基于智能化煉鋼技術(shù)的副槍系統(tǒng)設(shè)計

姚 娟，張 文，宋曉燕

(中冶南方工程技術(shù)有限公司 煉鋼分公司，湖北 武漢，430223)

0 前言

當前，鋼鐵產(chǎn)業(yè)“工業(yè)化和信息化”融合水平顯著提升。但總體來看，冶金行業(yè)的“兩化”融合水平仍低于制造業(yè)平均水平；近80%的冶金企業(yè)尚未實現(xiàn)系統(tǒng)集成。數(shù)字化、智能化將促進鋼鐵產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，但實現(xiàn)智能化制造仍任重道遠。通過副槍技術(shù)實現(xiàn)一鍵式煉鋼對智能化煉鋼非常重要?！案睒屢绘I式”煉鋼是目前最先進的冶煉模式，通過計算機自動控制冶煉過程，起到穩(wěn)定操作、穩(wěn)定生產(chǎn)節(jié)奏、穩(wěn)定鋼水成分、降低原料和能源消耗等結(jié)果。目前市面上的一些老舊鋼廠由于前期沒有預(yù)留副槍，導(dǎo)致在實現(xiàn)智能化煉鋼的過程中因為空間問題而遭遇技術(shù)瓶頸。因此，本文提出了一種可以有效解決因空間局限而不能增設(shè)副槍的技術(shù)解決方案，為廣大老廠實現(xiàn)一鍵式智能化煉鋼創(chuàng)造了條件。

1 副槍技術(shù)

1.1 副槍煉鋼技術(shù)現(xiàn)狀

副槍系統(tǒng)是轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)智能化煉鋼的關(guān)鍵技術(shù)。隨著轉(zhuǎn)爐冶煉自動化程度的提高，一些鋼廠紛紛采用了副槍煉鋼技術(shù)。副槍技術(shù)可實現(xiàn)在不中斷吹煉或不倒爐的情況下通過選擇不同的探頭獲得轉(zhuǎn)爐熔池的各種信息，如溫度、碳含量、氧含量、熔池高度及鋼水的化學(xué)成分，再借助計算機冶金動態(tài)模型對冶煉所需氧量和冷卻劑添加量進行反復(fù)計算，調(diào)整系統(tǒng)的各種參數(shù)，以命中終點碳含量和溫度，減少補吹次數(shù)，提高終點命中率，為實現(xiàn)快速出鋼和直接出鋼創(chuàng)造條件，最終實現(xiàn)一鍵式的全自動化煉鋼[1]。

副槍系統(tǒng)包括機械設(shè)備、電氣設(shè)備和數(shù)學(xué)模型等幾部分。機械設(shè)備主要由副槍本體的副槍裝置、副槍探頭自動裝卸及收集裝置、副槍的密封帽及刮渣器裝置組成。電氣設(shè)備主要包括電儀控制設(shè)備、副槍數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)及相應(yīng)分析軟件、計算機控制系統(tǒng)等。煉鋼模型主要包括目標溫度計算模型、熱平衡計算模型(含主原料計算)、熔劑計算模型、吹煉控制模型(吹煉模型包含底吹模型)、氧量冷卻劑計算模型、動態(tài)校正模型、自學(xué)習模型等。

國內(nèi)各大鋼廠的副槍裝置主要分為旋轉(zhuǎn)式副槍與橫移式副槍兩種基本形式[2]，如圖1所示。旋轉(zhuǎn)式副槍系統(tǒng)由于測量時框架可以轉(zhuǎn)動，占用的氧槍通廊小，對氧槍的更換、吊運無影響，便于實現(xiàn)自動化修爐等優(yōu)點而被廣泛運用。從目前煉鋼技術(shù)的發(fā)展水平看，新建轉(zhuǎn)爐廠增設(shè)旋轉(zhuǎn)式副槍系統(tǒng)已不成問題。而一些老舊鋼廠，轉(zhuǎn)爐由于前期建設(shè)時沒有預(yù)留副槍空間，氧槍通廊狹窄、若按照常規(guī)的旋轉(zhuǎn)式布置增設(shè)副槍裝置，根本沒有足夠的的空間。而橫移式副槍裝置有效克服了這個難題。

