自耗式碳氧枪机械手装置

王　琪（上海交通大学机械与动力工程学院,上海　200240）



自耗式碳氧枪机械手装置

王琪
（上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240）

摘 要：电弧炉炼钢用氧枪主要是由炉门自耗式碳氧枪及炉壁氧枪所组成，而其中主要吹氧工作是由的炉门自耗式碳氧枪来完成。炉门式碳氧枪一般采用组合式结构，即由碳粉枪及1-2只氧枪组成;其机械结构采用以电动缸为驱动元件的机械手形式，并详细介绍了各类氧枪的结构及安装方式。

关键词：电弧炉；自耗式碳氧枪；机械手；电动缸驱动

1　炉门氧枪机械手的意义

由于机械程度对于作业要求越来越一体化，所以许多机械行业的多危险性作业均由机械所取代。现在有了机械手的参与，不仅降低了劳动的强度，而且还提高了劳动的效率，更能带来巨大的利益。我国机械手的更新换代已经在现代的机械行业中层出不穷，解决了由人工操作的缺点及不稳定因素，放大了自动化的效率。而下面就是对电弧炉炉门氧枪机械手的具体问题来进行解决。

电炉炉门氧枪机械手则是提供电炉吹氧的重要设备。吹氧助熔的作用在于：一是吹入氧气与钢中元素氧化时放出大量的热量，加热并熔化炉料。二是能切割大块炉料，使其掉入熔池增加炉料的受热面积，当有炉料出现搭桥时，利用氧气进行切割也及其方便。三是为电炉炉内增加了一个活动的点热源，能在一定程度上弥补3个固定电弧热源加热不均匀的缺点。而实践证明，吹氧助熔可以缩短熔炼时间20-30分钟，每吨钢的电耗量可降低80-100kW·h，所以我国各钢厂均普遍采用吹氧助熔工艺[1]。

在过去20 年中, 电弧炉炼钢的用氧技术取得了瞩目的发展。氧气的利用已由最初的脱碳反应跃居为电弧炉的第二热源, 部分取代了相对昂贵的电源。现代电弧炉炼钢的供氧量为20～40m3 / t , 甚至更高 [2]。其向熔池提供的化学能占总输入能量的30%～40%。先进的电弧炉广泛采用强化供氧和泡沫渣冶炼、废钢预热等技术, 因而电弧炉的冶炼时间大大缩短, 即使100t 以上的大型电炉, 全炉的冶炼时间也只有60～70min, 吨钢电耗不大于375kW·h, 吨钢电极消耗不大于1. 5kg[3]。

2　炉门氧枪机械手设备介绍

在冶炼过程中，需要根据冶炼融化、精炼过程调整炉门自耗式碳氧枪的使用功能。废钢装料后，大功率供电大约1-2min后，炉门口有红钢时启用炉门自耗式碳氧枪，清理炉门废钢，加快废钢熔化过程，根据炉料的熔化情况合理调整炉门氧枪的使用位置和使用角度。

熔池形成后，根据钢水碳含量，使用自耗式氧枪进行脱碳升温，提高脱碳速度，缩短冶炼时间。废钢装料后，在每次装料有效送电5-8min后，启用炉门氧枪，加速冷区附近废钢的熔化，防止废钢堆积塌料造成大沸腾，保证炉膛内热负荷比较均匀，缩短冶炼时间。在平熔池熔炼时间（精炼和连续加料），氧枪持续以向熔池中吹氧，完成熔池的脱碳。熔池形成，在熔炼期间，通过喷碳造泡沫渣，使电弧稳定，并将能量以最大的传送效率传送到熔池中。

