付光勇 鹿 林 惠 展

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西西安710201)

1 前言

國(guó)內(nèi)某煉鐵廠高爐爐前泥炮選用YPE型泥炮，為國(guó)內(nèi)某大型專業(yè)冶金設(shè)備制造公司設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如圖1所示，由打泥機(jī)構(gòu)、吊掛機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)整桿、斜底座、液壓系統(tǒng)等組成。泥炮在斜底座上回轉(zhuǎn)，斜底座上的支撐板、轉(zhuǎn)臂、調(diào)整桿、打泥機(jī)構(gòu)形成一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，在泥炮回轉(zhuǎn)的過程中調(diào)整打泥機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，決定炮嘴的軌跡。斜底座上的固定支架、轉(zhuǎn)臂及安裝于轉(zhuǎn)臂內(nèi)部的二連桿、三連桿與回轉(zhuǎn)油缸形成一個(gè)六桿機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)泥炮整機(jī)動(dòng)作?；剞D(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂完成回轉(zhuǎn)動(dòng)作的同時(shí)打泥機(jī)構(gòu)炮嘴對(duì)準(zhǔn)出鐵口，此時(shí)打泥油缸驅(qū)動(dòng)打泥活塞完成打泥動(dòng)作，回轉(zhuǎn)油缸擔(dān)負(fù)起泥炮壓炮功能，防止打泥機(jī)構(gòu)后退。泥炮的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 YPE型泥炮的技術(shù)參數(shù)

2 泥炮存在的問題

經(jīng)過對(duì)爐前YPE型泥炮設(shè)備近幾年的使用、檢修、維護(hù)，設(shè)備整體性能較穩(wěn)定，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部桿件無任何損壞，基本滿足用戶現(xiàn)場(chǎng)堵鐵口需求，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)該型號(hào)泥炮存在以下關(guān)鍵問題：

圖1 YPE泥炮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1-打泥機(jī)構(gòu)；2-吊掛機(jī)構(gòu)；3-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；4-調(diào)整桿；5-斜底座；6-液壓系統(tǒng)

(1)油缸是泥炮設(shè)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(zhuǎn)油缸完全安裝于回轉(zhuǎn)懸臂內(nèi)腔，只能從懸臂上表面檢修孔位置移除，現(xiàn)場(chǎng)更換回轉(zhuǎn)油缸基本需要8～10小時(shí)才能完成，比較耗費(fèi)人力、財(cái)力，同時(shí)也影響該鐵口的正常出鐵，影響出鐵產(chǎn)量。

(2)當(dāng)打泥機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到工作位置時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸繼續(xù)保壓，以確保該油缸推力能使打泥機(jī)構(gòu)炮嘴壓緊出鐵口，壓緊后打泥機(jī)構(gòu)內(nèi)部的打泥油缸驅(qū)動(dòng)打泥活塞推動(dòng)炮泥進(jìn)入鐵口通道，當(dāng)爐內(nèi)壓力不穩(wěn)定，鐵口通道不順暢時(shí)炮泥進(jìn)入鐵口通道阻力會(huì)增大，導(dǎo)致打泥油缸推力升高，從而也增大了鐵口對(duì)炮嘴的反作用力，當(dāng)該反作用力大于回轉(zhuǎn)油缸壓緊力時(shí)，炮嘴就會(huì)后退?，F(xiàn)場(chǎng)偶爾會(huì)發(fā)生無法壓緊鐵口而出現(xiàn)炮泥現(xiàn)象，故該型號(hào)泥炮回轉(zhuǎn)油缸壓緊力安全系數(shù)過小。

(3)泥炮炮嘴燒損率過高，對(duì)高爐的生產(chǎn)、成本及效益的影響明顯，主要問題體現(xiàn)在當(dāng)打泥機(jī)構(gòu)炮嘴旋轉(zhuǎn)至鐵口約1.6米時(shí)，當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸運(yùn)行速度不變的情況下炮嘴向前運(yùn)行速度減速非常明顯，導(dǎo)致炮嘴受鐵水沖刷時(shí)間過長(zhǎng)，以至于經(jīng)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(shí)跑泥嚴(yán)重，炮泥無法進(jìn)入鐵口通道)，易出跑鐵水事故。

泥炮是高爐爐前設(shè)備“四大件”中最重要的一件，屬現(xiàn)代化大型冶煉高爐的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備工作性能的好壞直接決定了高爐生產(chǎn)是否穩(wěn)定、順行、能否正常按時(shí)出鐵，它的重要性決定了整個(gè)煉鐵廠是否能完成規(guī)模產(chǎn)量，YPE型泥炮以上問題的存在會(huì)經(jīng)常影響高爐正常生產(chǎn)，同時(shí)致使?fàn)t前區(qū)域存在安全隱患。