圖1 副槍裝置形式

1.2 新增副槍裝置對原有工藝布置的要求

新增副槍裝置是在原有煉鋼廠房的轉(zhuǎn)爐跨內(nèi)安裝，對原有的廠房結(jié)構(gòu)有一定的要求。

(1)轉(zhuǎn)爐跨要有足夠的氧槍通廊。在新增副槍裝置后，足夠的氧槍通廊才不會對氧槍的更換、吊運產(chǎn)生影響，便于實現(xiàn)自動化修爐。目前新建的轉(zhuǎn)爐一般都會考慮旋轉(zhuǎn)式副槍的占用空間，通常將氧槍通廊設(shè)置在7～8 m之間。而一些老廠在前期建設(shè)時由于沒有考慮新增副槍的空間，氧槍通廊一般在3.3～5 m之間。如果氧槍通廊在5 m，可以新增橫移式副槍裝置。新增橫移式副槍裝置后氧槍在吊運過程中必須走Z字形，以躲開氧槍通廊里面的各種設(shè)施。如果氧槍通廊在3.3～4 m之間，現(xiàn)有的橫移式副槍裝置無法適應(yīng)現(xiàn)有的工藝布置，一般判定為不可行。故氧槍通廊的尺寸是判斷老廠能否新增副槍裝置的重要前提。

(2)煉鋼廠房轉(zhuǎn)爐跨有足夠的廠房高度。由于副槍在測量過程中需要將槍體插入到熔池液面以下獲取轉(zhuǎn)爐熔池的各種信息，一般副槍的最低點往往較低；而副槍裝置為了能順利的橫移或旋轉(zhuǎn)，最高點一般應(yīng)高于探頭自動更換裝置，導(dǎo)致副槍槍體的行程較氧槍會有較大增加，副槍設(shè)備往往較高，因此，在老廠房內(nèi)安裝副槍裝置，廠房高度也是制約能否新增副槍裝置的條件之一。

(3)轉(zhuǎn)爐爐口一般應(yīng)有比較富裕的尺寸空間。副槍槍體需要從轉(zhuǎn)爐爐口下槍進入到爐內(nèi)，副槍測量位應(yīng)與氧槍吹煉位保持一定的距離，以避開熔池反應(yīng)的火點區(qū)[3,4]。同時副槍測量位還應(yīng)與轉(zhuǎn)爐爐口保持一定的安全距離，避免爐口粘渣時副槍能順利提出爐口。同時測量位置的確定還應(yīng)考慮與轉(zhuǎn)爐底吹孔保證足夠的間隙，以免底吹時，爐內(nèi)鋼水翻騰劇烈，導(dǎo)致副槍體粘鋼。所以轉(zhuǎn)爐爐口尺寸是否足夠也是衡量能否新增副槍裝置的重要前提。

(4)原有煉鋼廠內(nèi)的能源介質(zhì)能否滿足新增副槍的需求。副槍槍體使用高壓凈環(huán)水冷卻，單套副槍槍體冷卻水需新增60 Nm3/h的流量。需要核算高壓凈環(huán)水的能力。

目前國內(nèi)的一些老廠，氧槍通廊尺寸一般在3.3～4 m之間，轉(zhuǎn)爐噸位通過擴容改造往往都在120 t左右，新增副槍系統(tǒng)轉(zhuǎn)爐爐口及廠房高度一般都不成問題。起限制作用的就是氧槍通廊的跨度尺寸。例如武鋼條材總廠一煉鋼120 t轉(zhuǎn)爐、馬鋼一鋼軋3×120 t轉(zhuǎn)爐等，迫于冶煉鋼種的需求，特別需要新增副槍系統(tǒng)，但現(xiàn)有的橫移式副槍裝置無法適應(yīng)這些老廠的工藝布置，只能被迫放棄副槍智能化煉鋼技術(shù)，阻礙其智能化煉鋼的進程。

