转炉氧枪装置设计

摘 要：通过对转炉氧枪装置设计过程介绍，分析了氧枪横移车、升降小车以及氧枪刮渣器设计中的要点，提出了针对氧枪装置在保证转炉炼钢生产过程的连续性、可靠性以及安全性和维护便利性等方面的一套全新的设计方案，使氧枪装置使用维护性能得到较大提高，所提到的新型结构氧枪已在多个转炉炼钢生产现场得到验证。

关键词：事故提升系统；防坠枪装置；快速换枪；可控力矩刮渣器

氧枪装置用于向转炉内吹氧，使钢水脱碳；并加大冶炼强度，实现快速炼钢。

氧枪装置是转炉炼钢系统连续生产的重要在线设备，设置于转炉上方。氧枪工作时需插入转炉内吹氧，处于高温、液态渣包裹之中，因此，其对设备的运行安全性、可靠性、连续性设计提出了很高要求，因而设计中需要对这些需求提出切实可行的解决办法，以满足其复杂控制需求和适应其所处的恶劣工况。

氧枪装置设计依据来自于工艺专业的任务书，设备设计首先需要明确的是运行负荷，接下来进行方案设计、结构设计、施工图设计。

运行负荷：卷扬升降负荷应考虑升降小车、氧枪、金属软管、管内积水、枪体挂渣、刮渣器的刮渣力以及氮封塞、钢绳重量；横移车运行阻力按横移运行设备重量的0.025%计算[1]；横移锁紧装置的锁紧能力按运行阻力的4倍考虑；刮渣力按2～3t考虑。

横移车为一钢结构小车，分为上下两层，上层设置有升降卷扬装置及钢绳平衡器，下层设置横移传动装置，上下层之间由活动导轨和钢结构相连。升降卷扬机设有主传动和事故传动两套传动系统，通过离合器实现转换；卷扬控制设有两台绝对型编码器（一用一备、互相比照）控制升降行程、主传动电动机尾部装有增量型编码器控制升降速度；另装有钢绳张力传感器、位置行程开关等电控元件。钢绳平衡器吊挂在上层平台下部，既可调钢绳安装误差，又可在小车升降过程中平衡两根钢绳变形差，使两根钢绳受力始终一样。

事故传动是独立于主传动之外的事故提升系统，当出现车间停电、主电机故障、制动器电液推杆失效等事故时，可利用事故提升系统安全地将氧枪提出炉外，避免更大的事故发生。我们设计的事故提升系统形式为：在卷扬减速机的高速轴上设置气动离合器，增加一级减速，事故电机传动，EPS电源供电，制动器设置开闸气缸，采用气、电结合方式控制。事故提升时，控制室操作人员按下事故提升按钮，离合器电磁阀由UPS电源给电，离合器合上，舌簧开关给出信号后，事故电机给电启动，电机力矩建立起来后， 制动器气缸用电磁阀由UPS电源给电，气缸将制动器打开，开始提枪。将氧枪提出炉口一定高度（由2台事故提枪位接近开关判断）后，制动器电磁阀断电（制动器抱闸），然后事故电机停电。最后离合器电磁阀断电复位。整个过程一键自动完成。

升降小车用于支承氧枪体升降小车通过钢绳、滑轮组与横移车卷扬机卷筒连接，升降小车在固定导轨和活动导轨中带动氧枪体上下运行。升降小车结构采用“轮包轨”形式，提高了升降导轨的刚度；降低了导轨的加工难度；特别是提供了升降小车的车轮在位（待机位）拆装和维修的可能。

防坠枪装置设置在升降小车上，为自复位棘式结构。当发生断绳坠枪事故时，该装置能自动动作，阻止升降小车下滑，防止更大的事故发生。阻止坠枪事故动作后，穿上钢绳，卷扬提升就能自动恢复正常工作，无需特殊处理。防坠枪装置设计难点是弹簧的工作载荷P1、Pn的选取，选大了，氧枪在升降过程中易发生防坠误动作；选小了，反应时间要延长，灵敏度降低，止动造成的冲击增大。弹簧的工作载荷与设备重量、升降速度、机构阻力有关，另一方面棘齿的间距设置也需考虑。弹簧的工作载荷与反应时间，是防坠枪系统设计成败的关键。[2]

