自耗式碳氧槍機械手裝置

王　琪（上海交通大學機械與動力工程學院,上海　200240）

?

自耗式碳氧槍機械手裝置

王琪
（上海交通大學機械與動力工程學院,上海200240）

摘 要：電弧爐煉鋼用氧槍主要是由爐門自耗式碳氧槍及爐壁氧槍所組成，而其中主要吹氧工作是由的爐門自耗式碳氧槍來完成。爐門式碳氧槍一般采用組合式結構，即由碳粉槍及1-2只氧槍組成;其機械結構采用以電動缸為驅動元件的機械手形式，并詳細介紹了各類氧槍的結構及安裝方式。

關鍵詞：電弧爐；自耗式碳氧槍；機械手；電動缸驅動

1　爐門氧槍機械手的意義

由于機械程度對于作業要求越來越一體化，所以許多機械行業的多危險性作業均由機械所取代。現在有了機械手的參與，不僅降低了勞動的強度，而且還提高了勞動的效率，更能帶來巨大的利益。我國機械手的更新換代已經在現代的機械行業中層出不窮，解決了由人工操作的缺點及不穩定因素，放大了自動化的效率。而下面就是對電弧爐爐門氧槍機械手的具體問題來進行解決。

電爐爐門氧槍機械手則是提供電爐吹氧的重要設備。吹氧助熔的作用在于：一是吹入氧氣與鋼中元素氧化時放出大量的熱量，加熱并熔化爐料。二是能切割大塊爐料，使其掉入熔池增加爐料的受熱面積，當有爐料出現搭橋時，利用氧氣進行切割也及其方便。三是為電爐爐內增加了一個活動的點熱源，能在一定程度上彌補3個固定電弧熱源加熱不均勻的缺點。而實踐證明，吹氧助熔可以縮短熔煉時間20-30分鐘，每噸鋼的電耗量可降低80-100kW·h，所以我國各鋼廠均普遍采用吹氧助熔工藝[1]。

在過去20 年中, 電弧爐煉鋼的用氧技術取得了矚目的發展。氧氣的利用已由最初的脫碳反應躍居為電弧爐的第二熱源, 部分取代了相對昂貴的電源。現代電弧爐煉鋼的供氧量為20～40m3 / t , 甚至更高 [2]。其向熔池提供的化學能占總輸入能量的30%～40%。先進的電弧爐廣泛采用強化供氧和泡沫渣冶煉、廢鋼預熱等技術, 因而電弧爐的冶煉時間大大縮短, 即使100t 以上的大型電爐, 全爐的冶煉時間也只有60～70min, 噸鋼電耗不大于375kW·h, 噸鋼電極消耗不大于1. 5kg[3]。

2　爐門氧槍機械手設備介紹

在冶煉過程中，需要根據冶煉融化、精煉過程調整爐門自耗式碳氧槍的使用功能。廢鋼裝料后，大功率供電大約1-2min后，爐門口有紅鋼時啟用爐門自耗式碳氧槍，清理爐門廢鋼，加快廢鋼熔化過程，根據爐料的熔化情況合理調整爐門氧槍的使用位置和使用角度。

熔池形成后，根據鋼水碳含量，使用自耗式氧槍進行脫碳升溫，提高脫碳速度，縮短冶煉時間。廢鋼裝料后，在每次裝料有效送電5-8min后，啟用爐門氧槍，加速冷區附近廢鋼的熔化，防止廢鋼堆積塌料造成大沸騰，保證爐膛內熱負荷比較均勻，縮短冶煉時間。在平熔池熔煉時間（精煉和連續加料），氧槍持續以向熔池中吹氧，完成熔池的脫碳。熔池形成，在熔煉期間，通過噴碳造泡沫渣，使電弧穩定，并將能量以最大的傳送效率傳送到熔池中。

