RH真空料斗結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

陳亞文，任 彤，丁 劍，王海斌，吳建龍，張 明

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

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RH真空料斗結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

陳亞文1，任 彤1，丁 劍2，王海斌1，吳建龍1，張 明1

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200)

本文從真空料斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，從多個(gè)方面分析了真空料斗錐形密封失效原因，并提出有效的解決方案，即優(yōu)化彈性密封體的結(jié)構(gòu)，增加彈性密封體的冷卻保護(hù)，利用雙錐銷定位錐形密封部件與料倉的相對(duì)位置，保護(hù)活塞桿的剛性，優(yōu)化彈性密封體的截面形狀，提高真空料斗工作時(shí)錐形密封的可靠性。

RH；真空料斗；結(jié)構(gòu)；密封；設(shè)計(jì)

0 前言

真空爐外精煉已成為現(xiàn)代鋼鐵冶煉的必需的工藝流程，它可以減輕轉(zhuǎn)爐的工作負(fù)荷，可以對(duì)鋼液進(jìn)行脫氣，去除夾雜，成分調(diào)整等，可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉周期。鋼液成分調(diào)整主要依靠真空料斗來完成;真空料斗是需要在真空條件下對(duì)鋼液進(jìn)行加入合金原料的設(shè)備，因此提高真空料斗密封的可靠性是我們面臨而且必須解決的問題。

1 真空料斗的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

真空料斗是RH真空爐外精煉中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用在真空處理狀態(tài)下存貯和向鋼液中加入合金原料，實(shí)現(xiàn)真空狀態(tài)下鋼液的合金化。因此真空料斗正常工作的前提是必須保證其氣密性。

真空料斗通常分為合金料斗、Al料斗和C料斗。在RH處理過程中，Al和C的加入量比較小，一次真空料倉的儲(chǔ)存量完全可以滿足一次RH處理的需要， Al和C真空料斗不需要在真空狀態(tài)下補(bǔ)充原料，只需在非處理期間進(jìn)行。所以這兩個(gè)料斗采用單錐形密封結(jié)構(gòu)，只需要將處理時(shí)的料倉與大氣環(huán)境隔開即可。

合金真空料斗根據(jù)鋼種冶煉需要可以加入不同的合金元素，而且允許在真空處理過程中將合金元素從大氣條件下加入到真空環(huán)境下的真空槽內(nèi)的鋼液中，因此合金真空料斗的上下料倉均采用錐形密封的真空鎖結(jié)構(gòu)。上部料倉接受來自于皮帶機(jī)供給的合金元素，之后傳送給下部料倉，最后通過下料管將合金元素加入到真空槽內(nèi)的鋼液中。

2 真空料斗的氣密性問題

真空料斗結(jié)構(gòu)如圖1所示，其氣密性是實(shí)現(xiàn)真空冶煉的必要條件，在真空料斗各部件固定連接的法蘭利用密封墊可以實(shí)現(xiàn)可靠的密封，但對(duì)于有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的錐形密封結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)故障的頻率較高，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

(1) 彈性密封體失效。在現(xiàn)有的真空料斗錐形密封結(jié)構(gòu)中，密封體材料采用橡膠，通過氣缸作用將其壓緊密封法蘭的密封錐面上。彈性密封體沒有任何冷卻保護(hù)措施，真空室內(nèi)的高溫?zé)釟庀蛏蠈?duì)流，密封體在高溫環(huán)境的熾烤下容易老化,磨損加劇,造成彈性密封體密封不嚴(yán)，產(chǎn)生泄漏；所以必須經(jīng)常更換彈性密封體，嚴(yán)重影響料斗的正常使用。

圖1 合金真空料斗結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of vacuum hopper

(2)錐形密封部件對(duì)中精度下降。密封彈性體由氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)密封和加料，其回轉(zhuǎn)中心與氣缸中心理論上重合，而固定密封面與彈性密封體分屬兩個(gè)不同的部件，通過螺栓組固定連接；在制造廠首次安裝時(shí)，精心調(diào)整對(duì)中精度，可以使真空料斗的氣密性達(dá)到在氣壓0.1MPa下保壓30分鐘，無壓力變化。需要更換彈性密封體時(shí)，需要拆離整個(gè)錐形密封部件，在二次安裝時(shí)，無法保證驅(qū)動(dòng)氣缸與錐形密封面的對(duì)中，使彈性密封體與固定密封錐面的中心重合度偏差較大，無法保證錐形密封的良好氣密性。

解決以上所述問題，是提高真空料斗氣密性的先決條件。以下將從優(yōu)化結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)入手對(duì)真空料斗氣密性失效問題提出有效的解決方案。

3 彈性密封體保護(hù)設(shè)計(jì)

在真空冶煉過程中，下料管中會(huì)有高溫氣體向上對(duì)流，同時(shí)伴有高溫輻射，保護(hù)彈性密封體的方法就是如何隔開高溫氣體對(duì)彈性密封體的“包圍”炙烤。采用的方法是在彈性密封體的周圍吹入常溫的惰性氣體(通?？刹捎玫?dú)?，在彈性密封體的下方形成持續(xù)的、溫度較低的氣體環(huán)境，將彈性密封體與其下方對(duì)流和輻射的高溫氣體隔開，可避免彈性密封體的損壞。如圖2所示是一種典型的真空料斗的下料口的錐形密封結(jié)構(gòu)，同時(shí)設(shè)有彈性密封體的冷卻保護(hù)。

