□ 胡 博 □ 鄭 飛 □ 于威威 □ 韓致信

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

電弧爐自動(dòng)加料車的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

□ 胡 博 □ 鄭 飛 □ 于威威 □ 韓致信

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

設(shè)計(jì)了一套電弧爐冶煉加料設(shè)備，介紹了整機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和性能參數(shù)，并試制了樣機(jī)。對整機(jī)進(jìn)行了高溫加料性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，整機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求，具有工作效率高和操作方便的優(yōu)點(diǎn)。

電弧爐 自動(dòng)加料 防傾覆 PLC

鐵合金是煉鋼行業(yè)中不可缺少的原料，主要包括硅錳、錳鐵和硅鐵，其中硅鐵是將焦炭、鋼屑、石英三種原料加入電弧爐冶煉制成的硅鐵合金［1］。在冶煉過程中，原料投入爐膛的方法有兩種，其一是工人將混合好的原料用鐵鍬拋入爐膛內(nèi)電極周圍；其二是原料通過輸送管道送到電極周圍。這兩種加料方式存在效率較低和作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題［2］。此外，由于這兩種加料方式都不能使原料進(jìn)行充分的混合，還存在蘭炭浪費(fèi)的情況。針對上述問題，筆者研發(fā)了一種可行走加料車，整機(jī)操作方便，單臺設(shè)備三人操作就能夠滿足整個(gè)電弧爐的加料，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了原料的利用率，更適用于鐵合金行業(yè)電弧爐的冶煉，實(shí)現(xiàn)了6.3 kVA電弧爐自動(dòng)加料。筆者將從整機(jī)結(jié)構(gòu)布局及工作原理、加料車參數(shù)確定、關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、試驗(yàn)論證幾個(gè)方面闡述。

1 電弧爐加料車的結(jié)構(gòu)布局及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)布局

電弧爐加料車結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，整機(jī)的質(zhì)量中心處于設(shè)備兩輪胎觸地中心位置，皮帶輸料機(jī)（簡稱皮帶機(jī)）伸縮機(jī)構(gòu)安裝在支撐桁架兩內(nèi)側(cè)，控制皮帶機(jī)在加料過程中的伸縮，實(shí)現(xiàn)了加料車處在電弧爐不同位置時(shí)加料落點(diǎn)與電極距離的調(diào)整，提高了加料的準(zhǔn)確性。塔式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在上轉(zhuǎn)臺，其下端的齒輪機(jī)構(gòu)使安裝在下轉(zhuǎn)臺上的皮帶機(jī)能相對于底盤旋轉(zhuǎn)，且以回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心為原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)加料；冷卻系統(tǒng)安裝在支撐桁架前部，保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備免受高溫炙烤。

1.2 工作原理

▲圖1 加料車結(jié)構(gòu)示意圖

加料作業(yè)前，根據(jù)加料車承載的加料厚度，調(diào)整振動(dòng)給料機(jī)上的偏心塊位置。加料車工作時(shí)，行走驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)行走裝置，使加料車行走。塔式回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)通過齒輪帶動(dòng)安裝在上轉(zhuǎn)臺上的回轉(zhuǎn)支撐外圈轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)支撐外圈與安裝在下轉(zhuǎn)臺上的回轉(zhuǎn)支撐內(nèi)圈作相對轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)旋轉(zhuǎn)加料。伸縮機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給伸縮裝置，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)作相對于桁架的移動(dòng)。水冷和風(fēng)冷系統(tǒng)負(fù)責(zé)設(shè)備的冷卻。

2 加料車參數(shù)確定

電弧爐煙罩結(jié)構(gòu)如圖2所示，1、2、3、4號位置距圓心的距離分別是3 400 mm、2 925 mm、2 450 mm、1 975 mm。加料時(shí)，當(dāng)皮帶機(jī)輸料口末端處在1號位置時(shí)，以加料車回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)幾何中心O點(diǎn)為圓心旋轉(zhuǎn)加料，皮帶機(jī)在大爐門內(nèi)旋轉(zhuǎn)的角度為±13°；皮帶機(jī)輸料口末端處在2號位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為±15°；皮帶機(jī)輸料口末端處在3號位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為±17°；在4號位置時(shí)啟動(dòng)皮帶機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)極心圓加料。以此為例，分別完成在其它兩個(gè)大爐門位置的加料。加料車的技術(shù)參數(shù)根據(jù)電弧爐直徑確定，表1為1.8 kVA電弧爐加料車技術(shù)參數(shù)。

