一種龍門式鋼包加蓋的結構設計及應用

陳林

摘 要：本文介紹的龍門式鋼包加蓋機構是一套自動化的應用于鋼鐵企業的裝配設備。此自動化裝配設備主要由龍門架主體裝配、小車裝配、橫移裝置、橫移油缸、提升油缸、軸承座裝配、吊具裝配、鋼包蓋裝配、事故吊具、樓梯、維修平臺、液壓系統、電控系統等模塊組成。運用三維建模軟件Solidworks繪制出各個分部件，再組合成總裝配體。確定了總體方案，關鍵部位的設計及其主要設計參數，分析了各油缸的行程及選型，并利用軟件對龍門架進行受力分析，驗證了其結構設計的合理性。同時，該龍門式鋼包加蓋機構目前已在湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼進行了應用，并獲得客戶好評。

關鍵詞：龍門式；自動化操作；有限元分析；三維建模設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.214

0 前言

近年來，由于金融危機的發生，整個鋼鐵企業產能過剩，市場需求減少。大型鋼鐵企業利潤逐漸減少，甚至出現逐年虧損的局面。如何提高操作水平、減少鋼包澆注過程溫降（降低出鋼溫度），成為各個鋼企近來研究的重要課題。 鋼包作為煉鋼工序與連鑄工序之間的盛鋼容器，其在生產周轉過程的熱狀態，直接影響出鋼和盛鋼過程中鋼水溫度的變化。鋼水溫度波動對連鑄澆鑄的影響非常大，并且影響整個生產節奏。鋼包在周轉使用過程中加上鋼包蓋后，對于鋼包的散熱起到很好的保護作用，也使鋼包周轉過程中的熱狀態更加趨于穩定，為準確控制鋼包溫度和溫降創造條件，同時也進一步降低了鋼包在周轉過程的熱損失。

湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼為降成本，實現節能降耗，將在LF工位及VD工位安裝鋼包加蓋系統。 為此，根據其現場環境設計了一種龍門式鋼包加蓋機構。

1 龍門式鋼包加蓋機構總體設計

1.1 鋼包加蓋機構設計原則

鋼包加蓋機構設計，將遵循三個原則：安全可靠，開合方便，簡單實用。

1.2 鋼包加蓋機構所要實現的要求

（1）實現鋼包加蓋：當鋼水包落入罐座時，操作人員通過控制按鈕迅速將包蓋落下并蓋上；

（2）實現鋼包揭蓋：當鋼包需要揭蓋時，操作人員通過控制按鈕可迅速將包蓋揭開；

1.3 龍門式鋼包加蓋機構總體模型及組成

（1）設計完成后的龍門式鋼包加蓋機構整體模型如圖1所示（見附圖）。

（2）龍門式鋼包加蓋機構組成及參數：龍門式鋼包加蓋機構主要由龍門架主體裝配、小車裝配、橫移裝置、橫移油缸、提升油缸、軸承座裝配、吊具裝配、鋼包蓋裝配、事故吊具、樓梯、維修平臺、液壓系統、電控系統等模塊組成。

設備主要參數：提升距離1米、橫移距離1米（平行于龍門架方向）、橫移距離0.5米（垂直于龍門架方向）、龍門架寬度7米、龍門架高度6.94米。

（3）液壓控制系統：鋼包加蓋液壓系統采用開式回路，多負載并聯結構，液壓缸的速度控制在上下行30mm/s，泵選用28排量的軸向柱塞泵，電機22KW。

2 關鍵部位的結構設計

2.1 小車裝配的結構設計

（1）在整個龍門式鋼包加蓋機構中，小車裝配的結構設計非常關鍵。因為本機構中，所有動作包括前后、左右及提升都集中通過小車的結構來滿足要求。這樣同時可以減小整個結構并使布置更加合理。小車裝配主要由車輪軸、軸套、車輪、軸承座、小車架、銅滑條等組成。小車裝配整體三維模型如圖2所示（見附圖）。

