液压泥炮打泥量精准控制研究与应用

供稿|刘庆涛，张守喜

内容 导 读

为了解决机械传动指针式高炉液压泥炮打泥量装置只能估测打泥量、偏差大、无法准确控制铁口深度的难题，采取了将齿轮流量计串联在打泥液压缸的无杆腔油路上，用编码器和计算机运算，数字显示的方法，实现液压泥炮打泥量全程、时时、动态容积监控，从而达到精确控制打泥量。不仅解决了液压泥炮打泥量不准确问题，铁口平均合格率由原来65%提高至98.5%，每次打泥量的误差控制在0.001 m3以内，而且提高了炮泥的使用率，减少炮泥的使用量，具有显著的经济效益。

目前，我国对高炉液压泥炮打泥量的研究集中在机械传动重锤式、钢绳传动式[1]、指针式等方面[2]，但是，这些研究局限性在于只能估测打泥量，偏差大，无法准确控制铁口深度。然而，打泥量的多少直接影响高炉的稳定性，进而影响高炉稳产、高产。打泥量过大，会出现铁口深度过深、下次铁口难开、严重浪费炮泥；打泥量过少，造成铁口过浅、出铁时间短、严重影响炉缸的寿命[3]。国外文献分析打泥量时，大多只给出了相关结论，而没有说明具体的计算方法[4]。因此，研究液压泥炮打泥量精准控制很有必要。

传统打泥量装置及精度分析

机械传动式打泥量装置

装置结构简介

图1为机械传动式打泥量装置。由图1可见，炮身尾部装有钢丝绳-滑轮-重锤式打泥行程指式器，用以显示打泥量的相对值，由于采用了动、静滑轮结构，故行程指示器指针的全行程为打泥活塞全行程。打泥液压缸活塞杆向前移动，带动钢丝绳传动，钢丝绳经过绳轮组成的滑轮组，带动指针旋转，指针转动角度的大小即为检测打泥量的多少。它是通过传动件的位移量来估测打泥量，估值偏差大，无法准确控制铁口深度。打泥量行程指示，检测的只是打泥液压缸活塞杆产生的位移，而不是液压泥炮实际射入铁口炮泥的量。

图1 机械传动打泥量装置

性能参数

液压泥炮采用机械指针式打泥量装置设计，其动作原理是由两个往复式活塞液压缸完成旋转、压炮、炮身倾斜、打泥等各种动作。为了使炮口在压炮状态保持向下倾斜10°±5°，且炮身在离开出铁口反向旋转时又不致碰到铁沟沟帮，液压泥炮旋转轴是倾斜的。直径8 mm钢丝绳穿过液压泥炮尾部端盖，由3组滑轮导向，把直线运动变为圆周运动，表盘分为12格，每格代表打泥量0.025 m3，液压泥炮旋转角度为114°±5°，打泥时间为75 s，其主要技术性能参数如表1所示。

表1 本钢4747 m³高炉液压泥炮性能参数

打泥量精度低原因分析

人为操作原因

由于炉前操作者技能、经验和视力不一致，以及对铁口状况掌握程度不一致，每名操作者观察表针的角度不同，读数各不相同，每次凭操作者个人经验判断进行打泥操作，结果造成打泥量过大或过少。操作原因是造成铁口深度不合格的主要原因，危害极大。

现场原因

出铁后炉前堵铁口作业在液压泥炮操作室，通过远距离观察现场液压泥炮上安装的打泥行程指示，由于铁口周围烟尘、灰尘、粉尘大，视线差、看不清，造成读数偏差太大，可操作性差，铁口深度的控制主要靠操作人员的经验来判断。现场原因不可避免，虽然不是主要原因，但是危害较大。

其它特殊原因

液压泥炮堵铁口过程中，遇到炉况失常造成铁口喷吹，裸露的钢丝绳挂渣铁卡住或者被渣铁烧断；有时遇到铁沟潮湿放炮，崩坏表盘、烧毁表针，此时操作者无任何参照物，只能凭借打泥时间来判断打泥量多少。这种情况一旦发生，操作者为了避免堵不上铁口多打泥，会出现铁口深度过深，下次铁口难开，不仅严重浪费炮泥，而且加大设备维护工作量。

