一种龙门式钢包加盖的结构设计及应用

摘 要：本文介绍的龙门式钢包加盖机构是一套自动化的应用于钢铁企业的装配设备。此自动化装配设备主要由龙门架主体装配、小车装配、横移装置、横移油缸、提升油缸、轴承座装配、吊具装配、钢包盖装配、事故吊具、楼梯、维修平台、液压系统、电控系统等模块组成。运用三维建模软件Solidworks绘制出各个分部件，再组合成总装配体。确定了总体方案，关键部位的设计及其主要设计参数，分析了各油缸的行程及选型，并利用软件对龙门架进行受力分析，验证了其结构设计的合理性。同时，该龙门式钢包加盖机构目前已在湖南华菱湘潭钢铁有限公司二炼钢进行了应用，并获得客户好评。

关键词：龙门式；自动化操作；有限元分析；三维建模设计

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.214

0 前言

近年来，由于金融危机的发生，整个钢铁企业产能过剩，市场需求减少。大型钢铁企业利润逐渐减少，甚至出现逐年亏损的局面。如何提高操作水平、减少钢包浇注过程温降（降低出钢温度），成为各个钢企近来研究的重要课题。 钢包作为炼钢工序与连铸工序之间的盛钢容器，其在生产周转过程的热状态，直接影响出钢和盛钢过程中钢水温度的变化。钢水温度波动对连铸浇铸的影响非常大，并且影响整个生产节奏。钢包在周转使用过程中加上钢包盖后，对于钢包的散热起到很好的保护作用，也使钢包周转过程中的热状态更加趋于稳定，为准确控制钢包温度和温降创造条件，同时也进一步降低了钢包在周转过程的热损失。

湖南华菱湘潭钢铁有限公司二炼钢为降成本，实现节能降耗，将在LF工位及VD工位安装钢包加盖系统。 为此，根据其现场环境设计了一种龙门式钢包加盖机构。

1 龙门式钢包加盖机构总体设计

1.1 钢包加盖机构设计原则

钢包加盖机构设计，将遵循三个原则：安全可靠，开合方便，简单实用。

1.2 包加盖机构所要实现的要求

（1）实现钢包加盖：当钢水包落入罐座时，操作人员通过控制按钮迅速将包盖落下并盖上；

（2）实现钢包揭盖：当钢包需要揭盖时，操作人员通过控制按钮可迅速将包盖揭开；

1.3 龙门式钢包加盖机构总体模型及组成

（1）设计完成后的龙门式钢包加盖机构整体模型如图1所示（见附图）。

（2）龙门式钢包加盖机构组成及参数：龙门式钢包加盖机构主要由龙门架主体装配、小车装配、横移装置、横移油缸、提升油缸、轴承座装配、吊具装配、钢包盖装配、事故吊具、楼梯、维修平台、液压系统、电控系统等模块组成。

设备主要参数：提升距离1米、横移距离1米（平行于龙门架方向）、横移距离0.5米（垂直于龙门架方向）、龙门架宽度7米、龙门架高度6.94米。

（3）液压控制系统：钢包加盖液压系统采用开式回路，多负载并联结构，液压缸的速度控制在上下行30mm/s，泵选用28排量的轴向柱塞泵，电机22KW。

2 关键部位的结构设计

2.1 小车装配的结构设计

（1）在整个龙门式钢包加盖机构中，小车装配的结构设计非常关键。因为本机构中，所有动作包括前后、左右及提升都集中通过小车的结构来满足要求。这样同时可以减小整个结构并使布置更加合理。小车装配主要由车轮轴、轴套、车轮、轴承座、小车架、铜滑条等组成。小车装配整体三维模型如图2所示（见附图）。

（2）车轮轴与轴承之间采用紧配合，车轮轴与轴承座之间留0.5mm间隙以防车轮因受力后卡阻。安装横移油缸位置下部采用加强筋，前端两侧布置配重块，以保车体平衡性能。

2.2 吊具装配的结构设计

（1）吊具装配在整个龙门式钢包加盖机构中起着承上启下的作用。对上需连接提升油缸，对下连接钢包盖。而且揭盖与取盖动作能否顺利实现，关键在于吊具与包盖之间的关联设计。吊具装配主要由吊具支撑盘、吊具梁、吊具导轴、吊具钩套、吊具挡环、提升油缸销轴等组成。吊具装配整体三维模型图3所示（见附图）。