圖2 彈性密封體的保護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Protective structure of plastic sealing body

為了保護(hù)彈性密封體，在密封法蘭的圓周方向加工一環(huán)形槽，沿密封法蘭徑向加工一進(jìn)氣孔，蓋板內(nèi)外兩邊與密封法蘭連續(xù)焊接，使環(huán)形槽形成密封的腔體，并與進(jìn)氣孔連通；在密封法蘭的內(nèi)孔及密封面上，沿圓周加工若干個(gè)均勻布置的小孔，即排氣孔A和B，其數(shù)量根據(jù)密封面的大小決定，由于下料管的直徑一般不超過400mm，所以排氣孔的數(shù)量范圍一般取6～18，每個(gè)小孔均與環(huán)形槽連通，保護(hù)氣體可由排氣孔A和排氣孔B吹出。排氣孔B與水平方向向下成一定夾角，一般為10°～30°之間。排氣孔A的中心線與密封法蘭的密封面垂直，位于彈性密封體的下方，并露在彈性密封體的外面，從排氣孔A和排氣孔B吹出的保護(hù)氣體在彈性密封體的下方形成氣幕，并通過下料管向下方強(qiáng)制排出，阻止高溫氣體對(duì)流和輻射，可完全隔斷高溫氣體與彈性密封體的接觸，達(dá)到保護(hù)彈性密封體的作用。

4 錐形密封部件的定位

在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，對(duì)于固定連接的法蘭，利用密封墊就可以可靠密封防止泄漏。而真空料斗的錐形密封在工作中必須多次往復(fù)動(dòng)作，在運(yùn)行過程中，必須保證彈性密封體與固定密封錐面的相對(duì)位置保持不變尤其是二者的中心重合度偏差保持不變，如圖3所示，錐形密封部件定位結(jié)構(gòu)圖，采用非對(duì)稱分布的雙錐銷配作連接的定位結(jié)構(gòu)。

圖3 錐形部件的定位Fig.3 The position of cone valve

圖3中，氣缸與通過螺栓組一與定位法蘭固定連接，氣缸的活塞桿與錐形密封體連接，彈性密封體安裝于錐形密封體上，形成一個(gè)獨(dú)立的密封體部件；然后通過螺栓組二與與接料斗的法蘭固定連接；接料斗的下部通過螺栓組三固定連接密封法蘭，密封法蘭與下料管(或下部料倉)，同時(shí)通過螺栓組三固定密封連接；各連接面之間均有密封填料，保證真空料斗的氣密性。

在氣缸的活塞桿伸出，錐形密封體下降，同時(shí)調(diào)整定位法蘭的位置，使彈性密封體均勻緊壓在密封法蘭的密封面上。為了檢驗(yàn)密封面的接觸率，可以在彈性密封體的密封面上涂抹均勻的紅丹粉，然后彈性密封體在氣缸的作用下壓在密封法蘭的錐面上，保持30s，然后氣缸回縮，彈性密封體與密封法蘭分離，檢查密封法蘭錐面上的紅丹粉的分布情況，并對(duì)彈性密封體的位置進(jìn)行調(diào)整，最終使圓周方向接觸率達(dá)到80%以上，高度方向接觸率達(dá)70%以上，并且均勻分布，此時(shí)的氣缸與彈性密封體的相對(duì)位置最佳。以此相對(duì)位置為基準(zhǔn)，在定位法蘭與接料斗的法蘭配作加工兩個(gè)錐銷孔，最終裝入錐銷，完全固定二者的相對(duì)位置。為了保證原始的裝配位置，兩個(gè)錐銷孔可采用不對(duì)稱分布，即兩個(gè)錐銷孔的相對(duì)氣缸的中心夾角為120°～150°。由于錐銷采用配作連接，在料斗正常運(yùn)行時(shí)，密封裝置不會(huì)發(fā)生位置改變。在拆裝或維修后重新打入錐銷即可保證定位法蘭與接料斗的原有相對(duì)位置不會(huì)改變。采用雙錐銷定位，不但可以縮短維修時(shí)間，同時(shí)可保證錐形密封的可靠性。

5 氣缸活塞桿的保護(hù)

當(dāng)真空料斗的料倉體積較大，在氣缸行程增加或活塞桿加長時(shí)，必須考慮并保證氣缸活塞桿的剛性，在原料擠壓下不會(huì)彎曲變形。為了達(dá)到這一目的，需要在活塞桿的外部設(shè)置導(dǎo)向套，同時(shí)在導(dǎo)向套與活塞桿之間必須保證氣密性。氣缸活塞桿的保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示，是圖1中的Ⅰ部放大。氣缸活塞桿與加長桿之間采用關(guān)節(jié)軸承組件連接，可以避免在氣缸動(dòng)作過程中活塞桿與加長桿由于過定位引起的附加力；導(dǎo)向裝置主要由法蘭，導(dǎo)向內(nèi)套，導(dǎo)向外套組成，各件之間采用焊接，導(dǎo)向內(nèi)外套的下部用鋼板連接,增加剛性，并采用斷續(xù)焊，避免導(dǎo)向內(nèi)外套之間的腔體由于溫度的變化而產(chǎn)生附加的密封壓力差，對(duì)保護(hù)套造成潛在的破壞。

