開鐵口機(jī)設(shè)備及液電控制技術(shù)的研究

付光勇，李振明，康 敏

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司，陜西 西安 710201)

0 前言

開鐵口機(jī)屬現(xiàn)代化大型冶煉高爐的關(guān)鍵設(shè)備，專門用于高爐出鐵。開鐵口機(jī)使用鉆頭打通高爐的出鐵口通道，實(shí)現(xiàn)順利出鐵水。其工作性能的好壞直接決定了高爐生產(chǎn)是否穩(wěn)定、順行，能否正常按時出鐵，決定了整個煉鐵廠高爐的產(chǎn)量。

開鐵口機(jī)設(shè)備一般由鉆沖機(jī)構(gòu)、傾斜機(jī)構(gòu)、調(diào)整桿、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、基礎(chǔ)座、管路系統(tǒng)等組成。開鐵口機(jī)工作流程：當(dāng)開鐵口機(jī)處于待機(jī)位置時，回轉(zhuǎn)油缸供油，驅(qū)動回轉(zhuǎn)懸臂帶動鉆沖機(jī)構(gòu)一起旋轉(zhuǎn)，至鉆沖機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到主鐵溝中心線上方位置(鉆沖機(jī)構(gòu)中心線投影與主鐵溝中心線重合)時停止，傾斜機(jī)構(gòu)中傾斜油缸進(jìn)油，驅(qū)動鉆沖機(jī)構(gòu)傾斜(傾斜角度與鐵口通道角度一致)，此時鉆桿對準(zhǔn)出鐵口點(diǎn)，送進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動小車帶動鉆桿、鉆頭打通出鐵口通道(鉆桿安裝在鑿巖機(jī)上，鑿巖機(jī)可實(shí)現(xiàn)鉆桿的鉆削和沖擊功能)，實(shí)現(xiàn)順利出鐵。鐵口打開后，使小車迅速回退，傾斜油缸進(jìn)油，鉆沖機(jī)構(gòu)抬平，回轉(zhuǎn)油缸供油，使回轉(zhuǎn)懸臂帶動鉆沖機(jī)構(gòu)回到待機(jī)位置，重新更換鉆桿、鉆頭，以便下次開鐵口。

圖1 KJT型開鐵口機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1 開鐵口機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀

目前爐前開鐵口機(jī)設(shè)備在中小型高爐出鐵過程中基本滿足現(xiàn)場實(shí)際操作使用，由于大型高爐爐內(nèi)壓力高，鐵口通道長，通道內(nèi)炮泥含鐵渣較大，出鐵頻率較高，故對開鐵口機(jī)設(shè)備性能、操作模式安全性要求高，現(xiàn)有開鐵口機(jī)在大型高爐爐前使用過程存在著較多問題，對高爐正常出鐵、規(guī)模產(chǎn)量有一定影響，同時使?fàn)t前區(qū)域存在安全隱患。

1.1 鉆沖機(jī)構(gòu)水平調(diào)節(jié)問題

鉆沖機(jī)構(gòu)與傾斜機(jī)構(gòu)通過螺栓固定為一體，傾斜機(jī)構(gòu)通過軸承與回轉(zhuǎn)懸臂頭部連接，當(dāng)鉆沖機(jī)構(gòu)處于工作位而鉆頭不能對準(zhǔn)出鐵口時，只能通過調(diào)整桿驅(qū)動傾斜機(jī)構(gòu)帶動鉆沖機(jī)構(gòu)繞著回轉(zhuǎn)懸臂頭部旋轉(zhuǎn)軸擺動，從而使鉆頭與出鐵口重合，無法使鉆沖機(jī)構(gòu)產(chǎn)生平動，這樣調(diào)節(jié)會導(dǎo)致鉆桿中心線與鐵溝中心線產(chǎn)生夾角(正確開孔狀態(tài)：鉆頭對準(zhǔn)出鐵口，鉆桿中心線與鐵溝中心重合)，在開孔過程中會導(dǎo)致鉆孔偏離鐵口通道方向，從而破壞鐵口通道。

1.2 鉆桿開孔過程中擾度及擺動幅度大

由于鉆桿較長，鉆桿后端與鑿巖機(jī)接手固定，前端在擋火板溝槽內(nèi)受溝槽支撐，鉆桿中部無支撐，當(dāng)鉆桿工作時，由于進(jìn)給力、切削力、沖擊力等會導(dǎo)致鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中擾度太大，且容易從擋火板溝槽內(nèi)蹦出，從而影響正常開孔。

