高爐爐前液壓泥炮的設計與選型

惠展 付光勇 邵琳 康敏 趙博

(中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安710201)

1 前言

液壓泥炮作為高爐爐前主要設備之一，肩負著完成堵口的任務。在高爐建設前期，需要根據工藝要求來確定爐前布置方式、液壓泥炮的能力、機型、配置要求以及控制、作業要求。在設備選型基本確定后，需要根據液壓泥炮的特點和功能來進行設計。無論是設備選型還是設備設計，其合理性都將影響著設備的有效使用。

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，風口平臺較低，通常采用液壓泥炮與開鐵口機分側布置在鐵溝兩側，或者采用泥炮在上、開鐵口機在下的緊湊式同側布置。在大中型高爐出鐵場，由于考慮到揭蓋機的布置以及設備的操作維護，通常采用液壓泥炮與開鐵口機同側布置的方式，多采用開鐵口機在上、液壓泥炮在下的布置方式[1]。

在爐前布置時，液壓泥炮需要滿足的基本條件有以下幾點：打泥機構工作角度通常為10°；液壓泥炮回轉的過程中不與開鐵口機干涉，同時，在開鐵口機回轉的過程中不與液壓泥炮干涉；液壓泥炮回轉的運動軌跡不能與爐前的高爐立柱、風口平臺立柱、頂吸、側吸、溝蓋等干涉；液壓泥炮的待機位，要便于裝泥及泥炮維護，也要便于開鐵口機更換鉆桿和開鐵口機維護；當兩個液壓泥炮背對背布置時，避免設備干涉和便于設備維護。

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、泥塞推力和燜炮時間。燜炮時間約為20～30min。根據高爐容積，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系

2.3 液壓泥炮的機型選擇

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，都由打泥機構和回轉機構組成[2]。

圖1 液壓泥炮類型

YPK型和YPF型液壓泥炮回轉機構采用了相似的外置式桿機構，有助于設備的檢修和維護，而YPK型液壓泥炮更為緊湊。不同的是，YPK型采用側斜方基礎座，而YPF型采用正斜方基礎座。二者都采用液壓泥炮在上、開鐵口機在下的緊湊式布置，更適合于中小型高爐爐前。

YPE/T型液壓泥炮回轉部機構采用封閉或半封閉式桿機構，有助于減少桿機構的熱輻射，從而提高設備的使用壽命。同側布置時，YPE/T型液壓泥炮位于開鐵口機的下方，適合于大中型高爐爐前。

在確定具體機型時，還要考慮與鋼鐵公司現有設備的互換性和爐前工的操作維護水平等。

3 液壓泥炮主機的設計

3.1 打泥機構

如圖2，根據打泥作業的特點，確定打泥機構基本形式，分為泥腔、油腔和空氣腔三部分。空氣腔由泥塞、驅動腔體和打泥液壓缸缸體形成，將泥腔和油腔進行隔離。

圖2 打泥機構結構簡圖

打泥機構采用打泥液壓缸活塞桿與驅動腔體固定、缸體運動的方式。由缸體推動泥塞前進，打出炮泥進行堵口。

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動到最前端所形成的空間的體積，即。在確定泥缸內徑D0后，根據有效容積V0來核算泥缸的有效長度L。

3.1.2 泥塞推力

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

根據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徑，根據泥塞結構形式確定泥塞外徑，從而確定泥缸內徑D0。

3.1.3 基本配置和要求

在打泥機構確定基本結構和主要能力的同時，需要明確重要件的基本工藝和基本功能，以保證產品的壽命。

打泥機構的重要件為泥缸、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口件。同時，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計隔熱罩或水冷板。

為了測量打泥量的多少，在打泥機構的尾部需要設置機械式行程指示器。在自動化要求高的液壓泥炮，同時需要設置直線位移傳感器或者渦輪流量計來進行精確測量打泥量[3]。

3.2 回轉機構

3.2.1 運動軌跡

回轉機構的功能是使液壓泥炮的打泥機構能夠往返于工作位和待機位。根據爐前布置的空間情況，確定回轉機構運動軌跡的基本形式。目前，回轉機構都采用斜面回轉技術，即回轉機構安裝在斜面基礎座上，當回轉到工作位時，打泥機構自動對準鐵口，并保持設定的工作角度。