表1 加料車技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

由于加料車在加料過程中料倉內(nèi)的原料和冷卻水呈動(dòng)態(tài)變化，以及皮帶機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)在桁架上的移動(dòng)，都會(huì)造成加料機(jī)質(zhì)量中心的變化，易造成設(shè)備傾覆。合理的軸距設(shè)計(jì)能使整機(jī)在不同工況下均能安全作業(yè)，不致因整機(jī)質(zhì)心偏移而造成傾覆。

3.1 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

圖3為加料車作業(yè)時(shí)的受力簡圖，對其進(jìn)行受力

▲圖2 1.8 kVA電弧爐煙罩結(jié)構(gòu)圖

▲圖3 加料機(jī)作業(yè)時(shí)受力簡圖

分析。圖中Tt為驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)矩，G為整機(jī)的重力，F(xiàn)0為地面對驅(qū)動(dòng)輪的作用力，F(xiàn)t為地面對驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力。

驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算：

式中：G為整機(jī)重力，裝滿原料時(shí)整機(jī)重力為33 560 N；濁T為傳動(dòng)效率， 取 0.92；f為滾動(dòng)阻力因數(shù)，取0.018；CD為空氣阻力因數(shù)，該機(jī)組的速度較低，取0.35；A為迎風(fēng)面積，根據(jù)測量得2.26 m2；vmax為整機(jī)行走最高速度，取10 km/h。

將相關(guān)的數(shù)據(jù)代入式（1），得：

根據(jù)實(shí)際工作效率，將驅(qū)動(dòng)功率增大5%后取整，得到實(shí)際所需電動(dòng)機(jī)功率為5.5 kW。

▲圖4 加料車各部件受力簡圖

3.2 整機(jī)的穩(wěn)定性計(jì)算

在加料過程中，料倉內(nèi)原料的變化使加料車的質(zhì)心位置動(dòng)態(tài)變化，致使整機(jī)加料過程中可能出現(xiàn)設(shè)備傾覆，需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡計(jì)算［3］，圖4所示為加料車各部件受力簡圖，由于所有作用力為質(zhì)量力，表中工況用“質(zhì)量矩”替代力矩較為簡單，表2為設(shè)備自重及對底盤中心的水平距離。

表2 各部件的質(zhì)量及對底盤中心的水平距離

3.2.1 對支撐點(diǎn)右側(cè)求質(zhì)量矩和重力

將由式（2）、式（3）計(jì)算的結(jié)果代入式（4）可得：

右偏心距e1=0.85 m

3.2.2 對支撐點(diǎn)左側(cè)求質(zhì)量矩和重力

將由式（5）、式（6）計(jì)算的結(jié)果代入式（7）可得：

左偏心距e2=0.76 m

根據(jù)前后軸距對回轉(zhuǎn)中心最小距離及設(shè)備整機(jī)工況的可操作性，確定前后軸距為2 200 mm。

4 控制電路設(shè)計(jì)

電控部分的硬件組成框圖如圖5所示，選用西門子S7-300PLC作為主控制器。

▲圖5 電控部分的硬件組圖

4.1 人機(jī)交互界面

加料車控制系統(tǒng)采用西門子TP170A觸摸屏與S7-300PLC，通過RS485接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［4］。通過人機(jī)交互界面，一方面可以對操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而改變加料進(jìn)程，包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)行走速度、風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和加料的厚度等；另一方面觸摸屏可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如水溫、加料時(shí)間、風(fēng)壓等。

4.2 驅(qū)動(dòng)部分

驅(qū)動(dòng)部分的行走電動(dòng)機(jī)、振動(dòng)給料機(jī)和風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)由變頻器進(jìn)行控制，可以實(shí)時(shí)改變加料車行走的速度、振動(dòng)給料機(jī)振動(dòng)頻率和風(fēng)機(jī)風(fēng)量，而回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)和伸縮電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，直接由PLC控制。

4.3 信號的輸入、輸出部分

此部分的功能包括開關(guān)信號的輸入與輸出，以及距離傳感器、溫度傳感器和用于遙控操作的I/O信號的采集。

5 試驗(yàn)和驗(yàn)證

為了準(zhǔn)確測定加料車的操作性能，采用常溫和高溫爐膛環(huán)境兩種方式試驗(yàn)。

5.1 室外常溫試驗(yàn)

加料時(shí)振動(dòng)給料機(jī)通過皮帶機(jī)將原料輸送到爐膛內(nèi)，在振動(dòng)給料機(jī)偏心塊的合理調(diào)整下，通過調(diào)整振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源頻率來控制輸送量［5］，加料車每分鐘的加料量Q為：

