中天1 500 m3高爐液壓泥炮的計(jì)算與分析

周金超

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 概述

高爐爐前操作的主要任務(wù)是及時(shí)地出凈鐵和渣，維護(hù)好鐵口和出鐵場機(jī)械設(shè)備。高爐爐前操作的質(zhì)量直接影響到高爐的正常生產(chǎn)。泥炮是高爐爐前的重要設(shè)備，用于高爐出鐵后將炮泥壓出以堵塞出鐵口。

以前泥炮多采用電動(dòng)泥炮，隨著冶煉強(qiáng)度的提高和無水泥炮的推廣，電動(dòng)泥炮在生產(chǎn)實(shí)踐中暴露出不少缺點(diǎn)，不能滿足鐵口作業(yè)要求。現(xiàn)在逐漸采用液壓泥炮，設(shè)備處于風(fēng)口平臺(tái)以下，不影響風(fēng)口平臺(tái)的完整性。

為了確保鐵口正常作業(yè)，對(duì)泥炮的主要要求為：①有足夠的打泥量，能有效地堵塞出鐵通道和修補(bǔ)爐缸前墻，使前墻厚度達(dá)到所要求的出鐵深度；有足夠的打泥推力，使泥塞對(duì)炮泥能產(chǎn)生較大的單位壓力，以克服爐內(nèi)壓力和出鐵口通道的阻力，把炮泥擠入出鐵口。②結(jié)構(gòu)緊湊，高度矮小，以改善爐前工人的操作條件，使鐵口附近的平臺(tái)可以連接起來，有利于更換風(fēng)口作業(yè)的機(jī)械化。③工作可靠，能適應(yīng)高爐爐前高溫、多粉塵、多煙氣的惡劣環(huán)境。④維修方便。如果零部件出現(xiàn)故障，應(yīng)能在兩次出鐵的間隔時(shí)間內(nèi)將炮身或某部件整體更換，以避免因泥炮故障而造成高爐休風(fēng)。

2 液壓泥炮的結(jié)構(gòu)

液壓泥炮主要有打泥機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、吊掛架裝配、控制連桿、斜底座等組成。液壓泥炮的優(yōu)點(diǎn)：打泥推力大，工作穩(wěn)定可靠，機(jī)構(gòu)簡單、緊湊，質(zhì)量輕。液壓泥炮的總裝如圖1所示。

液壓泥炮的運(yùn)行由兩個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)完成，由旋轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂完成旋轉(zhuǎn)作業(yè)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作完成時(shí)炮口自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)出鐵口，由打泥液壓缸驅(qū)動(dòng)打泥活塞完成打泥作業(yè)。在打泥期間，旋轉(zhuǎn)液壓缸同時(shí)擔(dān)負(fù)泥炮壓炮功能。

為了使炮身在壓炮狀態(tài)保持一定的傾斜度，炮身在離開出鐵口反向旋轉(zhuǎn)時(shí)又不致碰到鐵鉤溝幫，泥炮旋轉(zhuǎn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸線是傾斜的。當(dāng)炮嘴靠近出鐵口時(shí)，依靠四桿機(jī)構(gòu)使炮嘴做近似直線運(yùn)動(dòng)。

圖1 液壓泥炮的總裝圖

3 液壓泥炮的計(jì)算與分析

3.1 打泥機(jī)構(gòu)的計(jì)算

3．1．1 活塞對(duì)泥炮單位壓力的確定

由于采用無水泥炮，所以設(shè)計(jì)時(shí)取炮嘴出口處的壓力為8～10 MPa，在泥缸和過渡短管中的壓力損失為4～5 MPa，所以設(shè)計(jì)時(shí)泥塞對(duì)炮泥的單位壓p1取16 MPa滿足要求。

3．1．2 泥缸有效容積的確定

中國過去設(shè)計(jì)制造的電動(dòng)泥炮泥缸容積為0.2～0.3 m3。實(shí)踐證明，這個(gè)容積是偏大的。設(shè)計(jì)時(shí)取這個(gè)容積值的主要原因是這些泥炮在打泥過程中產(chǎn)生漏泥，為了可靠地堵住出鐵口，生產(chǎn)部門都要求用泥缸容積較大的泥炮。

解決漏泥問題和使用無水泥炮，可降低泥缸的有效容積。高爐容積在5 000 m3以下時(shí)，一般可取泥缸有效容積為0.2～0.3 m3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，泥缸的有效容積V1取0.25 m3即能滿足生產(chǎn)要求。

3．1．3 液壓缸直徑的計(jì)算

由于液壓泥炮的設(shè)計(jì)沒有標(biāo)準(zhǔn)化，所以在一些參數(shù)的確定上，只有通過以前設(shè)計(jì)者所設(shè)計(jì)的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)對(duì)相關(guān)泥炮的研究，初步擬定泥缸的直徑D1為0.5 m，炮嘴出鐵口的直徑D2為0.15 m。打泥機(jī)構(gòu)的計(jì)算如圖2所示。

