一种新型矿热炉全自动加料装置开发与试验

何俊平，段望春，张琨，董兵斌，刘守庆，来雄昌

(甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃兰州 730030)

0 前言

铁合金是钢铁工业必不可少的原料，主要用作炼钢的脱氧剂和合金添加剂。目前市面上大都采用矿热炉(又称还原电炉)炉内陆续加料间歇式出铁放渣的连续作业方式来生产铁合金。加料时，炉料透气性越好，导电越均匀，能耗就越低，产品质量越好。反之，在加料过程中，如果炉料不均匀则会导致炉料电阻不稳定，从而使电极上下波动，造成坩埚区上移；如果炉料过厚又会破坏其透气性，因为这种情况下冒出的气体不能克服较厚的料层阻力，造成不均匀冒出，形成所谓的刺火。在这种情况下，大部分电流经过上部料层连通起来，反应区转移到上部，电极便会离开炉底，致使在炉底形成死料区，炉底上涨，造成出炉困难。因此，合理的加料方式对铁合金生产极为重要。

传统的加料方式有3种，分别是人工加料、加料车加料和半自动溜槽加料。人工加料由人工将炉料送入反应区，其优点是布料均匀，但存在安全隐患、劳动强度大、生产效率低、烟气粉尘外溢、环境污染严重等缺点。加料车加料方式由加料车将炉料送入反应区，大大减少了人力，但却容易导致机械故障多、布料不均匀及环境污染问题。半自动溜槽加料方式由料仓经料管及溜槽控制加料至炉内，较之前两种，该方法布料均匀、自动化程度更高，但由于半自动原因，需要人工操作并时刻观察炉膛内炉料的冶炼情况，存在较大的职业健康危害与安全隐患。

本文作者在考虑3种加料方式的基础上，进一步优化设计，在半自动旋转布料机的基础上提出一种新型的铁合金矿热炉回转俯仰加料装置。

1 加料工艺流程

大多数矿热炉加料工艺是在四楼平台铺设环形轨道，由布料车将原料从斜桥或大倾角缓冲仓接运至炉顶料仓，布料车下料释放口由电液推杆控制，可实现由红外线料位计发讯，PLC全过程控制，炉料进入楼顶料仓后经过电振给料机、料管气封、抗磨弯头、料管、全自动加料装置将配好比例的原料送入炉膛坩埚区。矿热炉加料工艺流程如图1所示。

图1 矿热炉加料工艺流程

2 全自动加料装置

2.1 结构形式

全自动加料装置安装于矿热炉炉盖上部，根据炉型大小可安装6套或3套。全自动加料装置上部通过绝缘法兰料管下部连接。全自动回转俯仰式加料装置包括旋转接头、溜槽、气封套、拉杆、油缸旋转装置、油缸俯仰装置、油缸头部连杆、循环冷却装置、沙封装置、绝缘支架、绝缘部件等，回转、俯仰机构采用液压驱动，溜槽可在上、下和左、右三维空间内实现既定炉料抛撒区域全覆盖，同时精准控制抛撒量。参考文献[8]设计的全自动加料装置三维模型如图2所示。

图2 全自动加料装置三维模型

在回转机构和俯仰机构油缸的控制驱动下，溜槽既可以单独动作，也能够同时进行回转和俯仰动作，确保了抛撒范围内整体添加炉料料层的均匀度，同时又能实现抛撒范围内局部区域的灵活补料，气封及沙封系统对回转、俯仰机构进行微正压密封，防止高温烟气溢出；同时阻隔炉膛高温烟气对全自动加料装置的烧损，循环冷却水对此设备进行内部冷却。

2.2 机械原理

2.2.1 水平回转运动

全自动加料装置水平回转运动系统包括：绝缘支座、旋转接头、液压缸Ⅰ、曲柄连杆、旋转接头、回转支撑、溜槽、销轴等。由液压缸Ⅰ(元件5)提供驱动力，通过曲柄连杆驱动旋转接头回转，带动溜槽在水平方向旋转，达到将炉料均匀布置在炉膛钳锅区域的目的。图3为全自动加料装置回转系统原理示意，在其水平回转机构中，溜槽结构随着旋转接头的回转运动而运动，具有同步性，无相对运动，故可以认为旋转接头绕中心轴线的回转运动可以代表溜槽在水平面内的回转运动。

