惠展 付光勇 邵琳 康敏 趙博

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西西安710201)

1 前言

液壓泥炮作為高爐爐前主要設(shè)備之一，肩負(fù)著完成堵口的任務(wù)。在高爐建設(shè)前期，需要根據(jù)工藝要求來(lái)確定爐前布置方式、液壓泥炮的能力、機(jī)型、配置要求以及控制、作業(yè)要求。在設(shè)備選型基本確定后，需要根據(jù)液壓泥炮的特點(diǎn)和功能來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。無(wú)論是設(shè)備選型還是設(shè)備設(shè)計(jì)，其合理性都將影響著設(shè)備的有效使用。

2 液壓泥炮的選型

2.1 爐前總體布置形式

在中小型高爐出鐵場(chǎng)，風(fēng)口平臺(tái)較低，通常采用液壓泥炮與開(kāi)鐵口機(jī)分側(cè)布置在鐵溝兩側(cè)，或者采用泥炮在上、開(kāi)鐵口機(jī)在下的緊湊式同側(cè)布置。在大中型高爐出鐵場(chǎng)，由于考慮到揭蓋機(jī)的布置以及設(shè)備的操作維護(hù)，通常采用液壓泥炮與開(kāi)鐵口機(jī)同側(cè)布置的方式，多采用開(kāi)鐵口機(jī)在上、液壓泥炮在下的布置方式[1]。

在爐前布置時(shí)，液壓泥炮需要滿足的基本條件有以下幾點(diǎn)：打泥機(jī)構(gòu)工作角度通常為10°；液壓泥炮回轉(zhuǎn)的過(guò)程中不與開(kāi)鐵口機(jī)干涉，同時(shí)，在開(kāi)鐵口機(jī)回轉(zhuǎn)的過(guò)程中不與液壓泥炮干涉；液壓泥炮回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不能與爐前的高爐立柱、風(fēng)口平臺(tái)立柱、頂吸、側(cè)吸、溝蓋等干涉；液壓泥炮的待機(jī)位，要便于裝泥及泥炮維護(hù)，也要便于開(kāi)鐵口機(jī)更換鉆桿和開(kāi)鐵口機(jī)維護(hù)；當(dāng)兩個(gè)液壓泥炮背對(duì)背布置時(shí)，避免設(shè)備干涉和便于設(shè)備維護(hù)。

2.2 液壓泥炮的能力匹配

在大中型高爐中，液壓泥炮需要滿足的基本工藝條件為：泥缸有效容積、泥塞推力和燜炮時(shí)間。燜炮時(shí)間約為20～30min。根據(jù)高爐容積，參照表1選擇液壓泥炮的能力。

表1 高爐容積與液壓泥炮匹配關(guān)系

2.3 液壓泥炮的機(jī)型選擇

如圖1，目前，液壓泥炮共形成YPK、YPF、YPE/T三大類系列液壓泥炮，都由打泥機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成[2]。

圖1 液壓泥炮類型

YPK型和YPF型液壓泥炮回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用了相似的外置式桿機(jī)構(gòu)，有助于設(shè)備的檢修和維護(hù)，而YPK型液壓泥炮更為緊湊。不同的是，YPK型采用側(cè)斜方基礎(chǔ)座，而YPF型采用正斜方基礎(chǔ)座。二者都采用液壓泥炮在上、開(kāi)鐵口機(jī)在下的緊湊式布置，更適合于中小型高爐爐前。

YPE/T型液壓泥炮回轉(zhuǎn)部機(jī)構(gòu)采用封閉或半封閉式桿機(jī)構(gòu)，有助于減少桿機(jī)構(gòu)的熱輻射，從而提高設(shè)備的使用壽命。同側(cè)布置時(shí)，YPE/T型液壓泥炮位于開(kāi)鐵口機(jī)的下方，適合于大中型高爐爐前。

在確定具體機(jī)型時(shí)，還要考慮與鋼鐵公司現(xiàn)有設(shè)備的互換性和爐前工的操作維護(hù)水平等。

3 液壓泥炮主機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 打泥機(jī)構(gòu)

如圖2，根據(jù)打泥作業(yè)的特點(diǎn)，確定打泥機(jī)構(gòu)基本形式，分為泥腔、油腔和空氣腔三部分。空氣腔由泥塞、驅(qū)動(dòng)腔體和打泥液壓缸缸體形成，將泥腔和油腔進(jìn)行隔離。

圖2 打泥機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

打泥機(jī)構(gòu)采用打泥液壓缸活塞桿與驅(qū)動(dòng)腔體固定、缸體運(yùn)動(dòng)的方式。由缸體推動(dòng)泥塞前進(jìn)，打出炮泥進(jìn)行堵口。

