何俊平，段望春，張琨，董兵斌，劉守慶，來雄昌

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030)

0 前言

鐵合金是鋼鐵工業(yè)必不可少的原料，主要用作煉鋼的脫氧劑和合金添加劑。目前市面上大都采用礦熱爐(又稱還原電爐)爐內(nèi)陸續(xù)加料間歇式出鐵放渣的連續(xù)作業(yè)方式來生產(chǎn)鐵合金。加料時，爐料透氣性越好，導(dǎo)電越均勻，能耗就越低，產(chǎn)品質(zhì)量越好。反之，在加料過程中，如果爐料不均勻則會導(dǎo)致爐料電阻不穩(wěn)定，從而使電極上下波動，造成坩堝區(qū)上移；如果爐料過厚又會破壞其透氣性，因?yàn)檫@種情況下冒出的氣體不能克服較厚的料層阻力，造成不均勻冒出，形成所謂的刺火。在這種情況下，大部分電流經(jīng)過上部料層連通起來，反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移到上部，電極便會離開爐底，致使在爐底形成死料區(qū)，爐底上漲，造成出爐困難。因此，合理的加料方式對鐵合金生產(chǎn)極為重要。

傳統(tǒng)的加料方式有3種，分別是人工加料、加料車加料和半自動溜槽加料。人工加料由人工將爐料送入反應(yīng)區(qū)，其優(yōu)點(diǎn)是布料均勻，但存在安全隱患、勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低、煙氣粉塵外溢、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。加料車加料方式由加料車將爐料送入反應(yīng)區(qū)，大大減少了人力，但卻容易導(dǎo)致機(jī)械故障多、布料不均勻及環(huán)境污染問題。半自動溜槽加料方式由料倉經(jīng)料管及溜槽控制加料至爐內(nèi)，較之前兩種，該方法布料均勻、自動化程度更高，但由于半自動原因，需要人工操作并時刻觀察爐膛內(nèi)爐料的冶煉情況，存在較大的職業(yè)健康危害與安全隱患。

本文作者在考慮3種加料方式的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，在半自動旋轉(zhuǎn)布料機(jī)的基礎(chǔ)上提出一種新型的鐵合金礦熱爐回轉(zhuǎn)俯仰加料裝置。

1 加料工藝流程

大多數(shù)礦熱爐加料工藝是在四樓平臺鋪設(shè)環(huán)形軌道，由布料車將原料從斜橋或大傾角緩沖倉接運(yùn)至爐頂料倉，布料車下料釋放口由電液推桿控制，可實(shí)現(xiàn)由紅外線料位計(jì)發(fā)訊，PLC全過程控制，爐料進(jìn)入樓頂料倉后經(jīng)過電振給料機(jī)、料管氣封、抗磨彎頭、料管、全自動加料裝置將配好比例的原料送入爐膛坩堝區(qū)。礦熱爐加料工藝流程如圖1所示。

圖1 礦熱爐加料工藝流程

2 全自動加料裝置

2.1 結(jié)構(gòu)形式

全自動加料裝置安裝于礦熱爐爐蓋上部，根據(jù)爐型大小可安裝6套或3套。全自動加料裝置上部通過絕緣法蘭料管下部連接。全自動回轉(zhuǎn)俯仰式加料裝置包括旋轉(zhuǎn)接頭、溜槽、氣封套、拉桿、油缸旋轉(zhuǎn)裝置、油缸俯仰裝置、油缸頭部連桿、循環(huán)冷卻裝置、沙封裝置、絕緣支架、絕緣部件等，回轉(zhuǎn)、俯仰機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動，溜槽可在上、下和左、右三維空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)既定爐料拋撒區(qū)域全覆蓋，同時精準(zhǔn)控制拋撒量。參考文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)的全自動加料裝置三維模型如圖2所示。

圖2 全自動加料裝置三維模型

在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)油缸的控制驅(qū)動下，溜槽既可以單獨(dú)動作，也能夠同時進(jìn)行回轉(zhuǎn)和俯仰動作，確保了拋撒范圍內(nèi)整體添加爐料料層的均勻度，同時又能實(shí)現(xiàn)拋撒范圍內(nèi)局部區(qū)域的靈活補(bǔ)料，氣封及沙封系統(tǒng)對回轉(zhuǎn)、俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)行微正壓密封，防止高溫?zé)煔庖绯觯煌瑫r阻隔爐膛高溫?zé)煔鈱θ詣蛹恿涎b置的燒損，循環(huán)冷卻水對此設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部冷卻。