碳氧枪机械手的动作均由PLC进行电气控制，为设备运行提供动力。电气控制数个电动缸来控制机械手的所有动作。动作有机械手的升降、机械手的进退、两个氧枪进给箱的俯仰、摆动、进退，碳枪进给箱的俯仰、进退。机械手的所有动作均由电器控制电动缸来完成。其运动流程为碳氧枪机械手大臂旋转900、大臂根据炉门高度进行提升800mm、两个氧枪进给箱按喷吹位置要求左右可摆动300、上下俯仰300、碳枪进给箱可按喷吹位置要求上下俯仰300，三个进给箱均具有将氧枪管及碳枪管进行自由伸缩进给的功能。碳氧枪机械手使用完毕后将三个进给箱上下俯仰到水平位置，左右摆动到平行位置，并将机械手大臂下降到最低位置后，方可回旋机械手大臂到初始位置（换枪位置），至此完成了一个工作的循环。

三个进给箱内部进给系统均由三个电动缸互相配合来完成氧枪管及碳枪管的进给动作。由于在电炉炉门口温度较高，故在支撑三个进给箱的旋转大臂上需加装一块水冷防护板以防止进给箱及旋转大臂受热变形。氧气管由旋转大臂侧面排管并连接旋转盘上的软管，再由软管再连接上氧枪管实现氧气喷吹动作（氧气的控制方式则是由一套氧气阀门组进行控制，其控制主要由气动切断阀和气动薄膜调节阀来完成。各管路的通断由气动切断阀控制，管路的流量通过阀门组管道上安装的压力、流量传感器检测，并由计算机调节调节阀来控制氧气的流量。而碳枪管则是直接连接置于旁边的碳粉罐，实现碳粉的喷吹动作。

3　炉门氧枪机械手结构介绍

炉门碳氧枪机械手采用圆柱坐标式作为碳氧枪机械手的坐标形式。碳氧枪机械手在工作时大臂回旋、升降、进给箱的上下俯仰及左右摆动，而机械系统由底座回转机构、大臂升降机构、两个氧枪进给箱左右摆动及上下俯仰、碳枪进给箱左右摆动等五个部分组成。

3.1氧枪管及碳枪管进给箱的结构设计

碳氧枪机械手在喷吹时由于氧枪管及碳枪管需插入钢水中进行喷吹，故氧枪管及碳枪管是易耗品。为了能保证喷吹效果，氧枪管及碳枪管需不断的接管并向前伸出连续不断的插入钢水中。为达了到满足工艺的喷吹效果，所以设计了氧枪及碳枪的进给箱。图1为氧枪管及碳枪管进给箱内部示意图。

由于在吹氧及增碳的过程中都需将枪管伸入1600°C的钢水中，而枪管材质是普通的20钢的钢管，在喷吹时损耗相当迅速，故枪管需不断向外延伸以确保连续喷吹要求。在前后传动方式上，采用链传动来实现该进给动作，由于链传动相比齿轮传动,它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力，能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作。相较于带传动,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小，具有传动精度高等特点。故在箱体的传动方式上选用链传动的方式，并配合电动缸完成连续进给的动作。

进给箱进给原理：在箱体中采用两个电动缸（夹紧缸）进行枪管的前后夹紧及放松动作，一个电动缸（推动缸）前后伸缩以完成运送动作，并结合链传动实现整个的进给功能。进给运动过程：当推动缸处于缩回的状态时，前后夹紧缸并拢，且前夹紧缸处于夹紧状态后夹紧缸处于放松状态。当推动缸处于伸出的状态时，前后夹紧缸分开，且前夹紧缸处于放松状态后夹紧缸处于夹紧状态。推动缸再次缩回，前后夹紧缸并拢，前夹紧缸处于夹紧状态后夹紧缸处于放松状态。以此轮回交替夹紧放松以完成进给动作。枪管若需缩回操作，则上述运动过程可通过已编好的PLC编程反相运动即可。

3.2进给箱摆动及俯仰功能的结构设计

冶炼过程中，需要根据冶炼融化、精炼过程调整炉门自耗式碳氧枪的使用功能。废钢装料后，大功率供电大约1-2min后，炉门口有红钢时启用炉门自耗式碳氧枪，清理炉门废钢，加快废钢熔化过程，根据炉料的熔化情况合理调整炉门碳氧枪机械手的使用位置和使用角度。为了能达到多角度全炉膛无死角喷吹效果。故进给箱需能上下转动30°及左右摆动30°。

