RH顶枪装置的机械结构分析

蒋根柱， 许遵海， 周青子， 潘朝春， 朱小强， 吴万银

（1.上海梅山钢铁股份有限公司炼钢厂， 江苏 南京 210039； 2.苏州宝联重工股份有限公司技术部，江苏 苏州 215152）

RH顶枪是为冶炼超低碳钢而开发，在真空处理过程中，将氧气从真空槽的顶部吹入其底部的钢液中进行脱碳。顶枪现已发展为吹氧脱碳、喷粉脱硫、在线加热多功能用途；整个顶枪系统包括机械装置、电气控制、仪表阀站。机械装置是完成各种冶炼工艺要求的基础。而对于整个顶枪装置的机械结构及应用特点在相关文献中很少涉及，在选择和使用时缺少相应的参考[1-3]。

顶枪装置的机械结构设计首先必须满足顶枪的冶炼工艺要求，其次顶枪装置尽可能在更换真空槽及热弯管时为行车的吊运提供宽敞的空间。根据顶枪装置的机械结构特点，将其分为固定式、旋转式、平移式三种，下面详细讨论三种顶枪装置的结构特点[4-6]。

1 固定式顶枪装置

固定式顶枪装置，顾名思义顶枪装置整体固定安装在钢平台上，其固定支撑点设置于顶枪装置立柱的上下端，顶枪枪体可以在顶枪装置的导轨上下移动。

如图1所示，顶枪装置的立柱及导轨上下两端均固定在钢平台上，顶枪安装于升降小车上，升降小车通过圆环链与升降装置连接，升降装置的减速电机固定安装在立柱及导轨的顶端，输出轴上安装链轮，圆环链的两端与升降小车的上下两端铰接，链条张紧装置可以调节圆环链的松紧度。电机启动后，升降装置的减速器输出轴上的链轮带动圆环链使升降小车和安装在小车上的顶枪上下往复运动。

图1 固定式顶枪装置

2 旋转式顶枪装置

旋转式顶枪装置是在固定式的基础上增加旋转支承及旋转驱动而成，下页图2所示是已经成功应用的两种结构。图2-1中，驱动旋转采用电动缸，增加上部旋转支承及下部旋转支承，上部旋转支承采用调心滚子轴承，下部旋转支承采用调心滚子轴承和推力圆锥滚子轴承的组合型式，利用调心滚子轴承自调心功能，可以降低顶枪在运转过程中对安装、制造等误差的敏感性。旋转驱动采用电动缸，在靠近下部旋转支承的转轴上焊接驱动臂，与电动缸铰接，在电动缸动作时就可以驱动顶枪旋转[7-8]。

图2 旋转式顶枪装置

图2-2采用减速电机驱动，下部支承使用带外齿的回转支承，并与减速电机输出轴上的小齿轮啮合，可以获得更大的减速比，使顶枪的旋转更慢，从而可以避免过快的旋转速度造成顶枪装置的晃动，对顶枪装置产生不利的影响；低速旋转可以更容易获得精确的定位。根据实践，顶枪合适的旋转速度应小于5 m/min。

对于旋转驱动的选择，除了利用电动缸外，还可以利用电液推杆，电液推杆的成本较低，但由于是一个小的独立的液压系统，后期的维护工作比电动缸要多一些。

3 平移式顶枪装置

RH在线更换真空槽时，需要车间上方的行车吊运，顶枪装置位于真空槽的上方，固定式和旋转式顶枪装置对更换真空槽造成一定的障碍，需要将真空槽和热弯管移至远离顶枪的位置进行更换。如果更换真空槽和热弯管时，顶枪装置可以从处理位平移至待机位，在真空槽上方有更大的空间，便于行车吊运[9-10]。

平移式顶枪装置是针对上述两种顶枪装置的结构进行优化后的装置，为行车吊运可以腾出更大的空间，使顶枪装置可以长距离平移，从某一工艺位置平移至另一工艺位置，实现不同的冶炼工艺；同时在同一处理位置可以有两套不同顶枪装置平移到此工作，从而提高RH工作的可靠性。

3.1 顶枪的基本结构

如图3所示，在固定式顶枪装置的基础上，增加了平移装置，带动整个顶枪装置平移，平移支撑架的一端与立柱和导轨连接，另一端与平移装置连接，在平移装置的驱动下整个顶枪装置沿着轨道平移，到位后通过平移支撑架下端的锁紧装置定位。

顶枪根据工艺要求可以停在需要位置，并通过安装在升降装置的减速机输出轴端部的编码器实时反馈位置信号，监测顶枪枪体的实际位置，为了安全，在顶枪枪体运行的上下位极限位安装机械开关，对顶枪常用的槽外待机位、槽内待机位、吹氧位均设置接近开关，为安全可靠停车提供双重保护。

图3 平移式顶枪装置

3.2 平移式顶枪的传动装置

平移式顶枪的升降装置一般安装在顶枪轨道的顶部，并设置相应的检修平台，采用减速电机驱动，变频控制，电机自带制动器和手柄释放形式，便于在事故状态下人工或气缸自动脱开制动；需要指出的是，由于顶枪是垂直往复运行，惯性较大，在电机制动时应采用快速制动回路，即同时切断制动器交流和直流控制回路，这样可以避免顶枪在下降运行制动时向下滑动。合适的顶枪升降速度控制在10 m/min左右。

