RH真空料斗结构的改进

陈亚文，任 彤，丁 剑，王海斌，吴建龙，张 明

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200)



RH真空料斗结构的改进

陈亚文1，任 彤1，丁 剑2，王海斌1，吴建龙1，张 明1

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710032；2.首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063200)

本文从真空料斗的结构特点及实际应用出发，从多个方面分析了真空料斗锥形密封失效原因，并提出有效的解决方案，即优化弹性密封体的结构，增加弹性密封体的冷却保护，利用双锥销定位锥形密封部件与料仓的相对位置，保护活塞杆的刚性，优化弹性密封体的截面形状，提高真空料斗工作时锥形密封的可靠性。

RH；真空料斗；结构；密封；设计

0 前言

真空炉外精炼已成为现代钢铁冶炼的必需的工艺流程，它可以减轻转炉的工作负荷，可以对钢液进行脱气，去除夹杂，成分调整等，可提高钢的质量，缩短冶炼周期。钢液成分调整主要依靠真空料斗来完成;真空料斗是需要在真空条件下对钢液进行加入合金原料的设备，因此提高真空料斗密封的可靠性是我们面临而且必须解决的问题。

1 真空料斗的结构特点

真空料斗是RH真空炉外精炼中的关键设备，其作用在真空处理状态下存贮和向钢液中加入合金原料，实现真空状态下钢液的合金化。因此真空料斗正常工作的前提是必须保证其气密性。

真空料斗通常分为合金料斗、Al料斗和C料斗。在RH处理过程中，Al和C的加入量比较小，一次真空料仓的储存量完全可以满足一次RH处理的需要， Al和C真空料斗不需要在真空状态下补充原料，只需在非处理期间进行。所以这两个料斗采用单锥形密封结构，只需要将处理时的料仓与大气环境隔开即可。

合金真空料斗根据钢种冶炼需要可以加入不同的合金元素，而且允许在真空处理过程中将合金元素从大气条件下加入到真空环境下的真空槽内的钢液中，因此合金真空料斗的上下料仓均采用锥形密封的真空锁结构。上部料仓接受来自于皮带机供给的合金元素，之后传送给下部料仓，最后通过下料管将合金元素加入到真空槽内的钢液中。

2 真空料斗的气密性问题

真空料斗结构如图1所示，其气密性是实现真空冶炼的必要条件，在真空料斗各部件固定连接的法兰利用密封垫可以实现可靠的密封，但对于有相对运动的锥形密封结构，在实际应用中出现故障的频率较高，主要表现在以下两个方面：

(1) 弹性密封体失效。在现有的真空料斗锥形密封结构中，密封体材料采用橡胶，通过气缸作用将其压紧密封法兰的密封锥面上。弹性密封体没有任何冷却保护措施，真空室内的高温热气向上对流，密封体在高温环境的炽烤下容易老化,磨损加剧,造成弹性密封体密封不严，产生泄漏；所以必须经常更换弹性密封体，严重影响料斗的正常使用。

图1 合金真空料斗结构图Fig.1 The structure of vacuum hopper

(2)锥形密封部件对中精度下降。密封弹性体由气缸驱动实现密封和加料，其回转中心与气缸中心理论上重合，而固定密封面与弹性密封体分属两个不同的部件，通过螺栓组固定连接；在制造厂首次安装时，精心调整对中精度，可以使真空料斗的气密性达到在气压0.1MPa下保压30分钟，无压力变化。需要更换弹性密封体时，需要拆离整个锥形密封部件，在二次安装时，无法保证驱动气缸与锥形密封面的对中，使弹性密封体与固定密封锥面的中心重合度偏差较大，无法保证锥形密封的良好气密性。

解决以上所述问题，是提高真空料斗气密性的先决条件。以下将从优化结构改进设计入手对真空料斗气密性失效问题提出有效的解决方案。

3 弹性密封体保护设计

在真空冶炼过程中，下料管中会有高温气体向上对流，同时伴有高温辐射，保护弹性密封体的方法就是如何隔开高温气体对弹性密封体的“包围”炙烤。采用的方法是在弹性密封体的周围吹入常温的惰性气体(通常可采用氮气)，在弹性密封体的下方形成持续的、温度较低的气体环境，将弹性密封体与其下方对流和辐射的高温气体隔开，可避免弹性密封体的损坏。如图2所示是一种典型的真空料斗的下料口的锥形密封结构，同时设有弹性密封体的冷却保护。