1.3 鑿巖機(jī)驅(qū)動鉆孔開孔耗時

大型高爐鐵口通道長，炮泥硬度大，鉆頭磨損較嚴(yán)重，打開鐵口通道耗時長，需要半小時至1小時(開孔過程中有時候需要更換鉆頭)，嚴(yán)重影響出鐵水的產(chǎn)量。

1.4 鉆桿鉆孔深度無檢測裝置

鉆孔深度直接影響開鐵口時的勞動強(qiáng)度和成本，精確測量開鐵口機(jī)鉆孔深度能夠保證鐵口深度的穩(wěn)定，現(xiàn)有的開鐵口機(jī)鉆孔深度都是通過直觀目測粗略估算，無法實(shí)現(xiàn)精確測量，從而導(dǎo)致鉆孔過淺或過深，多次開鐵口及鉆桿損壞等問題，不利于維護(hù)鐵口通道的穩(wěn)定性。

1.5 設(shè)備運(yùn)行的沖擊力

當(dāng)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)至末端時，因速度較快導(dǎo)致停止的瞬間慣性產(chǎn)生巨大的沖擊力(大型開鐵口機(jī)設(shè)備重量一般在23～25 t)，會造成對整個設(shè)備強(qiáng)大的沖擊力，對設(shè)備本體、連接件、軸承、油缸等產(chǎn)生破壞，大大降低設(shè)備的使用壽命，從而增加維護(hù)、檢修的成本。

1.6 傾斜機(jī)構(gòu)干涉

開鐵口機(jī)整個回轉(zhuǎn)過程中，傾斜油缸有桿腔始終保壓以提供足夠的力矩使鉆沖機(jī)構(gòu)處于抬平狀態(tài)，充分保證鉆沖機(jī)構(gòu)能繞開下方的鐵溝蓋，若連接傾斜油缸的軟管受高溫?zé)彷椛洚a(chǎn)生破損，會導(dǎo)致傾斜油缸失壓，鉆沖機(jī)構(gòu)自動傾斜，與鐵溝蓋或錨鉤座等直接碰撞，出現(xiàn)安全事故。

1.7 開鐵口機(jī)設(shè)備操作方式

目前采用手動操作模式，即操作者在液壓操作室操作手柄實(shí)現(xiàn)開鐵口機(jī)各種動作要求，以便順利打開鐵口。液壓操作室遠(yuǎn)離鐵口，位置固定，觀察范圍狹窄、角度單一，故操作者無法準(zhǔn)確了解設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)(開孔速度、小車前進(jìn)速度、鉆桿旋轉(zhuǎn)速度及沖擊能力等)是否合理，有可能操作失誤，影響鐵口通道的順利打開。

2 開鐵口機(jī)最新技術(shù)研究成果

針對目前市場上爐前開鐵口機(jī)設(shè)備存在的各種問題，對設(shè)備進(jìn)行技術(shù)革新，使其滿足大型高爐爐前開口工藝要求。

2.1 鉆沖機(jī)構(gòu)擺動滑道技術(shù)

如圖2所示，鉆沖機(jī)構(gòu)與傾斜機(jī)構(gòu)安裝固定為一體，擺動滑道架與懸臂通過上下軸承連接，傾斜機(jī)構(gòu)擔(dān)置于擺動滑道架兩邊凸緣上，并能在該凸緣式滑道上移動(即傾斜機(jī)構(gòu)帶動鉆沖機(jī)構(gòu)可在滑道上進(jìn)行平動)。

當(dāng)回轉(zhuǎn)懸臂到工作位置時，如此時鉆沖機(jī)構(gòu)與鐵溝中心線相交產(chǎn)生角度偏差，可通過調(diào)節(jié)調(diào)整桿來推動擺動滑道架帶著鉆沖機(jī)構(gòu)繞著懸臂前端立軸擺動，直到鉆沖機(jī)構(gòu)與鐵溝中心線重合或者平行為止。若為平行狀態(tài)，則推動傾斜機(jī)構(gòu)帶著鉆沖機(jī)構(gòu)沿著滑道架平行移動，直到鉆沖機(jī)構(gòu)與鐵溝中心線重合為止。當(dāng)鉆頭對準(zhǔn)出鐵口時，該結(jié)構(gòu)形式可始終保持鉆桿中心線與鐵口通道中心線重合，開孔時不會產(chǎn)生偏離，從而更好的保護(hù)鐵口通道。

圖2 擺動滑動結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 鉆桿夾鉗及鉆桿扶持技術(shù)

