RH頂槍裝置的機械結構分析

蔣根柱， 許遵海， 周青子， 潘朝春， 朱小強， 吳萬銀

（1.上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鋼廠， 江蘇 南京 210039； 2.蘇州寶聯重工股份有限公司技術部，江蘇 蘇州 215152）

RH頂槍是為冶煉超低碳鋼而開發，在真空處理過程中，將氧氣從真空槽的頂部吹入其底部的鋼液中進行脫碳。頂槍現已發展為吹氧脫碳、噴粉脫硫、在線加熱多功能用途；整個頂槍系統包括機械裝置、電氣控制、儀表閥站。機械裝置是完成各種冶煉工藝要求的基礎。而對于整個頂槍裝置的機械結構及應用特點在相關文獻中很少涉及，在選擇和使用時缺少相應的參考[1-3]。

頂槍裝置的機械結構設計首先必須滿足頂槍的冶煉工藝要求，其次頂槍裝置盡可能在更換真空槽及熱彎管時為行車的吊運提供寬敞的空間。根據頂槍裝置的機械結構特點，將其分為固定式、旋轉式、平移式三種，下面詳細討論三種頂槍裝置的結構特點[4-6]。

1 固定式頂槍裝置

固定式頂槍裝置，顧名思義頂槍裝置整體固定安裝在鋼平臺上，其固定支撐點設置于頂槍裝置立柱的上下端，頂槍槍體可以在頂槍裝置的導軌上下移動。

如圖1所示，頂槍裝置的立柱及導軌上下兩端均固定在鋼平臺上，頂槍安裝于升降小車上，升降小車通過圓環鏈與升降裝置連接，升降裝置的減速電機固定安裝在立柱及導軌的頂端，輸出軸上安裝鏈輪，圓環鏈的兩端與升降小車的上下兩端鉸接，鏈條張緊裝置可以調節圓環鏈的松緊度。電機啟動后，升降裝置的減速器輸出軸上的鏈輪帶動圓環鏈使升降小車和安裝在小車上的頂槍上下往復運動。

圖1 固定式頂槍裝置

2 旋轉式頂槍裝置

旋轉式頂槍裝置是在固定式的基礎上增加旋轉支承及旋轉驅動而成，下頁圖2所示是已經成功應用的兩種結構。圖2-1中，驅動旋轉采用電動缸，增加上部旋轉支承及下部旋轉支承，上部旋轉支承采用調心滾子軸承，下部旋轉支承采用調心滾子軸承和推力圓錐滾子軸承的組合型式，利用調心滾子軸承自調心功能，可以降低頂槍在運轉過程中對安裝、制造等誤差的敏感性。旋轉驅動采用電動缸，在靠近下部旋轉支承的轉軸上焊接驅動臂，與電動缸鉸接，在電動缸動作時就可以驅動頂槍旋轉[7-8]。

圖2 旋轉式頂槍裝置

圖2-2采用減速電機驅動，下部支承使用帶外齒的回轉支承，并與減速電機輸出軸上的小齒輪嚙合，可以獲得更大的減速比，使頂槍的旋轉更慢，從而可以避免過快的旋轉速度造成頂槍裝置的晃動，對頂槍裝置產生不利的影響；低速旋轉可以更容易獲得精確的定位。根據實踐，頂槍合適的旋轉速度應小于5 m/min。

對于旋轉驅動的選擇，除了利用電動缸外，還可以利用電液推桿，電液推桿的成本較低，但由于是一個小的獨立的液壓系統，后期的維護工作比電動缸要多一些。

3 平移式頂槍裝置

RH在線更換真空槽時，需要車間上方的行車吊運，頂槍裝置位于真空槽的上方，固定式和旋轉式頂槍裝置對更換真空槽造成一定的障礙，需要將真空槽和熱彎管移至遠離頂槍的位置進行更換。如果更換真空槽和熱彎管時，頂槍裝置可以從處理位平移至待機位，在真空槽上方有更大的空間，便于行車吊運[9-10]。