內(nèi)導(dǎo)向套的上下設(shè)置防塵圈，防止粉塵進(jìn)入，同時(shí)設(shè)置導(dǎo)向環(huán)，對(duì)加長桿進(jìn)行導(dǎo)向保護(hù)。導(dǎo)向環(huán)的材料采用自潤滑粉末冶金，可免維護(hù)量。在導(dǎo)向內(nèi)套的上部安裝密封填料，并用壓蓋壓緊，保證結(jié)構(gòu)的氣密性。在導(dǎo)向外套的外側(cè)設(shè)置套管，避免原料下落時(shí)對(duì)導(dǎo)向套造成破壞。

利用導(dǎo)向保護(hù)裝置，對(duì)于活塞桿加長或行程較大的氣缸，可保證錐形密封在運(yùn)行過程中的位置精度，提高真空料斗整體的氣密性。

圖4 氣缸活塞桿的保護(hù)Fig.4 The protection for rod of air cylinder

6 彈性密封體截面優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的彈性密封體采用硅橡膠或者氟橡膠，一般選擇根據(jù)硅橡膠，因?yàn)槟蜏馗?，但有時(shí)由于氣缸缸徑大，產(chǎn)生的推力也大，彈性密封體也可選擇氟橡膠，硬度較高，可以承受較大的氣缸推力。現(xiàn)有的彈性密封體截面形狀如圖2所示，為標(biāo)準(zhǔn)非等腰梯形，其截面輪廓線均為直線，其上下面在固定板夾緊時(shí)，接觸面過大，在高真空下反而有可能產(chǎn)生泄漏。同時(shí)其密封面的截面的輪廓線也為直線，其與錐形密封面密封的理想位置無法精確定位。

為了避免出現(xiàn)以上問題，對(duì)彈性密封體的截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖5所示，在彈性密封體的上下夾持面，設(shè)計(jì)兩道或者兩道以上的環(huán)形凸起，在與上下固定板用螺栓固定時(shí)，減小了密封面積，使密封可靠性提高。環(huán)形凸起的高度應(yīng)根據(jù)彈性體的彈性范圍確定。在壓緊時(shí)，環(huán)形凸起的變形仍舊處于彈性變形的范圍內(nèi)。

圖5 彈性密封體新結(jié)構(gòu)Fig.5 The new structure of plastic sealing body

另外彈性密封體的密封面設(shè)計(jì)為曲面，即密封面的截面形狀為圓弧(也可以采用橢圓弧，但加工模具成本更高)，這樣彈性體的密封面與密封座的錐面接觸理論上為一條線，這樣可以容易檢查密封位置是否合理，同時(shí)可確認(rèn)彈性體的中心是否與密封錐座的中心重合，提高彈性密封體的密封的可靠性。

7 結(jié)論

本文對(duì)真空料斗的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)， 可以有效提高真空料斗工作的可靠性，尤其是錐形密封的可靠性。

(1)采用在密封法蘭的內(nèi)孔或密封面上加工若干小孔，并吹入保護(hù)冷卻氣體，在密封體的下方形成氣幕，阻止高溫氣體上升，使彈性密封體周圍的溫度大大降低，延長其使用壽命。

(2)錐形密封體部件與料斗的連接法蘭采用非對(duì)稱分布雙錐銷定位，二次安裝時(shí)可保證原對(duì)中精度和密封性，減少維修后二次安裝時(shí)的工作量。

(3)對(duì)于加長活塞桿或者較長行程的氣缸，采用活塞桿導(dǎo)向裝置，可有效保護(hù)活塞桿的剛性及表面的磨損。

(4)對(duì)彈性密封體的截面形狀采用圓弧形狀，提高其工作的可靠性。

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The design improvements of RH vacuum hopper structure

CHEN Ya-wen1,REN Tong1,DING Jian2, WANG Hai-bin1,WU Jian-long1,ZHANG Ming1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd.， Xi’an 710032, China; 2.Shougang Jingtang United Iron & Steel Co.,Ltd.,Tangshan 063200,China)

This paper analyzed the reasons of vacuum hopper cone valve seal failure from several aspects and proposed effective solutions. Methods of optimizing the structure of the elastic sealing body, increasing cooling gas for the elastic sealing body, using the relative position of the double taper pins to fix precisely the relative position of cone valve seal unit and hopper body, protecting the piston rod rigidity, optimizing the cross-sectional shape of the elastic seal body are available, which could improve the work reliability of the vacuum hopper sealing.

RH; vacuum hopper; structure; seals; design

2016-01-04；

2016-02-09

陳亞文(1970-)，男，中國重型機(jī)械研究院股份公司，高級(jí)工程師。

TF769

A

1001-196X(2016)05-0107-04