30t～120t單電極雙塔式結(jié)構(gòu)三工位可交替熔煉的恒熔速保護(hù)氣氛電渣爐

陳志強(qiáng)

(蘇州振吳電爐有限公司 江蘇蘇州215104)

1 前言

我國傳統(tǒng)的電渣爐一般是由支臂、立柱、短網(wǎng)、變壓器、托錠臺(tái)車等構(gòu)成的。我國傳統(tǒng)的單立柱支臂式、雙立柱旋轉(zhuǎn)支臂式雙工位電渣爐，支臂夾持器夾緊假電極和金屬電極，控制傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)T型絲桿帶動(dòng)滾輪懸臂上下移動(dòng)完成熔煉。不設(shè)惰性氣體保護(hù)罩。由于沒有惰性氣體保護(hù)，電渣鋼的增氫、氧、氮及易氧化元素的燒損難控制。影響電渣錠的質(zhì)量。

滾輪支臂式電渣爐機(jī)械摩擦系數(shù)大，控制精度低。裝置金屬電極后易磕頭，假電極和金屬電極由于整體長度增加了，加之電極焊接過程中還可能出現(xiàn)焊偏錯(cuò)位或焊不直的現(xiàn)象，在大填充比的情況下，很難調(diào)整金屬電極在水平方向的位置，很難使金屬電極始終處于結(jié)晶器的中心。金屬電極與結(jié)晶器易打弧，甚至有擊穿結(jié)晶器的現(xiàn)象發(fā)生。

單工位電渣爐在電渣錠冷卻時(shí)間段不能生產(chǎn)，大錠型電渣錠冷卻時(shí)間更長，生產(chǎn)效率降低。

我國很多電渣爐都采用了計(jì)算機(jī)控制。但是大多數(shù)廠家的電渣爐都不是真正意義上的計(jì)算機(jī)控制，而是僅僅滿足于用計(jì)算機(jī)進(jìn)行一般的過程控制，甚至是某一過程的控制。比如僅對(duì)正常重熔期重熔電流、電壓進(jìn)行控制。有的不能控制啟動(dòng)和補(bǔ)縮，更不能控制熔化速率。對(duì)于水溫、水壓只是在監(jiān)視器上進(jìn)行顯示，而不能實(shí)施有效的控制。

國內(nèi)傳統(tǒng)電渣爐無法做到單根大型電極熔煉特大型電渣鋼錠。

2 問題的解決方案

采用塔式結(jié)構(gòu)解決大噸位單根金屬電極懸掛后支臂承重、磕頭、安裝高精度稱重傳感器及爐頭料桿雙重升降等問題。

塔式爐頭直線導(dǎo)軌升降設(shè)計(jì)解決料桿行程有限增加交臂熔煉時(shí)金屬電極提升高度，解決用戶廠房、行車軌道高度不夠等問題。

采用塔式結(jié)構(gòu)、料桿吊掛假電極并連接金屬電極的設(shè)計(jì)方案，設(shè)置高精度X-Y電極調(diào)整裝置。解決在大填充比的情況下，金屬電極保持水平方向的位置，使金屬電極始終調(diào)整于結(jié)晶器的中心，有效防止由于電極偏離結(jié)晶器中心，熔煉時(shí)產(chǎn)生單偏，碰及結(jié)晶器壁發(fā)生銅陽極效應(yīng)而熔穿結(jié)晶器發(fā)生漏水爆炸事故。

采用三熔煉工位設(shè)計(jì)方案主要優(yōu)點(diǎn)是提高電渣爐的生產(chǎn)率?？梢詼p少電渣爐的熱停時(shí)間，在電渣錠模冷期間，可以在另一個(gè)熔位繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn);二是可以根據(jù)錠型的不同合理安排生產(chǎn)。用較大噸位金屬電極在中心熔位通過雙臂交替重熔特大規(guī)格的電渣錠;還可以用兩個(gè)支臂分別在兩個(gè)熔位重熔出兩個(gè)較小規(guī)格的電渣錠，提高電渣爐的有效利用率和生產(chǎn)的靈活性，提高生產(chǎn)效率。解決我國機(jī)械制造業(yè)向大型化發(fā)展急需特大型電渣鋼錠需求。

