中天1 500 m3高炉液压泥炮的计算与分析

周金超

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏 南京 210000）

1 概述

高炉炉前操作的主要任务是及时地出净铁和渣，维护好铁口和出铁场机械设备。高炉炉前操作的质量直接影响到高炉的正常生产。泥炮是高炉炉前的重要设备，用于高炉出铁后将炮泥压出以堵塞出铁口。

以前泥炮多采用电动泥炮，随着冶炼强度的提高和无水泥炮的推广，电动泥炮在生产实践中暴露出不少缺点，不能满足铁口作业要求。现在逐渐采用液压泥炮，设备处于风口平台以下，不影响风口平台的完整性。

为了确保铁口正常作业，对泥炮的主要要求为：①有足够的打泥量，能有效地堵塞出铁通道和修补炉缸前墙，使前墙厚度达到所要求的出铁深度；有足够的打泥推力，使泥塞对炮泥能产生较大的单位压力，以克服炉内压力和出铁口通道的阻力，把炮泥挤入出铁口。②结构紧凑，高度矮小，以改善炉前工人的操作条件，使铁口附近的平台可以连接起来，有利于更换风口作业的机械化。③工作可靠，能适应高炉炉前高温、多粉尘、多烟气的恶劣环境。④维修方便。如果零部件出现故障，应能在两次出铁的间隔时间内将炮身或某部件整体更换，以避免因泥炮故障而造成高炉休风。

2 液压泥炮的结构

液压泥炮主要有打泥机构、回转机构、吊挂架装配、控制连杆、斜底座等组成。液压泥炮的优点：打泥推力大，工作稳定可靠，机构简单、紧凑，质量轻。液压泥炮的总装如图1所示。

液压泥炮的运行由两个液压缸驱动完成，由旋转液压缸驱动转臂完成旋转作业，旋转动作完成时炮口自动对准出铁口，由打泥液压缸驱动打泥活塞完成打泥作业。在打泥期间，旋转液压缸同时担负泥炮压炮功能。

为了使炮身在压炮状态保持一定的倾斜度，炮身在离开出铁口反向旋转时又不致碰到铁钩沟帮，泥炮旋转时的旋转轴线是倾斜的。当炮嘴靠近出铁口时，依靠四杆机构使炮嘴做近似直线运动。

图1 液压泥炮的总装图

3 液压泥炮的计算与分析

3.1 打泥机构的计算

3．1．1 活塞对泥炮单位压力的确定

由于采用无水泥炮，所以设计时取炮嘴出口处的压力为8～10 MPa，在泥缸和过渡短管中的压力损失为4～5 MPa，所以设计时泥塞对炮泥的单位压p1取16 MPa满足要求。

3．1．2 泥缸有效容积的确定

中国过去设计制造的电动泥炮泥缸容积为0.2～0.3 m3。实践证明，这个容积是偏大的。设计时取这个容积值的主要原因是这些泥炮在打泥过程中产生漏泥，为了可靠地堵住出铁口，生产部门都要求用泥缸容积较大的泥炮。

解决漏泥问题和使用无水泥炮，可降低泥缸的有效容积。高炉容积在5 000 m3以下时，一般可取泥缸有效容积为0.2～0.3 m3。根据经验，泥缸的有效容积V1取0.25 m3即能满足生产要求。

3．1．3 液压缸直径的计算

由于液压泥炮的设计没有标准化，所以在一些参数的确定上，只有通过以前设计者所设计的参数进行相应的设计计算。根据对相关泥炮的研究，初步拟定泥缸的直径D1为0.5 m，炮嘴出铁口的直径D2为0.15 m。打泥机构的计算如图2所示。

图2 打泥机构的计算简图

液压缸的直径D0与泥缸直径D1的关系为：

式（1）中：p1为泥塞对炮泥的单位压力，MPa；p0为液压缸的工作油压，MPa。

工作油压越高，泥炮的结构越紧凑，在大高炉中p0=25 MPa，由（1）式得

3．1．4 液压缸行程的计算

液压缸的行程等于泥缸的行程，所以液压缸的行程为：

式（2）中：V1为泥缸有效容积，m3；D1为泥缸的直径，m。

3．1．5 打泥推力P的计算

打泥推力P的计算公式为：

3．1．6 泥塞移动速度v1的计算

泥塞移动速度v1的计算公式为：

式（3）中：t为打泥时间，一般取40～60 s。

3．1．7 炮嘴吐泥速度v2的计算

炮嘴吐泥速度v2的计算公式为：

式（4）中：D2为炮嘴出口处的内径，取150 mm。

由（4）式得：

所以，在本工程中炮嘴吐泥速度取为0.33 m/s是合适的，又由于液压缸中的流量可以通过节流阀进行调节，所以炮嘴吐泥速度也是可调节的。

3.2 压炮力的计算

满足打泥过程中不退炮的条件是有足够的压炮力，克服炮嘴的最大打泥反力和压紧力。

压力炮的计算公式为：

式（5）中：P0为最小压紧力，kN；Fmax为打泥时产生的对嘴炮的大嘴打泥反力。

最大打泥反力Fmax的计算公式为：

式（6）中：D2为嘴炮直径，kN；p2为嘴炮出口处的炮泥压力，MPa。

最小压紧力是出现在最大打泥反力时，炮嘴对泥套的剩余压炮力，一般为20～30 kN。

由（6）式得P=30+283=313 kN。

3.3 旋转机构的计算

液压泥炮旋转机构的计算简图如图3所示。

图3 旋转机构计算简图（一）

当活塞式往复液压缸5带动V形杆点旋转时，连杆3使泥炮转臂2绕点旋转。

3．3．1 旋转装置液压缸活塞杆的受力分析

压炮时的压炮反力将通过相应的杆件和旋转液压缸的活塞杆传到泥炮基础上，旋转液压缸活塞杆的最大受力发生在压炮时。泥炮在打泥过程中，虽然增加了对炮身的打泥反力，但炮嘴与泥套间的压紧力以与打泥反力相同的数量减少，所以，活塞杆的受力在打泥前和打泥过程中是不变的。

如果忽略杆件锁轴的摩擦阻力，压炮时杆件3的受力P3可由下式求出：

式（7）中：P为压炮力；δ为压炮时炮身与水平面所形成的倾角，10°；L为转臂的长度，3.1 m；R为臂架同杆件3铰点至回转点O1的距离，0.65 m；θ为在压炮位置时杆件3的位置角，26°。

计算简图（二）如图4所示。

图4 计算简图（二）

计算简图（三）如图5所示。

图5 计算简图（三）

由图5可以得到活塞杆受力P6为：

式（8）中：n和Q分别为P3和P6到回转点O2的力臂。

式（8）忽略了销轴的摩擦阻力。由图2～图4可见：

根据液压缸的样本，选择液压缸的直径为250 mm。

3．3．2 旋转液压缸行程的计算

计算简图（四）如图6所示。

图6 计算简图（四）

由图6可以得到当V形杆转过β角度时液压缸的行程为：

当转臂转角等于150°时，V形杆转角等于68°，此时液压缸的行程为：

经过计算得到液压泥炮的技术性能参数如表1所示。

表1 液压泥炮的技术性能参数

4 结束语

本文通过对液压泥炮打泥机构、旋转机构等的计算和分析，得出液压泥炮性能参数的计算方法。此次设计的液压泥炮已经在中天1 500 m3高炉投入生产一年以上，运行情况良好，得到了用户的好评，同时对其他高炉泥炮的设计起到一定的理论参考作用。