3.1.1 泥缸的有效容積

泥腔由炮嘴和泥缸組成。泥缸的有效容積是從裝泥口前沿到泥塞運(yùn)動(dòng)到最前端所形成的空間的體積，即。在確定泥缸內(nèi)徑D0后，根據(jù)有效容積V0來(lái)核算泥缸的有效長(zhǎng)度L。

3.1.2 泥塞推力

油腔包括打泥液壓缸的有桿腔和無(wú)桿腔。泥塞推力即為打泥液壓缸在液壓系統(tǒng)額定工作壓強(qiáng)下，泥塞作用于炮泥的推力。

根據(jù)選取的打泥液壓缸推力F和工作壓力P1確定打泥液壓缸缸體內(nèi)徑，根據(jù)泥塞結(jié)構(gòu)形式確定泥塞外徑，從而確定泥缸內(nèi)徑D0。

3.1.3 基本配置和要求

在打泥機(jī)構(gòu)確定基本結(jié)構(gòu)和主要能力的同時(shí)，需要明確重要件的基本工藝和基本功能，以保證產(chǎn)品的壽命。

打泥機(jī)構(gòu)的重要件為泥缸、打泥液壓缸。泥缸為了提高其使用壽命，通常采用“銅泥塞+鍍鉻泥缸”和“鑄鋼泥塞+氮化泥缸”兩種工藝。打泥液壓缸則采用組合式密封件，并需明確是否采用進(jìn)口件。同時(shí)，為了降低熱輻射引起變形和失效，需要在泥缸和打泥液壓缸的中下部設(shè)計(jì)隔熱罩或水冷板。

為了測(cè)量打泥量的多少，在打泥機(jī)構(gòu)的尾部需要設(shè)置機(jī)械式行程指示器。在自動(dòng)化要求高的液壓泥炮，同時(shí)需要設(shè)置直線位移傳感器或者渦輪流量計(jì)來(lái)進(jìn)行精確測(cè)量打泥量[3]。

3.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3.2.1 運(yùn)動(dòng)軌跡

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能是使液壓泥炮的打泥機(jī)構(gòu)能夠往返于工作位和待機(jī)位。根據(jù)爐前布置的空間情況，確定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的基本形式。目前，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)都采用斜面回轉(zhuǎn)技術(shù)，即回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在斜面基礎(chǔ)座上，當(dāng)回轉(zhuǎn)到工作位時(shí)，打泥機(jī)構(gòu)自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)鐵口，并保持設(shè)定的工作角度。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通常由炮身調(diào)整機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

如圖3，炮身調(diào)整機(jī)構(gòu)采用四桿機(jī)構(gòu)，打泥機(jī)構(gòu)從工作位到待機(jī)位的過(guò)程中有一個(gè)折疊的過(guò)程，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分利用有限的空間。炮身調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要保證打泥機(jī)構(gòu)在接近鐵口時(shí)炮嘴運(yùn)動(dòng)軌跡趨于直線運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，利用控制連桿的可調(diào)功能來(lái)完成炮嘴左右位置的調(diào)整量。

圖3 炮身調(diào)整機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

以YPK/F型液壓泥炮為例，如圖4圖5，回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用油缸直驅(qū)式或六連桿式。液壓泥炮的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通常采用液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)。則回轉(zhuǎn)角度相對(duì)受限，通常為100°左右或160°左右。當(dāng)角度較小時(shí)，通常采用液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂完成回轉(zhuǎn)，即為直驅(qū)式，如圖4[4]；當(dāng)角度較大時(shí)，通常采用液壓缸驅(qū)動(dòng)肘板，通過(guò)與肘板相連的連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂完成大角度回轉(zhuǎn)，即為六連桿式，如圖5[5]。

圖4 油缸直驅(qū)式式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖5 六連桿式回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.2.2 壓炮力

無(wú)論采用哪一種回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，都要保證回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)具有足夠的壓炮力FB，以避免在打泥的過(guò)程中出現(xiàn)退炮現(xiàn)象而漏泥。壓炮力，即回轉(zhuǎn)液壓缸作用于炮嘴的作用力。以六連桿式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為例，如圖5(回轉(zhuǎn)液壓缸缸徑為D2，工作壓力為P2)。

在泥炮設(shè)計(jì)時(shí)，通常，泥炮的壓炮力FB要大于1.1倍的打泥反力FA’。

3.2.3 基本配置和要求

在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)確定基本結(jié)構(gòu)和主要能力的同時(shí)，需要明確重要件的基本工藝和基本功能，以保證產(chǎn)品的壽命。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要件為回轉(zhuǎn)液壓缸。通常通過(guò)明確密封件的采購(gòu)商來(lái)確保質(zhì)量。

對(duì)于自動(dòng)化要求高的液壓泥炮，為了測(cè)量回轉(zhuǎn)角度，在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中心需要設(shè)置編碼器。

4 液電控制技術(shù)

