液壓泥炮打泥量精準(zhǔn)控制研究與應(yīng)用

供稿|劉慶濤，張守喜

內(nèi)容 導(dǎo) 讀

為了解決機(jī)械傳動(dòng)指針式高爐液壓泥炮打泥量裝置只能估測(cè)打泥量、偏差大、無(wú)法準(zhǔn)確控制鐵口深度的難題，采取了將齒輪流量計(jì)串聯(lián)在打泥液壓缸的無(wú)桿腔油路上，用編碼器和計(jì)算機(jī)運(yùn)算，數(shù)字顯示的方法，實(shí)現(xiàn)液壓泥炮打泥量全程、時(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)容積監(jiān)控，從而達(dá)到精確控制打泥量。不僅解決了液壓泥炮打泥量不準(zhǔn)確問(wèn)題，鐵口平均合格率由原來(lái)65%提高至98.5%，每次打泥量的誤差控制在0.001 m3以內(nèi)，而且提高了炮泥的使用率，減少炮泥的使用量，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，我國(guó)對(duì)高爐液壓泥炮打泥量的研究集中在機(jī)械傳動(dòng)重錘式、鋼繩傳動(dòng)式[1]、指針式等方面[2]，但是，這些研究局限性在于只能估測(cè)打泥量，偏差大，無(wú)法準(zhǔn)確控制鐵口深度。然而，打泥量的多少直接影響高爐的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。打泥量過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)鐵口深度過(guò)深、下次鐵口難開、嚴(yán)重浪費(fèi)炮泥；打泥量過(guò)少，造成鐵口過(guò)淺、出鐵時(shí)間短、嚴(yán)重影響爐缸的壽命[3]。國(guó)外文獻(xiàn)分析打泥量時(shí)，大多只給出了相關(guān)結(jié)論，而沒(méi)有說(shuō)明具體的計(jì)算方法[4]。因此，研究液壓泥炮打泥量精準(zhǔn)控制很有必要。

傳統(tǒng)打泥量裝置及精度分析

機(jī)械傳動(dòng)式打泥量裝置

裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

圖1為機(jī)械傳動(dòng)式打泥量裝置。由圖1可見，炮身尾部裝有鋼絲繩-滑輪-重錘式打泥行程指式器，用以顯示打泥量的相對(duì)值，由于采用了動(dòng)、靜滑輪結(jié)構(gòu)，故行程指示器指針的全行程為打泥活塞全行程。打泥液壓缸活塞桿向前移動(dòng)，帶動(dòng)鋼絲繩傳動(dòng)，鋼絲繩經(jīng)過(guò)繩輪組成的滑輪組，帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小即為檢測(cè)打泥量的多少。它是通過(guò)傳動(dòng)件的位移量來(lái)估測(cè)打泥量，估值偏差大，無(wú)法準(zhǔn)確控制鐵口深度。打泥量行程指示，檢測(cè)的只是打泥液壓缸活塞桿產(chǎn)生的位移，而不是液壓泥炮實(shí)際射入鐵口炮泥的量。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)打泥量裝置

性能參數(shù)

液壓泥炮采用機(jī)械指針式打泥量裝置設(shè)計(jì)，其動(dòng)作原理是由兩個(gè)往復(fù)式活塞液壓缸完成旋轉(zhuǎn)、壓炮、炮身傾斜、打泥等各種動(dòng)作。為了使炮口在壓炮狀態(tài)保持向下傾斜10°±5°，且炮身在離開出鐵口反向旋轉(zhuǎn)時(shí)又不致碰到鐵溝溝幫，液壓泥炮旋轉(zhuǎn)軸是傾斜的。直徑8 mm鋼絲繩穿過(guò)液壓泥炮尾部端蓋，由3組滑輪導(dǎo)向，把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)閳A周運(yùn)動(dòng)，表盤分為12格，每格代表打泥量0.025 m3，液壓泥炮旋轉(zhuǎn)角度為114°±5°，打泥時(shí)間為75 s，其主要技術(shù)性能參數(shù)如表1所示。

表1 本鋼4747 m3高爐液壓泥炮性能參數(shù)

打泥量精度低原因分析

人為操作原因

由于爐前操作者技能、經(jīng)驗(yàn)和視力不一致，以及對(duì)鐵口狀況掌握程度不一致，每名操作者觀察表針的角度不同，讀數(shù)各不相同，每次憑操作者個(gè)人經(jīng)驗(yàn)判斷進(jìn)行打泥操作，結(jié)果造成打泥量過(guò)大或過(guò)少。操作原因是造成鐵口深度不合格的主要原因，危害極大。

