高爐液壓泥炮吊掛機構(gòu)螺栓斷裂原因分析及處理

吳建華

(上海梅山鋼鐵股份有限公司煉鐵廠 江蘇南京210039)

1 前言

YP6000E型液壓泥炮［2］(見圖1)被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)3200m3及以上大型高爐，在寶鋼1號高爐和梅鋼4號高爐使用中發(fā)現(xiàn)泥炮對中不穩(wěn)定，且泥炮吊掛機構(gòu)多次出現(xiàn)螺栓斷裂現(xiàn)象，嚴重影響了高爐的正常生產(chǎn)。為了盡快解決這一難題，對吊掛機構(gòu)螺栓斷裂原因進行了仔細分析，提出了解決措施，并在實施過程中進行多次改進，最終使泥炮對中不穩(wěn)定的問題得到了徹底解決，避免了吊掛機構(gòu)螺栓斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，保障了高爐的正常生產(chǎn)。

2 YP6000E型液壓泥炮結(jié)構(gòu)及工作原理

梅鋼4號高爐YP6000E型液壓泥炮裝機為左式2臺，右式2臺。每臺泥炮單重約35t，為斜立柱矮身結(jié)構(gòu)，布置在開鐵口機下方。

設(shè)備的運行由兩個液壓缸驅(qū)動完成［1］，由回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動轉(zhuǎn)臂完成回轉(zhuǎn)動作，回轉(zhuǎn)動作完成時炮口自動對準出鐵口，具有轉(zhuǎn)炮兼壓炮的功能。由打泥液壓缸驅(qū)動打泥活塞完成打泥作業(yè)，在打泥期間，回轉(zhuǎn)液壓缸同時擔負泥炮壓炮功能。打泥油缸為活塞桿不動缸體運動的形式，可有效保護活塞桿及油缸密封。

吊掛機構(gòu)是聯(lián)接回轉(zhuǎn)機構(gòu)和打泥機構(gòu)的裝置，調(diào)整機構(gòu)通過它調(diào)整炮嘴的左右中心，緩沖器也通過它調(diào)整炮嘴的上下中心。

這種泥炮的調(diào)整機構(gòu)使炮嘴接近鐵口時速度下降且軌跡近似直線，調(diào)整機構(gòu)采用碟簧預(yù)緊，可以緩沖設(shè)備在減速時的力量變化［3］。緩沖器同樣采用碟簧預(yù)緊，可以緩沖吸收炮嘴與鐵口接觸時產(chǎn)生的沖擊力。

圖1 YP6000E型液壓泥炮

3 泥炮吊掛機構(gòu)螺栓斷原因分析

梅鋼爐前操作人員在對4號高爐1號鐵口進行常規(guī)維護時用泥炮試堵鐵口，泥炮堵上鐵口時，傳出異響，操作人員立即退炮，泥炮打泥機構(gòu)頭部突然下墜，操作人員將泥炮強行退出鐵溝，并立即聯(lián)系點檢人員，點檢人員到現(xiàn)場檢查并聯(lián)系檢修人員進行搶修。

打開吊掛機構(gòu)上蓋發(fā)現(xiàn)8顆M36的內(nèi)六角圓柱頭螺栓(見圖2序號7)全部斷裂，僅2顆斷裂的螺栓能夠取出，其他6顆斷裂的螺栓無法取出，且中間的平鍵(見圖2序號4)已翻邊破損，導(dǎo)致設(shè)備停機24小時。搶修完成后，在對其他3臺泥炮吊掛機構(gòu)檢查發(fā)現(xiàn)平鍵均有較大的翻邊破損和螺栓受到?jīng)_擊的現(xiàn)象。