式中:h為物料厚度，m；v為物料的平均輸送速度，m/ s；B為振動(dòng)給料機(jī)寬度，m；籽為原料密度，1 250 kg/m3。

原料輸送速度與振動(dòng)電動(dòng)機(jī)電源頻率為一線性關(guān)系：

式中:f為振動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電源頻率，Hz；k為擬合成曲線的斜率；b為擬合成曲線的截距。

將式（9）代入式（10），取加料機(jī)參數(shù)：B=0.35 m，h=0.1 m，則振動(dòng)電動(dòng)機(jī)電源頻率和輸送量的關(guān)系:

表3 不同頻率振動(dòng)下的給料機(jī)輸送量

5.2 不同頻率下輸送量的測定

在振動(dòng)給料機(jī)下端放置托盤用于接收原料，通過稱量托盤中原料的質(zhì)量，即可獲得振動(dòng)電動(dòng)機(jī)不同電源頻率下的輸送量。試驗(yàn)時(shí)料倉內(nèi)原料不少于料倉容積的2/3，設(shè)定振動(dòng)給料機(jī)的進(jìn)出口距離為850 mm，分別對振動(dòng)給料機(jī)在測定的頻率下重復(fù)試驗(yàn)3次，每次試驗(yàn)10 s，試驗(yàn)后對托盤中的原料進(jìn)行稱重，測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3。

經(jīng)曲線擬合得出輸出量與給料機(jī)頻率的標(biāo)定擬合直線，如圖6所示。將表中的數(shù)據(jù)計(jì)算三次取平均值，得到輸送量與振動(dòng)電動(dòng)機(jī)頻率的關(guān)系式：

▲圖6輸送量與振動(dòng)電機(jī)頻率的關(guān)系

5.3 電弧爐爐膛高溫試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：624~1 263℃。

試驗(yàn)原料：蘭炭、礦石、鐵粉混合原料（顆粒尺寸10~156 mm，堆密度為1 250 kg/m3）。

試驗(yàn)地點(diǎn)：寧夏嘉祺隆冶金化工集團(tuán)有限公司，1.8 kVA電弧爐。

▲圖7 加料車在高溫爐膛內(nèi)試驗(yàn)

表4 不同頻率加料時(shí)間

表5 預(yù)期輸送量與實(shí)際加料量

5.3.1 加料穩(wěn)定性

試驗(yàn)時(shí)，料倉內(nèi)裝滿原料，水箱內(nèi)注入一半常溫水，設(shè)定振動(dòng)給料機(jī)的電動(dòng)機(jī)初始頻率為30 Hz，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)頻率為50 Hz，皮帶機(jī)電動(dòng)機(jī)初始頻率為45 Hz，皮帶機(jī)啟動(dòng)后調(diào)節(jié)電位器，調(diào)整皮帶的輸送速度，且伸縮機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)恢復(fù)原位。加料車爐膛試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

5.3.2 加料的可靠性

根據(jù)加料的工藝要求，對于1.8 kVA的電弧爐每班需要加原料60 t，爐膛內(nèi)加料根據(jù)實(shí)際爐臺的大小，設(shè)定加料車的行走速度為6.5 km/h，改變振動(dòng)給料機(jī)的電動(dòng)機(jī)頻率，測定加完料倉內(nèi)原料所需時(shí)間，重復(fù)試驗(yàn)5次，測量數(shù)據(jù)見表4。

通過5次加料試驗(yàn)，實(shí)際加料時(shí)確定振動(dòng)給料機(jī)的電動(dòng)機(jī)頻率為30~40 Hz，可以滿足設(shè)計(jì)要求，見表5。

5.3.3 加料范圍合理性

爐膛內(nèi)加料面積根據(jù)圖2煙罩圖可知，對于1.8 kVA電弧爐在實(shí)際加料過程中正爐門口左右兩側(cè)位置為盲區(qū)，實(shí)際測量盲區(qū)約1.2 m2，若改大爐門口的尺寸，可以減小盲區(qū)面積，但其成本較高及盲區(qū)范圍溫度較低，不適合冶煉，故暫不考慮。

［1］ 李磊.我國鐵合金行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來需求展望［J］.冶金管理，2013（5）：15-24.

［2］ 李士琦，郁健，李京社.電弧爐煉鋼技術(shù)進(jìn)展［J］.中國冶金，2010（4）：1-7.

［3］ 余志生，趙六奇，夏群生.汽車?yán)碚摚跰］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］ 袁臣虎，王臻，李秀艷，等.基于MODBUS協(xié)議的觸摸屏與TMS320F2812串行通信研究［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：63-67.

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（編輯 丁 罡）

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2014年12月