自耗式碳氧槍機(jī)械手裝置

王　琪（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上?！?00240）

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自耗式碳氧槍機(jī)械手裝置

王琪
（上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海200240）

摘 要：電弧爐煉鋼用氧槍主要是由爐門自耗式碳氧槍及爐壁氧槍所組成，而其中主要吹氧工作是由的爐門自耗式碳氧槍來完成。爐門式碳氧槍一般采用組合式結(jié)構(gòu)，即由碳粉槍及1-2只氧槍組成;其機(jī)械結(jié)構(gòu)采用以電動缸為驅(qū)動元件的機(jī)械手形式，并詳細(xì)介紹了各類氧槍的結(jié)構(gòu)及安裝方式。

關(guān)鍵詞：電弧爐；自耗式碳氧槍；機(jī)械手；電動缸驅(qū)動

1　爐門氧槍機(jī)械手的意義

由于機(jī)械程度對于作業(yè)要求越來越一體化，所以許多機(jī)械行業(yè)的多危險(xiǎn)性作業(yè)均由機(jī)械所取代。現(xiàn)在有了機(jī)械手的參與，不僅降低了勞動的強(qiáng)度，而且還提高了勞動的效率，更能帶來巨大的利益。我國機(jī)械手的更新?lián)Q代已經(jīng)在現(xiàn)代的機(jī)械行業(yè)中層出不窮，解決了由人工操作的缺點(diǎn)及不穩(wěn)定因素，放大了自動化的效率。而下面就是對電弧爐爐門氧槍機(jī)械手的具體問題來進(jìn)行解決。

電爐爐門氧槍機(jī)械手則是提供電爐吹氧的重要設(shè)備。吹氧助熔的作用在于：一是吹入氧氣與鋼中元素氧化時(shí)放出大量的熱量，加熱并熔化爐料。二是能切割大塊爐料，使其掉入熔池增加爐料的受熱面積，當(dāng)有爐料出現(xiàn)搭橋時(shí)，利用氧氣進(jìn)行切割也及其方便。三是為電爐爐內(nèi)增加了一個(gè)活動的點(diǎn)熱源，能在一定程度上彌補(bǔ)3個(gè)固定電弧熱源加熱不均勻的缺點(diǎn)。而實(shí)踐證明，吹氧助熔可以縮短熔煉時(shí)間20-30分鐘，每噸鋼的電耗量可降低80-100kW·h，所以我國各鋼廠均普遍采用吹氧助熔工藝[1]。

在過去20 年中, 電弧爐煉鋼的用氧技術(shù)取得了矚目的發(fā)展。氧氣的利用已由最初的脫碳反應(yīng)躍居為電弧爐的第二熱源, 部分取代了相對昂貴的電源?，F(xiàn)代電弧爐煉鋼的供氧量為20～40m3 / t , 甚至更高 [2]。其向熔池提供的化學(xué)能占總輸入能量的30%～40%。先進(jìn)的電弧爐廣泛采用強(qiáng)化供氧和泡沫渣冶煉、廢鋼預(yù)熱等技術(shù), 因而電弧爐的冶煉時(shí)間大大縮短, 即使100t 以上的大型電爐, 全爐的冶煉時(shí)間也只有60～70min, 噸鋼電耗不大于375kW·h, 噸鋼電極消耗不大于1. 5kg[3]。

2　爐門氧槍機(jī)械手設(shè)備介紹

在冶煉過程中，需要根據(jù)冶煉融化、精煉過程調(diào)整爐門自耗式碳氧槍的使用功能。廢鋼裝料后，大功率供電大約1-2min后，爐門口有紅鋼時(shí)啟用爐門自耗式碳氧槍，清理爐門廢鋼，加快廢鋼熔化過程，根據(jù)爐料的熔化情況合理調(diào)整爐門氧槍的使用位置和使用角度。