通過對吊掛機構(gòu)(見圖2)進行分析，打泥機構(gòu)懸掛在鞍座上，而鞍座通過半環(huán)鍵(序號5)掛在回轉(zhuǎn)機構(gòu)上。上蓋通過8顆M36的內(nèi)六角圓柱頭螺栓固定在鞍座上，為了防止轉(zhuǎn)動兩者之間加了寬度為20mm的鍵，在上蓋和打泥機構(gòu)之間用1個緩沖器進行連接，以調(diào)整打泥機構(gòu)炮頭的高低，并減緩堵口時產(chǎn)生的沖擊力。通過分析發(fā)現(xiàn):泥炮接觸鐵口時，回轉(zhuǎn)機構(gòu)會停止轉(zhuǎn)動和炮嘴停止前進，回轉(zhuǎn)機構(gòu)停止轉(zhuǎn)動時打泥機構(gòu)的慣性力會傳遞到鞍座上，通過平鍵傳遞到上蓋上，然后傳到調(diào)整機構(gòu)上，依靠調(diào)整機構(gòu)的碟簧緩沖。炮嘴撞上鐵口產(chǎn)生的沖擊力會最終傳遞到緩沖器上，打泥機構(gòu)、鞍座、平鍵、上蓋、緩沖器組成一個閉環(huán)，力量最終靠回轉(zhuǎn)大臂和緩沖器吸收。所以如果平鍵失效，設(shè)備停止轉(zhuǎn)動時的慣性力傳遞到調(diào)整機構(gòu)的力量和炮嘴接觸時產(chǎn)生的沖擊力都集中傳遞到螺栓上，螺栓受剪切力而斷裂。同時通過受力分析計算后發(fā)現(xiàn)平鍵強度不足，所以平鍵使用一段時間后極易翻邊失效，而導(dǎo)致聯(lián)接螺栓發(fā)生斷裂事故。

圖2 泥炮吊掛機構(gòu)

4 泥炮吊掛機構(gòu)螺栓斷裂處理對策

4．1 應(yīng)急處理措施

在這次設(shè)備故障中，由于泥炮吊掛機構(gòu)上蓋的8顆M36的內(nèi)六角圓柱頭螺栓全部斷裂，僅2顆斷裂的螺栓能夠取出，其他6顆斷裂的螺栓無法取出，且鐵口上方?jīng)]有吊點和更換泥炮的專用小車及軌道，做這些準備工作及更換泥炮共需5天左右時間，為了不影響生產(chǎn)，制定了緊急處理的辦法:加工一根階梯軸，將上蓋加工一個φ100mm孔，通過這根階梯軸用焊接的方法將上蓋和鞍座連接起來，再將取出斷裂螺栓的位置補上螺栓。這樣泥炮因堵鐵口產(chǎn)生的力不需通過平鍵和螺栓，而直接通過階梯軸傳遞到上蓋，然后再由上蓋傳遞到緩沖器上。處理好后，泥炮使用1個月后因焊接處產(chǎn)生裂紋和炮嘴對中不穩(wěn)而更換。

4．2 改進措施

4．2．1 初步改進措施

緊急處理好上蓋螺栓后，將平鍵寬度由20mm改為80mm，將螺栓由8顆M36變?yōu)?顆M42。

目前4號高爐泥炮只能在一次動作中以一種速度堵口，泥炮堵口產(chǎn)生的沖擊力較大，對鐵口維護和設(shè)備本體的壽命都有極大的損害。寶鋼1號高爐泥炮與梅鋼4號高爐泥炮屬于同一型號的泥炮由同一廠家設(shè)計制造，由轉(zhuǎn)炮機構(gòu)和打泥機構(gòu)組成，液壓控制系統(tǒng)與梅鋼液壓控制系統(tǒng)相同，采用是比例閥控制，但在電氣控制上多了一個編碼器，使轉(zhuǎn)炮機構(gòu)能實現(xiàn)以較慢的速度啟動，以較快速度跨過主溝，再以最快的速度使炮嘴沖過鐵水，炮嘴與鐵口中心同軸后，直線運動，在靠近鐵口100mm時，通過比例閥控制流量來降低轉(zhuǎn)炮速度堵口，堵口聲音很輕。轉(zhuǎn)炮整個運轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)，沒有因為速度變化產(chǎn)生抖動，對設(shè)備也是個保護，有利于延長泥炮使用壽命。因此梅鋼借鑒了這一技術(shù)，考慮到工況及費用問題將編碼器改為接近開關(guān)。