碳氧槍機械手的動作均由PLC進行電氣控制，為設備運行提供動力。電氣控制數個電動缸來控制機械手的所有動作。動作有機械手的升降、機械手的進退、兩個氧槍進給箱的俯仰、擺動、進退，碳槍進給箱的俯仰、進退。機械手的所有動作均由電器控制電動缸來完成。其運動流程為碳氧槍機械手大臂旋轉900、大臂根據爐門高度進行提升800mm、兩個氧槍進給箱按噴吹位置要求左右可擺動300、上下俯仰300、碳槍進給箱可按噴吹位置要求上下俯仰300，三個進給箱均具有將氧槍管及碳槍管進行自由伸縮進給的功能。碳氧槍機械手使用完畢后將三個進給箱上下俯仰到水平位置，左右擺動到平行位置，并將機械手大臂下降到最低位置后，方可回旋機械手大臂到初始位置（換槍位置），至此完成了一個工作的循環。

三個進給箱內部進給系統均由三個電動缸互相配合來完成氧槍管及碳槍管的進給動作。由于在電爐爐門口溫度較高，故在支撐三個進給箱的旋轉大臂上需加裝一塊水冷防護板以防止進給箱及旋轉大臂受熱變形。氧氣管由旋轉大臂側面排管并連接旋轉盤上的軟管，再由軟管再連接上氧槍管實現氧氣噴吹動作（氧氣的控制方式則是由一套氧氣閥門組進行控制，其控制主要由氣動切斷閥和氣動薄膜調節閥來完成。各管路的通斷由氣動切斷閥控制，管路的流量通過閥門組管道上安裝的壓力、流量傳感器檢測，并由計算機調節調節閥來控制氧氣的流量。而碳槍管則是直接連接置于旁邊的碳粉罐，實現碳粉的噴吹動作。

3　爐門氧槍機械手結構介紹

爐門碳氧槍機械手采用圓柱坐標式作為碳氧槍機械手的坐標形式。碳氧槍機械手在工作時大臂回旋、升降、進給箱的上下俯仰及左右擺動，而機械系統由底座回轉機構、大臂升降機構、兩個氧槍進給箱左右擺動及上下俯仰、碳槍進給箱左右擺動等五個部分組成。

3.1氧槍管及碳槍管進給箱的結構設計

碳氧槍機械手在噴吹時由于氧槍管及碳槍管需插入鋼水中進行噴吹，故氧槍管及碳槍管是易耗品。為了能保證噴吹效果，氧槍管及碳槍管需不斷的接管并向前伸出連續不斷的插入鋼水中。為達了到滿足工藝的噴吹效果，所以設計了氧槍及碳槍的進給箱。圖1為氧槍管及碳槍管進給箱內部示意圖。

由于在吹氧及增碳的過程中都需將槍管伸入1600°C的鋼水中，而槍管材質是普通的20鋼的鋼管，在噴吹時損耗相當迅速，故槍管需不斷向外延伸以確保連續噴吹要求。在前后傳動方式上，采用鏈傳動來實現該進給動作，由于鏈傳動相比齒輪傳動,它可以在兩軸中心相距較遠的情況下傳遞運動和動力，能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚的不良環境中工作。相較于帶傳動,它能保證準確的平均傳動比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小，具有傳動精度高等特點。故在箱體的傳動方式上選用鏈傳動的方式，并配合電動缸完成連續進給的動作。

進給箱進給原理：在箱體中采用兩個電動缸（夾緊缸）進行槍管的前后夾緊及放松動作，一個電動缸（推動缸）前后伸縮以完成運送動作，并結合鏈傳動實現整個的進給功能。進給運動過程：當推動缸處于縮回的狀態時，前后夾緊缸并攏，且前夾緊缸處于夾緊狀態后夾緊缸處于放松狀態。當推動缸處于伸出的狀態時，前后夾緊缸分開，且前夾緊缸處于放松狀態后夾緊缸處于夾緊狀態。推動缸再次縮回，前后夾緊缸并攏，前夾緊缸處于夾緊狀態后夾緊缸處于放松狀態。以此輪回交替夾緊放松以完成進給動作。槍管若需縮回操作，則上述運動過程可通過已編好的PLC編程反相運動即可。

3.2進給箱擺動及俯仰功能的結構設計

冶煉過程中，需要根據冶煉融化、精煉過程調整爐門自耗式碳氧槍的使用功能。廢鋼裝料后，大功率供電大約1-2min后，爐門口有紅鋼時啟用爐門自耗式碳氧槍，清理爐門廢鋼，加快廢鋼熔化過程，根據爐料的熔化情況合理調整爐門碳氧槍機械手的使用位置和使用角度。為了能達到多角度全爐膛無死角噴吹效果。故進給箱需能上下轉動30°及左右擺動30°。