熔池形成后，根據(jù)鋼水碳含量，使用自耗式氧槍進(jìn)行脫碳升溫，提高脫碳速度，縮短冶煉時(shí)間。廢鋼裝料后，在每次裝料有效送電5-8min后，啟用爐門氧槍，加速冷區(qū)附近廢鋼的熔化，防止廢鋼堆積塌料造成大沸騰，保證爐膛內(nèi)熱負(fù)荷比較均勻，縮短冶煉時(shí)間。在平熔池熔煉時(shí)間（精煉和連續(xù)加料），氧槍持續(xù)以向熔池中吹氧，完成熔池的脫碳。熔池形成，在熔煉期間，通過噴碳造泡沫渣，使電弧穩(wěn)定，并將能量以最大的傳送效率傳送到熔池中。

碳氧槍機(jī)械手的動作均由PLC進(jìn)行電氣控制，為設(shè)備運(yùn)行提供動力。電氣控制數(shù)個(gè)電動缸來控制機(jī)械手的所有動作。動作有機(jī)械手的升降、機(jī)械手的進(jìn)退、兩個(gè)氧槍進(jìn)給箱的俯仰、擺動、進(jìn)退，碳槍進(jìn)給箱的俯仰、進(jìn)退。機(jī)械手的所有動作均由電器控制電動缸來完成。其運(yùn)動流程為碳氧槍機(jī)械手大臂旋轉(zhuǎn)900、大臂根據(jù)爐門高度進(jìn)行提升800mm、兩個(gè)氧槍進(jìn)給箱按噴吹位置要求左右可擺動300、上下俯仰300、碳槍進(jìn)給箱可按噴吹位置要求上下俯仰300，三個(gè)進(jìn)給箱均具有將氧槍管及碳槍管進(jìn)行自由伸縮進(jìn)給的功能。碳氧槍機(jī)械手使用完畢后將三個(gè)進(jìn)給箱上下俯仰到水平位置，左右擺動到平行位置，并將機(jī)械手大臂下降到最低位置后，方可回旋機(jī)械手大臂到初始位置（換槍位置），至此完成了一個(gè)工作的循環(huán)。

三個(gè)進(jìn)給箱內(nèi)部進(jìn)給系統(tǒng)均由三個(gè)電動缸互相配合來完成氧槍管及碳槍管的進(jìn)給動作。由于在電爐爐門口溫度較高，故在支撐三個(gè)進(jìn)給箱的旋轉(zhuǎn)大臂上需加裝一塊水冷防護(hù)板以防止進(jìn)給箱及旋轉(zhuǎn)大臂受熱變形。氧氣管由旋轉(zhuǎn)大臂側(cè)面排管并連接旋轉(zhuǎn)盤上的軟管，再由軟管再連接上氧槍管實(shí)現(xiàn)氧氣噴吹動作（氧氣的控制方式則是由一套氧氣閥門組進(jìn)行控制，其控制主要由氣動切斷閥和氣動薄膜調(diào)節(jié)閥來完成。各管路的通斷由氣動切斷閥控制，管路的流量通過閥門組管道上安裝的壓力、流量傳感器檢測，并由計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥來控制氧氣的流量。而碳槍管則是直接連接置于旁邊的碳粉罐，實(shí)現(xiàn)碳粉的噴吹動作。

3　爐門氧槍機(jī)械手結(jié)構(gòu)介紹

爐門碳氧槍機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式作為碳氧槍機(jī)械手的坐標(biāo)形式。碳氧槍機(jī)械手在工作時(shí)大臂回旋、升降、進(jìn)給箱的上下俯仰及左右擺動，而機(jī)械系統(tǒng)由底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大臂升降機(jī)構(gòu)、兩個(gè)氧槍進(jìn)給箱左右擺動及上下俯仰、碳槍進(jìn)給箱左右擺動等五個(gè)部分組成。

3.1氧槍管及碳槍管進(jìn)給箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

碳氧槍機(jī)械手在噴吹時(shí)由于氧槍管及碳槍管需插入鋼水中進(jìn)行噴吹，故氧槍管及碳槍管是易耗品。為了能保證噴吹效果，氧槍管及碳槍管需不斷的接管并向前伸出連續(xù)不斷的插入鋼水中。為達(dá)了到滿足工藝的噴吹效果，所以設(shè)計(jì)了氧槍及碳槍的進(jìn)給箱。圖1為氧槍管及碳槍管進(jìn)給箱內(nèi)部示意圖。