3泥炮問題分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)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(hù)整個(gè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)的固定支架、二連桿、三連桿、回轉(zhuǎn)油缸完全內(nèi)置于轉(zhuǎn)臂內(nèi)腔，轉(zhuǎn)臂上板開檢修孔，由于轉(zhuǎn)臂內(nèi)腔空間狹小，安裝、拆卸回轉(zhuǎn)油缸操作不便，同時(shí)回轉(zhuǎn)油缸只能從轉(zhuǎn)臂上板檢修孔處移除，耗時(shí)較長(zhǎng)，該結(jié)構(gòu)形式強(qiáng)有力的保護(hù)了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部桿件及回轉(zhuǎn)油缸，同時(shí)也增加了檢修回轉(zhuǎn)油缸的難度。

(2)根據(jù)YPE型泥炮結(jié)構(gòu)形式可將其泥炮運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化成機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖形式[1] [3] [4]如圖2所示。

圖2 YPE泥炮機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

泥炮工作時(shí)各桿件受力情況簡(jiǎn)圖如圖2(a)所示：P0為炮口對(duì)打泥機(jī)構(gòu)反作用力；P1為回轉(zhuǎn)油缸產(chǎn)生的壓炮力；P2為二連桿對(duì)懸臂產(chǎn)生的推力；P3為回轉(zhuǎn)油缸對(duì)懸臂產(chǎn)生的推力。

根據(jù)YP4000E型泥炮打泥機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，當(dāng)打泥油缸、回轉(zhuǎn)油缸在25MPa下工作時(shí)，計(jì)算可得出(根據(jù)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(jù)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(jù)圖2泥炮工作位置時(shí)，各個(gè)力相對(duì)于桿件回轉(zhuǎn)中心的力臂長(zhǎng)度)：

p3×754=p2×337

p2=3446kN

p1×4016=p2×369+p3×61

p1=340kN

得出：當(dāng)打泥油缸、回轉(zhuǎn)油缸都在相同額定工作壓力25MPa下工作時(shí)，泥炮反作用力大于壓炮力，打泥機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生后退現(xiàn)象，即炮嘴不能緊壓鐵口而出現(xiàn)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(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)小于壓炮力340kN(堵鐵口時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸保壓壓力為系統(tǒng)額定工作壓力25MPa)，故不會(huì)出現(xiàn)退炮、炮泥情況。當(dāng)爐內(nèi)壓力不穩(wěn)定，鐵口通道不順暢時(shí)炮泥進(jìn)入鐵口通道阻力會(huì)增大，導(dǎo)致打泥油缸推力升高，當(dāng)打泥油缸壓力達(dá)到23MPa時(shí)，其反作用力就開始大于回轉(zhuǎn)油缸壓緊力，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)退炮、炮泥情況。

(3)泥炮在整個(gè)運(yùn)行過程中是由回轉(zhuǎn)油缸通過桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂與打泥機(jī)構(gòu)一起轉(zhuǎn)動(dòng)[2] [3]，當(dāng)閥臺(tái)進(jìn)入回轉(zhuǎn)油缸流量一定時(shí)(即回轉(zhuǎn)油缸勻速運(yùn)動(dòng))，其轉(zhuǎn)臂及打泥機(jī)構(gòu)炮嘴運(yùn)行速度應(yīng)為非勻速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)YP4000E泥炮桿機(jī)構(gòu)尺寸及安裝位置，可作出回轉(zhuǎn)油缸行程與打泥機(jī)構(gòu)炮嘴運(yùn)行距離的相關(guān)曲線圖，如圖3所示：

圖3 YP4000E炮嘴運(yùn)行距離圖

圖3為泥炮炮嘴從待機(jī)位置運(yùn)行到鐵口的曲線圖(即炮嘴從遠(yuǎn)離鐵口到接觸鐵口)，圖中橫向坐標(biāo)為回轉(zhuǎn)油缸行程，且為勻速遞增(油缸行程用L表示)，縱向坐標(biāo)為炮嘴距離鐵口水平距離(炮嘴移動(dòng)距離用S表示)。從曲線圖中可看出在回轉(zhuǎn)油缸行程勻速遞增的情況下，炮嘴移動(dòng)的距離波動(dòng)較大(即炮嘴運(yùn)行速度波動(dòng)較大)，整個(gè)運(yùn)行過程為：?jiǎn)?dòng)時(shí)速度一般，然后加速，再快速減速，到運(yùn)行緩慢，從曲線圖上可計(jì)算得出以下數(shù)據(jù)：