图3 全自动加料装置水平回转系统原理示意

2.2.2 竖直俯仰运动

全自动加料装置竖直俯仰运动系统包括：固定支架、液压缸Ⅱ、连杆、溜槽、旋转轴、销轴等。由液压缸Ⅱ提供驱动力进行往复运动，带动连杆上下移动，进而将运动形式传递给与之相连接的溜槽，从而使溜槽绕着销轴上下俯仰，达到将炉料均匀布置在炉膛钳锅区域的目的。液压油缸往复速度通过液压调速阀来调节。全自动加料装置俯仰传动系统原理如图4所示。

图4 全自动加料装置竖直俯仰系统原理

2.2.3 回转机构

回转机构主要采用单排交叉滚柱式回转支承，由两个座圈组成，结构紧凑、质量轻、制造精度高，装配间隙小，对安装精度要求高，滚柱为1∶1交叉排列，将回转副设置在原旋转管、固定管之间。回转机构支承的两物体之间需作相对回转运动，能同时承受轴向力、倾翻力矩和较大的径向力。回转支撑结构如图5所示。

图5 回转支撑原理

2.3 控制原理

为了提高矿热炉加料的准确性，提高加料效率，减少工人的劳动强度，解决加料现场高温、高粉尘等职业病危害与安全隐患问题，设计一套矿热炉高效全自动加料电气控制系统。此系统采用可编程逻辑控制器(PLC)、遥控器来控制整个加料过程，实现矿热炉加料过程自动化。其PLC控制原理如图6所示。

图6 PLC控制原理

2.4 液压原理

加料机构处于短网正下方，大电流产生的强磁场会对电机产生干扰，故使用液压传动，来实现机构的两种运动。动力机构选择液压泵，执行元件为液压缸，液压油选用水乙二醇型难燃液压液。两个运动副能够实现溜槽的俯仰与回转；溜槽的俯仰工作角度范围能够达到30°，一个行程时间为3 s；溜槽的回转工作角度范围为120°，设计两个速度，慢速6°/s，快速12°/s。

由于摇臂加料机使用间歇作业，且多台摇臂加料机同时动作的时段很少等原因，液压系统设计为小流量液压泵供油的恒压系统，并加设一定容量的蓄能器。当多台摇臂加料机同时动作时，系统流量由蓄能器补给，保证摇臂加料机运行速度达到调节速度，同时吸收摇臂加料机频繁启停造成的系统压力冲击。摇臂加料机的俯仰由液压缸驱动，通过节流阀控制回路流量调节液压缸速度实现俯仰速度的调节，同时回路中设有液控单向阀进行保压。摇臂加料机的摆动由液压缸驱动曲柄摇杆机构实现，通过节流阀控制回路流量调节液压缸速度实现摆动速度的调节。全自动加料装置液压系统控制原理如图7所示，电磁铁动作顺序见表1。

图7 全自动加料装置液压系统控制原理

表1 电磁铁动作顺序

3 加料区域设计

采用定旋转角、变倾角角速度的方式,获取在溜槽旋转角度一定、倾动角度相同情况下,溜槽倾动速度对颗粒布料效果的影响。在溜槽旋转角度一定的情况下,分别设置溜槽的倾动角速度为10、20°/s(匀速运动),按照溜槽倾动运动一个周期来设置仿真,规定溜槽向炉膛中心倾动为正方向,远离炉膛中心倾动为负方向。为方便观察,选取溜槽处于倾动极限处的状态,可得出在相同条件下,颗粒的运动状态。溜槽倾动在一个周期内正方向运动极限位置时颗粒速度矢量图如图8所示。

图8 溜槽俯仰正方向极限位置速度矢量图

由图8可知：溜槽正方向倾动过程中,由于溜槽倾斜度减小,颗粒与溜槽发生碰撞之后会有个别颗粒受挤压作用“跳出”溜槽空间范围,并且颗粒在溜槽逗留的时间增加,从而使得颗粒在溜槽中滞留的质量増加,颗粒流速变慢。通过多次仿真发现,在溜槽经过平衡位置时应当减小溜槽倾动速度,避免颗粒在溜槽内运动时间过长,发生“滞留”现象而影响炉膛布料效果。