高精度稱重、計(jì)算機(jī)和PLC恒熔速自動(dòng)控制系統(tǒng)，啟動(dòng)到補(bǔ)縮終了，整個(gè)重熔過程實(shí)現(xiàn)了全計(jì)算機(jī)恒熔速控制，提高控制精度、降低噸鋼電耗，提高特大型電渣鋼錠冶金質(zhì)量，提高成材率。

采用氣密型惰性氣體保護(hù)設(shè)計(jì)方案，可以完全避免電極和爐渣的 Zr，Al，Si等元素的氧化燒損，特別有利于含Al高溫合金的窄成分控制，可以獲得高潔凈度的鋼錠，用Ar保護(hù)時(shí)可以防止鋼的吸氮和吸氫。解決電渣鋼的增氫、氧、氮及易氧化元素的燒損難控制。提高電渣錠的質(zhì)量。

設(shè)計(jì)完全同軸導(dǎo)電的40000A滑動(dòng)導(dǎo)電刷集電裝置，解決升降導(dǎo)電料桿40000A滑動(dòng)導(dǎo)電，周圍電場分布均勻。料桿滑動(dòng)導(dǎo)電產(chǎn)生的摩擦力，使其成為爐頭、導(dǎo)電料桿、稱重傳感器組成的系統(tǒng)的內(nèi)力。提高了稱重信號(hào)的精度，提高了熔化率控制的精度。

設(shè)計(jì)三個(gè)薄膜(國外均用二個(gè))氣缸為動(dòng)力的水冷內(nèi)套料桿滑動(dòng)陶瓷球組自動(dòng)鎖緊裝置，解決120t電渣爐大型自耗電極與導(dǎo)電料桿的鎖緊接觸大電流(40000A)導(dǎo)電問題。

設(shè)計(jì)各自工位的具有垂直中心定位功能的電極預(yù)加熱裝置，解決大型電渣錠交替自耗電極時(shí)，插人熔渣時(shí)降低渣溫影響電渣錠質(zhì)量。解決某些鋼種交替插人熔渣時(shí)的冷熱梯度太大，易爆裂掉塊等產(chǎn)生的冶金質(zhì)量問題。同時(shí)解決電極垂直中心定位，方便料桿對(duì)中鎖緊自耗電極。

改進(jìn)設(shè)計(jì)導(dǎo)電料桿的耐高溫隔熱法蘭及料桿升縮保護(hù)套。在調(diào)試過程中，由于大型電渣錠熱渣量大，熔煉過程中渣塵揮發(fā)量也大，碰到水冷的導(dǎo)電料桿銅表面會(huì)結(jié)成一層堅(jiān)硬的白色涂層，影響導(dǎo)電料桿與滑動(dòng)導(dǎo)電刷集電裝置的導(dǎo)電性能。改進(jìn)設(shè)計(jì)導(dǎo)電料桿的耐高溫隔熱法蘭及料桿升縮保護(hù)套后，問題得到解決。

設(shè)計(jì)懸掛自耗電極塔體旋轉(zhuǎn)90°時(shí)穩(wěn)定自耗電極的機(jī)械手，解決塔體旋轉(zhuǎn)90度時(shí)自耗電極的擺動(dòng)慣性，破壞電極升降料桿的精度。

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)的擺動(dòng)式底電極壓塊，解決四根對(duì)稱底電極壓塊導(dǎo)電接觸一致，導(dǎo)電電流平衡。解決共用熔煉工位結(jié)晶器平板車進(jìn)出問題。