根据炉膛尺寸及冶炼工艺要求，将碳枪进给箱及氧枪进给箱的顺序经行排列，其顺序为氧枪进给箱在两侧而碳枪进给箱在中间的排列顺序。由于碳枪按冶炼工艺要求是用来喷碳粉造泡沫渣的，所以在摆动功能上不做要求。故将两个氧枪进给箱排列在两侧，摆动的初始位置是与碳枪进给箱水平为基准，摆动时右进给箱枪头摆动方向向左摆，左进给箱枪头摆动方向向右摆。

氧枪进给箱摆动系统的设计是由电动缸带动伸缩拉杆的形式进行摆动，氧枪进给箱与旋转大臂之间由旋转关节连接。伸缩杆后部为中空结构，前部可在后部内进行滑动，随着电动缸的运动进行伸缩动作。当电动缸拉动伸缩拉杆时，拉杆即可带动箱体进行摆动，并按所需调节电动缸的行程即可调节进给箱摆动的角度，故需根据进给箱摆动的最大角度选择适合行程的电动缸。具体设计如图2进给箱摆动结构示意图所示。

根据冶炼需求为了碳氧枪机械手能喷吹到更大的空间，配合摆动设计还增加了俯仰功能设计。由于旋转大臂被设计成可以提升的结构，故可将三个进给箱进行提升一定的高度，增加俯仰功能结构设计后，可选择纵向0-30°的角度范围。该设计配合左右摆动功能的设计即可在纵向及横向0-30°的空间范围内经行多角度全方位无死角的喷吹操作。而在结构设计中均采用电动缸进行控制，控制精度高，便于集成程序化设计。

3.2旋转底座的结构设计

旋转底座是碳氧枪机械手整体支撑及旋转的部分，它具有使整个机械手旋转及升降的功能。碳氧枪机械手在使用时需旋转90°，在工作位与换枪位之间相互旋转。在非工作位置处可更换氧枪及碳枪管，在工作位可升降旋转大臂以调整适合的喷吹位置。其旋转方式是采用油马达带动大齿轮盘的传动方式进行旋转，而提升机构则选用电动缸作为驱动元件以满足升降动作。由于碳氧枪机械对于旋转并无精度要求，并且采用接近开关进行控制，故可选用可传递高扭矩的油马达作为驱动元件。而对于旋转大臂的提升高度是需要精确控制的，故选用电动缸作为驱动元件以满足实际使用要求，便于总体编程控制。

由于碳氧枪机械手在使用时需旋转90°到达喷吹位置，所以旋转底座宜采取回转型结构。为节约空间，选用齿轮齿条式机械结构。并在大齿轮盘与下底座之间安装了一个平轴承，使旋转底座能灵活转动。旋转大臂提升机构则是采用电动缸推动安装在旋转底座内部的滑动导杆的方式进行升降运动。在导杆上左右分别安装了四个导向轮，以防止导杆跑偏。采用电动缸传动方式是为了能使旋转大臂提升高度定位精确，并且相对与液压缸，电动缸具有自锁功能，使旋转大臂在长时间提升状态下提升高度可得到保证。

4　结束语

本文优化了电弧炉炉门碳氧枪机械手的整体结构，设计了枪管进给系统及进给箱摆动机构，并且采用电动缸作为驱动元件替代了传统的液压缸的结构。使系统得到了优化，更便于电器集成化的控制。显著地改善了控制系统的控制精度和稳态性能，使冶炼过程得到整体优化，缩短了冶炼时间。该设备易于工业实现，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1]沈才芳,孙杜成,陈建斌编著.电弧炉炼钢工艺与设备[M].北京：冶金工业出版社,2008

[2]沈颐身.电弧炉强化冶炼及节能降耗[J].特殊钢,1997,增刊: 103

[3]李士琦.现代电弧炉炼钢[M].北京:冶金工业出版社,1995:236.

DOI :10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.01.116