上式中， K0K1K2分別表示：炮嘴從待機(jī)位置啟動(dòng)時(shí)，炮嘴運(yùn)行最快時(shí)，炮嘴運(yùn)行緩慢時(shí)，炮嘴移動(dòng)距離與回轉(zhuǎn)油缸行程比值，該比值大小表示炮嘴運(yùn)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(dāng)炮嘴距離鐵口大約1.6m左右的時(shí)候炮嘴運(yùn)行進(jìn)入緩慢速度，即K2速度，1.6m之前炮嘴運(yùn)行速度基本處于最快速度，即K1速度，當(dāng)從K1速度變化到K2速度時(shí)，減速非常明顯，就會(huì)導(dǎo)致炮嘴受鐵水沖刷時(shí)間過長(zhǎng)，以至于經(jīng)常燒損炮嘴的情況出現(xiàn)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)改造

針對(duì)泥炮現(xiàn)場(chǎng)使用存在的具體問題以及設(shè)備整體改造、安裝的簡(jiǎn)易、安全、可靠性(保持原設(shè)備安裝基礎(chǔ)不變，管路接口、回轉(zhuǎn)角度、待機(jī)位置及整個(gè)運(yùn)行軌跡不變)，常用備件的互換一致性，對(duì)泥炮設(shè)備回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì)改造：

(1)將回轉(zhuǎn)油缸缸頭與轉(zhuǎn)臂的鉸接點(diǎn)布置在轉(zhuǎn)臂外側(cè)(鉸接點(diǎn)的位置未在轉(zhuǎn)臂腔體內(nèi)部)，同時(shí)轉(zhuǎn)臂靠近回轉(zhuǎn)油缸的側(cè)面開有檢修窗口，方便回轉(zhuǎn)油缸直接從側(cè)面移除，優(yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臂。

(2)將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)的桿機(jī)構(gòu)裝置(二連桿、三連桿、固定支架)進(jìn)行尺寸及安裝位置的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高回轉(zhuǎn)油缸壓炮力及炮嘴運(yùn)行速度(回轉(zhuǎn)油缸保持不變)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的泥炮設(shè)備YP4000T型簡(jiǎn)圖如4所示。

圖4 YP4000T泥炮結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1-打泥機(jī)構(gòu)；2-吊掛機(jī)構(gòu)；3-回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)4-調(diào)整桿；5-斜底座；6-液壓系統(tǒng)

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

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

壓炮力p1=389kN>p0

即泥炮在打泥油缸工作壓力達(dá)到系統(tǒng)最大壓力時(shí)，其打泥反作用力始終小于壓炮力，不會(huì)產(chǎn)生退炮而發(fā)生炮泥的情況出現(xiàn)。

YP4000T型泥炮在整個(gè)運(yùn)行過程中與YP4000E運(yùn)動(dòng)類似[2] [3]，根據(jù)其桿機(jī)構(gòu)尺寸及安裝位置，也可相應(yīng)作出回轉(zhuǎn)油缸行程與打泥機(jī)構(gòu)炮嘴運(yùn)行距離的相關(guān)曲線圖，如圖5所示：YP4000T泥炮在回轉(zhuǎn)油缸行程勻速遞增的情況下，炮嘴運(yùn)行速度比較平穩(wěn)，沒有急加速、急減速過程，從曲線圖上可計(jì)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(dāng)炮嘴整個(gè)運(yùn)行過程中速度變化較小，就不會(huì)出現(xiàn)炮嘴靠近鐵口時(shí)急減速受鐵水沖刷時(shí)間過長(zhǎng)而出現(xiàn)燒損炮嘴的情況。

圖5 YP4000T炮嘴運(yùn)行距離圖

4 結(jié)論

優(yōu)化改造后的YP4000T泥炮上線運(yùn)行2年多時(shí)間以來，設(shè)備運(yùn)行很平穩(wěn)，設(shè)備優(yōu)勢(shì)很突出，效果很明顯主要體現(xiàn)在：

(1)從未發(fā)生過因爐況不穩(wěn)定而出現(xiàn)打泥機(jī)構(gòu)退炮，出現(xiàn)炮泥情況(未改造前，每年都會(huì)出現(xiàn)3～5次退炮、炮泥現(xiàn)象)。

(2)炮嘴的燒損率大幅度降低，現(xiàn)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(zhuǎn)油缸的檢修時(shí)間大大縮短，2年內(nèi)更換過3次回轉(zhuǎn)油缸，每次更換時(shí)間1個(gè)班人數(shù)大約在2～3小時(shí)(未改造前，每次更換時(shí)間1個(gè)班人數(shù)大約在8～10小時(shí))。

通過對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)改造，節(jié)約了大量的備件，縮短了檢修時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率，也避免因設(shè)備性能不穩(wěn)定而出現(xiàn)安全事故。