惠展 付光勇 邵琳 康敏 赵博

(中钢集团西安重机有限公司 陕西西安710201)

1 前言

液压泥炮作为高炉炉前主要设备之一，肩负着完成堵口的任务。在高炉建设前期，需要根据工艺要求来确定炉前布置方式、液压泥炮的能力、机型、配置要求以及控制、作业要求。在设备选型基本确定后，需要根据液压泥炮的特点和功能来进行设计。无论是设备选型还是设备设计，其合理性都将影响着设备的有效使用。

2 液压泥炮的选型

2.1 炉前总体布置形式

在中小型高炉出铁场，风口平台较低，通常采用液压泥炮与开铁口机分侧布置在铁沟两侧，或者采用泥炮在上、开铁口机在下的紧凑式同侧布置。在大中型高炉出铁场，由于考虑到揭盖机的布置以及设备的操作维护，通常采用液压泥炮与开铁口机同侧布置的方式，多采用开铁口机在上、液压泥炮在下的布置方式[1]。

在炉前布置时，液压泥炮需要满足的基本条件有以下几点：打泥机构工作角度通常为10°；液压泥炮回转的过程中不与开铁口机干涉，同时，在开铁口机回转的过程中不与液压泥炮干涉；液压泥炮回转的运动轨迹不能与炉前的高炉立柱、风口平台立柱、顶吸、侧吸、沟盖等干涉；液压泥炮的待机位，要便于装泥及泥炮维护，也要便于开铁口机更换钻杆和开铁口机维护；当两个液压泥炮背对背布置时，避免设备干涉和便于设备维护。

2.2 液压泥炮的能力匹配

在大中型高炉中，液压泥炮需要满足的基本工艺条件为：泥缸有效容积、泥塞推力和焖炮时间。焖炮时间约为20～30min。根据高炉容积，参照表1选择液压泥炮的能力。

表1 高炉容积与液压泥炮匹配关系

2.3 液压泥炮的机型选择

如图1，目前，液压泥炮共形成YPK、YPF、YPE/T三大类系列液压泥炮，都由打泥机构和回转机构组成[2]。

图1 液压泥炮类型

YPK型和YPF型液压泥炮回转机构采用了相似的外置式杆机构，有助于设备的检修和维护，而YPK型液压泥炮更为紧凑。不同的是，YPK型采用侧斜方基础座，而YPF型采用正斜方基础座。二者都采用液压泥炮在上、开铁口机在下的紧凑式布置，更适合于中小型高炉炉前。

YPE/T型液压泥炮回转部机构采用封闭或半封闭式杆机构，有助于减少杆机构的热辐射，从而提高设备的使用寿命。同侧布置时，YPE/T型液压泥炮位于开铁口机的下方，适合于大中型高炉炉前。

在确定具体机型时，还要考虑与钢铁公司现有设备的互换性和炉前工的操作维护水平等。

3 液压泥炮主机的设计

3.1 打泥机构

如图2，根据打泥作业的特点，确定打泥机构基本形式，分为泥腔、油腔和空气腔三部分。空气腔由泥塞、驱动腔体和打泥液压缸缸体形成，将泥腔和油腔进行隔离。

图2 打泥机构结构简图

打泥机构采用打泥液压缸活塞杆与驱动腔体固定、缸体运动的方式。由缸体推动泥塞前进，打出炮泥进行堵口。

3.1.1 泥缸的有效容积

泥腔由炮嘴和泥缸组成。泥缸的有效容积是从装泥口前沿到泥塞运动到最前端所形成的空间的体积，即。在确定泥缸内径D0后，根据有效容积V0来核算泥缸的有效长度L。

3.1.2 泥塞推力

油腔包括打泥液压缸的有杆腔和无杆腔。泥塞推力即为打泥液压缸在液压系统额定工作压强下，泥塞作用于炮泥的推力。

根据选取的打泥液压缸推力F和工作压力P1确定打泥液压缸缸体内径，根据泥塞结构形式确定泥塞外径，从而确定泥缸内径D0。

3.1.3 基本配置和要求

在打泥机构确定基本结构和主要能力的同时，需要明确重要件的基本工艺和基本功能，以保证产品的寿命。

打泥机构的重要件为泥缸、打泥液压缸。泥缸为了提高其使用寿命，通常采用“铜泥塞+镀铬泥缸”和“铸钢泥塞+氮化泥缸”两种工艺。打泥液压缸则采用组合式密封件，并需明确是否采用进口件。同时，为了降低热辐射引起变形和失效，需要在泥缸和打泥液压缸的中下部设计隔热罩或水冷板。

