高爐開鐵口機大臂緩沖方法研究

RESEARCHONTHEBUFFERINGMETHOD OFTHE LARGEARMOFTHEBLASTFURNACETAPPING MACHINE

Zhang ShouxiHe Zhuang

（Ironmaking Plant of Bensteel Plate Co.，Ltd.Benxi1170oo，China）

Abstract：The rotating mechanism of the large armof the blast furnace tapping machine is driven byahydraulic cylinder，with a force arm length of 5.6 m，a weight of 32 t，and a working rotation angle of 120^° . Due to the large momentofinertiaanddasticchangesinexternalloads，therotationalspeedisoutofcontrol，esultinginsevereimpact anddamage to the bodyandblast furnaceshel.Byadinga mechanical limitdevice，the mechanical signal is converted intoanelectricalsignal throughaproximityswitchand thentransmitedtothecomputer.Itisthenadjustedbyaprogram andtransmitted totheproportional valve，reducing theopening ofthe proportional valveandreducing theflowrate to the rotating hydrauliccylinderof the ironopening machine.Ultimately，the speedof theopening machinearmrotation is sloweddown toachieve buffering.Notonlydoes itprotecttheequipment，butitalsosaves thecostof spare parts， ensuring the normal production of the blast furnace.

Key words： blast furnace; iron tapping machine; big arm buffer

0前言

高爐開鐵口機是重要的爐前設備之一，高爐每次出鐵時必須用其打開出鐵口，其性能和效率直接影響到高爐的正常生產。高爐出鐵口角度為 10^° ，開鐵口機大臂待機時處于水平狀態，每次都要由高到低向下傾斜 10^° 轉動，才能對準出鐵口。在轉動過程中由于產生的慣性大，到達終點時撞擊出鐵口爐殼定位座，甚至撞壞開鐵口機。針對上述問題，對其大臂回轉液壓控制系統加以改進，避免由于流動液體和運動部件慣性的作用，導致系統內瞬時形成高峰值壓力，杜絕液壓撞擊的形成，取得了良好的效果。

1高爐開鐵口機大臂回轉液壓控制系統原理

高爐開鐵口機大臂回轉控制液壓系統是一個電液比例方向流量液壓控制系統（見圖1），該液壓控制系統的核心是電液比例方向流量控制閥2，可通過控制輸入電流，實現對開鐵口機回轉液壓缸1速度的控制。由電磁換向閥3、液壓鎖4和5把液壓缸1鎖緊到某一位置，為了保證運行的平穩性，在液壓缸1有桿腔油路上設置了一個背壓閥6。

由電液比例方向流量控制閥2基本流量公式：

式中： Q 為通過控制閥口的體積流量； C 為閥口流量修正系數； A 為閥口的通流面積； Δp 為閥口前后壓力差； ρ 為油液密度。

可以看出，輸出流量 Q 受變量 A 和 Δp 影響，要保證開鐵口機運行平穩，就要實現對開鐵口機回轉速度的控制，這個問題就轉化為對液壓系統輸出流量的控制?？刂戚敵隽髁烤捅仨毧刂谱兞緼和Δp 。閥2的閥口通流面積A由輸入電流控制，因此，系統輸出流量，與輸入的控制電流成比例，而與供油壓力、負載壓力和回油壓力變化無關，也就是說，開鐵口機在回轉動作中，回轉的速度完全可以通過輸入電流控制，使設備運行平穩可靠[2]。

圖1高爐開鐵口機大臂回轉液壓控制系統

2高爐開鐵口機大臂回轉產生沖擊原因

2.1開鐵口機回轉液壓缸緩沖閥失效

回轉液壓缸緩沖閥是利用液壓阻尼原理，通過緩沖閥內部的孔口和錐閥組合來實現流量控制和速度調節[3]，在高壓和高負荷的工作條件下，油液的雜質和顆粒進入回轉液壓缸內，由于閥芯與閥座之間經常夾有異物或閥座密合面劃傷而不能密封，緩沖腔與排油口仍然處于連通，緩沖腔內的油液向排油口排走，阻止不了緩沖行程時，致使緩沖失效，活塞行至末端時，活塞不緩沖減速，給缸蓋很大沖擊力，嚴重時活塞猛烈撞擊缸蓋，使缸蓋損壞、液壓缸底座斷裂。產生“撞擊”現象后，會產生應力和變形，導致高爐液壓開鐵口機大臂的形狀和結構發生改變，甚至破壞[4，如圖2a所示。

2.2 開鐵口機大臂編碼器失效

開鐵口機大臂是采用編碼器緩沖，編碼器安裝在開鐵口機大臂銷軸上隨大臂一起轉動，編碼器檢測大臂旋轉角度后把電信號傳送給計算機，再由計算機向比例閥發出指令減小對液壓缸輸送油液來使大臂剎車，實現緩沖。但是，編碼器安裝靠近出鐵口，工作環境處在高溫、高壓、高粉塵變化等條件下，內部電氣元件由于老化、開裂等因素導致傳輸信號漂移的發生，這種信號漂移通常會導致計算機發出錯誤指令信號無法達到預期的效果。另外，渣鐵噴濺時經常燒毀編碼器，造成開鐵口機大臂沖撞爐殼定位座，甚至撞壞開口機5，如圖2b所示。