平移式頂槍裝置是針對上述兩種頂槍裝置的結構進行優化后的裝置，為行車吊運可以騰出更大的空間，使頂槍裝置可以長距離平移，從某一工藝位置平移至另一工藝位置，實現不同的冶煉工藝；同時在同一處理位置可以有兩套不同頂槍裝置平移到此工作，從而提高RH工作的可靠性。

3.1 頂槍的基本結構

如圖3所示，在固定式頂槍裝置的基礎上，增加了平移裝置，帶動整個頂槍裝置平移，平移支撐架的一端與立柱和導軌連接，另一端與平移裝置連接，在平移裝置的驅動下整個頂槍裝置沿著軌道平移，到位后通過平移支撐架下端的鎖緊裝置定位。

頂槍根據工藝要求可以停在需要位置，并通過安裝在升降裝置的減速機輸出軸端部的編碼器實時反饋位置信號，監測頂槍槍體的實際位置，為了安全，在頂槍槍體運行的上下位極限位安裝機械開關，對頂槍常用的槽外待機位、槽內待機位、吹氧位均設置接近開關，為安全可靠停車提供雙重保護。

圖3 平移式頂槍裝置

3.2 平移式頂槍的傳動裝置

平移式頂槍的升降裝置一般安裝在頂槍軌道的頂部，并設置相應的檢修平臺，采用減速電機驅動，變頻控制，電機自帶制動器和手柄釋放形式，便于在事故狀態下人工或氣缸自動脫開制動；需要指出的是，由于頂槍是垂直往復運行，慣性較大，在電機制動時應采用快速制動回路，即同時切斷制動器交流和直流控制回路，這樣可以避免頂槍在下降運行制動時向下滑動。合適的頂槍升降速度控制在10 m/min左右。

緊急提升裝置的作用是在故障狀態下，當真空處理無法繼續進行，而升降裝置也無法正常將頂槍從真空槽內提出，而此時需要利用緊急提升裝置將頂槍從真空槽內提出。

如圖4所示，一種手動離合式的緊急提升裝置的結構，電機與主減速機連接并固定在支架上，固定塊安裝于電機的尾部軸伸上，其結構與牙嵌式離合器類似，固定塊與滑動塊的端面有牙，可以互相嵌入或脫開。為了獲得低速大扭矩輸出，氣動馬達的輸出軸與行星減速器連接，固定安裝在支架上；在行星減速器的輸出軸上安裝固定外花鍵，滑動塊的內孔為內花鍵，在固定外花鍵上滑動，滑動塊的外表面有凹槽，安裝撥環。

圖4 手動離合式緊急提升裝置

當緊急提升裝置需要動作時，手動將撥環向圖4所示的左方推動，使固定塊與滑動塊互相嵌入連接，氣動馬達通入驅動氣體，然后手動脫開電機的制動手柄，氣動馬達就可帶動電機轉動，最終提起頂槍。緊急提升的速度一般控制在2 m/min。

手動離合式緊急提升裝置在事故狀態下需要人工操作，而緊急提升裝置的安裝平臺較高，操作人員需要較長時間才能到達其所在位置，為了快速響應，可以采用圖5所示的自動離合式緊急提升裝置，將手動離合式緊急提升裝置的手動離合改為氣動離合器，并采用氣缸推動電機的制動器離合。由于氣動離合器的輸出孔徑與電機的軸伸直徑可能不同，聯軸器與連接軸只是為了獲得與氣動離合器輸出孔徑相同的軸徑而增加的，如果電機的軸伸與氣動離合器的孔徑相同，則可以取消聯軸器和連接軸，氣動離合器直接與電機連接。

圖5 自動離合式緊急提升裝置

當需要緊急提升時，氣動離合器通入驅動氣體，離合器閉合，然后氣動馬達通入驅動氣體，處于待轉動狀態；最后氣缸通入驅動氣體，推動電機的制動器手柄，制動器脫開，電機處于可自由轉動狀態，這時氣動馬達可以將頂槍順利提出真空槽。

需要特別指出的是，緊急提升裝置的動作順序很重要，正確的順序是必須首先使手動或氣動離合器閉合，然后給氣動馬達供氣，最后脫開電機的制動器，否則容易發生頂槍向下滑動，容易造成頂槍的損壞[11-13]。