回轉機構通常由炮身調整機構和回轉驅動機構組成。

如圖3，炮身調整機構采用四桿機構，打泥機構從工作位到待機位的過程中有一個折疊的過程，其優點在于能夠充分利用有限的空間。炮身調整機構的設計，要保證打泥機構在接近鐵口時炮嘴運動軌跡趨于直線運動。同時，利用控制連桿的可調功能來完成炮嘴左右位置的調整量。

圖3 炮身調整機構運動軌跡

以YPK/F型液壓泥炮為例，如圖4圖5，回轉驅動機構采用油缸直驅式或六連桿式。液壓泥炮的回轉驅動機構通常采用液壓缸來驅動。則回轉角度相對受限，通常為100°左右或160°左右。當角度較小時，通常采用液壓缸來驅動轉臂完成回轉，即為直驅式，如圖4[4]；當角度較大時，通常采用液壓缸驅動肘板，通過與肘板相連的連桿帶動轉臂完成大角度回轉，即為六連桿式，如圖5[5]。

圖4 油缸直驅式式回轉驅動機構

圖5 六連桿式回轉驅動機構

3.2.2 壓炮力

無論采用哪一種回轉驅動機構，都要保證回轉機構具有足夠的壓炮力FB，以避免在打泥的過程中出現退炮現象而漏泥。壓炮力，即回轉液壓缸作用于炮嘴的作用力。以六連桿式回轉機構為例，如圖5(回轉液壓缸缸徑為D2，工作壓力為P2)。

在泥炮設計時，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

在回轉機構確定基本結構和主要能力的同時，需要明確重要件的基本工藝和基本功能，以保證產品的壽命。

回轉機構的重要件為回轉液壓缸。通常通過明確密封件的采購商來確保質量。

對于自動化要求高的液壓泥炮，為了測量回轉角度，在回轉機構的中心需要設置編碼器。

4 液電控制技術

4.1 控制基本要求

同一個鐵口的設備之間應設置互鎖功能，不能同時操作。不同鐵口之間的液壓泥炮可以實現切換。

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

液壓泥炮控制的基本功能要求：對回轉速度、打泥量進行檢測和控制；在堵口的過程中，需要回轉液壓缸有保壓功能；堵口時需打開水冷功能等[6]。

4.2 液壓系統

4.2.1 配置選擇

對于元器件品牌，泵和比例閥通常選擇力士樂產品。在功能上，主要從泵、閥和蓄能器三個方面進行考慮。

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機的功率，能夠根據負載變化改變運動速度，實現低壓時大流量，高壓時小流量；后者可以保持系統壓力不變的情況下，更節約能源。

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、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，前者對閥與閥塊的安裝要求高，可根據經驗進行任意精準調節，后者則安裝簡單，無法精準調節。

蓄能器的功能則是用來降低沖擊波、完成保壓和提供動力源。蓄能器分活塞式和皮囊式，如果只是為了吸收液壓系統的高頻沖擊波或完成設備保壓通常采用皮囊式蓄能器；對于電力不夠穩定的地區，讓增加蓄能器站來提供動力源，實現停電時完成一次堵口或開口功能，那將優選考慮使用分活塞式蓄能器。

另外，需要根據液壓泥炮使用者所處的地理位置來考慮是否給油箱設置加熱器。

4.2.2 液壓系統設計

中小型高爐爐前通常由1～2個鐵口，需要設置一套液壓站，根據鐵口數量來確定閥臺數量，每套閥臺控制一個鐵口的爐前設備。閥臺多采用手動控制，液壓泥炮的回轉液壓缸和打泥液壓缸通過分檔控制其調速功能。

大中型高爐爐前通常有3～4個鐵口，需要設置兩套液壓站(并互為備用)和兩組閥站。每套液壓站設三臺高壓主泵(兩用一備)和一套冷卻循環泵。每組閥站設兩套閥臺，每套閥臺控制一個鐵口的爐前設備。液壓泥炮的回轉液壓缸和打泥液壓缸都需要具有調速功能故采用比例換向閥控制；回轉液壓缸通過設置液壓鎖保證安全性。