圖2緩沖閥、編碼器失效

3解決方法

2023年1月，對本鋼新一號高爐開鐵口機大臂緩沖進行改進，為避免高溫輻射，在距離高爐出鐵口直線距離 4.5m 處（高爐主梁）設置垂直管狀滑道。在垂直管狀滑道內設置金屬墜坨，并在滑道外側上、下兩端安裝電氣接近開關。開鐵口機正上方設置多個（根據具體情況）導向滑輪，鋼絲繩穿過滑輪一端連接金屬墜坨，另一端連接開鐵口機大臂，讓開鐵口機帶動鋼絲繩旋轉到距離出鐵口1m 時，金屬墜坨正好與上接近開關靠近；開鐵口機帶動鋼絲繩旋轉到距離出基座 1m 時，金屬墜坨正好與下接近開關靠近。并鋪設電纜，安裝相應的控制開關，計算機編程。開鐵口機旋轉到距離出鐵口 1m 時，金屬墜坨正好與上接近開關靠近吸合，并向計算機發出指令，計算機通過程序控制減小輸送給電液比例閥的電流，電液比例閥關小開度，致使開口機旋轉液壓缸流量減小速度減慢[6-7]。

開鐵口機大臂緩沖裝置（見圖3），包括開鐵口機1、控制系統2、液壓系統3。開鐵口機1上安裝大臂11和油缸12，油缸12帶動大臂11繞銷軸13轉動；控制系統2由鋼絲繩21、定滑輪（多個）22、鋼坨23、導向筒24、傳感器25、導線26、計算機27組成；液壓系統3由電液比例閥31、管路32組成；鋼絲繩21一端與大臂11固定，另一端拴著鋼坨23，大臂11牽引鋼絲繩21帶動鋼坨23沿著導向筒24移動，鋼絲繩21穿過定滑輪22把大臂11的平面轉動轉化為鋼坨23垂直移動。當油缸12帶動大臂11繞銷軸13轉動到將近終點時，鋼坨23與上部傳感器25接近，并通過導線26把電信號傳遞給計算機27，計算機27運用程序向電液比例閥31發出指令使其閥口關小，通過管路32迅速減少輸入給油缸12的流量，油缸12開始減速，最終使大臂11緩慢到達終點，反之亦然[8-9]

圖3開鐵口機大臂緩沖裝置示意

^1- 開鐵口機；2-控制系統；3-液壓系統；11-大臂；12-油缸；13-銷軸；21- 鋼絲繩；22-定滑輪（多個）； 23- 鋼坨；24-導向筒；25-傳感器；26- 導線； 27- 計算機；31-電液比例閥；32-管路

4實際應用

此項技術在本鋼新一號高爐經過一年的應用，開鐵口機大臂回轉機構定位精度由原來的 72% 提高至 95% ，電液比例方向流量控制閥動態響應精度由原來的 82% 提高至 98% ，開鐵口機大臂回轉速度由原來的 15～20s 提高至 12～15s 。最大進給速度向前方向由原來的0.025s提高至 0.05s ，系統壓力 20MPa 時，開口深度由原來的 3500mm 提高至 4200mm 。該應用提高了開鐵口機鉆桿的使用率，減少鉆桿的使用量，改進前，每年鉆桿平均采購費用1760萬元，改進后，避免了鉆桿損壞問題，每年鉆桿平均采購費用降低至1440萬元，節省鉆桿備件采購費用320余萬元。該應用消除了鉆桿顫動、跑偏、不穩定等技術難題，鉆桿由原來行程 4200mm 延長至 5500mm ，解決了鉆桿中心線與高爐出鐵口中心線不重合難題；實現自動緩沖，解決了因鉆桿中心線與鐵口中心偏離，導致鐵口通道歪斜的難題，保證了開鐵口機轉臂精確定位；避免了經常性的更換液壓元件，延長了開鐵口機使用壽命，開鐵口機設備費用由2022年累計350萬元降至2023年累計98萬元，降低了 72% 。由于開鐵口機壓控制系統工作效率加快，避免了高爐長時間停機帶來的巨大損失，停機成本由2022年累計300萬元降至2023年累計150萬元，降低了 50%^[10] （如表1所示）。

5結論

1）采用鋼絲繩、定滑輪等機械限位裝置，使電氣元件遠離了高爐出鐵口，避免了高溫輻射。通過接近開關把機械轉角信號轉換為電氣信號，使比例閥閥口開度減小，減最終使開口機大臂旋轉速度減慢實現緩沖。

2）開鐵口機大臂回轉機構定位精度由原來的 72% 提高至 95% ，電液比例方向流量控制閥動態 響應精度由原來的 82% 提高至 98% ，開鐵口機大 臂回轉速度由原來的 15～20s 提高至 12～15s ， 保證高爐正常生產。

表1開鐵口機液壓控制系統改進前后各項指標對比

3）提高了開鐵口機鉆桿的使用率，減少鉆桿的使用量，改進前，每年鉆桿平均采購費用1760萬元，改進后，避免了鉆桿損壞問題，每年鉆桿平均采購費用降低至1440萬元，節省鉆桿備件采購費用320余萬元。

4）消除了鉆桿顫動、跑偏、不穩定等技術難題，鉆桿由原來行程 4200mm 延長至 5500mm ，解決了鉆桿中心線與高爐出鐵口中心線不重合難題，實現了自動緩沖，解決了因鉆桿中心線與鐵口中心偏離，導致鐵口通道歪斜的難題，保證了開鐵口機轉臂精確定位。

參考文獻

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