2 新增副槍系統(tǒng)可行性分析

2.1 工藝布置現(xiàn)狀

某煉鋼廠有3座90 t轉(zhuǎn)爐，分二期建成。1#、2#轉(zhuǎn)爐及3#轉(zhuǎn)爐分設(shè)在兩個煉鋼廠內(nèi)。1#、2#轉(zhuǎn)爐與3#轉(zhuǎn)爐的工藝布置完全相同，即各跨跨距及高層框架的平臺高度均相同。轉(zhuǎn)爐煙罩為移動式、修爐時將轉(zhuǎn)爐上方煙道移開，耐火磚從爐口進入轉(zhuǎn)爐進行修爐。轉(zhuǎn)爐具體參數(shù)見表1。

圖2 車間工藝布置圖

表1 轉(zhuǎn)爐參數(shù)表

2.2 新增副槍系統(tǒng)可行性分析

新增副槍系統(tǒng)可行性分析主要看現(xiàn)有煉鋼廠是否有足夠的空間安裝副槍裝置，同時還需考慮新增副槍裝置后對原有工藝流程的影響。該廠轉(zhuǎn)爐氧槍通廊為3 950 mm，氧槍中心線距離柱子中心線的距離為1 450 mm，只能增設(shè)橫移式副槍裝置。高層框架廠房的高度基本滿足新增副槍的要求，但現(xiàn)有的橫移式副槍裝置不能滿足要求，需對相關(guān)設(shè)施進行局部改造。

3 新增副槍裝置的實施措施

3.1 橫移式副槍裝置

橫移式副槍裝置一般安裝在氧槍的對側(cè)，為減小安裝空間，其結(jié)構(gòu)一般為單軌+水平反軌式支撐方式。橫移式副槍的主體設(shè)備包括一個橫移小車、滑輪組、軌道、主小車、副小車、下部導(dǎo)向輪及相應(yīng)的潤滑配管及水配管等，如圖3所示。橫移小車為橫移式副槍的主要設(shè)備，其上布置有提升主、副小車的卷揚系統(tǒng)、上部側(cè)導(dǎo)輪及走行驅(qū)動輪裝配。設(shè)備的主要重量由側(cè)導(dǎo)小車傳遞到平臺上，傾翻力矩由一對水平導(dǎo)輪承受。

圖3 橫移式副槍結(jié)構(gòu)示意圖

橫移式副槍裝置在平面上設(shè)有測量位、連接位和維修位。測量位用于入爐測量轉(zhuǎn)爐熔池的各種信息，連接位用于連接副槍探頭，維修位用于更換氧槍。

2.2 可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置

傳統(tǒng)的橫移式副槍裝置的副槍中心線至軌道中心線的距離為2 000 mm左右，某廠氧槍中心線至高位料倉框架大梁的距離只有2 500 mm，如果采用此種結(jié)構(gòu)的橫移式副槍裝置，氧副槍中心線只有500 mm，副槍測量點不能滿足躲開氧槍吹煉火點區(qū)的要求。另外此橫移式副槍裝置的副槍會將整個氧槍通廊堵死，無法設(shè)置維修位更換氧槍。

考慮該轉(zhuǎn)爐爐口尺寸2 100 mm，兼顧氧副槍間距和副槍與爐口的間距，確定氧副槍間距700 mm，副槍離爐口邊緣350 mm。滿足工藝設(shè)計要求。

為適應(yīng)這種極小跨距的氧槍通廊，特開發(fā)了一種可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置。即在橫移式副槍的基礎(chǔ)上新增一個旋轉(zhuǎn)功能，使得測量的槍體可以伸出或是縮回。在橫移時將槍體縮回，以獲得更大的空間，測量時將槍體旋出，用以保證氧副槍的間距。在平面上，新增一個測量準備位，可以有效的解決氧槍通廊特別狹窄(3.3～4 m)而無法增設(shè)副槍裝置的難題，且利于車間內(nèi)其他設(shè)備的布置和維護，具有廣泛的適應(yīng)性。

可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置主要包括橫移小車、固定框架、升降軌道、滑輪組、主副小車等，如圖5所示。