3 采取的措施

圖1 雙塔式結(jié)構(gòu)三工位可交替熔煉的恒熔速保護(hù)氣氛電渣爐結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)照?qǐng)D1，其結(jié)構(gòu)是包括兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)塔式爐頭、一個(gè)移動(dòng)式熔煉站、兩個(gè)輔助工位和一個(gè)電氣系統(tǒng)部分，其中兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)塔式爐頭部分分別在一個(gè)移動(dòng)式熔煉站的定位是由結(jié)晶器電極上部6上的四個(gè)定位氣缸，定位氣缸中的氣缸活塞桿端部與電渣電源的回程電路相聯(lián)，四個(gè)氣缸活塞桿插入結(jié)晶器電極下部7的四根立柱上。電氣系統(tǒng)部分的變壓器二次側(cè)短網(wǎng)通過固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭部分上的二次短網(wǎng)連接固定架13分別與可轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭部分上的滑動(dòng)導(dǎo)電系統(tǒng)4和結(jié)晶器電極上部6相連接，結(jié)晶器電極上部6再通過其上的四個(gè)氣缸活塞桿插入固定熔煉站部分上的結(jié)晶器電極下部7的四根立柱上，與固定熔煉站部分相連接。

圖2 雙塔式結(jié)構(gòu)三工位可交替熔煉的恒熔速保護(hù)氣氛電渣爐結(jié)構(gòu)示意圖俯視圖

所述的可轉(zhuǎn)動(dòng)塔式爐頭部分，其結(jié)構(gòu)包括井式框架5、升降框架20、電極進(jìn)給系統(tǒng)1、水冷導(dǎo)電升降銅桿2、滑動(dòng)導(dǎo)電系統(tǒng)4、輔助電極夾緊機(jī)構(gòu)12、二次短網(wǎng)連接固定架13、電子秤支架3、壓力傳感器11、電極對(duì)中機(jī)構(gòu)10、結(jié)晶器電極上部6、上煙罩14，其中電極進(jìn)給系統(tǒng)1、水冷導(dǎo)電升降銅桿2、輔助電極夾緊機(jī)構(gòu)12通過電子秤支架3支撐在三個(gè)壓力傳感器11上，上煙罩14固定在升降框架20上，下煙罩15通過兩個(gè)氣缸，懸掛在升降框架20上，且下煙罩15開有加料口和除塵吸風(fēng)口，水冷導(dǎo)電升降銅桿2中下部連接關(guān)節(jié)軸承，電極對(duì)中機(jī)構(gòu)10在水冷導(dǎo)電升降銅桿2頂部;滑動(dòng)導(dǎo)電系統(tǒng)4中的滑動(dòng)觸點(diǎn)組件連接到水冷導(dǎo)電升降銅桿2，電極進(jìn)給系統(tǒng)1、水冷導(dǎo)電升降銅桿2、滑動(dòng)導(dǎo)電系統(tǒng)4、輔助電極夾緊機(jī)構(gòu)12、二次短網(wǎng)連接固定架13、電子秤支架3、壓力傳感器11、電極對(duì)中機(jī)構(gòu)10、結(jié)晶器電極上部6、上煙罩14最終均隨升降框架20，在井式框架5內(nèi)進(jìn)行上下的升降運(yùn)動(dòng)，升降運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)油缸來完成的，采用四個(gè)直線導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用。

所述的移動(dòng)式熔煉站部分包含有結(jié)晶器電極下部7、結(jié)晶器8、底水箱9、運(yùn)錠小車21，可轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭部分在一個(gè)移動(dòng)式熔煉站和兩個(gè)輔助工位之間轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)晶器電極上部6上的四個(gè)定位氣缸，定位氣缸中的氣缸活塞桿端部與電渣電源的回程電路相聯(lián)，四個(gè)氣缸活塞桿插入結(jié)晶器電極下部7的四根立柱上，底水箱9內(nèi)部的四個(gè)活動(dòng)銅觸頭與底水箱導(dǎo)電銅板的接觸面是弧形的，四個(gè)活動(dòng)銅觸頭與結(jié)晶器8表面的接觸是線性接觸;結(jié)晶器電極下部7由三根固定立柱和一根可旋轉(zhuǎn)立柱組成，結(jié)晶器8、底水箱9固定在運(yùn)錠小車21上，當(dāng)運(yùn)錠小車21需要從冶煉工位移動(dòng)到脫模工位時(shí)，結(jié)晶器電極下部7的一根可旋轉(zhuǎn)立柱可打開讓路。