現(xiàn)場(chǎng)原因

出鐵后爐前堵鐵口作業(yè)在液壓泥炮操作室，通過(guò)遠(yuǎn)距離觀察現(xiàn)場(chǎng)液壓泥炮上安裝的打泥行程指示，由于鐵口周圍煙塵、灰塵、粉塵大，視線差、看不清，造成讀數(shù)偏差太大，可操作性差，鐵口深度的控制主要靠操作人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷?，F(xiàn)場(chǎng)原因不可避免，雖然不是主要原因，但是危害較大。

其它特殊原因

液壓泥炮堵鐵口過(guò)程中，遇到爐況失常造成鐵口噴吹，裸露的鋼絲繩掛渣鐵卡住或者被渣鐵燒斷；有時(shí)遇到鐵溝潮濕放炮，崩壞表盤、燒毀表針，此時(shí)操作者無(wú)任何參照物，只能憑借打泥時(shí)間來(lái)判斷打泥量多少。這種情況一旦發(fā)生，操作者為了避免堵不上鐵口多打泥，會(huì)出現(xiàn)鐵口深度過(guò)深，下次鐵口難開，不僅嚴(yán)重浪費(fèi)炮泥，而且加大設(shè)備維護(hù)工作量。

改進(jìn)措施及實(shí)施效果

改進(jìn)措施

打泥液壓缸控制回路改進(jìn)

圖2為打泥液壓控制回路改進(jìn)前、后對(duì)比示意圖，圖內(nèi)P為高壓油，T為回油，A為液壓缸無(wú)桿腔，B為液壓缸有桿腔，a為電磁閥左電磁鐵，b為電磁閥右電磁鐵，X為控制油口，Y為控制油回油口。

由圖2(a)改進(jìn)前示意圖可見，電磁換向閥得電使雙向液壓鎖打開，同時(shí)，比例閥電磁鐵b得電，打泥液壓缸活塞桿向外伸出，牽著鋼絲繩經(jīng)過(guò)滑輪組，帶動(dòng)指針旋轉(zhuǎn)，指針轉(zhuǎn)動(dòng)角度的大小即為打泥量的多少[5]。從圖中可以看出，液壓泥炮的打泥活塞與打泥液壓缸的活塞桿剛性連接，打泥液壓缸活塞桿向外伸出的位移，即為液壓泥炮泥塞走過(guò)的行程。據(jù)此，對(duì)打泥液壓缸液壓控制回路進(jìn)行改進(jìn)，將齒輪流量計(jì)串聯(lián)在打泥液壓缸的無(wú)桿腔油路上[6]，同時(shí)，用編碼器記錄下齒輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)數(shù)輸送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)按照設(shè)定的程序累加，把進(jìn)入打泥液壓缸無(wú)桿腔液壓油的流量過(guò)濾、轉(zhuǎn)換、處理，生成液壓泥炮打泥量，通過(guò)數(shù)字顯示儀顯示出來(lái)，如圖2(b)改進(jìn)后示意圖所示[7]。

圖2 打泥液壓缸控制回路改進(jìn)前、后對(duì)比：(a)改進(jìn)前；(b)改進(jìn)后

打泥量計(jì)算公式推導(dǎo)

通過(guò)對(duì)液壓泥炮在線使用工況條件及打泥量不準(zhǔn)確的原因進(jìn)行分析，找出解決問(wèn)題的方案，根據(jù)流體力學(xué)“帕斯卡”原理[8]，對(duì)打泥液壓缸液壓控制回路進(jìn)行改造，改造后的示意圖如圖3所示。

圖3中打泥液壓缸移動(dòng)的公共位移L，為液壓泥炮打泥活塞的行程。通過(guò)介質(zhì)-液壓油流量進(jìn)行理論計(jì)算，最終推導(dǎo)出打泥量計(jì)算公式[9]。

圖3 打泥量計(jì)算示意圖

則有：

由(1)得：

由式(2)～(3)得：

式中：L為公共位移；Vn為液壓泥炮打泥量；D為液壓泥炮打泥活塞的直徑(已知)；d為打泥液壓缸活塞的直徑(已知)；Vy為進(jìn)入打泥液壓缸無(wú)桿腔液壓油的容積；Vc為齒輪流量計(jì)的齒輪幾何容量(單轉(zhuǎn)排量已知)；η為齒輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)數(shù)。