圖5 可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置主視圖

橫移小車：包括設(shè)置在橫移小車下部的走行傳動裝置、上水平導(dǎo)輪；上部設(shè)有提升主、副小車的卷揚系統(tǒng)、以及驅(qū)動槍體旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置。橫移小車能夠帶動整個橫移式副槍裝置在測量準備位、連接位及維修位之間橫移。與傳統(tǒng)的橫移式副槍裝置相比，橫移小車上新增了用于驅(qū)動升降軌道旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)裝置。同時為了滿足工藝布置要求，縮減橫移小車在爐后方向的尺寸，該設(shè)備的傳動裝置采用一體化車輪組，結(jié)構(gòu)獨特緊湊，更換方便、安全可靠；安裝精度高、可輕松調(diào)整車輪的偏斜度和垂直度，不易導(dǎo)致車輪啃軌，同時優(yōu)化了車架結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，減輕了其重量，達到了節(jié)能降耗的目的。

固定框架：所述固定框架布置在橫移車裝置的下方，與橫移車裝置通過螺栓等連接件固定連接；與橫移車裝置同步橫移。固定框架下部設(shè)置了兩個下水平導(dǎo)輪，與軌道接觸用以減小輪壓，下部導(dǎo)輪設(shè)置成鉸軸，可繞鉸點轉(zhuǎn)動，確保下部導(dǎo)輪始終與軌道接觸?？朔松a(chǎn)及加工誤差。

滑輪組設(shè)置在升降軌道的上方，升降傳動裝置帶著升降小車及槍體在升降軌道上上下升降。升降軌道與固定框架通過設(shè)置在固定框架上的上下兩個旋轉(zhuǎn)鉸點進行連接；上下鉸點同心設(shè)置。升降軌道可在旋轉(zhuǎn)裝置的驅(qū)動下繞上下鉸點旋轉(zhuǎn)。

圖6 可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置俯視圖(軌道縮回)

圖7 可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置俯視圖(軌道伸出)

旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)置在橫移車裝置上，包括旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置及一個平面曲柄搖桿機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置為一多級減速電機，曲柄通過鍵連接在減速電機的輸出軸上，曲柄的另外一端與連桿鉸接；升降軌道作為搖桿與連桿的另外一端鉸接。通過旋轉(zhuǎn)裝置可以實現(xiàn)升降軌道在測量準備位及測量位之間轉(zhuǎn)化。

該裝置采用平面四桿機構(gòu)實現(xiàn)升降裝置在測量準備位及測量位之間的轉(zhuǎn)化，將直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)形式簡單緊湊，旋轉(zhuǎn)運行摩擦阻力小，設(shè)備運行平穩(wěn)，可靠度高。

2.3 其他改造項

新增的橫移式副槍裝置設(shè)置在高位料倉這一側(cè)，現(xiàn)有料倉平臺及頂部空間受限，需在現(xiàn)有料倉平臺上方新增副槍系統(tǒng)平臺，平臺高度為+43.6 m。如圖7所示。稱量斗平臺需考慮副槍下部橫移導(dǎo)軌的支撐，對局部平臺進行加固處理。為了獲得更多的高度空間，更換了氧槍吊及修改了汽化冷卻煙道的配管設(shè)計。

圖7 轉(zhuǎn)爐跨橫斷面圖

另外由于屬于老廠房改造，原有車間圖紙資料不全，現(xiàn)場條件復(fù)雜。新上副槍設(shè)備與原有管線和平臺干涉，對管線和平臺等進行了改造。

3 結(jié)論

本文對副槍技術(shù)進行了介紹，對老廠增設(shè)副槍的前提條件進行了詳細的分析。并針對氧槍通廊為3.3～4 m的轉(zhuǎn)爐煉鋼廠提出了一種新型的可旋轉(zhuǎn)的橫移式副槍裝置的解決方案。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)性廣。解決了絕大多數(shù)老鋼廠因氧槍通廊狹窄，周邊設(shè)備的布置情況復(fù)雜等特點以及生產(chǎn)條件等因素的制約，而無法增設(shè)副槍技術(shù)的困局。為老廠實現(xiàn)智能化煉鋼創(chuàng)造了前提條件。