4.3 電控系統

4.3.1 配置選擇

電控系統的配置主要從元器件品牌、操作方式、操作地點和控制系統的兼容性來考慮。

操作方式通常分為手動和自動兩種，前者多用于中小型高爐，而后者則多用于大中型高爐。自動方式又可以分為半自動和全自動。半自動方式，設備運行位置不需要用編碼器來精確反饋，而是通過設備運行總時間進行理論化分段控制其速度調節。全自動方式，即可通過HMI或某個按鍵完成一鍵操作，需要編碼器精確反饋設備運行位置，根據編碼器的定位信息來確定閥門的開關和閥芯的開度大小。

操作地點分為遙控器操作、手動操作箱操作、主操作臺操作和HMI操作四種方式，前兩者都屬于機旁操作。

控制系統的兼容性需要考慮：控制系統是采用DCS系統(IT自動化系統)或采用常規PLC系統(常規過程自動化系統)，同時注意所選控制系統的品牌和使用者對該系統軟件熟悉運用情況、編程軟件產品版本以及液壓泥炮控制系統是否需要并入高爐或煉鐵廠控制主系統等因數進行綜合考慮。

4.3.2 遙控器和自動控制技術

采用編碼器來實時檢測液壓泥炮的回轉角度，顯示旋轉位置并記錄其旋轉啟停位，并且液壓泥炮的旋轉角度參與旋轉速度的控制，以實現液壓泥炮與鐵口及停機位的軟接觸。同時，在打泥機構的油路管道上設置渦輪流量計和壓力檢測裝置，用來實現檢測打泥量和打泥速度。

在液壓設備中用壓力、流量、溫度、液位等傳感器進行檢測。對檢測數據進行分析處理后加入系統控制。控制系統需要實現正常、調整、檢修、非常4個操作模式。

無線遙控系統可實現液壓泥炮的緊急停車和手動操作。主操作臺可進行設備選擇、模式選擇和手動操作、緊急停車。無論是遙控操作還是主操作臺操作，都可以實現液壓泥炮的轉臂制動、轉臂旋轉、打泥液壓缸前進/后退等功能。

5 自動作業技術

5.1 炮泥恒溫技術

炮泥恒溫技術分為冷卻系統和加熱系統。冷卻系統主要應用在燜炮過程中，通過冷卻水帶走打泥機構的輻射熱量；而加熱系統則主要應用在北方冬季，通過加熱來提高裝入炮泥良好的流動性，降低打泥液壓缸的阻力。根據工藝需要，可以在兩個系統之間進行切換[7]。

炮泥恒溫裝置由恒溫柜、MCC柜、操作箱等組成，用來控制冷卻系統和加熱系統。可手動控制，也可自動控制。

炮泥恒溫技術的冷卻功能應用較為廣泛，而加熱系統受地理和氣候限制較為明顯。

5.2 打泥量檢測技術

打泥量檢測系統由渦輪流量計(或直線位移傳感器)、PLC系統、智能顯示儀表三部分組成。通過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來檢測打泥量[8]。

PLC控制軟件可通過人機界面直觀的顯示液壓泥炮的打泥量，具有信號遠傳和數據記憶儲存功能。其應用有利于精確掌握高爐爐況，節約炮泥的使用量，降低生產成本。

實際應用中液壓泥炮的打泥量通常通過打泥機構尾部的機械標尺進行粗略檢測。在對自動化要求高的爐前設備，才會考慮增加炮泥自動精確檢測技術。

5.3 裝泥機技術

裝泥機是用來代替爐前工填充炮泥的設備[9]。其基本形式有皮帶傳輸式和有軌機器人式裝泥機。目前，在國內個別大型高爐爐前有所應用，但都不夠成熟。技術發展有待于進一步探索，如何將可靠性、經濟性和爐前布置相結合是最大的難點。

6 結論

在高爐爐前，液壓泥炮作為關鍵設備，其爐前整體布置、液壓泥炮的選型將決定爐前作業空間和設備工作可靠性，需要結合爐前工藝、操作模式、自動化要求、項目投資等綜合謹慎選型。在確定了液壓泥炮型式后，則需要根據工藝要求、控制要求、配置要求等進行嚴謹的結構設計，為產品的可靠性、合理化、先進性提供保障。