另外緊急提升除使用氣動馬達外，還可以采用UPS電源經逆變器直接驅動電機將頂槍直接提出真空槽。可省去相應的機械傳動結構，但同時增加相應的電源模塊。如圖2-1所示，升降裝置的電機尾部沒有安裝緊急提升裝置，采用UPS電源緊急提升，但電機制動器的脫開需要采用手動或氣動離合。采用UPS緊急提升機械結構更為簡單，初次投入成本稍低一些，但后期的維護成本高于氣動馬達型式。

3.3 主體框架的結構優化

由于頂槍裝置整體移動，懸臂安裝在平臺上，頂槍槍體安裝于懸臂的最遠端，頂槍在RH處理時需要隨時升降，所以平移式頂槍在加強設備剛性的同時，應盡量減輕設備自身質量。

如圖3所示，平移式頂槍裝置的平移支撐架采用H型鋼焊接而成，為封閉的長方體框架結構，框架的上下前后設置車輪組，在軌道上運行，驅動裝置安裝在框架上方軌道的前后兩個車輪組上，便于檢修和維護，安裝于下方軌道上的為前后兩組從動車輪組，四點支撐可以得到更好的剛性。

平移支撐架為框架結構，質量較輕，增設平移支撐架后，可以減小升降小車的外形尺寸，如圖6所示，對導向輪組的結構優化，采用由軸向和徑向兩個滾輪軸承組裝而成的標準組合滾針軸承，減小軸承體積，簡化安裝結構，從而降低了制造成本，有效減輕導向輪組的重量，另外在圓鏈的一端增加碟簧組，減小升降小車在制動時的沖擊；優化設計后的平移式頂槍裝置的升降小車架質量僅不到700 kg。

圖6 升降小車

頂槍裝置的質量主要集中在升降小車和立柱及軌道部分，立柱及軌道采用標準型材，可以降低質量和成本，立柱為標準矩形管，另外軌道在型材精度滿足要求的前提下也可以采用標準型材。

圖3中，為了避免頂槍裝置在工作時誤動，除了采用電機自帶的制動器鎖定外，同時設置了獨立的鎖緊裝置，在上下軌道附近均設置鎖緊裝置，采用氣缸帶動定位銷動作將平移支撐架與鋼平臺可靠鎖定，減小頂槍裝置在RH真空處理時的振動[14-15]。

3.4 工藝特點

平移式頂槍裝置的工藝和結構特點有以下幾點：

1）利用長距離平移的特點，可以將頂槍裝置從處理位移至預熱位，實現原有預熱槍在線加熱功能，這樣可以減少預熱槍裝置的設備數量。對應的儀表、閥門、電氣設備也相應減少。

2）由于減少預熱槍設備，初期設備投資大幅減少。

3）和固定式及旋轉式頂槍裝置比較，每個處理位兩側的平移式頂槍裝置均可移動至同一處理位，這樣每個處理位可以利用的頂槍裝置有兩套，大大提高精煉的可靠性。

4）由于采用相同結構的頂槍裝置，使備件量大大減少。

5）由于設備減少，后期的維修量相應減少，維護成本降低。

對于短距離平移的頂槍裝置，已經成功應用于國內某鋼廠，經應用實踐平移式頂槍裝置的設計是可行的，對于長距離平移，只要將頂槍所需要的介質管道、動力及信號電纜等通過拖鏈移動，可實現頂槍的長距離平移。

4 結語

平移式頂槍裝置不但滿足冶煉工藝的要求，同時完全解決了吊運真空槽時空間行車空間位置不夠的問題，提高了更換真空槽的效率；利用平移式頂槍裝置，可以在同一處理位實現兩套不同頂槍裝置平移切換工作，增加RH工作的可靠性。

綜上所述，平移式頂槍裝置為行車吊運真空槽提供寬敞的空間，并可以長距離移動，實現在另一工藝位置的不同的冶煉工藝，是三種頂槍裝置中適合RH爐外精煉冶煉工藝的最優結構。

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