高爐爐前泥炮設備改造

付光勇 鹿 林 惠 展

(中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安710201)

1 前言

國內某煉鐵廠高爐爐前泥炮選用YPE型泥炮，為國內某大型專業冶金設備制造公司設計而制造的，泥炮專門用于高爐出鐵，使用特殊炮泥，封堵高爐的出鐵口通道。

YPE型泥炮的結構如圖1所示，由打泥機構、吊掛機構、回轉機構、調整桿、斜底座、液壓系統等組成。泥炮在斜底座上回轉，斜底座上的支撐板、轉臂、調整桿、打泥機構形成一個四桿機構，在泥炮回轉的過程中調整打泥機構的姿態，決定炮嘴的軌跡。斜底座上的固定支架、轉臂及安裝于轉臂內部的二連桿、三連桿與回轉油缸形成一個六桿機構，用于實現轉臂轉動并帶動泥炮整機動作。回轉油缸驅動轉臂完成回轉動作的同時打泥機構炮嘴對準出鐵口，此時打泥油缸驅動打泥活塞完成打泥動作，回轉油缸擔負起泥炮壓炮功能，防止打泥機構后退。泥炮的主要技術參數如表1。

表1 YPE型泥炮的技術參數

2 泥炮存在的問題

經過對爐前YPE型泥炮設備近幾年的使用、檢修、維護，設備整體性能較穩定，回轉機構內部桿件無任何損壞，基本滿足用戶現場堵鐵口需求，同時也發現該型號泥炮存在以下關鍵問題：

圖1 YPE泥炮結構簡圖 1-打泥機構；2-吊掛機構；3-回轉機構；4-調整桿；5-斜底座；6-液壓系統

(1)油缸是泥炮設備故障率較高的部件，故油缸的檢修、拆卸、安裝頻率比較高，YPE型泥炮回轉油缸完全安裝于回轉懸臂內腔，只能從懸臂上表面檢修孔位置移除，現場更換回轉油缸基本需要8～10小時才能完成，比較耗費人力、財力，同時也影響該鐵口的正常出鐵，影響出鐵產量。

(2)當打泥機構旋轉到工作位置時，回轉油缸繼續保壓，以確保該油缸推力能使打泥機構炮嘴壓緊出鐵口，壓緊后打泥機構內部的打泥油缸驅動打泥活塞推動炮泥進入鐵口通道，當爐內壓力不穩定，鐵口通道不順暢時炮泥進入鐵口通道阻力會增大，導致打泥油缸推力升高，從而也增大了鐵口對炮嘴的反作用力，當該反作用力大于回轉油缸壓緊力時，炮嘴就會后退。現場偶爾會發生無法壓緊鐵口而出現炮泥現象，故該型號泥炮回轉油缸壓緊力安全系數過小。

(3)泥炮炮嘴燒損率過高，對高爐的生產、成本及效益的影響明顯，主要問題體現在當打泥機構炮嘴旋轉至鐵口約1.6米時，當回轉油缸運行速度不變的情況下炮嘴向前運行速度減速非常明顯，導致炮嘴受鐵水沖刷時間過長，以至于經常燒損炮嘴，無法正常堵鐵口(炮嘴損壞無法壓緊鐵口通道，堵口時跑泥嚴重，炮泥無法進入鐵口通道)，易出跑鐵水事故。

泥炮是高爐爐前設備“四大件”中最重要的一件，屬現代化大型冶煉高爐的關鍵設備，設備工作性能的好壞直接決定了高爐生產是否穩定、順行、能否正常按時出鐵，它的重要性決定了整個煉鐵廠是否能完成規模產量，YPE型泥炮以上問題的存在會經常影響高爐正常生產，同時致使爐前區域存在安全隱患。

3泥炮問題分析及優化設計改造

3.1 問題分析

(1)如圖1所示，YPE型泥炮為了更好的保護整個回轉機構，將驅動轉臂旋轉的固定支架、二連桿、三連桿、回轉油缸完全內置于轉臂內腔，轉臂上板開檢修孔，由于轉臂內腔空間狹小，安裝、拆卸回轉油缸操作不便，同時回轉油缸只能從轉臂上板檢修孔處移除，耗時較長，該結構形式強有力的保護了回轉機構內部桿件及回轉油缸，同時也增加了檢修回轉油缸的難度。

(2)根據YPE型泥炮結構形式可將其泥炮運動簡化成機構簡圖形式[1] [3] [4]如圖2所示。

圖2 YPE泥炮機構簡圖

泥炮工作時各桿件受力情況簡圖如圖2(a)所示：P0為炮口對打泥機構反作用力；P1為回轉油缸產生的壓炮力；P2為二連桿對懸臂產生的推力；P3為回轉油缸對懸臂產生的推力。

根據YP4000E型泥炮打泥機構，回轉機構設計參數，當打泥油缸、回轉油缸在25MPa下工作時，計算可得出(根據油缸直徑、炮口直徑及工作壓力可算出油缸推力及炮口反作用力)：p0=370kN,P3=1540kN。

根據靜平衡原理(力×力臂大小相等，方向相反)可得出(力臂大小是根據圖2泥炮工作位置時，各個力相對于桿件回轉中心的力臂長度)：

p3×754=p2×337

p2=3446kN

p1×4016=p2×369+p3×61

p1=340kN

得出：當打泥油缸、回轉油缸都在相同額定工作壓力25MPa下工作時，泥炮反作用力大于壓炮力，打泥機構會產生后退現象，即炮嘴不能緊壓鐵口而出現炮泥無法打入鐵口通道從炮嘴與鐵口之間縫隙跑出。