2.2 機(jī)械原理

2.2.1 水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動

全自動加料裝置水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)包括：絕緣支座、旋轉(zhuǎn)接頭、液壓缸Ⅰ、曲柄連桿、旋轉(zhuǎn)接頭、回轉(zhuǎn)支撐、溜槽、銷軸等。由液壓缸Ⅰ(元件5)提供驅(qū)動力，通過曲柄連桿驅(qū)動旋轉(zhuǎn)接頭回轉(zhuǎn)，帶動溜槽在水平方向旋轉(zhuǎn)，達(dá)到將爐料均勻布置在爐膛鉗鍋區(qū)域的目的。圖3為全自動加料裝置回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理示意，在其水平回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，溜槽結(jié)構(gòu)隨著旋轉(zhuǎn)接頭的回轉(zhuǎn)運(yùn)動而運(yùn)動，具有同步性，無相對運(yùn)動，故可以認(rèn)為旋轉(zhuǎn)接頭繞中心軸線的回轉(zhuǎn)運(yùn)動可以代表溜槽在水平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

圖3 全自動加料裝置水平回轉(zhuǎn)系統(tǒng)原理示意

2.2.2 豎直俯仰運(yùn)動

全自動加料裝置豎直俯仰運(yùn)動系統(tǒng)包括：固定支架、液壓缸Ⅱ、連桿、溜槽、旋轉(zhuǎn)軸、銷軸等。由液壓缸Ⅱ提供驅(qū)動力進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，帶動連桿上下移動，進(jìn)而將運(yùn)動形式傳遞給與之相連接的溜槽，從而使溜槽繞著銷軸上下俯仰，達(dá)到將爐料均勻布置在爐膛鉗鍋區(qū)域的目的。液壓油缸往復(fù)速度通過液壓調(diào)速閥來調(diào)節(jié)。全自動加料裝置俯仰傳動系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 全自動加料裝置豎直俯仰系統(tǒng)原理

2.2.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要采用單排交叉滾柱式回轉(zhuǎn)支承，由兩個座圈組成，結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、制造精度高，裝配間隙小，對安裝精度要求高，滾柱為1∶1交叉排列，將回轉(zhuǎn)副設(shè)置在原旋轉(zhuǎn)管、固定管之間?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)支承的兩物體之間需作相對回轉(zhuǎn)運(yùn)動，能同時承受軸向力、傾翻力矩和較大的徑向力。回轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 回轉(zhuǎn)支撐原理

2.3 控制原理

為了提高礦熱爐加料的準(zhǔn)確性，提高加料效率，減少工人的勞動強(qiáng)度，解決加料現(xiàn)場高溫、高粉塵等職業(yè)病危害與安全隱患問題，設(shè)計(jì)一套礦熱爐高效全自動加料電氣控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器(PLC)、遙控器來控制整個加料過程，實(shí)現(xiàn)礦熱爐加料過程自動化。其PLC控制原理如圖6所示。

圖6 PLC控制原理

2.4 液壓原理

加料機(jī)構(gòu)處于短網(wǎng)正下方，大電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場會對電機(jī)產(chǎn)生干擾，故使用液壓傳動，來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的兩種運(yùn)動。動力機(jī)構(gòu)選擇液壓泵，執(zhí)行元件為液壓缸，液壓油選用水乙二醇型難燃液壓液。兩個運(yùn)動副能夠?qū)崿F(xiàn)溜槽的俯仰與回轉(zhuǎn)；溜槽的俯仰工作角度范圍能夠達(dá)到30°，一個行程時間為3 s；溜槽的回轉(zhuǎn)工作角度范圍為120°，設(shè)計(jì)兩個速度，慢速6°/s，快速12°/s。