为了测量打泥量的多少，在打泥机构的尾部需要设置机械式行程指示器。在自动化要求高的液压泥炮，同时需要设置直线位移传感器或者涡轮流量计来进行精确测量打泥量[3]。

3.2 回转机构

3.2.1 运动轨迹

回转机构的功能是使液压泥炮的打泥机构能够往返于工作位和待机位。根据炉前布置的空间情况，确定回转机构运动轨迹的基本形式。目前，回转机构都采用斜面回转技术，即回转机构安装在斜面基础座上，当回转到工作位时，打泥机构自动对准铁口，并保持设定的工作角度。

回转机构通常由炮身调整机构和回转驱动机构组成。

如图3，炮身调整机构采用四杆机构，打泥机构从工作位到待机位的过程中有一个折叠的过程，其优点在于能够充分利用有限的空间。炮身调整机构的设计，要保证打泥机构在接近铁口时炮嘴运动轨迹趋于直线运动。同时，利用控制连杆的可调功能来完成炮嘴左右位置的调整量。

图3 炮身调整机构运动轨迹

以YPK/F型液压泥炮为例，如图4图5，回转驱动机构采用油缸直驱式或六连杆式。液压泥炮的回转驱动机构通常采用液压缸来驱动。则回转角度相对受限，通常为100°左右或160°左右。当角度较小时，通常采用液压缸来驱动转臂完成回转，即为直驱式，如图4[4]；当角度较大时，通常采用液压缸驱动肘板，通过与肘板相连的连杆带动转臂完成大角度回转，即为六连杆式，如图5[5]。

图4 油缸直驱式式回转驱动机构

图5 六连杆式回转驱动机构

3.2.2 压炮力

无论采用哪一种回转驱动机构，都要保证回转机构具有足够的压炮力FB，以避免在打泥的过程中出现退炮现象而漏泥。压炮力，即回转液压缸作用于炮嘴的作用力。以六连杆式回转机构为例，如图5(回转液压缸缸径为D2，工作压力为P2)。

在泥炮设计时，通常，泥炮的压炮力FB要大于1.1倍的打泥反力FA’。

3.2.3 基本配置和要求

在回转机构确定基本结构和主要能力的同时，需要明确重要件的基本工艺和基本功能，以保证产品的寿命。

回转机构的重要件为回转液压缸。通常通过明确密封件的采购商来确保质量。

对于自动化要求高的液压泥炮，为了测量回转角度，在回转机构的中心需要设置编码器。

4 液电控制技术

4.1 控制基本要求

同一个铁口的设备之间应设置互锁功能，不能同时操作。不同铁口之间的液压泥炮可以实现切换。

液压泥炮控制基本工艺顺序要求：填充炮泥、转臂回转、打泥；(焖炮后)转臂回转、打泥液压缸退。

液压泥炮控制的基本功能要求：对回转速度、打泥量进行检测和控制；在堵口的过程中，需要回转液压缸有保压功能；堵口时需打开水冷功能等[6]。

4.2 液压系统

4.2.1 配置选择

对于元器件品牌，泵和比例阀通常选择力士乐产品。在功能上，主要从泵、阀和蓄能器三个方面进行考虑。

液压泵通常采用恒功率变量柱塞泵或恒压变量柱塞泵。前者可以充分利用电动机的功率，能够根据负载变化改变运动速度，实现低压时大流量，高压时小流量；后者可以保持系统压力不变的情况下，更节约能源。

阀的选择首先考虑是否采用逻辑控制阀，逻辑控制阀具有相互保险、消除斜波冲击的功能，但成本高；其次从安装形式上选择插装阀还是叠加阀，前者对阀与阀块的安装要求高，可根据经验进行任意精准调节，后者则安装简单，无法精准调节。

蓄能器的功能则是用来降低冲击波、完成保压和提供动力源。蓄能器分活塞式和皮囊式，如果只是为了吸收液压系统的高频冲击波或完成设备保压通常采用皮囊式蓄能器；对于电力不够稳定的地区，让增加蓄能器站来提供动力源，实现停电时完成一次堵口或开口功能，那将优选考虑使用分活塞式蓄能器。

另外，需要根据液压泥炮使用者所处的地理位置来考虑是否给油箱设置加热器。

4.2.2 液压系统设计

中小型高炉炉前通常由1～2个铁口，需要设置一套液压站，根据铁口数量来确定阀台数量，每套阀台控制一个铁口的炉前设备。阀台多采用手动控制，液压泥炮的回转液压缸和打泥液压缸通过分档控制其调速功能。