氧枪由三根同心圆钢管组成，内层除正常冶炼吹氧气外，溅渣护炉时还具有吹氮气的功能；中间层流入冷却水，外层流出冷却水，枪管的下端为紫铜喷头；为了补偿制造误差和枪体热胀冷缩变形，采用枪头补偿形式；枪体采用球头支撑，具有自动对中功能；氧枪与介质接入金属软管间的连接采用套装式结构形式，实现快速换枪。

采用套装式结构，使氧枪的更换时间大为减少。目前常用的法兰连接方式，一般更换一支氧枪需要拆36个螺栓，再装36个螺栓，正常情况下工人需在高空、高温、多尘的环境中工作约150分钟，而采用套装式结构换1支氧枪只需拧2个螺栓盘、拆装2个安全销，用时约20～30分钟，对减轻工人的劳动强度，降低恶劣环境中的工作时间，提高安全性效果十分明显。套装式结构设计难点是怎样解决3个套装点的整体对中精度和实现有效密封。我们的设计思路是，3个套装轴装在一块可浮动的板上，在同一块板上加工3个孔，精度能得到有效保证；同样方法， 3个套装轴装于一个加工结构件上，用加工精度来保证对中精度；同时选用合适的密封结构形式，加大轴孔间间隙，增加密封数量，实现套装式结构快速有效连接。这样，虽然在一定程度上增加了加工难度和制造成本，但给使用带来很大方便，效果是长期的，是值得的。[3]

氧枪体的粘渣问题一直是困扰转炉顺利炼钢的难题，目前，还没有一种大家公认的好的解决办法。据某厂统计，使用好刮渣器后，可每月多炼约10炉钢。因此，设计实用、耐用的刮渣器也是氧枪装置设计的重要内容之一。我们设计的刮渣器具有结构简单、无抱合“死点“，自动松闸等功能。见图3。该装置采用气缸推动摆动刀架抱合，提升氧枪体实现刮渣。刮渣器的抱紧力可用气缸的介质压力来调节，当刮渣力达到一定值时，气缸有自动开闸的趋势，从而起到保护刮渣器和卷扬机的作用，实现可控力矩刮渣。刮渣器刀片设计成犁刀型结构，内表面为圆弧形，与氧枪外管对应，一般设4块刀片，设计思路是刀片在枪管粘的红渣层上划出4道口子，再将其憋开，待其冷却收缩后崩开自行掉下来。刀片与刀座采用斜契连接，螺栓调节顶紧结构，刀片磨损后，调节顶紧螺栓，补偿磨损量，又可继续使用；刀片为双面刀口，一边损坏后，可换另一边使用。气缸采用水冷气缸，能适应氮封口处高温、红渣的恶劣环境我们设计的氧枪装置特点如下：

1. 氧枪装置采用双枪、双卷扬、双横移车布置，能够快速换枪，保证生产的连续性；

2. 氧枪传动机构采用双动力源、双钢绳、双编码器、双制动器配置，使传动有备用、控制更稳定，保证设备运行的可靠性；

3.升降车设置防坠枪系统，能有效地防止坠枪事故的发生；卷扬设置事故提枪系统，即使主传动系统出现事故时，还能将氧枪安全、快速地提出转炉，从保证生产的安全性。

4. 除了双车设计解决了快速更换氧枪体外，还设置了套装式结构氧枪体连接机构，解决了氧枪的快速更换要求。

5. 防坠装置采用棘齿结构，处理坠枪时只需穿上钢绳，提起小车，就能恢复生产；横移传动采用套装式结构，减少了链条传动的麻烦；锁紧装置采用气缸锁紧，比蜗轮丝杆传动结构更简单；上下水平导轮采用大偏心插装导轮，比螺栓连接导轮便于调节、更安全；钢绳平衡器采用杠杆大调节量，二次调节机构，比三角板+丝扣平衡器调节量更大，使钢绳安装难度减小，平衡更灵敏等。总之，使设备的维护检修更方便。

与目前常用的氧枪装置相比，我们设计的新型氧枪装置整体结构简单，重量减轻15～20%；较好地解决了氧枪装置的安全性、可靠性、连续性问题。现已推出了十几套使用，得到用户好评，可带来较好的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家标准.GB/T3811-2008 起重机设计规范

[2]潘光明. 99202886.8 一种吹氧装置的防落制动装置. 中华人民共和国国家知识产权局

[3]甘建蓉. 200520010456.2 一种氧枪快换装置. 中华人民共和国国家知识产权局

[4]潘光明. 02221674.X 一种控力矩刮渣器. 中华人民共和国国家知识产权局.