一種新型礦熱爐全自動加料裝置開發與試驗

何俊平，段望春，張琨，董兵斌，劉守慶，來雄昌

(甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅蘭州 730030)

0 前言

鐵合金是鋼鐵工業必不可少的原料，主要用作煉鋼的脫氧劑和合金添加劑。目前市面上大都采用礦熱爐(又稱還原電爐)爐內陸續加料間歇式出鐵放渣的連續作業方式來生產鐵合金。加料時，爐料透氣性越好，導電越均勻，能耗就越低，產品質量越好。反之，在加料過程中，如果爐料不均勻則會導致爐料電阻不穩定，從而使電極上下波動，造成坩堝區上移；如果爐料過厚又會破壞其透氣性，因為這種情況下冒出的氣體不能克服較厚的料層阻力，造成不均勻冒出，形成所謂的刺火。在這種情況下，大部分電流經過上部料層連通起來，反應區轉移到上部，電極便會離開爐底，致使在爐底形成死料區，爐底上漲，造成出爐困難。因此，合理的加料方式對鐵合金生產極為重要。

傳統的加料方式有3種，分別是人工加料、加料車加料和半自動溜槽加料。人工加料由人工將爐料送入反應區，其優點是布料均勻，但存在安全隱患、勞動強度大、生產效率低、煙氣粉塵外溢、環境污染嚴重等缺點。加料車加料方式由加料車將爐料送入反應區，大大減少了人力，但卻容易導致機械故障多、布料不均勻及環境污染問題。半自動溜槽加料方式由料倉經料管及溜槽控制加料至爐內，較之前兩種，該方法布料均勻、自動化程度更高，但由于半自動原因，需要人工操作并時刻觀察爐膛內爐料的冶煉情況，存在較大的職業健康危害與安全隱患。

本文作者在考慮3種加料方式的基礎上，進一步優化設計，在半自動旋轉布料機的基礎上提出一種新型的鐵合金礦熱爐回轉俯仰加料裝置。

1 加料工藝流程

大多數礦熱爐加料工藝是在四樓平臺鋪設環形軌道，由布料車將原料從斜橋或大傾角緩沖倉接運至爐頂料倉，布料車下料釋放口由電液推桿控制，可實現由紅外線料位計發訊，PLC全過程控制，爐料進入樓頂料倉后經過電振給料機、料管氣封、抗磨彎頭、料管、全自動加料裝置將配好比例的原料送入爐膛坩堝區。礦熱爐加料工藝流程如圖1所示。

圖1 礦熱爐加料工藝流程

2 全自動加料裝置

2.1 結構形式

全自動加料裝置安裝于礦熱爐爐蓋上部，根據爐型大小可安裝6套或3套。全自動加料裝置上部通過絕緣法蘭料管下部連接。全自動回轉俯仰式加料裝置包括旋轉接頭、溜槽、氣封套、拉桿、油缸旋轉裝置、油缸俯仰裝置、油缸頭部連桿、循環冷卻裝置、沙封裝置、絕緣支架、絕緣部件等，回轉、俯仰機構采用液壓驅動，溜槽可在上、下和左、右三維空間內實現既定爐料拋撒區域全覆蓋，同時精準控制拋撒量。參考文獻[8]設計的全自動加料裝置三維模型如圖2所示。

圖2 全自動加料裝置三維模型

在回轉機構和俯仰機構油缸的控制驅動下，溜槽既可以單獨動作，也能夠同時進行回轉和俯仰動作，確保了拋撒范圍內整體添加爐料料層的均勻度，同時又能實現拋撒范圍內局部區域的靈活補料，氣封及沙封系統對回轉、俯仰機構進行微正壓密封，防止高溫煙氣溢出；同時阻隔爐膛高溫煙氣對全自動加料裝置的燒損，循環冷卻水對此設備進行內部冷卻。

2.2 機械原理

2.2.1 水平回轉運動

全自動加料裝置水平回轉運動系統包括：絕緣支座、旋轉接頭、液壓缸Ⅰ、曲柄連桿、旋轉接頭、回轉支撐、溜槽、銷軸等。由液壓缸Ⅰ(元件5)提供驅動力，通過曲柄連桿驅動旋轉接頭回轉，帶動溜槽在水平方向旋轉，達到將爐料均勻布置在爐膛鉗鍋區域的目的。圖3為全自動加料裝置回轉系統原理示意，在其水平回轉機構中，溜槽結構隨著旋轉接頭的回轉運動而運動，具有同步性，無相對運動，故可以認為旋轉接頭繞中心軸線的回轉運動可以代表溜槽在水平面內的回轉運動。