4．2．2 二次改進措施

吊掛機構(gòu)改進前如圖3，在完成吊掛機構(gòu)的改進后(見圖4)，利用爐前鐵口定修將4臺泥炮逐一換下改進。但在調(diào)試接近開關(guān)期間，發(fā)現(xiàn)炮嘴對鐵口中心不穩(wěn)，雖經(jīng)多次排查也未找到原因，后經(jīng)推論認為上蓋雖通過6只M42的螺栓固定在鞍座上，為了防止轉(zhuǎn)動兩者之間又加了80mm的鍵，但安裝鍵時不可能做到過盈配合，使用一段時間后配合間隙會越來越大，當鍵有±0．1°的變化，炮頭將有±5．8mm的變化，為了解決這一問題，在上蓋和鞍座之間焊3塊厚度為30mm鋼板:300×500、150×500和150×500成“工”字形，使得鞍座與上蓋直接形成一個整體，泥炮撞擊鐵口產(chǎn)生的沖擊力均不通過平鍵和螺栓。隨后困擾1個月的問題得以解決。

圖3 改進前

圖4 改進后

4．2．3 最終改進措施

隨著對這些問題的進一步認識，再結(jié)合梅鋼3號高爐泥炮(DDS泥炮)的設(shè)計思路，建議加強平鍵的受力面積和材料強度，采用過盈裝配;同時將調(diào)整機構(gòu)直接連接在打泥機構(gòu)上，泥炮在撞擊鐵口時平鍵只承受一個方向的力量，停止時打泥機構(gòu)的慣性力直接傳遞到調(diào)整機構(gòu)上，徹底解決螺栓承受剪切力和泥炮因吊掛機構(gòu)造成炮嘴對中不穩(wěn)的問題。將調(diào)整機構(gòu)直接連接在打泥機構(gòu)上的設(shè)計方式在梅鋼5#高爐(爐容4070m3)爐前進行了應(yīng)用實踐，高爐自2012年6月投產(chǎn)至今，爐前泥炮未出現(xiàn)類似故障。這也是6000型泥炮在國內(nèi)外大型高爐首次成功應(yīng)用此種設(shè)計方式。

5 結(jié)束語

液壓泥炮是高爐爐前作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)事故對高爐生產(chǎn)的影響非常大，所以在日常使用過程中需要不斷提高對設(shè)備的認識，才能在以后的使用中用得更加順利。通過對這個問題的處理，認識到泥炮炮嘴的運行軌跡是靠調(diào)整機構(gòu)控制的，由于設(shè)備運行速度比較快，調(diào)整機構(gòu)傳遞的力量相應(yīng)也比較大，這個力量可以通過過盈配合的鍵來傳遞到鞍座再到打泥機構(gòu)上，但當無法達到過盈配合裝配時，力量會傳遞到螺栓上去，螺栓是無法傳遞如此巨大的剪應(yīng)力的，而且伴隨有比較大的沖擊，所以不如將調(diào)整機構(gòu)的力量直接傳遞到打泥機構(gòu)上，就避免了這個問題的出現(xiàn)。如果國內(nèi)其它廠家出現(xiàn)類似問題或者有這樣的缺陷，不妨采用這個方法，早日將事故扼殺在萌芽狀態(tài)。

［1］吳宗澤主編．機械設(shè)計實用手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1999．

［2］嚴允進主編．煉鐵機械(第二版)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1990．

［3］汪海濤．冶金機械設(shè)計手冊［S］．北京:中國科技文化出版社，2006．