溜槽在炉膛内的布料效果由颗粒在炉膛冶炼区域内的落料点描述,选用6个溜槽来模拟布料过程。采用扇环式布料方式,获取溜槽倾角分别为0°、30°、60°时,布料溜槽经过一个布料周期后的落料点俯视图分布情况,过渡位置处于图9所示溜槽极限点位置。由图9可以看出,用6个溜槽扇环式布料方式,布料范围基本能够覆盖电极周围冶炼区域,在两电极之间布料效果较好,可有效解决人工及加料管加料时的不足。

图9 布料区域设计图

4 载荷试验

4.1 动载荷测试

料仓试验物料总质量630 kg，物料材质为粒度20～40 mm的石子混合少量细砂。物料载荷加载速度，参考12500KVA矿热炉加料量，每台摇臂加料机加料速度约为1.25 t/h，每小时加料时间合计约2 min，则载荷加载速度约为625 kg/min。试验物料计划1 min内均匀载入样机。

4.2 静载荷测试

固定载荷质量180 kg，材质为柱状废钢桶。正常运行时，溜槽内部冷却水质量约为70 kg，物料在溜槽上的瞬时载荷估算约为900 N。180 kg载质量将固定在溜槽直段中间位置，模拟正常运行时物料及内部冷却水的质量。该样机试验主要通过以下方法获得设备参数：

(1)空载，溜槽俯仰到最高处位置角度、最低处位置角度；调整液压缸流量，测量溜槽在最快速、最慢速且不爬行的两种情况下，溜槽在两个极点位置间来回摆动的时间，从而测算线速度。

(2)空载，调整液压马达的流量，测量旋转接头在最快速、最慢速且不爬行两种情况下的回转角度、时间，从而测算回转角速度。

(3)固定载荷，试验参数如上，测量项和空载试验相同。

以上测量均在液压系统调至最大压力3 MPa后进行。

4.3 试验数据及分析

此次样机(见图10)试验具体测得数据见表2、表3。因测量工具及现场空间限制，数据测量存在2%～3%误差。

图10 样机照片

表2 溜槽末端俯仰平均线速度试验数据

表3 旋转接头回转角速度试验数据

分析测得试验数据，可得出以下结论：

(1)由表2得：在现有液压系统作用下，溜槽末端俯仰平均线速度最大值约为162 mm/s，最小值约为30 mm/s，与试验结果一致。

(2)由表3得：在现有液压系统作用下，旋转接头平均回转角速度最大值约为1.83 r/min(11°/s)，最小值约为0.27 r/min(1.6°/s)，与仿真模拟结果一致。

(3)在不同载荷的试验条件下，各测量数据的最大最小值偏差不超过5%，同时由于测量误差的影响，分析可得在不同载荷的试验条件下，溜槽俯仰平均线速度、旋转接头平均回转角速度基本不受影响。

(4)溜槽末端俯仰最大平均线速度0.16 m/s，与设计最大平均线速度0.18 m/s相比较小。通过表2可得：液压缸流量达到最大时，液压缸实测速比为1.3左右，而液压缸速度比为固定值1.46。故分析可得液压缸在电磁阀上的两个接口流量不一致，导致试验速度偏低。

(5)旋转接头回转角速度，左回转角速度与右回转角速度基本一致，无较大误差；最大平均回转角速度1.83 r/min(11°/s)，与设计值1.89 r/min基本一致，符合设计要求，回转角度±50°。

(6)通过观察溜槽末端的摆动空间与模拟电极的位置，以及试验物料的布料状况，可得出全自动溜槽加料样机与传统的手动摇臂加料机相似，样机的布料区域可满足炉内电极三角区及大面区域的布料需求。

5 总结

(1)提出一种新型的全自动加料装置，实现了在强磁场、高粉尘、高温环境下铁合金电炉远程自动化布料。该装置全部由液压缸驱动，结构简单，维修方便，同时布料均匀，不仅提高了产品质量，还大大提高了生产效率。远程操作能够解决人工布料干预产生的职业健康危害与安全隐患，更好地保障了职工安全。

(2)通过SolidWorks三维建模与动静载荷测试，达到了预期设定，结果均与设计参数一致，溜槽末端俯仰平均线速度为30～162 mm/s，平均回转角速度1.83 r/min，回转角度±50°。

(3)采用定旋转角、变倾角角速度的方式，布料范围基本能够覆盖电极周围冶炼区域,在两电极之间布料效果较好。