圖3 全自動加料裝置水平回轉系統原理示意

2.2.2 豎直俯仰運動

全自動加料裝置豎直俯仰運動系統包括：固定支架、液壓缸Ⅱ、連桿、溜槽、旋轉軸、銷軸等。由液壓缸Ⅱ提供驅動力進行往復運動，帶動連桿上下移動，進而將運動形式傳遞給與之相連接的溜槽，從而使溜槽繞著銷軸上下俯仰，達到將爐料均勻布置在爐膛鉗鍋區域的目的。液壓油缸往復速度通過液壓調速閥來調節。全自動加料裝置俯仰傳動系統原理如圖4所示。

圖4 全自動加料裝置豎直俯仰系統原理

2.2.3 回轉機構

回轉機構主要采用單排交叉滾柱式回轉支承，由兩個座圈組成，結構緊湊、質量輕、制造精度高，裝配間隙小，對安裝精度要求高，滾柱為1∶1交叉排列，將回轉副設置在原旋轉管、固定管之間。回轉機構支承的兩物體之間需作相對回轉運動，能同時承受軸向力、傾翻力矩和較大的徑向力。回轉支撐結構如圖5所示。

圖5 回轉支撐原理

2.3 控制原理

為了提高礦熱爐加料的準確性，提高加料效率，減少工人的勞動強度，解決加料現場高溫、高粉塵等職業病危害與安全隱患問題，設計一套礦熱爐高效全自動加料電氣控制系統。此系統采用可編程邏輯控制器(PLC)、遙控器來控制整個加料過程，實現礦熱爐加料過程自動化。其PLC控制原理如圖6所示。

圖6 PLC控制原理

2.4 液壓原理

加料機構處于短網正下方，大電流產生的強磁場會對電機產生干擾，故使用液壓傳動，來實現機構的兩種運動。動力機構選擇液壓泵，執行元件為液壓缸，液壓油選用水乙二醇型難燃液壓液。兩個運動副能夠實現溜槽的俯仰與回轉；溜槽的俯仰工作角度范圍能夠達到30°，一個行程時間為3 s；溜槽的回轉工作角度范圍為120°，設計兩個速度，慢速6°/s，快速12°/s。

由于搖臂加料機使用間歇作業，且多臺搖臂加料機同時動作的時段很少等原因，液壓系統設計為小流量液壓泵供油的恒壓系統，并加設一定容量的蓄能器。當多臺搖臂加料機同時動作時，系統流量由蓄能器補給，保證搖臂加料機運行速度達到調節速度，同時吸收搖臂加料機頻繁啟停造成的系統壓力沖擊。搖臂加料機的俯仰由液壓缸驅動，通過節流閥控制回路流量調節液壓缸速度實現俯仰速度的調節，同時回路中設有液控單向閥進行保壓。搖臂加料機的擺動由液壓缸驅動曲柄搖桿機構實現，通過節流閥控制回路流量調節液壓缸速度實現擺動速度的調節。全自動加料裝置液壓系統控制原理如圖7所示，電磁鐵動作順序見表1。

圖7 全自動加料裝置液壓系統控制原理

表1 電磁鐵動作順序

3 加料區域設計

采用定旋轉角、變傾角角速度的方式,獲取在溜槽旋轉角度一定、傾動角度相同情況下,溜槽傾動速度對顆粒布料效果的影響。在溜槽旋轉角度一定的情況下,分別設置溜槽的傾動角速度為10、20°/s(勻速運動),按照溜槽傾動運動一個周期來設置仿真,規定溜槽向爐膛中心傾動為正方向,遠離爐膛中心傾動為負方向。為方便觀察,選取溜槽處于傾動極限處的狀態,可得出在相同條件下,顆粒的運動狀態。溜槽傾動在一個周期內正方向運動極限位置時顆粒速度矢量圖如圖8所示。

圖8 溜槽俯仰正方向極限位置速度矢量圖

由圖8可知：溜槽正方向傾動過程中,由于溜槽傾斜度減小,顆粒與溜槽發生碰撞之后會有個別顆粒受擠壓作用“跳出”溜槽空間范圍,并且顆粒在溜槽逗留的時間增加,從而使得顆粒在溜槽中滯留的質量増加,顆粒流速變慢。通過多次仿真發現,在溜槽經過平衡位置時應當減小溜槽傾動速度,避免顆粒在溜槽內運動時間過長,發生“滯留”現象而影響爐膛布料效果。

