中天1 500 m3高爐液壓泥炮的計算與分析

周金超

（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

高爐爐前操作的主要任務是及時地出凈鐵和渣，維護好鐵口和出鐵場機械設備。高爐爐前操作的質量直接影響到高爐的正常生產。泥炮是高爐爐前的重要設備，用于高爐出鐵后將炮泥壓出以堵塞出鐵口。

以前泥炮多采用電動泥炮，隨著冶煉強度的提高和無水泥炮的推廣，電動泥炮在生產實踐中暴露出不少缺點，不能滿足鐵口作業要求。現在逐漸采用液壓泥炮，設備處于風口平臺以下，不影響風口平臺的完整性。

為了確保鐵口正常作業，對泥炮的主要要求為：①有足夠的打泥量，能有效地堵塞出鐵通道和修補爐缸前墻，使前墻厚度達到所要求的出鐵深度；有足夠的打泥推力，使泥塞對炮泥能產生較大的單位壓力，以克服爐內壓力和出鐵口通道的阻力，把炮泥擠入出鐵口。②結構緊湊，高度矮小，以改善爐前工人的操作條件，使鐵口附近的平臺可以連接起來，有利于更換風口作業的機械化。③工作可靠，能適應高爐爐前高溫、多粉塵、多煙氣的惡劣環境。④維修方便。如果零部件出現故障，應能在兩次出鐵的間隔時間內將炮身或某部件整體更換，以避免因泥炮故障而造成高爐休風。

2 液壓泥炮的結構

液壓泥炮主要有打泥機構、回轉機構、吊掛架裝配、控制連桿、斜底座等組成。液壓泥炮的優點：打泥推力大，工作穩定可靠，機構簡單、緊湊，質量輕。液壓泥炮的總裝如圖1所示。

液壓泥炮的運行由兩個液壓缸驅動完成，由旋轉液壓缸驅動轉臂完成旋轉作業，旋轉動作完成時炮口自動對準出鐵口，由打泥液壓缸驅動打泥活塞完成打泥作業。在打泥期間，旋轉液壓缸同時擔負泥炮壓炮功能。

為了使炮身在壓炮狀態保持一定的傾斜度，炮身在離開出鐵口反向旋轉時又不致碰到鐵鉤溝幫，泥炮旋轉時的旋轉軸線是傾斜的。當炮嘴靠近出鐵口時，依靠四桿機構使炮嘴做近似直線運動。

圖1 液壓泥炮的總裝圖

3 液壓泥炮的計算與分析

3.1 打泥機構的計算

3．1．1 活塞對泥炮單位壓力的確定

由于采用無水泥炮，所以設計時取炮嘴出口處的壓力為8～10 MPa，在泥缸和過渡短管中的壓力損失為4～5 MPa，所以設計時泥塞對炮泥的單位壓p1取16 MPa滿足要求。

3．1．2 泥缸有效容積的確定

中國過去設計制造的電動泥炮泥缸容積為0.2～0.3 m3。實踐證明，這個容積是偏大的。設計時取這個容積值的主要原因是這些泥炮在打泥過程中產生漏泥，為了可靠地堵住出鐵口，生產部門都要求用泥缸容積較大的泥炮。

解決漏泥問題和使用無水泥炮，可降低泥缸的有效容積。高爐容積在5 000 m3以下時，一般可取泥缸有效容積為0.2～0.3 m3。根據經驗，泥缸的有效容積V1取0.25 m3即能滿足生產要求。

3．1．3 液壓缸直徑的計算

由于液壓泥炮的設計沒有標準化，所以在一些參數的確定上，只有通過以前設計者所設計的參數進行相應的設計計算。根據對相關泥炮的研究，初步擬定泥缸的直徑D1為0.5 m，炮嘴出鐵口的直徑D2為0.15 m。打泥機構的計算如圖2所示。