由于搖臂加料機(jī)使用間歇作業(yè)，且多臺搖臂加料機(jī)同時動作的時段很少等原因，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)為小流量液壓泵供油的恒壓系統(tǒng)，并加設(shè)一定容量的蓄能器。當(dāng)多臺搖臂加料機(jī)同時動作時，系統(tǒng)流量由蓄能器補(bǔ)給，保證搖臂加料機(jī)運(yùn)行速度達(dá)到調(diào)節(jié)速度，同時吸收搖臂加料機(jī)頻繁啟停造成的系統(tǒng)壓力沖擊。搖臂加料機(jī)的俯仰由液壓缸驅(qū)動，通過節(jié)流閥控制回路流量調(diào)節(jié)液壓缸速度實(shí)現(xiàn)俯仰速度的調(diào)節(jié)，同時回路中設(shè)有液控單向閥進(jìn)行保壓。搖臂加料機(jī)的擺動由液壓缸驅(qū)動曲柄搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，通過節(jié)流閥控制回路流量調(diào)節(jié)液壓缸速度實(shí)現(xiàn)擺動速度的調(diào)節(jié)。全自動加料裝置液壓系統(tǒng)控制原理如圖7所示，電磁鐵動作順序見表1。

圖7 全自動加料裝置液壓系統(tǒng)控制原理

表1 電磁鐵動作順序

3 加料區(qū)域設(shè)計(jì)

采用定旋轉(zhuǎn)角、變傾角角速度的方式,獲取在溜槽旋轉(zhuǎn)角度一定、傾動角度相同情況下,溜槽傾動速度對顆粒布料效果的影響。在溜槽旋轉(zhuǎn)角度一定的情況下,分別設(shè)置溜槽的傾動角速度為10、20°/s(勻速運(yùn)動),按照溜槽傾動運(yùn)動一個周期來設(shè)置仿真,規(guī)定溜槽向爐膛中心傾動為正方向,遠(yuǎn)離爐膛中心傾動為負(fù)方向。為方便觀察,選取溜槽處于傾動極限處的狀態(tài),可得出在相同條件下,顆粒的運(yùn)動狀態(tài)。溜槽傾動在一個周期內(nèi)正方向運(yùn)動極限位置時顆粒速度矢量圖如圖8所示。

圖8 溜槽俯仰正方向極限位置速度矢量圖

由圖8可知：溜槽正方向傾動過程中,由于溜槽傾斜度減小,顆粒與溜槽發(fā)生碰撞之后會有個別顆粒受擠壓作用“跳出”溜槽空間范圍,并且顆粒在溜槽逗留的時間增加,從而使得顆粒在溜槽中滯留的質(zhì)量増加,顆粒流速變慢。通過多次仿真發(fā)現(xiàn),在溜槽經(jīng)過平衡位置時應(yīng)當(dāng)減小溜槽傾動速度,避免顆粒在溜槽內(nèi)運(yùn)動時間過長,發(fā)生“滯留”現(xiàn)象而影響爐膛布料效果。

溜槽在爐膛內(nèi)的布料效果由顆粒在爐膛冶煉區(qū)域內(nèi)的落料點(diǎn)描述,選用6個溜槽來模擬布料過程。采用扇環(huán)式布料方式,獲取溜槽傾角分別為0°、30°、60°時,布料溜槽經(jīng)過一個布料周期后的落料點(diǎn)俯視圖分布情況,過渡位置處于圖9所示溜槽極限點(diǎn)位置。由圖9可以看出,用6個溜槽扇環(huán)式布料方式,布料范圍基本能夠覆蓋電極周圍冶煉區(qū)域,在兩電極之間布料效果較好,可有效解決人工及加料管加料時的不足。

圖9 布料區(qū)域設(shè)計(jì)圖

4 載荷試驗(yàn)

4.1 動載荷測試

料倉試驗(yàn)物料總質(zhì)量630 kg，物料材質(zhì)為粒度20～40 mm的石子混合少量細(xì)砂。物料載荷加載速度，參考12500KVA礦熱爐加料量，每臺搖臂加料機(jī)加料速度約為1.25 t/h，每小時加料時間合計(jì)約2 min，則載荷加載速度約為625 kg/min。試驗(yàn)物料計(jì)劃1 min內(nèi)均勻載入樣機(jī)。

4.2 靜載荷測試

固定載荷質(zhì)量180 kg，材質(zhì)為柱狀廢鋼桶。正常運(yùn)行時，溜槽內(nèi)部冷卻水質(zhì)量約為70 kg，物料在溜槽上的瞬時載荷估算約為900 N。180 kg載質(zhì)量將固定在溜槽直段中間位置，模擬正常運(yùn)行時物料及內(nèi)部冷卻水的質(zhì)量。該樣機(jī)試驗(yàn)主要通過以下方法獲得設(shè)備參數(shù)：