大中型高炉炉前通常有3～4个铁口，需要设置两套液压站(并互为备用)和两组阀站。每套液压站设三台高压主泵(两用一备)和一套冷却循环泵。每组阀站设两套阀台，每套阀台控制一个铁口的炉前设备。液压泥炮的回转液压缸和打泥液压缸都需要具有调速功能故采用比例换向阀控制；回转液压缸通过设置液压锁保证安全性。

4.3 电控系统

4.3.1 配置选择

电控系统的配置主要从元器件品牌、操作方式、操作地点和控制系统的兼容性来考虑。

操作方式通常分为手动和自动两种，前者多用于中小型高炉，而后者则多用于大中型高炉。自动方式又可以分为半自动和全自动。半自动方式，设备运行位置不需要用编码器来精确反馈，而是通过设备运行总时间进行理论化分段控制其速度调节。全自动方式，即可通过HMI或某个按键完成一键操作，需要编码器精确反馈设备运行位置，根据编码器的定位信息来确定阀门的开关和阀芯的开度大小。

操作地点分为遥控器操作、手动操作箱操作、主操作台操作和HMI操作四种方式，前两者都属于机旁操作。

控制系统的兼容性需要考虑：控制系统是采用DCS系统(IT自动化系统)或采用常规PLC系统(常规过程自动化系统)，同时注意所选控制系统的品牌和使用者对该系统软件熟悉运用情况、编程软件产品版本以及液压泥炮控制系统是否需要并入高炉或炼铁厂控制主系统等因数进行综合考虑。

4.3.2 遥控器和自动控制技术

采用编码器来实时检测液压泥炮的回转角度，显示旋转位置并记录其旋转启停位，并且液压泥炮的旋转角度参与旋转速度的控制，以实现液压泥炮与铁口及停机位的软接触。同时，在打泥机构的油路管道上设置涡轮流量计和压力检测装置，用来实现检测打泥量和打泥速度。

在液压设备中用压力、流量、温度、液位等传感器进行检测。对检测数据进行分析处理后加入系统控制。控制系统需要实现正常、调整、检修、非常4个操作模式。

无线遥控系统可实现液压泥炮的紧急停车和手动操作。主操作台可进行设备选择、模式选择和手动操作、紧急停车。无论是遥控操作还是主操作台操作，都可以实现液压泥炮的转臂制动、转臂旋转、打泥液压缸前进/后退等功能。

5 自动作业技术

5.1 炮泥恒温技术

炮泥恒温技术分为冷却系统和加热系统。冷却系统主要应用在焖炮过程中，通过冷却水带走打泥机构的辐射热量；而加热系统则主要应用在北方冬季，通过加热来提高装入炮泥良好的流动性，降低打泥液压缸的阻力。根据工艺需要，可以在两个系统之间进行切换[7]。

炮泥恒温装置由恒温柜、MCC柜、操作箱等组成，用来控制冷却系统和加热系统。可手动控制，也可自动控制。

炮泥恒温技术的冷却功能应用较为广泛，而加热系统受地理和气候限制较为明显。

5.2 打泥量检测技术

打泥量检测系统由涡轮流量计(或直线位移传感器)、PLC系统、智能显示仪表三部分组成。通过安装在打泥液压缸尾部的直线位移传感器或管路上的涡轮流量计来检测打泥量[8]。

PLC控制软件可通过人机界面直观的显示液压泥炮的打泥量，具有信号远传和数据记忆储存功能。其应用有利于精确掌握高炉炉况，节约炮泥的使用量，降低生产成本。

实际应用中液压泥炮的打泥量通常通过打泥机构尾部的机械标尺进行粗略检测。在对自动化要求高的炉前设备，才会考虑增加炮泥自动精确检测技术。

5.3 装泥机技术

装泥机是用来代替炉前工填充炮泥的设备[9]。其基本形式有皮带传输式和有轨机器人式装泥机。目前，在国内个别大型高炉炉前有所应用，但都不够成熟。技术发展有待于进一步探索，如何将可靠性、经济性和炉前布置相结合是最大的难点。

6 结论

在高炉炉前，液压泥炮作为关键设备，其炉前整体布置、液压泥炮的选型将决定炉前作业空间和设备工作可靠性，需要结合炉前工艺、操作模式、自动化要求、项目投资等综合谨慎选型。在确定了液压泥炮型式后，则需要根据工艺要求、控制要求、配置要求等进行严谨的结构设计，为产品的可靠性、合理化、先进性提供保障。