泥炮正常堵鐵口時，其打泥油缸工作壓力基本在13～18MPa，在該壓力下其打泥反作用力p0=193～267kN，遠遠小于壓炮力340kN(堵鐵口時，回轉油缸保壓壓力為系統額定工作壓力25MPa)，故不會出現退炮、炮泥情況。當爐內壓力不穩定，鐵口通道不順暢時炮泥進入鐵口通道阻力會增大，導致打泥油缸推力升高，當打泥油缸壓力達到23MPa時，其反作用力就開始大于回轉油缸壓緊力，此時就會出現退炮、炮泥情況。

(3)泥炮在整個運行過程中是由回轉油缸通過桿機構驅動轉臂與打泥機構一起轉動[2] [3]，當閥臺進入回轉油缸流量一定時(即回轉油缸勻速運動)，其轉臂及打泥機構炮嘴運行速度應為非勻速運動，根據YP4000E泥炮桿機構尺寸及安裝位置，可作出回轉油缸行程與打泥機構炮嘴運行距離的相關曲線圖，如圖3所示：

圖3 YP4000E炮嘴運行距離圖

圖3為泥炮炮嘴從待機位置運行到鐵口的曲線圖(即炮嘴從遠離鐵口到接觸鐵口)，圖中橫向坐標為回轉油缸行程，且為勻速遞增(油缸行程用L表示)，縱向坐標為炮嘴距離鐵口水平距離(炮嘴移動距離用S表示)。從曲線圖中可看出在回轉油缸行程勻速遞增的情況下，炮嘴移動的距離波動較大(即炮嘴運行速度波動較大)，整個運行過程為：啟動時速度一般，然后加速，再快速減速，到運行緩慢，從曲線圖上可計算得出以下數據：

上式中， K0K1K2分別表示：炮嘴從待機位置啟動時，炮嘴運行最快時，炮嘴運行緩慢時，炮嘴移動距離與回轉油缸行程比值，該比值大小表示炮嘴運行速度的快慢程度。K1與K2的比值表示炮嘴速度變化程度，該比值越大表示速度減速越厲害。從曲線圖位置得出當炮嘴距離鐵口大約1.6m左右的時候炮嘴運行進入緩慢速度，即K2速度，1.6m之前炮嘴運行速度基本處于最快速度，即K1速度，當從K1速度變化到K2速度時，減速非常明顯，就會導致炮嘴受鐵水沖刷時間過長，以至于經常燒損炮嘴的情況出現。

3.2 優化設計改造

針對泥炮現場使用存在的具體問題以及設備整體改造、安裝的簡易、安全、可靠性(保持原設備安裝基礎不變，管路接口、回轉角度、待機位置及整個運行軌跡不變)，常用備件的互換一致性，對泥炮設備回轉機構進行以下優化設計改造：

(1)將回轉油缸缸頭與轉臂的鉸接點布置在轉臂外側(鉸接點的位置未在轉臂腔體內部)，同時轉臂靠近回轉油缸的側面開有檢修窗口，方便回轉油缸直接從側面移除，優化設計轉臂。

(2)將驅動轉臂回轉的桿機構裝置(二連桿、三連桿、固定支架)進行尺寸及安裝位置的優化設計,提高回轉油缸壓炮力及炮嘴運行速度(回轉油缸保持不變)。

優化設計后的泥炮設備YP4000T型簡圖如4所示。

圖4 YP4000T泥炮結構簡圖 1-打泥機構；2-吊掛機構；3-回轉機構4-調整桿；5-斜底座；6-液壓系統

根據YP4000T型泥炮與YP4000E型泥炮打泥機構[1] [3] [4]，回轉油缸一致，其桿件受力情況也類似，故設：P0為打泥反作用力；P1為壓炮力；P2為二連桿推力；P3為回轉油缸推力。可知工作壓力在25MPa時，p0=370kN，p3=1540kN，可參考圖2(a)所示。

根據YP4000T泥炮桿件尺寸及工作位置力臂尺寸等，可計算得出(按照YP4000E泥炮計算方式)：

壓炮力p1=389kN>p0

即泥炮在打泥油缸工作壓力達到系統最大壓力時，其打泥反作用力始終小于壓炮力，不會產生退炮而發生炮泥的情況出現。

YP4000T型泥炮在整個運行過程中與YP4000E運動類似[2] [3]，根據其桿機構尺寸及安裝位置，也可相應作出回轉油缸行程與打泥機構炮嘴運行距離的相關曲線圖，如圖5所示：YP4000T泥炮在回轉油缸行程勻速遞增的情況下，炮嘴運行速度比較平穩，沒有急加速、急減速過程，從曲線圖上可計算得出：

K1與K2的比值表示炮嘴速度變化程度，該比值越接近于1表示炮嘴速度越接近于勻速。當炮嘴整個運行過程中速度變化較小，就不會出現炮嘴靠近鐵口時急減速受鐵水沖刷時間過長而出現燒損炮嘴的情況。

圖5 YP4000T炮嘴運行距離圖

4 結論

優化改造后的YP4000T泥炮上線運行2年多時間以來，設備運行很平穩，設備優勢很突出，效果很明顯主要體現在：

(1)從未發生過因爐況不穩定而出現打泥機構退炮，出現炮泥情況(未改造前，每年都會出現3～5次退炮、炮泥現象)。

(2)炮嘴的燒損率大幅度降低，現每月消耗炮嘴大約在10～15件(未改造前，每月炮嘴消耗量大約在40～50件)。

(3)回轉油缸的檢修時間大大縮短，2年內更換過3次回轉油缸，每次更換時間1個班人數大約在2～3小時(未改造前，每次更換時間1個班人數大約在8～10小時)。

通過對設備的設計改造，節約了大量的備件，縮短了檢修時間，降低了生產成本，提高了生產效率，也避免因設備性能不穩定而出現安全事故。