(1)空載，溜槽俯仰到最高處位置角度、最低處位置角度；調(diào)整液壓缸流量，測量溜槽在最快速、最慢速且不爬行的兩種情況下，溜槽在兩個極點(diǎn)位置間來回?cái)[動的時間，從而測算線速度。

(2)空載，調(diào)整液壓馬達(dá)的流量，測量旋轉(zhuǎn)接頭在最快速、最慢速且不爬行兩種情況下的回轉(zhuǎn)角度、時間，從而測算回轉(zhuǎn)角速度。

(3)固定載荷，試驗(yàn)參數(shù)如上，測量項(xiàng)和空載試驗(yàn)相同。

以上測量均在液壓系統(tǒng)調(diào)至最大壓力3 MPa后進(jìn)行。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

此次樣機(jī)(見圖10)試驗(yàn)具體測得數(shù)據(jù)見表2、表3。因測量工具及現(xiàn)場空間限制，數(shù)據(jù)測量存在2%～3%誤差。

圖10 樣機(jī)照片

表2 溜槽末端俯仰平均線速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 旋轉(zhuǎn)接頭回轉(zhuǎn)角速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

(1)由表2得：在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)作用下，溜槽末端俯仰平均線速度最大值約為162 mm/s，最小值約為30 mm/s，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

(2)由表3得：在現(xiàn)有液壓系統(tǒng)作用下，旋轉(zhuǎn)接頭平均回轉(zhuǎn)角速度最大值約為1.83 r/min(11°/s)，最小值約為0.27 r/min(1.6°/s)，與仿真模擬結(jié)果一致。

(3)在不同載荷的試驗(yàn)條件下，各測量數(shù)據(jù)的最大最小值偏差不超過5%，同時由于測量誤差的影響，分析可得在不同載荷的試驗(yàn)條件下，溜槽俯仰平均線速度、旋轉(zhuǎn)接頭平均回轉(zhuǎn)角速度基本不受影響。

(4)溜槽末端俯仰最大平均線速度0.16 m/s，與設(shè)計(jì)最大平均線速度0.18 m/s相比較小。通過表2可得：液壓缸流量達(dá)到最大時，液壓缸實(shí)測速比為1.3左右，而液壓缸速度比為固定值1.46。故分析可得液壓缸在電磁閥上的兩個接口流量不一致，導(dǎo)致試驗(yàn)速度偏低。

(5)旋轉(zhuǎn)接頭回轉(zhuǎn)角速度，左回轉(zhuǎn)角速度與右回轉(zhuǎn)角速度基本一致，無較大誤差；最大平均回轉(zhuǎn)角速度1.83 r/min(11°/s)，與設(shè)計(jì)值1.89 r/min基本一致，符合設(shè)計(jì)要求，回轉(zhuǎn)角度±50°。

(6)通過觀察溜槽末端的擺動空間與模擬電極的位置，以及試驗(yàn)物料的布料狀況，可得出全自動溜槽加料樣機(jī)與傳統(tǒng)的手動搖臂加料機(jī)相似，樣機(jī)的布料區(qū)域可滿足爐內(nèi)電極三角區(qū)及大面區(qū)域的布料需求。

5 總結(jié)

(1)提出一種新型的全自動加料裝置，實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)磁場、高粉塵、高溫環(huán)境下鐵合金電爐遠(yuǎn)程自動化布料。該裝置全部由液壓缸驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，同時布料均勻，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，還大大提高了生產(chǎn)效率。遠(yuǎn)程操作能夠解決人工布料干預(yù)產(chǎn)生的職業(yè)健康危害與安全隱患，更好地保障了職工安全。

(2)通過SolidWorks三維建模與動靜載荷測試，達(dá)到了預(yù)期設(shè)定，結(jié)果均與設(shè)計(jì)參數(shù)一致，溜槽末端俯仰平均線速度為30～162 mm/s，平均回轉(zhuǎn)角速度1.83 r/min，回轉(zhuǎn)角度±50°。

(3)采用定旋轉(zhuǎn)角、變傾角角速度的方式，布料范圍基本能夠覆蓋電極周圍冶煉區(qū)域,在兩電極之間布料效果較好。