由式(4)可知，由齒輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)數(shù)，就可以計(jì)算出液壓泥炮打泥量。在液壓泥炮向高爐鐵口射炮泥過(guò)程中，編碼器恰恰能夠通過(guò)正弦波脈沖信號(hào)記錄下齒輪流量計(jì)的轉(zhuǎn)數(shù)，齒輪流量計(jì)每轉(zhuǎn)一圈通過(guò)的流量即為齒輪流量計(jì)的齒輪幾何容量(單轉(zhuǎn)排量已知)，即一個(gè)脈沖信號(hào)相當(dāng)于一次齒輪幾何容積的流量。脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的模擬量信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收4～20 mA的模擬量信號(hào)，按照設(shè)定的程序計(jì)算出液壓泥炮打泥量，通過(guò)數(shù)字顯示儀顯示出來(lái)。

實(shí)施效果

堵鐵口操作流程

圖4為打泥量操作臺(tái)及操作流程圖，在使用時(shí)，每次堵鐵口開始前，必須將數(shù)字顯示儀上的數(shù)據(jù)清零。將操作臺(tái)(如圖4(a)所示)上的復(fù)位按鈕按下去，待按鈕自動(dòng)彈出時(shí)，復(fù)位清零完成。堵鐵口時(shí)，在操作室操作液壓泥炮回轉(zhuǎn)指令控制器手柄，進(jìn)行堵鐵口操作，在液壓泥炮堵上出鐵口的瞬間，再操作液壓泥炮打泥指令控制器手柄，開始向出鐵口射炮泥，數(shù)字顯示儀開始動(dòng)態(tài)顯示打泥量(m3)，當(dāng)打泥量達(dá)到出鐵口深度所需要的規(guī)定數(shù)值時(shí)，打泥指令控制器手柄復(fù)位，本次操作完成，打泥量清零及操作流程圖(如圖4(b)所示)。

圖4 打泥量操作臺(tái)及操作流程圖：(a)操作臺(tái)；(b)操作流程

改進(jìn)后效果

本技術(shù)在高爐堵鐵口操作中成功應(yīng)用，能根據(jù)鐵口的實(shí)際情況制定不同的打泥量，實(shí)現(xiàn)同一操作定量控制，不受人為經(jīng)驗(yàn)判斷因素的影響，維護(hù)了鐵口的穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)保障。避免了遠(yuǎn)距離觀察和人為判斷帶來(lái)的較大偏差，通過(guò)計(jì)算機(jī)外部接口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，每次打泥量的精度(實(shí)際用量減去理論用量的絕對(duì)值)控制在0.001 m3以內(nèi)。本技術(shù)提高了炮泥的使用率，減少炮泥的使用量，不僅節(jié)約了炮泥費(fèi)用，而且減少了高爐慢風(fēng)損失，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。改造前，每年每座高爐炮泥平均采購(gòu)費(fèi)用1760萬(wàn)元，改造后，由于杜絕了操作原因、現(xiàn)場(chǎng)原因、特殊原因等諸多不利因素造成炮泥的嚴(yán)重浪費(fèi)，每年每座高爐炮泥平均采購(gòu)費(fèi)用降低至1440萬(wàn)元，節(jié)省炮泥材料采購(gòu)費(fèi)用約320萬(wàn)元。

本技術(shù)解決了高爐出鐵口打泥量過(guò)大導(dǎo)致鐵口深度過(guò)深、下次鐵口難開、浪費(fèi)炮泥嚴(yán)重等現(xiàn)象，避免了高爐打泥量過(guò)少、鐵口深度淺、出鐵時(shí)間短或鐵水放不干凈等異常情況而嚴(yán)重影響高爐爐缸的壽命。液壓炮打泥量累計(jì)總數(shù)復(fù)位到零，實(shí)現(xiàn)液壓泥炮打泥量全程、時(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)容積監(jiān)控，從而達(dá)到精確控制打泥量。鐵口合格率(鐵口深度合格次數(shù)與總數(shù)的比率)由原來(lái)65%提高至98.5%。表2為打泥量裝置改進(jìn)前、后各指標(biāo)對(duì)比表。

表2 打泥量裝置改進(jìn)前、后各指標(biāo)對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

1)提高了炮泥的使用率，減少炮泥的使用量，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益，每年每座高爐節(jié)省炮泥材料采購(gòu)費(fèi)用約320萬(wàn)元。

2)避免了遠(yuǎn)距離觀察和人為判斷帶來(lái)的較大偏差，通過(guò)計(jì)算機(jī)外部接口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，每次打泥量的誤差控制在0.001 m3以內(nèi)。

3)解決了高爐出鐵口打泥量不準(zhǔn)確問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)液壓泥炮打泥量全程、時(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)容積監(jiān)控，從而達(dá)到精確控制打泥量。鐵口合格率由原來(lái)65%提高至98.5%。