图2 弹性密封体的保护结构Fig.2 Protective structure of plastic sealing body

为了保护弹性密封体，在密封法兰的圆周方向加工一环形槽，沿密封法兰径向加工一进气孔，盖板内外两边与密封法兰连续焊接，使环形槽形成密封的腔体，并与进气孔连通；在密封法兰的内孔及密封面上，沿圆周加工若干个均匀布置的小孔，即排气孔A和B，其数量根据密封面的大小决定，由于下料管的直径一般不超过400mm，所以排气孔的数量范围一般取6～18，每个小孔均与环形槽连通，保护气体可由排气孔A和排气孔B吹出。排气孔B与水平方向向下成一定夹角，一般为10°～30°之间。排气孔A的中心线与密封法兰的密封面垂直，位于弹性密封体的下方，并露在弹性密封体的外面，从排气孔A和排气孔B吹出的保护气体在弹性密封体的下方形成气幕，并通过下料管向下方强制排出，阻止高温气体对流和辐射，可完全隔断高温气体与弹性密封体的接触，达到保护弹性密封体的作用。

4 锥形密封部件的定位

在机械结构中，对于固定连接的法兰，利用密封垫就可以可靠密封防止泄漏。而真空料斗的锥形密封在工作中必须多次往复动作，在运行过程中，必须保证弹性密封体与固定密封锥面的相对位置保持不变尤其是二者的中心重合度偏差保持不变，如图3所示，锥形密封部件定位结构图，采用非对称分布的双锥销配作连接的定位结构。

图3 锥形部件的定位Fig.3 The position of cone valve

图3中，气缸与通过螺栓组一与定位法兰固定连接，气缸的活塞杆与锥形密封体连接，弹性密封体安装于锥形密封体上，形成一个独立的密封体部件；然后通过螺栓组二与与接料斗的法兰固定连接；接料斗的下部通过螺栓组三固定连接密封法兰，密封法兰与下料管(或下部料仓)，同时通过螺栓组三固定密封连接；各连接面之间均有密封填料，保证真空料斗的气密性。

在气缸的活塞杆伸出，锥形密封体下降，同时调整定位法兰的位置，使弹性密封体均匀紧压在密封法兰的密封面上。为了检验密封面的接触率，可以在弹性密封体的密封面上涂抹均匀的红丹粉，然后弹性密封体在气缸的作用下压在密封法兰的锥面上，保持30s，然后气缸回缩，弹性密封体与密封法兰分离，检查密封法兰锥面上的红丹粉的分布情况，并对弹性密封体的位置进行调整，最终使圆周方向接触率达到80%以上，高度方向接触率达70%以上，并且均匀分布，此时的气缸与弹性密封体的相对位置最佳。以此相对位置为基准，在定位法兰与接料斗的法兰配作加工两个锥销孔，最终装入锥销，完全固定二者的相对位置。为了保证原始的装配位置，两个锥销孔可采用不对称分布，即两个锥销孔的相对气缸的中心夹角为120°～150°。由于锥销采用配作连接，在料斗正常运行时，密封装置不会发生位置改变。在拆装或维修后重新打入锥销即可保证定位法兰与接料斗的原有相对位置不会改变。采用双锥销定位，不但可以缩短维修时间，同时可保证锥形密封的可靠性。

5 气缸活塞杆的保护

当真空料斗的料仓体积较大，在气缸行程增加或活塞杆加长时，必须考虑并保证气缸活塞杆的刚性，在原料挤压下不会弯曲变形。为了达到这一目的，需要在活塞杆的外部设置导向套，同时在导向套与活塞杆之间必须保证气密性。气缸活塞杆的保护结构如图4所示，是图1中的Ⅰ部放大。气缸活塞杆与加长杆之间采用关节轴承组件连接，可以避免在气缸动作过程中活塞杆与加长杆由于过定位引起的附加力；导向装置主要由法兰，导向内套，导向外套组成，各件之间采用焊接，导向内外套的下部用钢板连接,增加刚性，并采用断续焊，避免导向内外套之间的腔体由于温度的变化而产生附加的密封压力差，对保护套造成潜在的破坏。

内导向套的上下设置防尘圈，防止粉尘进入，同时设置导向环，对加长杆进行导向保护。导向环的材料采用自润滑粉末冶金，可免维护量。在导向内套的上部安装密封填料，并用压盖压紧，保证结构的气密性。在导向外套的外侧设置套管，避免原料下落时对导向套造成破坏。

利用导向保护装置，对于活塞杆加长或行程较大的气缸，可保证锥形密封在运行过程中的位置精度，提高真空料斗整体的气密性。

图4 气缸活塞杆的保护Fig.4 The protection for rod of air cylinder

6 弹性密封体截面优化设计

现有的弹性密封体采用硅橡胶或者氟橡胶，一般选择根据硅橡胶，因为耐温高，但有时由于气缸缸径大，产生的推力也大，弹性密封体也可选择氟橡胶，硬度较高，可以承受较大的气缸推力。现有的弹性密封体截面形状如图2所示，为标准非等腰梯形，其截面轮廓线均为直线，其上下面在固定板夹紧时，接触面过大，在高真空下反而有可能产生泄漏。同时其密封面的截面的轮廓线也为直线，其与锥形密封面密封的理想位置无法精确定位。