（2）車輪軸與軸承之間采用緊配合，車輪軸與軸承座之間留0.5mm間隙以防車輪因受力后卡阻。安裝橫移油缸位置下部采用加強筋，前端兩側布置配重塊，以保車體平衡性能。

2.2 吊具裝配的結構設計

（1）吊具裝配在整個龍門式鋼包加蓋機構中起著承上啟下的作用。對上需連接提升油缸，對下連接鋼包蓋。而且揭蓋與取蓋動作能否順利實現，關鍵在于吊具與包蓋之間的關聯設計。吊具裝配主要由吊具支撐盤、吊具梁、吊具導軸、吊具鉤套、吊具擋環、提升油缸銷軸等組成。吊具裝配整體三維模型圖3所示（見附圖）。

（2）吊具裝配中的三個吊鉤分布在直徑為2400mm的圓周上，與鋼包蓋上的吊環相配，呈120度布置。吊鉤總高522mm。為方便吊具在現場進行調節方向及安裝，吊鉤的設計采用活動形式。

3 油缸行程及選型

橫移油缸的參數：活塞直徑D=80mm，活塞桿直徑d=45mm，行程S=500mm。P=250bar，V=30mm/s。

提升油缸的參數：活塞直徑D=140mm，活塞桿直徑d=100mm，行程S=1000mm。P=250bar，V=30mm/s。

當橫移油缸無桿腔進油時，根據公式：

當提升油缸無桿腔進油時，根據公式：

綜上計算：龍門式油缸所需流量：

Q=2Q1+Q2=2×9+28=46L/min

4 液壓系統電機選型、液壓泵閥選型

4.1 電機選型

由于現場實際情況，每個液壓站需對應三個工位的鋼包加蓋操作。經現場與客戶當面溝通，客戶告知每個液壓站連接工作裝置同時工作的不會超過兩臺，每個負載動作都是單動，不存在聯動的情況。工作時油缸的流量不會出現分流的情況。根據現場客戶的實際要求作出選型。

液壓站：P=140bar，Q=Q龍+Q懸=28+28=56L/min

根據以上計算結果，電機功率，為了保證功率儲備及散熱的功率損耗，P總=1.3P功=19Kw，根據計算結果，選擇22Kw的電機。

4.2 液壓泵閥選型

根據上述計算，主泵和主閥通過具體的數據匹配選出，為系統合理的提供動力和控制，主泵選擇斜軸式柱塞泵，主閥選擇華德液壓的標準的電磁閥，將控制閥集中在閥塊上面，這樣利于集中布置和維修。

4.3 電控系統設計要求

因為該液壓系統動作少，無需電比例來控制閥的開口，選擇開關量來實現動作的開合，電控部分將采用模擬量來控制，并配有操作臺，操作臺上面將布置各個動作順序的開關按鈕，并會有堵塞和低液位報警的燈，一旦系統油液受到污染，回油過濾器的濾芯將會因大顆粒污染物而堵塞，產生回油壓差，進而壓差報警啟動，提示應該對油液進行跟換或者精過濾。

5 龍門架主體受力分析

5.1 龍門架基本參數

龍門架長7000mm，高6940mm，寬1350mm，總重3.52噸。承受力總重為6噸。

5.2 受力模擬分析

（1）利用三維軟件Solidworks對龍門架進行受力分析。模擬出其最大變形范圍，確定其結構是否合理，能否承受總重為6噸的力。經過模擬計算，如圖4所示（見附圖）。

（2）通過分析，圖中紅色區域為龍門架最薄弱部位，變形為1.067mm，而最小變形處為圖中綠色區域，變形為0.001mm。

（3）該龍門架結構簡單，在承受總重為6噸力的情況下最大變形才1.067mm。完全符合設計要求。

6 結論

該龍門式鋼包加蓋機構設計完成后，已應用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司二煉鋼。經過一年的運行，整體結構牢固可靠，機構動作順暢，自動化程度高。為企業節約噸鋼成本10元左右。

（1）本文通過鋼包加蓋所要實現的要求及特點，確定了最佳的總體設計方案，滿足特定的工藝和運行要求；

（2）合理計算并驗證了主要結構參數，尤其對龍門架的結構進行了受力分析，完全能滿足設計要求；

（3）這種龍門式鋼包加蓋機構整體結構簡單、緊湊，自動化程度高，為鋼鐵企業降本增效發揮巨大作用。

參考文獻：

[1]何平.鋼包全程扣蓋保溫節能系統開發[M].北京：鋼鐵研究總院冶金工藝研究所，2012.

[2]劉繼明等.一種鋼包加蓋裝置[M].山東：山東省新紀元冶金設備有限公司，2014.