所述的兩個(gè)輔助工位部分，其結(jié)構(gòu)包括兩臺(tái)電極端部加熱爐22、電極導(dǎo)向支架23，兩臺(tái)電極端部加熱爐22分別置放在兩個(gè)電極導(dǎo)向支架23內(nèi)部。

本設(shè)備的工作過程:開始→控制系統(tǒng)通電→載著結(jié)晶器8、底水箱9的運(yùn)錠小車21，從脫錠工位行走至熔煉工位→連接并打開結(jié)晶器8和底水箱9的冷卻水快換接頭→置入電渣后，將已連接好的自耗電極和輔助電極吊入結(jié)晶器8內(nèi)→兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)塔式爐頭部分中的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭轉(zhuǎn)至熔煉站上方→結(jié)晶器電極上部6上的四個(gè)定位氣缸活塞桿下降，插入結(jié)晶器電極下部7的四根立柱上→水冷導(dǎo)電升降銅桿2下降至輔助電極17接頭→調(diào)整電極對(duì)中機(jī)構(gòu)10，使輔助電極17的插頭與水冷導(dǎo)電升降銅桿2端部的夾持口對(duì)中→水冷導(dǎo)電升降銅桿2的外部的銅管被氣動(dòng)壓下，鎖緊滾珠被凸輪環(huán)壓到輔助電極17的插頭內(nèi)，水冷導(dǎo)電升降銅桿2底部銅平面即被鎖住，且與輔助電極鋼平面充分接觸→電極進(jìn)給系統(tǒng)1中的快速交流伺服電機(jī)減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將水冷導(dǎo)電升降銅桿2、輔助電極17和自耗電極18一起提起到開始冶煉高度→輸入工藝參數(shù)→冶煉開始進(jìn)行，電極進(jìn)給系統(tǒng)1中的慢速伺服電機(jī)運(yùn)行，通過傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，控制熔速→冶煉結(jié)束，電極進(jìn)給系統(tǒng)1中的快速交流伺服電機(jī)減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)兩個(gè)液壓油缸導(dǎo)向桿伸出，升降框架20升起，帶動(dòng)水冷導(dǎo)電升降銅桿2、輔助電極17和剩余的自耗電極18一起提出結(jié)晶器。同時(shí)，結(jié)晶器電極上部6上的四個(gè)定位氣缸活塞桿縮回，脫離結(jié)晶器電極下部7的四根立柱→可轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭部分轉(zhuǎn)動(dòng)至取剩余電極工位→水冷導(dǎo)電升降銅桿2下降→外部的銅管被氣動(dòng)提起，鎖緊滾珠被凸輪環(huán)退出輔助電極17的插頭外，水冷導(dǎo)電升降銅桿2底部銅平面即被解鎖→電極進(jìn)給系統(tǒng)1中的快速交流伺服電機(jī)減速機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，將水冷導(dǎo)電升降銅桿2、輔助電極17和剩余的自耗電極18一起提起到可轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭部分的轉(zhuǎn)動(dòng)高度。與此同時(shí)，兩個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)塔式爐頭部分中的另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭之前已在輔助工位完成電極夾持和電極端部在電極加熱爐22內(nèi)的加熱工序，轉(zhuǎn)至熔煉站上方，重復(fù)前一爐頭的冶煉工序，進(jìn)行交替冶煉。最終，根據(jù)冶煉工藝要求，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)爐頭經(jīng)多次交替冶煉，直至完成整個(gè)冶煉工作→進(jìn)行自然冷卻過程→冷卻結(jié)束，關(guān)閉和拆卸結(jié)晶器8和底水箱9的冷卻水快換接頭，打開結(jié)晶器電極下部7的一根可旋轉(zhuǎn)立柱讓路→運(yùn)錠小車21從冶煉工位移動(dòng)到脫模工位→先后吊走結(jié)晶器和已冶煉好的鋼錠，整個(gè)一個(gè)循環(huán)的冶煉工作結(jié)束→將結(jié)晶器8重新吊入移動(dòng)熔煉站工位，將結(jié)晶器8與底水箱9使用螺栓固定，準(zhǔn)備冶煉→進(jìn)入下一循環(huán)。