紧急提升装置的作用是在故障状态下，当真空处理无法继续进行，而升降装置也无法正常将顶枪从真空槽内提出，而此时需要利用紧急提升装置将顶枪从真空槽内提出。

如图4所示，一种手动离合式的紧急提升装置的结构，电机与主减速机连接并固定在支架上，固定块安装于电机的尾部轴伸上，其结构与牙嵌式离合器类似，固定块与滑动块的端面有牙，可以互相嵌入或脱开。为了获得低速大扭矩输出，气动马达的输出轴与行星减速器连接，固定安装在支架上；在行星减速器的输出轴上安装固定外花键，滑动块的内孔为内花键，在固定外花键上滑动，滑动块的外表面有凹槽，安装拨环。

图4 手动离合式紧急提升装置

当紧急提升装置需要动作时，手动将拨环向图4所示的左方推动，使固定块与滑动块互相嵌入连接，气动马达通入驱动气体，然后手动脱开电机的制动手柄，气动马达就可带动电机转动，最终提起顶枪。紧急提升的速度一般控制在2 m/min。

手动离合式紧急提升装置在事故状态下需要人工操作，而紧急提升装置的安装平台较高，操作人员需要较长时间才能到达其所在位置，为了快速响应，可以采用图5所示的自动离合式紧急提升装置，将手动离合式紧急提升装置的手动离合改为气动离合器，并采用气缸推动电机的制动器离合。由于气动离合器的输出孔径与电机的轴伸直径可能不同，联轴器与连接轴只是为了获得与气动离合器输出孔径相同的轴径而增加的，如果电机的轴伸与气动离合器的孔径相同，则可以取消联轴器和连接轴，气动离合器直接与电机连接。

图5 自动离合式紧急提升装置

当需要紧急提升时，气动离合器通入驱动气体，离合器闭合，然后气动马达通入驱动气体，处于待转动状态；最后气缸通入驱动气体，推动电机的制动器手柄，制动器脱开，电机处于可自由转动状态，这时气动马达可以将顶枪顺利提出真空槽。

需要特别指出的是，紧急提升装置的动作顺序很重要，正确的顺序是必须首先使手动或气动离合器闭合，然后给气动马达供气，最后脱开电机的制动器，否则容易发生顶枪向下滑动，容易造成顶枪的损坏[11-13]。

另外紧急提升除使用气动马达外，还可以采用UPS电源经逆变器直接驱动电机将顶枪直接提出真空槽。可省去相应的机械传动结构，但同时增加相应的电源模块。如图2-1所示，升降装置的电机尾部没有安装紧急提升装置，采用UPS电源紧急提升，但电机制动器的脱开需要采用手动或气动离合。采用UPS紧急提升机械结构更为简单，初次投入成本稍低一些，但后期的维护成本高于气动马达型式。

3.3 主体框架的结构优化

由于顶枪装置整体移动，悬臂安装在平台上，顶枪枪体安装于悬臂的最远端，顶枪在RH处理时需要随时升降，所以平移式顶枪在加强设备刚性的同时，应尽量减轻设备自身质量。

如图3所示，平移式顶枪装置的平移支撑架采用H型钢焊接而成，为封闭的长方体框架结构，框架的上下前后设置车轮组，在轨道上运行，驱动装置安装在框架上方轨道的前后两个车轮组上，便于检修和维护，安装于下方轨道上的为前后两组从动车轮组，四点支撑可以得到更好的刚性。

平移支撑架为框架结构，质量较轻，增设平移支撑架后，可以减小升降小车的外形尺寸，如图6所示，对导向轮组的结构优化，采用由轴向和径向两个滚轮轴承组装而成的标准组合滚针轴承，减小轴承体积，简化安装结构，从而降低了制造成本，有效减轻导向轮组的重量，另外在圆链的一端增加碟簧组，减小升降小车在制动时的冲击；优化设计后的平移式顶枪装置的升降小车架质量仅不到700 kg。

图6 升降小车

顶枪装置的质量主要集中在升降小车和立柱及轨道部分，立柱及轨道采用标准型材，可以降低质量和成本，立柱为标准矩形管，另外轨道在型材精度满足要求的前提下也可以采用标准型材。

图3中，为了避免顶枪装置在工作时误动，除了采用电机自带的制动器锁定外，同时设置了独立的锁紧装置，在上下轨道附近均设置锁紧装置，采用气缸带动定位销动作将平移支撑架与钢平台可靠锁定，减小顶枪装置在RH真空处理时的振动[14-15]。

3.4 工艺特点

平移式顶枪装置的工艺和结构特点有以下几点：

1）利用长距离平移的特点，可以将顶枪装置从处理位移至预热位，实现原有预热枪在线加热功能，这样可以减少预热枪装置的设备数量。对应的仪表、阀门、电气设备也相应减少。

2）由于减少预热枪设备，初期设备投资大幅减少。

3）和固定式及旋转式顶枪装置比较，每个处理位两侧的平移式顶枪装置均可移动至同一处理位，这样每个处理位可以利用的顶枪装置有两套，大大提高精炼的可靠性。

4）由于采用相同结构的顶枪装置，使备件量大大减少。

5）由于设备减少，后期的维修量相应减少，维护成本降低。

对于短距离平移的顶枪装置，已经成功应用于国内某钢厂，经应用实践平移式顶枪装置的设计是可行的，对于长距离平移，只要将顶枪所需要的介质管道、动力及信号电缆等通过拖链移动，可实现顶枪的长距离平移。

4 结语

平移式顶枪装置不但满足冶炼工艺的要求，同时完全解决了吊运真空槽时空间行车空间位置不够的问题，提高了更换真空槽的效率；利用平移式顶枪装置，可以在同一处理位实现两套不同顶枪装置平移切换工作，增加RH工作的可靠性。

综上所述，平移式顶枪装置为行车吊运真空槽提供宽敞的空间，并可以长距离移动，实现在另一工艺位置的不同的冶炼工艺，是三种顶枪装置中适合RH炉外精炼冶炼工艺的最优结构。

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