4.1 控制基本要求

同一個(gè)鐵口的設(shè)備之間應(yīng)設(shè)置互鎖功能，不能同時(shí)操作。不同鐵口之間的液壓泥炮可以實(shí)現(xiàn)切換。

液壓泥炮控制基本工藝順序要求：填充炮泥、轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)、打泥；(燜炮后)轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)、打泥液壓缸退。

液壓泥炮控制的基本功能要求：對(duì)回轉(zhuǎn)速度、打泥量進(jìn)行檢測(cè)和控制；在堵口的過(guò)程中，需要回轉(zhuǎn)液壓缸有保壓功能；堵口時(shí)需打開(kāi)水冷功能等[6]。

4.2 液壓系統(tǒng)

4.2.1 配置選擇

對(duì)于元器件品牌，泵和比例閥通常選擇力士樂(lè)產(chǎn)品。在功能上，主要從泵、閥和蓄能器三個(gè)方面進(jìn)行考慮。

液壓泵通常采用恒功率變量柱塞泵或恒壓變量柱塞泵。前者可以充分利用電動(dòng)機(jī)的功率，能夠根據(jù)負(fù)載變化改變運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)低壓時(shí)大流量，高壓時(shí)小流量；后者可以保持系統(tǒng)壓力不變的情況下，更節(jié)約能源。

閥的選擇首先考慮是否采用邏輯控制閥，邏輯控制閥具有相互保險(xiǎn)、消除斜波沖擊的功能，但成本高；其次從安裝形式上選擇插裝閥還是疊加閥，前者對(duì)閥與閥塊的安裝要求高，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行任意精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，后者則安裝簡(jiǎn)單，無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

蓄能器的功能則是用來(lái)降低沖擊波、完成保壓和提供動(dòng)力源。蓄能器分活塞式和皮囊式，如果只是為了吸收液壓系統(tǒng)的高頻沖擊波或完成設(shè)備保壓通常采用皮囊式蓄能器；對(duì)于電力不夠穩(wěn)定的地區(qū)，讓增加蓄能器站來(lái)提供動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)停電時(shí)完成一次堵口或開(kāi)口功能，那將優(yōu)選考慮使用分活塞式蓄能器。

另外，需要根據(jù)液壓泥炮使用者所處的地理位置來(lái)考慮是否給油箱設(shè)置加熱器。

4.2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中小型高爐爐前通常由1～2個(gè)鐵口，需要設(shè)置一套液壓站，根據(jù)鐵口數(shù)量來(lái)確定閥臺(tái)數(shù)量，每套閥臺(tái)控制一個(gè)鐵口的爐前設(shè)備。閥臺(tái)多采用手動(dòng)控制，液壓泥炮的回轉(zhuǎn)液壓缸和打泥液壓缸通過(guò)分檔控制其調(diào)速功能。

大中型高爐爐前通常有3～4個(gè)鐵口，需要設(shè)置兩套液壓站(并互為備用)和兩組閥站。每套液壓站設(shè)三臺(tái)高壓主泵(兩用一備)和一套冷卻循環(huán)泵。每組閥站設(shè)兩套閥臺(tái)，每套閥臺(tái)控制一個(gè)鐵口的爐前設(shè)備。液壓泥炮的回轉(zhuǎn)液壓缸和打泥液壓缸都需要具有調(diào)速功能故采用比例換向閥控制；回轉(zhuǎn)液壓缸通過(guò)設(shè)置液壓鎖保證安全性。

4.3 電控系統(tǒng)

4.3.1 配置選擇

電控系統(tǒng)的配置主要從元器件品牌、操作方式、操作地點(diǎn)和控制系統(tǒng)的兼容性來(lái)考慮。

操作方式通常分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種，前者多用于中小型高爐，而后者則多用于大中型高爐。自動(dòng)方式又可以分為半自動(dòng)和全自動(dòng)。半自動(dòng)方式，設(shè)備運(yùn)行位置不需要用編碼器來(lái)精確反饋，而是通過(guò)設(shè)備運(yùn)行總時(shí)間進(jìn)行理論化分段控制其速度調(diào)節(jié)。全自動(dòng)方式，即可通過(guò)HMI或某個(gè)按鍵完成一鍵操作，需要編碼器精確反饋設(shè)備運(yùn)行位置，根據(jù)編碼器的定位信息來(lái)確定閥門(mén)的開(kāi)關(guān)和閥芯的開(kāi)度大小。

操作地點(diǎn)分為遙控器操作、手動(dòng)操作箱操作、主操作臺(tái)操作和HMI操作四種方式，前兩者都屬于機(jī)旁操作。

控制系統(tǒng)的兼容性需要考慮：控制系統(tǒng)是采用DCS系統(tǒng)(IT自動(dòng)化系統(tǒng))或采用常規(guī)PLC系統(tǒng)(常規(guī)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng))，同時(shí)注意所選控制系統(tǒng)的品牌和使用者對(duì)該系統(tǒng)軟件熟悉運(yùn)用情況、編程軟件產(chǎn)品版本以及液壓泥炮控制系統(tǒng)是否需要并入高爐或煉鐵廠控制主系統(tǒng)等因數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

