算公式，Gt为托圈重量，Gx为悬挂装置重量，μ为流
动轴承轴摩擦系数，d为轴承直径。
步骤2由已知量可以很容易对(1)和(3)式求得Mk与Mm，因为Gy和Ly是
随α变化而变化的，(2)式是倾动力矩计算的难点所在。采用在三维系统中构建
炉液随倾动角度变化的三维模型，利用二次开发接口获得重量Gyα和重心横坐标
xg，则某倾动角度时炉液的倾动力矩：Myα＝Gyα·(sinα·Hez-xg)(4)，
式中变量如图1所示。
步骤3在转炉倾动过程中，根据倾动角度计算出转炉的尺寸参数和位置参
数来动态构建三维模型。在转炉转动的整个过程中炉液分两个阶段：1)炉液
没有流出前，其体积Vy0不变；2)炉液开始流出后，其液面与出钢口平齐，随倾
动角α变化其体积Vα逐步减小至零。对炉液建模时也分两种情况：沪液流出前和
开始流出。
步骤4求临界倾角。设炉液刚开始流出时的临界倾动角为β，此时Vy0＝Vβ。
计算β的三维模型。过炉口上点PNTO做轴线A-4，使其垂直FRONT面，再做自定
义平面DTM5绕自定义轴A-4转动，转动角度为θ，切除DTM5上部的实体，此时
模型体积为Vθ。设θmin＝0，θmax＝A(可求)，求β的算法流程图如图2所示。
自定义常量tolerence决定该算法的复杂度和精确度，取值越小，算法中迭代
的次数越多，精度也越高。
步骤5炉液自动建模时液面保持水平，根据临界倾动角β将炉液建模分为两
个阶。当α≤β，此时Vα＝Vy0，在α角度下炉液的三维模型，平面DTM_OR与DTM2
随α转动，在与FRONT空间中构造转炉内腔模型，与水平面(TOP)平行的DTM4
平移h，切除其上部实体，剩余模型体积为Vh。设hmin＝0，hmax＝H(由转炉
尺寸参数确定)，求h的算法流程如图3所示。自定义常量tolerence决定该算
法的复杂度和精确度，取值越小，算法中迭代的次数越多，精度也越高。
步骤6根据α和h构造炉液的三维模型，通过二次开发接口得到炉液重心的
横坐标xg，代入(4)式中可求解炉转倾动角α时的倾动力矩Myα。
步骤7当β<α≤A，此时沪液开始流出，液面与炉口保持水平，在此条件
下h＝h4·cosα+r4·sinα，该式推导过程略，h4和r4所代表含义见图1。根
据α和h构造炉液的三维模型，通过二次开发接口得到炉液重心的横坐标xg和炉
液重量Gyα，代入(4)式中可求解炉转倾动角α时的倾动力矩Myα。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进
或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。