如圖3所示，夾鉗機(jī)構(gòu)前支座固定于軌梁前端，后支座固定在軌梁上面，通過油缸驅(qū)動桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉗子的張開與閉合，扶持機(jī)構(gòu)為可移動式的托鉤裝置，支撐鉆桿，具有防鉆桿反彈的壓板裝置。

開鐵口機(jī)鉆孔時，夾鉗處于閉合狀態(tài)(閉合程度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場鉆桿大小而定，夾鉗閉合時，必須保證與鉆桿間有間隙，方便鉆桿旋轉(zhuǎn)及移動)，當(dāng)鏈條帶動行走小車前行時，同時也帶動夾持機(jī)構(gòu)前行，始終保持扶持機(jī)構(gòu)約處于鉆桿中部位置，避免了鉆桿在鉆孔過程中部無支撐，擾度、擺動大的問題，有利于鉆桿平穩(wěn)開孔。

圖3 鉆桿夾鉗及鉆桿扶持結(jié)構(gòu)簡圖

2.3 高頻率沖擊的鑿巖機(jī)及霧化技術(shù)

采用高頻沖擊、高轉(zhuǎn)速、大扭矩的鑿巖機(jī)，當(dāng)鐵口通道很順暢時，通過高轉(zhuǎn)速、大切削力進(jìn)行開孔，當(dāng)切削阻力增大時，采用高頻率低沖擊功與切削同時進(jìn)行，保護(hù)鐵口通道不被大沖擊震動破壞，形成規(guī)則光滑的細(xì)長孔道，也有利于后期炮泥封堵鐵口通道。

水霧化開鐵口技術(shù)屬于新興爐前開口技術(shù)，對無水炮泥效果尤其顯著，在鉆進(jìn)過程中給予鉆頭良好的冷卻,可確保一個鉆頭完成開口，無須中途更換，顯著提高鉆進(jìn)效率,降低鉆桿、鉆頭消耗，正常開孔時間控制在6～10分鐘。

氣霧柜是水霧化開鐵口技術(shù)的必配設(shè)備，其功能有：

(1)吹掃冷卻。壓縮空氣吹入鑿巖機(jī)后形成氣流循環(huán)，吹出時帶走機(jī)體熱量，起到冷卻作用；

(2)油霧潤滑。壓縮空氣流經(jīng)油霧器，形成油霧，吹在鑿巖機(jī)內(nèi)需要潤滑的部位，形成油膜，對運(yùn)動部位潤滑作用；

(3)水霧冷卻鉆頭及降塵。高壓水在鑿巖機(jī)內(nèi)與壓縮空氣相遇后，形成水霧，通過機(jī)內(nèi)管道，從鉆頭吹出，與開口產(chǎn)生的煙塵混合，起到冷卻、降塵作用。

氣霧柜使鑿巖機(jī)更加高效，穩(wěn)定的工作；提高開孔效率，降低釬具消耗；減少煙塵，并延長鑿巖機(jī)使用壽命。

2.4 緩沖、限位技術(shù)

如圖4所示，回轉(zhuǎn)懸臂兩側(cè)安裝有調(diào)整螺桿，緩沖架安裝在固定基礎(chǔ)架兩側(cè)(即回轉(zhuǎn)懸臂處于工作位置和待機(jī)位置處)，緩沖架上安裝有緩沖器及固定塊，緩沖器采用液壓緩沖或機(jī)械緩沖。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動懸臂旋轉(zhuǎn)到工作位置或待機(jī)位置時，懸臂側(cè)面的調(diào)整螺桿先與緩沖器接觸，以消除整個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)慣性沖擊力，另一調(diào)整螺桿再與固定塊接觸，以便對懸臂位置精確定位(調(diào)整螺桿的伸出長短可根據(jù)懸臂具體位置進(jìn)行調(diào)節(jié))，該技術(shù)可解決回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊力對設(shè)備整體破壞問題，可使整個設(shè)備運(yùn)行較為穩(wěn)定，延長設(shè)備使用壽命，同時可精確定位懸臂工作位置，避免油缸行程定位懸臂位置誤差較大問題。

圖4 緩沖結(jié)構(gòu)簡圖

2.5 液電控制技術(shù)

(1)鉆孔深度檢測裝置。針對現(xiàn)有開鐵口機(jī)無鉆孔深度檢測裝置的弊端，利用旋轉(zhuǎn)編碼器測量位移功能(編碼器安裝在送進(jìn)馬達(dá)出軸上，將馬達(dá)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)轉(zhuǎn)化為直線位移)和鉆孔臨界開通時壓差原理，采用開鐵口機(jī)鉆孔深度測量裝置。該裝置由絕對值編碼器及壓力變送器、PLC硬件及軟件、智能顯示儀表三部分組成其工作流程如圖5所示。

