蔣根柱， 許遵海， 周青子， 潘朝春， 朱小強(qiáng)， 吳萬(wàn)銀

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠， 江蘇 南京 210039； 2.蘇州寶聯(lián)重工股份有限公司技術(shù)部，江蘇 蘇州 215152）

RH頂槍是為冶煉超低碳鋼而開發(fā)，在真空處理過(guò)程中，將氧氣從真空槽的頂部吹入其底部的鋼液中進(jìn)行脫碳。頂槍現(xiàn)已發(fā)展為吹氧脫碳、噴粉脫硫、在線加熱多功能用途；整個(gè)頂槍系統(tǒng)包括機(jī)械裝置、電氣控制、儀表閥站。機(jī)械裝置是完成各種冶煉工藝要求的基礎(chǔ)。而對(duì)于整個(gè)頂槍裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)在相關(guān)文獻(xiàn)中很少涉及，在選擇和使用時(shí)缺少相應(yīng)的參考[1-3]。

頂槍裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先必須滿足頂槍的冶煉工藝要求，其次頂槍裝置盡可能在更換真空槽及熱彎管時(shí)為行車的吊運(yùn)提供寬敞的空間。根據(jù)頂槍裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將其分為固定式、旋轉(zhuǎn)式、平移式三種，下面詳細(xì)討論三種頂槍裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[4-6]。

1 固定式頂槍裝置

固定式頂槍裝置，顧名思義頂槍裝置整體固定安裝在鋼平臺(tái)上，其固定支撐點(diǎn)設(shè)置于頂槍裝置立柱的上下端，頂槍槍體可以在頂槍裝置的導(dǎo)軌上下移動(dòng)。

如圖1所示，頂槍裝置的立柱及導(dǎo)軌上下兩端均固定在鋼平臺(tái)上，頂槍安裝于升降小車上，升降小車通過(guò)圓環(huán)鏈與升降裝置連接，升降裝置的減速電機(jī)固定安裝在立柱及導(dǎo)軌的頂端，輸出軸上安裝鏈輪，圓環(huán)鏈的兩端與升降小車的上下兩端鉸接，鏈條張緊裝置可以調(diào)節(jié)圓環(huán)鏈的松緊度。電機(jī)啟動(dòng)后，升降裝置的減速器輸出軸上的鏈輪帶動(dòng)圓環(huán)鏈?zhǔn)股敌≤嚭桶惭b在小車上的頂槍上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1 固定式頂槍裝置

2 旋轉(zhuǎn)式頂槍裝置

旋轉(zhuǎn)式頂槍裝置是在固定式的基礎(chǔ)上增加旋轉(zhuǎn)支承及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)而成，下頁(yè)圖2所示是已經(jīng)成功應(yīng)用的兩種結(jié)構(gòu)。圖2-1中，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)采用電動(dòng)缸，增加上部旋轉(zhuǎn)支承及下部旋轉(zhuǎn)支承，上部旋轉(zhuǎn)支承采用調(diào)心滾子軸承，下部旋轉(zhuǎn)支承采用調(diào)心滾子軸承和推力圓錐滾子軸承的組合型式，利用調(diào)心滾子軸承自調(diào)心功能，可以降低頂槍在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)安裝、制造等誤差的敏感性。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用電動(dòng)缸，在靠近下部旋轉(zhuǎn)支承的轉(zhuǎn)軸上焊接驅(qū)動(dòng)臂，與電動(dòng)缸鉸接，在電動(dòng)缸動(dòng)作時(shí)就可以驅(qū)動(dòng)頂槍旋轉(zhuǎn)[7-8]。