根據爐膛尺寸及冶煉工藝要求，將碳槍進給箱及氧槍進給箱的順序經行排列，其順序為氧槍進給箱在兩側而碳槍進給箱在中間的排列順序。由于碳槍按冶煉工藝要求是用來噴碳粉造泡沫渣的，所以在擺動功能上不做要求。故將兩個氧槍進給箱排列在兩側，擺動的初始位置是與碳槍進給箱水平為基準，擺動時右進給箱槍頭擺動方向向左擺，左進給箱槍頭擺動方向向右擺。

氧槍進給箱擺動系統的設計是由電動缸帶動伸縮拉桿的形式進行擺動，氧槍進給箱與旋轉大臂之間由旋轉關節連接。伸縮桿后部為中空結構，前部可在后部內進行滑動，隨著電動缸的運動進行伸縮動作。當電動缸拉動伸縮拉桿時，拉桿即可帶動箱體進行擺動，并按所需調節電動缸的行程即可調節進給箱擺動的角度，故需根據進給箱擺動的最大角度選擇適合行程的電動缸。具體設計如圖2進給箱擺動結構示意圖所示。

根據冶煉需求為了碳氧槍機械手能噴吹到更大的空間，配合擺動設計還增加了俯仰功能設計。由于旋轉大臂被設計成可以提升的結構，故可將三個進給箱進行提升一定的高度，增加俯仰功能結構設計后，可選擇縱向0-30°的角度范圍。該設計配合左右擺動功能的設計即可在縱向及橫向0-30°的空間范圍內經行多角度全方位無死角的噴吹操作。而在結構設計中均采用電動缸進行控制，控制精度高，便于集成程序化設計。

3.2旋轉底座的結構設計

旋轉底座是碳氧槍機械手整體支撐及旋轉的部分，它具有使整個機械手旋轉及升降的功能。碳氧槍機械手在使用時需旋轉90°，在工作位與換槍位之間相互旋轉。在非工作位置處可更換氧槍及碳槍管，在工作位可升降旋轉大臂以調整適合的噴吹位置。其旋轉方式是采用油馬達帶動大齒輪盤的傳動方式進行旋轉，而提升機構則選用電動缸作為驅動元件以滿足升降動作。由于碳氧槍機械對于旋轉并無精度要求，并且采用接近開關進行控制，故可選用可傳遞高扭矩的油馬達作為驅動元件。而對于旋轉大臂的提升高度是需要精確控制的，故選用電動缸作為驅動元件以滿足實際使用要求，便于總體編程控制。

由于碳氧槍機械手在使用時需旋轉90°到達噴吹位置，所以旋轉底座宜采取回轉型結構。為節約空間，選用齒輪齒條式機械結構。并在大齒輪盤與下底座之間安裝了一個平軸承，使旋轉底座能靈活轉動。旋轉大臂提升機構則是采用電動缸推動安裝在旋轉底座內部的滑動導桿的方式進行升降運動。在導桿上左右分別安裝了四個導向輪，以防止導桿跑偏。采用電動缸傳動方式是為了能使旋轉大臂提升高度定位精確，并且相對與液壓缸，電動缸具有自鎖功能，使旋轉大臂在長時間提升狀態下提升高度可得到保證。

4　結束語

本文優化了電弧爐爐門碳氧槍機械手的整體結構，設計了槍管進給系統及進給箱擺動機構，并且采用電動缸作為驅動元件替代了傳統的液壓缸的結構。使系統得到了優化，更便于電器集成化的控制。顯著地改善了控制系統的控制精度和穩態性能，使冶煉過程得到整體優化，縮短了冶煉時間。該設備易于工業實現，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1]沈才芳,孫杜成,陳建斌編著.電弧爐煉鋼工藝與設備[M].北京：冶金工業出版社,2008

[2]沈頤身.電弧爐強化冶煉及節能降耗[J].特殊鋼,1997,增刊: 103

[3]李士琦.現代電弧爐煉鋼[M].北京:冶金工業出版社,1995:236.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.116