圖2 打泥機構的計算簡圖

液壓缸的直徑D0與泥缸直徑D1的關系為：

式（1）中：p1為泥塞對炮泥的單位壓力，MPa；p0為液壓缸的工作油壓，MPa。

工作油壓越高，泥炮的結構越緊湊，在大高爐中p0=25 MPa，由（1）式得

3．1．4 液壓缸行程的計算

液壓缸的行程等于泥缸的行程，所以液壓缸的行程為：

式（2）中：V1為泥缸有效容積，m3；D1為泥缸的直徑，m。

3．1．5 打泥推力P的計算

打泥推力P的計算公式為：

3．1．6 泥塞移動速度v1的計算

泥塞移動速度v1的計算公式為：

式（3）中：t為打泥時間，一般取40～60 s。

3．1．7 炮嘴吐泥速度v2的計算

炮嘴吐泥速度v2的計算公式為：

式（4）中：D2為炮嘴出口處的內徑，取150 mm。

由（4）式得：

所以，在本工程中炮嘴吐泥速度取為0.33 m/s是合適的，又由于液壓缸中的流量可以通過節流閥進行調節，所以炮嘴吐泥速度也是可調節的。

3.2 壓炮力的計算

滿足打泥過程中不退炮的條件是有足夠的壓炮力，克服炮嘴的最大打泥反力和壓緊力。

壓力炮的計算公式為：

式（5）中：P0為最小壓緊力，kN；Fmax為打泥時產生的對嘴炮的大嘴打泥反力。

最大打泥反力Fmax的計算公式為：

式（6）中：D2為嘴炮直徑，kN；p2為嘴炮出口處的炮泥壓力，MPa。

最小壓緊力是出現在最大打泥反力時，炮嘴對泥套的剩余壓炮力，一般為20～30 kN。

由（6）式得P=30+283=313 kN。

3.3 旋轉機構的計算

液壓泥炮旋轉機構的計算簡圖如圖3所示。

圖3 旋轉機構計算簡圖（一）

當活塞式往復液壓缸5帶動V形桿點旋轉時，連桿3使泥炮轉臂2繞點旋轉。

3．3．1 旋轉裝置液壓缸活塞桿的受力分析

壓炮時的壓炮反力將通過相應的桿件和旋轉液壓缸的活塞桿傳到泥炮基礎上，旋轉液壓缸活塞桿的最大受力發生在壓炮時。泥炮在打泥過程中，雖然增加了對炮身的打泥反力，但炮嘴與泥套間的壓緊力以與打泥反力相同的數量減少，所以，活塞桿的受力在打泥前和打泥過程中是不變的。

如果忽略桿件鎖軸的摩擦阻力，壓炮時桿件3的受力P3可由下式求出：

式（7）中：P為壓炮力；δ為壓炮時炮身與水平面所形成的傾角，10°；L為轉臂的長度，3.1 m；R為臂架同桿件3鉸點至回轉點O1的距離，0.65 m；θ為在壓炮位置時桿件3的位置角，26°。

計算簡圖（二）如圖4所示。

圖4 計算簡圖（二）

計算簡圖（三）如圖5所示。

圖5 計算簡圖（三）

由圖5可以得到活塞桿受力P6為：

式（8）中：n和Q分別為P3和P6到回轉點O2的力臂。

式（8）忽略了銷軸的摩擦阻力。由圖2～圖4可見：

根據液壓缸的樣本，選擇液壓缸的直徑為250 mm。

3．3．2 旋轉液壓缸行程的計算

計算簡圖（四）如圖6所示。

圖6 計算簡圖（四）

由圖6可以得到當V形桿轉過β角度時液壓缸的行程為：

當轉臂轉角等于150°時，V形桿轉角等于68°，此時液壓缸的行程為：

經過計算得到液壓泥炮的技術性能參數如表1所示。

表1 液壓泥炮的技術性能參數

4 結束語

本文通過對液壓泥炮打泥機構、旋轉機構等的計算和分析，得出液壓泥炮性能參數的計算方法。此次設計的液壓泥炮已經在中天1 500 m3高爐投入生產一年以上，運行情況良好，得到了用戶的好評，同時對其他高爐泥炮的設計起到一定的理論參考作用。