（2）吊具装配中的三个吊钩分布在直径为2400mm的圆周上，与钢包盖上的吊环相配，呈120度布置。吊钩总高522mm。为方便吊具在现场进行调节方向及安装，吊钩的设计采用活动形式。

3 油缸行程及选型

横移油缸的参数：活塞直径D=80mm，活塞杆直径d=45mm，行程S=500mm。P=250bar，V=30mm/s。

提升油缸的参数：活塞直径D=140mm，活塞杆直径d=100mm，行程S=1000mm。P=250bar，V=30mm/s。

当横移油缸无杆腔进油时，根据公式：

当提升油缸无杆腔进油时，根据公式：

综上计算：龙门式油缸所需流量：

Q=2Q1+Q2=2×9+28=46L/min

4 液压系统电机选型、液压泵阀选型

4.1 电机选型

由于现场实际情况，每个液压站需对应三个工位的钢包加盖操作。经现场与客户当面沟通，客户告知每个液压站连接工作装置同时工作的不会超过两台，每个负载动作都是单动，不存在联动的情况。工作时油缸的流量不会出现分流的情况。根据现场客户的实际要求作出选型。

液压站：P=140bar，Q=Q龙+Q悬=28+28=56L/min

根据以上计算结果，电机功率，为了保证功率储备及散热的功率损耗，P总=1.3P功=19Kw，根据计算结果，选择22Kw的电机。

4.2 液压泵阀选型

根据上述计算，主泵和主阀通过具体的数据匹配选出，为系统合理的提供动力和控制，主泵选择斜轴式柱塞泵，主阀选择华德液压的标准的电磁阀，将控制阀集中在阀块上面，这样利于集中布置和维修。

4.3 电控系统设计要求

因为该液压系统动作少，无需电比例来控制阀的开口，选择开关量来实现动作的开合，电控部分将采用模拟量来控制，并配有操作台，操作台上面将布置各个动作顺序的开关按钮，并会有堵塞和低液位报警的灯，一旦系统油液受到污染，回油过滤器的滤芯将会因大颗粒污染物而堵塞，产生回油压差，进而压差报警启动，提示应该对油液进行跟换或者精过滤。

5 龙门架主体受力分析

5.1 龙门架基本参数

龙门架长7000mm，高6940mm，宽1350mm，总重3.52吨。承受力总重为6吨。

5.2 受力模拟分析

（1）利用三维软件Solidworks对龙门架进行受力分析。模拟出其最大变形范围，确定其结构是否合理，能否承受总重为6吨的力。经过模拟计算，如图4所示（见附图）。

（2）通过分析，图中红色区域为龙门架最薄弱部位，变形为1.067mm，而最小变形处为图中绿色区域，变形为0.001mm。

（3）该龙门架结构简单，在承受总重为6吨力的情况下最大变形才1.067mm。完全符合设计要求。

6 结论

该龙门式钢包加盖机构设计完成后，已应用于湖南华菱湘潭钢铁有限公司二炼钢。经过一年的运行，整体结构牢固可靠，机构动作顺畅，自动化程度高。为企业节约吨钢成本10元左右。

（1）本文通过钢包加盖所要实现的要求及特点，确定了最佳的总体设计方案，满足特定的工艺和运行要求；

（2）合理计算并验证了主要结构参数，尤其对龙门架的结构进行了受力分析，完全能满足设计要求；

（3）这种龙门式钢包加盖机构整体结构简单、紧凑，自动化程度高，为钢铁企业降本增效发挥巨大作用。

参考文献：

[1]何平.钢包全程扣盖保温节能系统开发[M].北京：钢铁研究总院冶金工艺研究所，2012.

[2]刘继明等.一种钢包加盖装置[M].山东：山东省新纪元冶金设备有限公司，2014.