溜槽在爐膛內的布料效果由顆粒在爐膛冶煉區域內的落料點描述,選用6個溜槽來模擬布料過程。采用扇環式布料方式,獲取溜槽傾角分別為0°、30°、60°時,布料溜槽經過一個布料周期后的落料點俯視圖分布情況,過渡位置處于圖9所示溜槽極限點位置。由圖9可以看出,用6個溜槽扇環式布料方式,布料范圍基本能夠覆蓋電極周圍冶煉區域,在兩電極之間布料效果較好,可有效解決人工及加料管加料時的不足。

圖9 布料區域設計圖

4 載荷試驗

4.1 動載荷測試

料倉試驗物料總質量630 kg，物料材質為粒度20～40 mm的石子混合少量細砂。物料載荷加載速度，參考12500KVA礦熱爐加料量，每臺搖臂加料機加料速度約為1.25 t/h，每小時加料時間合計約2 min，則載荷加載速度約為625 kg/min。試驗物料計劃1 min內均勻載入樣機。

4.2 靜載荷測試

固定載荷質量180 kg，材質為柱狀廢鋼桶。正常運行時，溜槽內部冷卻水質量約為70 kg，物料在溜槽上的瞬時載荷估算約為900 N。180 kg載質量將固定在溜槽直段中間位置，模擬正常運行時物料及內部冷卻水的質量。該樣機試驗主要通過以下方法獲得設備參數：

(1)空載，溜槽俯仰到最高處位置角度、最低處位置角度；調整液壓缸流量，測量溜槽在最快速、最慢速且不爬行的兩種情況下，溜槽在兩個極點位置間來回擺動的時間，從而測算線速度。

(2)空載，調整液壓馬達的流量，測量旋轉接頭在最快速、最慢速且不爬行兩種情況下的回轉角度、時間，從而測算回轉角速度。

(3)固定載荷，試驗參數如上，測量項和空載試驗相同。

以上測量均在液壓系統調至最大壓力3 MPa后進行。

4.3 試驗數據及分析

此次樣機(見圖10)試驗具體測得數據見表2、表3。因測量工具及現場空間限制，數據測量存在2%～3%誤差。

圖10 樣機照片

表2 溜槽末端俯仰平均線速度試驗數據

表3 旋轉接頭回轉角速度試驗數據

分析測得試驗數據，可得出以下結論：

(1)由表2得：在現有液壓系統作用下，溜槽末端俯仰平均線速度最大值約為162 mm/s，最小值約為30 mm/s，與試驗結果一致。

(2)由表3得：在現有液壓系統作用下，旋轉接頭平均回轉角速度最大值約為1.83 r/min(11°/s)，最小值約為0.27 r/min(1.6°/s)，與仿真模擬結果一致。

(3)在不同載荷的試驗條件下，各測量數據的最大最小值偏差不超過5%，同時由于測量誤差的影響，分析可得在不同載荷的試驗條件下，溜槽俯仰平均線速度、旋轉接頭平均回轉角速度基本不受影響。

(4)溜槽末端俯仰最大平均線速度0.16 m/s，與設計最大平均線速度0.18 m/s相比較小。通過表2可得：液壓缸流量達到最大時，液壓缸實測速比為1.3左右，而液壓缸速度比為固定值1.46。故分析可得液壓缸在電磁閥上的兩個接口流量不一致，導致試驗速度偏低。

(5)旋轉接頭回轉角速度，左回轉角速度與右回轉角速度基本一致，無較大誤差；最大平均回轉角速度1.83 r/min(11°/s)，與設計值1.89 r/min基本一致，符合設計要求，回轉角度±50°。

(6)通過觀察溜槽末端的擺動空間與模擬電極的位置，以及試驗物料的布料狀況，可得出全自動溜槽加料樣機與傳統的手動搖臂加料機相似，樣機的布料區域可滿足爐內電極三角區及大面區域的布料需求。

5 總結

(1)提出一種新型的全自動加料裝置，實現了在強磁場、高粉塵、高溫環境下鐵合金電爐遠程自動化布料。該裝置全部由液壓缸驅動，結構簡單，維修方便，同時布料均勻，不僅提高了產品質量，還大大提高了生產效率。遠程操作能夠解決人工布料干預產生的職業健康危害與安全隱患，更好地保障了職工安全。

(2)通過SolidWorks三維建模與動靜載荷測試，達到了預期設定，結果均與設計參數一致，溜槽末端俯仰平均線速度為30～162 mm/s，平均回轉角速度1.83 r/min，回轉角度±50°。

(3)采用定旋轉角、變傾角角速度的方式，布料范圍基本能夠覆蓋電極周圍冶煉區域,在兩電極之間布料效果較好。