圖2 旋轉(zhuǎn)式頂槍裝置

圖2-2采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，下部支承使用帶外齒的回轉(zhuǎn)支承，并與減速電機(jī)輸出軸上的小齒輪嚙合，可以獲得更大的減速比，使頂槍的旋轉(zhuǎn)更慢，從而可以避免過(guò)快的旋轉(zhuǎn)速度造成頂槍裝置的晃動(dòng)，對(duì)頂槍裝置產(chǎn)生不利的影響；低速旋轉(zhuǎn)可以更容易獲得精確的定位。根據(jù)實(shí)踐，頂槍合適的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)小于5 m/min。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的選擇，除了利用電動(dòng)缸外，還可以利用電液推桿，電液推桿的成本較低，但由于是一個(gè)小的獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，后期的維護(hù)工作比電動(dòng)缸要多一些。

3 平移式頂槍裝置

RH在線更換真空槽時(shí)，需要車間上方的行車吊運(yùn)，頂槍裝置位于真空槽的上方，固定式和旋轉(zhuǎn)式頂槍裝置對(duì)更換真空槽造成一定的障礙，需要將真空槽和熱彎管移至遠(yuǎn)離頂槍的位置進(jìn)行更換。如果更換真空槽和熱彎管時(shí)，頂槍裝置可以從處理位平移至待機(jī)位，在真空槽上方有更大的空間，便于行車吊運(yùn)[9-10]。

平移式頂槍裝置是針對(duì)上述兩種頂槍裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后的裝置，為行車吊運(yùn)可以騰出更大的空間，使頂槍裝置可以長(zhǎng)距離平移，從某一工藝位置平移至另一工藝位置，實(shí)現(xiàn)不同的冶煉工藝；同時(shí)在同一處理位置可以有兩套不同頂槍裝置平移到此工作，從而提高RH工作的可靠性。

3.1 頂槍的基本結(jié)構(gòu)

如圖3所示，在固定式頂槍裝置的基礎(chǔ)上，增加了平移裝置，帶動(dòng)整個(gè)頂槍裝置平移，平移支撐架的一端與立柱和導(dǎo)軌連接，另一端與平移裝置連接，在平移裝置的驅(qū)動(dòng)下整個(gè)頂槍裝置沿著軌道平移，到位后通過(guò)平移支撐架下端的鎖緊裝置定位。

頂槍根據(jù)工藝要求可以停在需要位置，并通過(guò)安裝在升降裝置的減速機(jī)輸出軸端部的編碼器實(shí)時(shí)反饋位置信號(hào)，監(jiān)測(cè)頂槍槍體的實(shí)際位置，為了安全，在頂槍槍體運(yùn)行的上下位極限位安裝機(jī)械開關(guān)，對(duì)頂槍常用的槽外待機(jī)位、槽內(nèi)待機(jī)位、吹氧位均設(shè)置接近開關(guān)，為安全可靠停車提供雙重保護(hù)。

圖3 平移式頂槍裝置

3.2 平移式頂槍的傳動(dòng)裝置

平移式頂槍的升降裝置一般安裝在頂槍軌道的頂部，并設(shè)置相應(yīng)的檢修平臺(tái)，采用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻控制，電機(jī)自帶制動(dòng)器和手柄釋放形式，便于在事故狀態(tài)下人工或氣缸自動(dòng)脫開制動(dòng)；需要指出的是，由于頂槍是垂直往復(fù)運(yùn)行，慣性較大，在電機(jī)制動(dòng)時(shí)應(yīng)采用快速制動(dòng)回路，即同時(shí)切斷制動(dòng)器交流和直流控制回路，這樣可以避免頂槍在下降運(yùn)行制動(dòng)時(shí)向下滑動(dòng)。合適的頂槍升降速度控制在10 m/min左右。

緊急提升裝置的作用是在故障狀態(tài)下，當(dāng)真空處理無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行，而升降裝置也無(wú)法正常將頂槍從真空槽內(nèi)提出，而此時(shí)需要利用緊急提升裝置將頂槍從真空槽內(nèi)提出。