圖2 打泥機(jī)構(gòu)的計(jì)算簡圖

液壓缸的直徑D0與泥缸直徑D1的關(guān)系為：

式（1）中：p1為泥塞對(duì)炮泥的單位壓力，MPa；p0為液壓缸的工作油壓，MPa。

工作油壓越高，泥炮的結(jié)構(gòu)越緊湊，在大高爐中p0=25 MPa，由（1）式得

3．1．4 液壓缸行程的計(jì)算

液壓缸的行程等于泥缸的行程，所以液壓缸的行程為：

式（2）中：V1為泥缸有效容積，m3；D1為泥缸的直徑，m。

3．1．5 打泥推力P的計(jì)算

打泥推力P的計(jì)算公式為：

3．1．6 泥塞移動(dòng)速度v1的計(jì)算

泥塞移動(dòng)速度v1的計(jì)算公式為：

式（3）中：t為打泥時(shí)間，一般取40～60 s。

3．1．7 炮嘴吐泥速度v2的計(jì)算

炮嘴吐泥速度v2的計(jì)算公式為：

式（4）中：D2為炮嘴出口處的內(nèi)徑，取150 mm。

由（4）式得：

所以，在本工程中炮嘴吐泥速度取為0.33 m/s是合適的，又由于液壓缸中的流量可以通過節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以炮嘴吐泥速度也是可調(diào)節(jié)的。

3.2 壓炮力的計(jì)算

滿足打泥過程中不退炮的條件是有足夠的壓炮力，克服炮嘴的最大打泥反力和壓緊力。

壓力炮的計(jì)算公式為：

式（5）中：P0為最小壓緊力，kN；Fmax為打泥時(shí)產(chǎn)生的對(duì)嘴炮的大嘴打泥反力。

最大打泥反力Fmax的計(jì)算公式為：

式（6）中：D2為嘴炮直徑，kN；p2為嘴炮出口處的炮泥壓力，MPa。

最小壓緊力是出現(xiàn)在最大打泥反力時(shí)，炮嘴對(duì)泥套的剩余壓炮力，一般為20～30 kN。

由（6）式得P=30+283=313 kN。

3.3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算

液壓泥炮旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算簡圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖（一）

當(dāng)活塞式往復(fù)液壓缸5帶動(dòng)V形桿點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，連桿3使泥炮轉(zhuǎn)臂2繞點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

3．3．1 旋轉(zhuǎn)裝置液壓缸活塞桿的受力分析

壓炮時(shí)的壓炮反力將通過相應(yīng)的桿件和旋轉(zhuǎn)液壓缸的活塞桿傳到泥炮基礎(chǔ)上，旋轉(zhuǎn)液壓缸活塞桿的最大受力發(fā)生在壓炮時(shí)。泥炮在打泥過程中，雖然增加了對(duì)炮身的打泥反力，但炮嘴與泥套間的壓緊力以與打泥反力相同的數(shù)量減少，所以，活塞桿的受力在打泥前和打泥過程中是不變的。

如果忽略桿件鎖軸的摩擦阻力，壓炮時(shí)桿件3的受力P3可由下式求出：

式（7）中：P為壓炮力；δ為壓炮時(shí)炮身與水平面所形成的傾角，10°；L為轉(zhuǎn)臂的長度，3.1 m；R為臂架同桿件3鉸點(diǎn)至回轉(zhuǎn)點(diǎn)O1的距離，0.65 m；θ為在壓炮位置時(shí)桿件3的位置角，26°。

計(jì)算簡圖（二）如圖4所示。

圖4 計(jì)算簡圖（二）

計(jì)算簡圖（三）如圖5所示。

圖5 計(jì)算簡圖（三）

由圖5可以得到活塞桿受力P6為：

式（8）中：n和Q分別為P3和P6到回轉(zhuǎn)點(diǎn)O2的力臂。

式（8）忽略了銷軸的摩擦阻力。由圖2～圖4可見：

根據(jù)液壓缸的樣本，選擇液壓缸的直徑為250 mm。

3．3．2 旋轉(zhuǎn)液壓缸行程的計(jì)算

計(jì)算簡圖（四）如圖6所示。

圖6 計(jì)算簡圖（四）

由圖6可以得到當(dāng)V形桿轉(zhuǎn)過β角度時(shí)液壓缸的行程為：

當(dāng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)角等于150°時(shí)，V形桿轉(zhuǎn)角等于68°，此時(shí)液壓缸的行程為：

經(jīng)過計(jì)算得到液壓泥炮的技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

表1 液壓泥炮的技術(shù)性能參數(shù)

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)液壓泥炮打泥機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的計(jì)算和分析，得出液壓泥炮性能參數(shù)的計(jì)算方法。此次設(shè)計(jì)的液壓泥炮已經(jīng)在中天1 500 m3高爐投入生產(chǎn)一年以上，運(yùn)行情況良好，得到了用戶的好評(píng)，同時(shí)對(duì)其他高爐泥炮的設(shè)計(jì)起到一定的理論參考作用。