4.3.2 遙控器和自動(dòng)控制技術(shù)

采用編碼器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓泥炮的回轉(zhuǎn)角度，顯示旋轉(zhuǎn)位置并記錄其旋轉(zhuǎn)啟停位，并且液壓泥炮的旋轉(zhuǎn)角度參與旋轉(zhuǎn)速度的控制，以實(shí)現(xiàn)液壓泥炮與鐵口及停機(jī)位的軟接觸。同時(shí)，在打泥機(jī)構(gòu)的油路管道上設(shè)置渦輪流量計(jì)和壓力檢測(cè)裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)打泥量和打泥速度。

在液壓設(shè)備中用壓力、流量、溫度、液位等傳感器進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后加入系統(tǒng)控制?？刂葡到y(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)正常、調(diào)整、檢修、非常4個(gè)操作模式。

無(wú)線遙控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)液壓泥炮的緊急停車和手動(dòng)操作。主操作臺(tái)可進(jìn)行設(shè)備選擇、模式選擇和手動(dòng)操作、緊急停車。無(wú)論是遙控操作還是主操作臺(tái)操作，都可以實(shí)現(xiàn)液壓泥炮的轉(zhuǎn)臂制動(dòng)、轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)、打泥液壓缸前進(jìn)/后退等功能。

5 自動(dòng)作業(yè)技術(shù)

5.1 炮泥恒溫技術(shù)

炮泥恒溫技術(shù)分為冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)主要應(yīng)用在燜炮過(guò)程中，通過(guò)冷卻水帶走打泥機(jī)構(gòu)的輻射熱量；而加熱系統(tǒng)則主要應(yīng)用在北方冬季，通過(guò)加熱來(lái)提高裝入炮泥良好的流動(dòng)性，降低打泥液壓缸的阻力。根據(jù)工藝需要，可以在兩個(gè)系統(tǒng)之間進(jìn)行切換[7]。

炮泥恒溫裝置由恒溫柜、MCC柜、操作箱等組成，用來(lái)控制冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)?？墒謩?dòng)控制，也可自動(dòng)控制。

炮泥恒溫技術(shù)的冷卻功能應(yīng)用較為廣泛，而加熱系統(tǒng)受地理和氣候限制較為明顯。

5.2 打泥量檢測(cè)技術(shù)

打泥量檢測(cè)系統(tǒng)由渦輪流量計(jì)(或直線位移傳感器)、PLC系統(tǒng)、智能顯示儀表三部分組成。通過(guò)安裝在打泥液壓缸尾部的直線位移傳感器或管路上的渦輪流量計(jì)來(lái)檢測(cè)打泥量[8]。

PLC控制軟件可通過(guò)人機(jī)界面直觀的顯示液壓泥炮的打泥量，具有信號(hào)遠(yuǎn)傳和數(shù)據(jù)記憶儲(chǔ)存功能。其應(yīng)用有利于精確掌握高爐爐況，節(jié)約炮泥的使用量，降低生產(chǎn)成本。

實(shí)際應(yīng)用中液壓泥炮的打泥量通常通過(guò)打泥機(jī)構(gòu)尾部的機(jī)械標(biāo)尺進(jìn)行粗略檢測(cè)。在對(duì)自動(dòng)化要求高的爐前設(shè)備，才會(huì)考慮增加炮泥自動(dòng)精確檢測(cè)技術(shù)。

5.3 裝泥機(jī)技術(shù)

裝泥機(jī)是用來(lái)代替爐前工填充炮泥的設(shè)備[9]。其基本形式有皮帶傳輸式和有軌機(jī)器人式裝泥機(jī)。目前，在國(guó)內(nèi)個(gè)別大型高爐爐前有所應(yīng)用，但都不夠成熟。技術(shù)發(fā)展有待于進(jìn)一步探索，如何將可靠性、經(jīng)濟(jì)性和爐前布置相結(jié)合是最大的難點(diǎn)。

6 結(jié)論

在高爐爐前，液壓泥炮作為關(guān)鍵設(shè)備，其爐前整體布置、液壓泥炮的選型將決定爐前作業(yè)空間和設(shè)備工作可靠性，需要結(jié)合爐前工藝、操作模式、自動(dòng)化要求、項(xiàng)目投資等綜合謹(jǐn)慎選型。在確定了液壓泥炮型式后，則需要根據(jù)工藝要求、控制要求、配置要求等進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品的可靠性、合理化、先進(jìn)性提供保障。