如圖4所示，一種手動(dòng)離合式的緊急提升裝置的結(jié)構(gòu)，電機(jī)與主減速機(jī)連接并固定在支架上，固定塊安裝于電機(jī)的尾部軸伸上，其結(jié)構(gòu)與牙嵌式離合器類似，固定塊與滑動(dòng)塊的端面有牙，可以互相嵌入或脫開。為了獲得低速大扭矩輸出，氣動(dòng)馬達(dá)的輸出軸與行星減速器連接，固定安裝在支架上；在行星減速器的輸出軸上安裝固定外花鍵，滑動(dòng)塊的內(nèi)孔為內(nèi)花鍵，在固定外花鍵上滑動(dòng)，滑動(dòng)塊的外表面有凹槽，安裝撥環(huán)。

圖4 手動(dòng)離合式緊急提升裝置

當(dāng)緊急提升裝置需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，手動(dòng)將撥環(huán)向圖4所示的左方推動(dòng)，使固定塊與滑動(dòng)塊互相嵌入連接，氣動(dòng)馬達(dá)通入驅(qū)動(dòng)氣體，然后手動(dòng)脫開電機(jī)的制動(dòng)手柄，氣動(dòng)馬達(dá)就可帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終提起頂槍。緊急提升的速度一般控制在2 m/min。

手動(dòng)離合式緊急提升裝置在事故狀態(tài)下需要人工操作，而緊急提升裝置的安裝平臺(tái)較高，操作人員需要較長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)其所在位置，為了快速響應(yīng)，可以采用圖5所示的自動(dòng)離合式緊急提升裝置，將手動(dòng)離合式緊急提升裝置的手動(dòng)離合改為氣動(dòng)離合器，并采用氣缸推動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)器離合。由于氣動(dòng)離合器的輸出孔徑與電機(jī)的軸伸直徑可能不同，聯(lián)軸器與連接軸只是為了獲得與氣動(dòng)離合器輸出孔徑相同的軸徑而增加的，如果電機(jī)的軸伸與氣動(dòng)離合器的孔徑相同，則可以取消聯(lián)軸器和連接軸，氣動(dòng)離合器直接與電機(jī)連接。

圖5 自動(dòng)離合式緊急提升裝置

當(dāng)需要緊急提升時(shí)，氣動(dòng)離合器通入驅(qū)動(dòng)氣體，離合器閉合，然后氣動(dòng)馬達(dá)通入驅(qū)動(dòng)氣體，處于待轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)；最后氣缸通入驅(qū)動(dòng)氣體，推動(dòng)電機(jī)的制動(dòng)器手柄，制動(dòng)器脫開，電機(jī)處于可自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)氣動(dòng)馬達(dá)可以將頂槍順利提出真空槽。

需要特別指出的是，緊急提升裝置的動(dòng)作順序很重要，正確的順序是必須首先使手動(dòng)或氣動(dòng)離合器閉合，然后給氣動(dòng)馬達(dá)供氣，最后脫開電機(jī)的制動(dòng)器，否則容易發(fā)生頂槍向下滑動(dòng)，容易造成頂槍的損壞[11-13]。

另外緊急提升除使用氣動(dòng)馬達(dá)外，還可以采用UPS電源經(jīng)逆變器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)將頂槍直接提出真空槽。可省去相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但同時(shí)增加相應(yīng)的電源模塊。如圖2-1所示，升降裝置的電機(jī)尾部沒有安裝緊急提升裝置，采用UPS電源緊急提升，但電機(jī)制動(dòng)器的脫開需要采用手動(dòng)或氣動(dòng)離合。采用UPS緊急提升機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，初次投入成本稍低一些，但后期的維護(hù)成本高于氣動(dòng)馬達(dá)型式。

3.3 主體框架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由于頂槍裝置整體移動(dòng)，懸臂安裝在平臺(tái)上，頂槍槍體安裝于懸臂的最遠(yuǎn)端，頂槍在RH處理時(shí)需要隨時(shí)升降，所以平移式頂槍在加強(qiáng)設(shè)備剛性的同時(shí)，應(yīng)盡量減輕設(shè)備自身質(zhì)量。