由于在吹氧及增碳的過程中都需將槍管伸入1600°C的鋼水中，而槍管材質(zhì)是普通的20鋼的鋼管，在噴吹時(shí)損耗相當(dāng)迅速，故槍管需不斷向外延伸以確保連續(xù)噴吹要求。在前后傳動方式上，采用鏈傳動來實(shí)現(xiàn)該進(jìn)給動作，由于鏈傳動相比齒輪傳動,它可以在兩軸中心相距較遠(yuǎn)的情況下傳遞運(yùn)動和動力，能在低速、重載和高溫條件下及灰土飛揚(yáng)的不良環(huán)境中工作。相較于帶傳動,它能保證準(zhǔn)確的平均傳動比,傳遞功率較大,且作用在軸和軸承上的力較小，具有傳動精度高等特點(diǎn)。故在箱體的傳動方式上選用鏈傳動的方式，并配合電動缸完成連續(xù)進(jìn)給的動作。

進(jìn)給箱進(jìn)給原理：在箱體中采用兩個(gè)電動缸（夾緊缸）進(jìn)行槍管的前后夾緊及放松動作，一個(gè)電動缸（推動缸）前后伸縮以完成運(yùn)送動作，并結(jié)合鏈傳動實(shí)現(xiàn)整個(gè)的進(jìn)給功能。進(jìn)給運(yùn)動過程：當(dāng)推動缸處于縮回的狀態(tài)時(shí)，前后夾緊缸并攏，且前夾緊缸處于夾緊狀態(tài)后夾緊缸處于放松狀態(tài)。當(dāng)推動缸處于伸出的狀態(tài)時(shí)，前后夾緊缸分開，且前夾緊缸處于放松狀態(tài)后夾緊缸處于夾緊狀態(tài)。推動缸再次縮回，前后夾緊缸并攏，前夾緊缸處于夾緊狀態(tài)后夾緊缸處于放松狀態(tài)。以此輪回交替夾緊放松以完成進(jìn)給動作。槍管若需縮回操作，則上述運(yùn)動過程可通過已編好的PLC編程反相運(yùn)動即可。

3.2進(jìn)給箱擺動及俯仰功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

冶煉過程中，需要根據(jù)冶煉融化、精煉過程調(diào)整爐門自耗式碳氧槍的使用功能。廢鋼裝料后，大功率供電大約1-2min后，爐門口有紅鋼時(shí)啟用爐門自耗式碳氧槍，清理爐門廢鋼，加快廢鋼熔化過程，根據(jù)爐料的熔化情況合理調(diào)整爐門碳氧槍機(jī)械手的使用位置和使用角度。為了能達(dá)到多角度全爐膛無死角噴吹效果。故進(jìn)給箱需能上下轉(zhuǎn)動30°及左右擺動30°。

根據(jù)爐膛尺寸及冶煉工藝要求，將碳槍進(jìn)給箱及氧槍進(jìn)給箱的順序經(jīng)行排列，其順序?yàn)檠鯓屵M(jìn)給箱在兩側(cè)而碳槍進(jìn)給箱在中間的排列順序。由于碳槍按冶煉工藝要求是用來噴碳粉造泡沫渣的，所以在擺動功能上不做要求。故將兩個(gè)氧槍進(jìn)給箱排列在兩側(cè)，擺動的初始位置是與碳槍進(jìn)給箱水平為基準(zhǔn)，擺動時(shí)右進(jìn)給箱槍頭擺動方向向左擺，左進(jìn)給箱槍頭擺動方向向右擺。

氧槍進(jìn)給箱擺動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由電動缸帶動伸縮拉桿的形式進(jìn)行擺動，氧槍進(jìn)給箱與旋轉(zhuǎn)大臂之間由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接。伸縮桿后部為中空結(jié)構(gòu)，前部可在后部內(nèi)進(jìn)行滑動，隨著電動缸的運(yùn)動進(jìn)行伸縮動作。當(dāng)電動缸拉動伸縮拉桿時(shí)，拉桿即可帶動箱體進(jìn)行擺動，并按所需調(diào)節(jié)電動缸的行程即可調(diào)節(jié)進(jìn)給箱擺動的角度，故需根據(jù)進(jìn)給箱擺動的最大角度選擇適合行程的電動缸。具體設(shè)計(jì)如圖2進(jìn)給箱擺動結(jié)構(gòu)示意圖所示。