圖5 檢測裝置工作流程

該測量裝置能確保開鐵口機(jī)鉆孔深度的準(zhǔn)確測量，為高爐爐前開鐵口機(jī)鉆孔操作提供參考依據(jù)，指導(dǎo)爐前工人正確的操作泥炮，保證生產(chǎn)順利進(jìn)行，降低成本，提高高爐使用壽命。

(2)傾斜油缸的壓力平衡。針對液壓油軟管受高溫?zé)彷椛洚a(chǎn)生破損，導(dǎo)致傾斜油缸無法保壓而出現(xiàn)鉆沖機(jī)構(gòu)自動傾斜的問題，利用液壓安全平衡閥的原理，將平衡閥與溢流閥組合為一體，直接安裝在傾斜油缸有桿腔進(jìn)油口處，在無桿腔不主動供油情況下，有桿腔始終處于保壓狀態(tài)，不受油缸外界管路的影響，其工作原理如5所示。

該傾斜油缸平衡閥在回轉(zhuǎn)過程中可始終保持鉆沖機(jī)構(gòu)處于抬平狀態(tài)，避免與下方的鐵溝蓋干涉，使開鐵口機(jī)設(shè)備處于安全運(yùn)行狀態(tài)，避免事故發(fā)生。

圖6 傾斜油缸平衡閥原理圖

(3)遙控操作技術(shù)。由于手動操作模式的弊端性，最新操作模式采用遙控形式，遙控系統(tǒng)用于對開鐵口機(jī)設(shè)備的無線控制，無線控制系統(tǒng)包括遙控接收裝置和便攜式遙控器發(fā)射裝置。在遙控操作模式下，先啟動遙控器，等一切正常后，再推動遙控器上的相應(yīng)手柄或按鍵以完成相應(yīng)的動作(需將用于遙控操作的液壓手動閥全部升級為電磁閥，方可采用遙控器控制閥的啟動，關(guān)停)，待機(jī)械設(shè)備完成工作后將設(shè)備選擇開關(guān)打到卸荷位置即可。

遙控操作可由一持遙控器者前往出鐵現(xiàn)場操作，此時操作人員可以非常清楚的觀察高爐的開鐵口情況，操作更加方便、準(zhǔn)確，可有效的提高工作效率，減少不必要的操作失誤，安全得到保證。

3 開鐵口機(jī)設(shè)備及液電技術(shù)發(fā)展趨勢

(1)全自動化操作技術(shù)。高爐出鐵時伴隨高溫、粉塵、噪音等各種因素，使出鐵場環(huán)境相當(dāng)惡劣，不利于工人在現(xiàn)場操作設(shè)備，同時每個操作者技術(shù)水平有較大差異也會影響開鐵口的效率及安全，伴隨工業(yè)自動化的全面發(fā)展，未來開鐵口機(jī)操作方式應(yīng)趨于全自動操作模式。自動模式對操作人員來說是最好的支持，根據(jù)設(shè)定好的工藝參數(shù)和工藝程序編制程序，設(shè)備的操作順序和功能均是全自動的。操作員只需輸入開始信號，所有其它動作和功能都根據(jù)存儲在PLC程序中的參數(shù)、設(shè)定來完成，操作員僅對整個鉆孔過程負(fù)有監(jiān)督作用，不會影響出鐵過程。

(2)自動換桿技術(shù)。爐前開鐵口機(jī)自動化操作不含其輔助設(shè)備——換桿機(jī)，并沒有完全實(shí)現(xiàn)真正意義上的全自動化，需人工更換開鐵口機(jī)鉆桿。自動換桿機(jī)為爐前輔助設(shè)備，其主要功能是給開鐵口機(jī)更換鉆桿，減少爐前操作員長期在惡劣環(huán)境下工作，也可避免鉆桿使用后因?yàn)楦邷囟鵁o法靠近的情況，保證其人身安全。未來應(yīng)對自動換桿機(jī)進(jìn)行研發(fā)設(shè)計(jì)，并對液壓、電控系統(tǒng)等進(jìn)行升級優(yōu)化，使?fàn)t前所有設(shè)備按照爐前工藝要求實(shí)現(xiàn)自動化操作，以便實(shí)現(xiàn)真正意義上的爐前全自動化操作。