4 實(shí)施效果

本裝置已安裝在我公司為某用戶生產(chǎn)的60t電渣爐中，經(jīng)多年的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行，效果良好，穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

塔式爐頭結(jié)構(gòu)使大噸位金屬電極懸掛后水平度提高。爐頭與料桿均可升降使塔身整體高度降低。X-Y電極調(diào)整裝置使金屬電極處于結(jié)晶器的中心調(diào)整簡便。

采用三熔煉工位設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是用較大噸位金屬電極在中心熔位通過雙臂交替重熔特大規(guī)格的電渣錠;還可以用兩個(gè)支臂分別在兩個(gè)熔位重熔出兩個(gè)較小規(guī)格的電渣錠，提高電渣爐的有效利用率和生產(chǎn)的靈活性，提高生產(chǎn)效率。解決我國機(jī)械制造業(yè)向大型化發(fā)展急需特大型電渣鋼錠需求。

高精度稱重系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和PLC恒熔速自動(dòng)控制系統(tǒng)提高恒熔速控制精度，提高成材率，降低噸鋼電耗。

采用氣密型惰性氣體保護(hù)設(shè)計(jì)方案，完全避免電極和爐渣的Zr，Al，Si等元素的氧化燒損，可以獲得高潔凈度的鋼錠，防止鋼的吸氮和吸氫。

設(shè)計(jì)完全同軸導(dǎo)電的40000A滑動(dòng)導(dǎo)電刷集電裝置，提高了稱重信號(hào)的精度，提高了熔化率控制的精度。

設(shè)計(jì)三個(gè)薄膜(國外均用二個(gè))氣缸為動(dòng)力的水冷內(nèi)套料桿滑動(dòng)自動(dòng)鎖緊裝置，解決120t電渣爐大型自耗電極與導(dǎo)電料桿的鎖緊接觸大電流(40000A)導(dǎo)電問題。

設(shè)計(jì)各自工位的具有垂直中心定位功能的電極預(yù)加熱裝置，插人熔渣時(shí)降低渣溫影響電渣錠質(zhì)量。解決某些鋼種交替插人熔渣時(shí)的冷熱梯度太大，易爆裂掉塊等產(chǎn)生的冶金質(zhì)量問題。同時(shí)解決電極垂直中心定位，方便料桿對(duì)中鎖緊自耗電極。

改進(jìn)設(shè)計(jì)導(dǎo)電料桿的耐高溫隔熱法蘭及料桿升縮保護(hù)套。保證了導(dǎo)電料桿與滑動(dòng)導(dǎo)電刷集電裝置的導(dǎo)電性能。

設(shè)計(jì)懸掛自耗電極塔體旋轉(zhuǎn)90o時(shí)穩(wěn)定自耗電極的機(jī)械手，解決塔體旋轉(zhuǎn)90o時(shí)自耗電極的擺動(dòng)慣性，破壞電極升降料桿的精度。

設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)的擺動(dòng)式底電極壓塊，解決四根對(duì)稱底電極壓塊導(dǎo)電接觸一致，導(dǎo)電電流平衡。解決共用熔煉工位結(jié)晶器平板車進(jìn)出問題。

［1］李正邦.電渣冶金的理論與實(shí)踐［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［2］李正邦.電渣冶金設(shè)備及技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［3］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).電熱裝置的安全(第8部分):對(duì)電渣重熔爐的特殊要求(GB 5959.8-2007)(IEC 60519-8:2005)［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.