为了避免出现以上问题，对弹性密封体的截面形状进行优化设计，如图5所示，在弹性密封体的上下夹持面，设计两道或者两道以上的环形凸起，在与上下固定板用螺栓固定时，减小了密封面积，使密封可靠性提高。环形凸起的高度应根据弹性体的弹性范围确定。在压紧时，环形凸起的变形仍旧处于弹性变形的范围内。

图5 弹性密封体新结构Fig.5 The new structure of plastic sealing body

另外弹性密封体的密封面设计为曲面，即密封面的截面形状为圆弧(也可以采用椭圆弧，但加工模具成本更高)，这样弹性体的密封面与密封座的锥面接触理论上为一条线，这样可以容易检查密封位置是否合理，同时可确认弹性体的中心是否与密封锥座的中心重合，提高弹性密封体的密封的可靠性。

7 结论

本文对真空料斗的结构改进设计， 可以有效提高真空料斗工作的可靠性，尤其是锥形密封的可靠性。

(1)采用在密封法兰的内孔或密封面上加工若干小孔，并吹入保护冷却气体，在密封体的下方形成气幕，阻止高温气体上升，使弹性密封体周围的温度大大降低，延长其使用寿命。

(2)锥形密封体部件与料斗的连接法兰采用非对称分布双锥销定位，二次安装时可保证原对中精度和密封性，减少维修后二次安装时的工作量。

(3)对于加长活塞杆或者较长行程的气缸，采用活塞杆导向装置，可有效保护活塞杆的刚性及表面的磨损。

(4)对弹性密封体的截面形状采用圆弧形状，提高其工作的可靠性。

[1] 吴建龙.梅钢一炼钢1#RH装置的真空泵及加料系统技术改进[J]. 重型机械，2015(03).

[2] 王彦锋.PLC在RH合金投入系统中的自动控制应用[J]. 数字技术与应用，2015(06).

[3] 吴建龙.一种RH新型离合式真空加料系统的开发与应用[J]. 重型机械，2014(01)

[4] 陆斌. 硅钢RH炉设计的创新与应用[J]. 金属世界，2015(05).

[5] 孙玉军. 1号RH炉真空度影响因素分析及处理方法[J]. 梅山科技，2015(05).

[6] 陈海周. 120tRH加料系统设计及优化[J]. 炼钢，2014(02).

[7] 范东兴. 一种钢水精炼基础自动化控制系统设计[C]. 全国冶金自动化信息网2015年会论文集.

[8] 陈利华. 新钢RH炉控制系统的开发设计与分析[D]. 南昌：南昌大学，2013.

[9] 沈忠杰. RH炉合金的高精度称量和智能分批配料控制系统[J]. 冶金自动化，2013(01).

[10]连和平. RH炉真空加料返料阀的改进[J]. 中国设备工程，2013(11).

[11]朱锋. 150tRH炉真空加料系统优化与应用[J]. 科技视界，2012(22).

[12]朱佳. RH精炼炉上料投料自动控制系统改造[J]. 数字技术与应用，2014(08).

[13]陈海周.120tRH加料系统设计及优化[J].炼钢，2014(02).

[14]达道安主编. 真空设计手册(第3版)[M].国防工业出版社, 2004.

[15]赵沛主编. 炉外精炼及铁水预处理实用技术手册[M]. 冶金工业出版社, 2004.

The design improvements of RH vacuum hopper structure

CHEN Ya-wen1,REN Tong1,DING Jian2, WANG Hai-bin1,WU Jian-long1,ZHANG Ming1

(1.China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd.， Xi’an 710032, China; 2.Shougang Jingtang United Iron & Steel Co.,Ltd.,Tangshan 063200,China)

This paper analyzed the reasons of vacuum hopper cone valve seal failure from several aspects and proposed effective solutions. Methods of optimizing the structure of the elastic sealing body, increasing cooling gas for the elastic sealing body, using the relative position of the double taper pins to fix precisely the relative position of cone valve seal unit and hopper body, protecting the piston rod rigidity, optimizing the cross-sectional shape of the elastic seal body are available, which could improve the work reliability of the vacuum hopper sealing.

RH; vacuum hopper; structure; seals; design

2016-01-04；

2016-02-09

陈亚文(1970-)，男，中国重型机械研究院股份公司，高级工程师。

TF769

A

1001-196X(2016)05-0107-04