如圖3所示，平移式頂槍裝置的平移支撐架采用H型鋼焊接而成，為封閉的長(zhǎng)方體框架結(jié)構(gòu)，框架的上下前后設(shè)置車輪組，在軌道上運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)裝置安裝在框架上方軌道的前后兩個(gè)車輪組上，便于檢修和維護(hù)，安裝于下方軌道上的為前后兩組從動(dòng)車輪組，四點(diǎn)支撐可以得到更好的剛性。

平移支撐架為框架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較輕，增設(shè)平移支撐架后，可以減小升降小車的外形尺寸，如圖6所示，對(duì)導(dǎo)向輪組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用由軸向和徑向兩個(gè)滾輪軸承組裝而成的標(biāo)準(zhǔn)組合滾針軸承，減小軸承體積，簡(jiǎn)化安裝結(jié)構(gòu)，從而降低了制造成本，有效減輕導(dǎo)向輪組的重量，另外在圓鏈的一端增加碟簧組，減小升降小車在制動(dòng)時(shí)的沖擊；優(yōu)化設(shè)計(jì)后的平移式頂槍裝置的升降小車架質(zhì)量?jī)H不到700 kg。

圖6 升降小車

頂槍裝置的質(zhì)量主要集中在升降小車和立柱及軌道部分，立柱及軌道采用標(biāo)準(zhǔn)型材，可以降低質(zhì)量和成本，立柱為標(biāo)準(zhǔn)矩形管，另外軌道在型材精度滿足要求的前提下也可以采用標(biāo)準(zhǔn)型材。

圖3中，為了避免頂槍裝置在工作時(shí)誤動(dòng)，除了采用電機(jī)自帶的制動(dòng)器鎖定外，同時(shí)設(shè)置了獨(dú)立的鎖緊裝置，在上下軌道附近均設(shè)置鎖緊裝置，采用氣缸帶動(dòng)定位銷動(dòng)作將平移支撐架與鋼平臺(tái)可靠鎖定，減小頂槍裝置在RH真空處理時(shí)的振動(dòng)[14-15]。

3.4 工藝特點(diǎn)

平移式頂槍裝置的工藝和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

1）利用長(zhǎng)距離平移的特點(diǎn)，可以將頂槍裝置從處理位移至預(yù)熱位，實(shí)現(xiàn)原有預(yù)熱槍在線加熱功能，這樣可以減少預(yù)熱槍裝置的設(shè)備數(shù)量。對(duì)應(yīng)的儀表、閥門、電氣設(shè)備也相應(yīng)減少。

2）由于減少預(yù)熱槍設(shè)備，初期設(shè)備投資大幅減少。

3）和固定式及旋轉(zhuǎn)式頂槍裝置比較，每個(gè)處理位兩側(cè)的平移式頂槍裝置均可移動(dòng)至同一處理位，這樣每個(gè)處理位可以利用的頂槍裝置有兩套，大大提高精煉的可靠性。

4）由于采用相同結(jié)構(gòu)的頂槍裝置，使備件量大大減少。

5）由于設(shè)備減少，后期的維修量相應(yīng)減少，維護(hù)成本降低。

對(duì)于短距離平移的頂槍裝置，已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某鋼廠，經(jīng)應(yīng)用實(shí)踐平移式頂槍裝置的設(shè)計(jì)是可行的，對(duì)于長(zhǎng)距離平移，只要將頂槍所需要的介質(zhì)管道、動(dòng)力及信號(hào)電纜等通過(guò)拖鏈移動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)頂槍的長(zhǎng)距離平移。

4 結(jié)語(yǔ)

平移式頂槍裝置不但滿足冶煉工藝的要求，同時(shí)完全解決了吊運(yùn)真空槽時(shí)空間行車空間位置不夠的問題，提高了更換真空槽的效率；利用平移式頂槍裝置，可以在同一處理位實(shí)現(xiàn)兩套不同頂槍裝置平移切換工作，增加RH工作的可靠性。

綜上所述，平移式頂槍裝置為行車吊運(yùn)真空槽提供寬敞的空間，并可以長(zhǎng)距離移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在另一工藝位置的不同的冶煉工藝，是三種頂槍裝置中適合RH爐外精煉冶煉工藝的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

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