根據(jù)冶煉需求為了碳氧槍機(jī)械手能噴吹到更大的空間，配合擺動設(shè)計(jì)還增加了俯仰功能設(shè)計(jì)。由于旋轉(zhuǎn)大臂被設(shè)計(jì)成可以提升的結(jié)構(gòu)，故可將三個(gè)進(jìn)給箱進(jìn)行提升一定的高度，增加俯仰功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，可選擇縱向0-30°的角度范圍。該設(shè)計(jì)配合左右擺動功能的設(shè)計(jì)即可在縱向及橫向0-30°的空間范圍內(nèi)經(jīng)行多角度全方位無死角的噴吹操作。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均采用電動缸進(jìn)行控制，控制精度高，便于集成程序化設(shè)計(jì)。

3.2旋轉(zhuǎn)底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)底座是碳氧槍機(jī)械手整體支撐及旋轉(zhuǎn)的部分，它具有使整個(gè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)及升降的功能。碳氧槍機(jī)械手在使用時(shí)需旋轉(zhuǎn)90°，在工作位與換槍位之間相互旋轉(zhuǎn)。在非工作位置處可更換氧槍及碳槍管，在工作位可升降旋轉(zhuǎn)大臂以調(diào)整適合的噴吹位置。其旋轉(zhuǎn)方式是采用油馬達(dá)帶動大齒輪盤的傳動方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，而提升機(jī)構(gòu)則選用電動缸作為驅(qū)動元件以滿足升降動作。由于碳氧槍機(jī)械對于旋轉(zhuǎn)并無精度要求，并且采用接近開關(guān)進(jìn)行控制，故可選用可傳遞高扭矩的油馬達(dá)作為驅(qū)動元件。而對于旋轉(zhuǎn)大臂的提升高度是需要精確控制的，故選用電動缸作為驅(qū)動元件以滿足實(shí)際使用要求，便于總體編程控制。

由于碳氧槍機(jī)械手在使用時(shí)需旋轉(zhuǎn)90°到達(dá)噴吹位置，所以旋轉(zhuǎn)底座宜采取回轉(zhuǎn)型結(jié)構(gòu)。為節(jié)約空間，選用齒輪齒條式機(jī)械結(jié)構(gòu)。并在大齒輪盤與下底座之間安裝了一個(gè)平軸承，使旋轉(zhuǎn)底座能靈活轉(zhuǎn)動。旋轉(zhuǎn)大臂提升機(jī)構(gòu)則是采用電動缸推動安裝在旋轉(zhuǎn)底座內(nèi)部的滑動導(dǎo)桿的方式進(jìn)行升降運(yùn)動。在導(dǎo)桿上左右分別安裝了四個(gè)導(dǎo)向輪，以防止導(dǎo)桿跑偏。采用電動缸傳動方式是為了能使旋轉(zhuǎn)大臂提升高度定位精確，并且相對與液壓缸，電動缸具有自鎖功能，使旋轉(zhuǎn)大臂在長時(shí)間提升狀態(tài)下提升高度可得到保證。

4　結(jié)束語

本文優(yōu)化了電弧爐爐門碳氧槍機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了槍管進(jìn)給系統(tǒng)及進(jìn)給箱擺動機(jī)構(gòu)，并且采用電動缸作為驅(qū)動元件替代了傳統(tǒng)的液壓缸的結(jié)構(gòu)。使系統(tǒng)得到了優(yōu)化，更便于電器集成化的控制。顯著地改善了控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)態(tài)性能，使冶煉過程得到整體優(yōu)化，縮短了冶煉時(shí)間。該設(shè)備易于工業(yè)實(shí)現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈才芳,孫杜成,陳建斌編著.電弧爐煉鋼工藝與設(shè)備[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2008

[2]沈頤身.電弧爐強(qiáng)化冶煉及節(jié)能降耗[J].特殊鋼,1997,增刊: 103

[3]李士琦.現(xiàn)代電弧爐煉鋼[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1995:236.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.116