改进措施及实施效果

改进措施

打泥液压缸控制回路改进

图2为打泥液压控制回路改进前、后对比示意图，图内P为高压油，T为回油，A为液压缸无杆腔，B为液压缸有杆腔，a为电磁阀左电磁铁，b为电磁阀右电磁铁，X为控制油口，Y为控制油回油口。

由图2(a)改进前示意图可见，电磁换向阀得电使双向液压锁打开，同时，比例阀电磁铁b得电，打泥液压缸活塞杆向外伸出，牵着钢丝绳经过滑轮组，带动指针旋转，指针转动角度的大小即为打泥量的多少[5]。从图中可以看出，液压泥炮的打泥活塞与打泥液压缸的活塞杆刚性连接，打泥液压缸活塞杆向外伸出的位移，即为液压泥炮泥塞走过的行程。据此，对打泥液压缸液压控制回路进行改进，将齿轮流量计串联在打泥液压缸的无杆腔油路上[6]，同时，用编码器记录下齿轮流量计的转数输送给计算机，计算机按照设定的程序累加，把进入打泥液压缸无杆腔液压油的流量过滤、转换、处理，生成液压泥炮打泥量，通过数字显示仪显示出来，如图2(b)改进后示意图所示[7]。

图2 打泥液压缸控制回路改进前、后对比：(a)改进前；(b)改进后

打泥量计算公式推导

通过对液压泥炮在线使用工况条件及打泥量不准确的原因进行分析，找出解决问题的方案，根据流体力学“帕斯卡”原理[8]，对打泥液压缸液压控制回路进行改造，改造后的示意图如图3所示。

图3中打泥液压缸移动的公共位移L，为液压泥炮打泥活塞的行程。通过介质-液压油流量进行理论计算，最终推导出打泥量计算公式[9]。

图3 打泥量计算示意图

则有：

由(1)得：

由式(2)～(3)得：

式中：L为公共位移；Vn为液压泥炮打泥量；D为液压泥炮打泥活塞的直径(已知)；d为打泥液压缸活塞的直径(已知)；Vy为进入打泥液压缸无杆腔液压油的容积；Vc为齿轮流量计的齿轮几何容量(单转排量已知)；η为齿轮流量计的转数。

由式(4)可知，由齿轮流量计的转数，就可以计算出液压泥炮打泥量。在液压泥炮向高炉铁口射炮泥过程中，编码器恰恰能够通过正弦波脉冲信号记录下齿轮流量计的转数，齿轮流量计每转一圈通过的流量即为齿轮流量计的齿轮几何容量(单转排量已知)，即一个脉冲信号相当于一次齿轮几何容积的流量。脉冲信号转换为4～20 mA的模拟量信号传送给计算机，计算机接收4～20 mA的模拟量信号，按照设定的程序计算出液压泥炮打泥量，通过数字显示仪显示出来。

实施效果

堵铁口操作流程

图4为打泥量操作台及操作流程图，在使用时，每次堵铁口开始前，必须将数字显示仪上的数据清零。将操作台(如图4(a)所示)上的复位按钮按下去，待按钮自动弹出时，复位清零完成。堵铁口时，在操作室操作液压泥炮回转指令控制器手柄，进行堵铁口操作，在液压泥炮堵上出铁口的瞬间，再操作液压泥炮打泥指令控制器手柄，开始向出铁口射炮泥，数字显示仪开始动态显示打泥量(m3)，当打泥量达到出铁口深度所需要的规定数值时，打泥指令控制器手柄复位，本次操作完成，打泥量清零及操作流程图(如图4(b)所示)。

图4 打泥量操作台及操作流程图：(a)操作台；(b)操作流程

改进后效果

本技术在高炉堵铁口操作中成功应用，能根据铁口的实际情况制定不同的打泥量，实现同一操作定量控制，不受人为经验判断因素的影响，维护了铁口的稳定性，为实现高炉稳产、高产提供坚实保障。避免了远距离观察和人为判断带来的较大偏差，通过计算机外部接口进行远程监控，实现自动化控制，每次打泥量的精度(实际用量减去理论用量的绝对值)控制在0.001 m3以内。本技术提高了炮泥的使用率，减少炮泥的使用量，不仅节约了炮泥费用，而且减少了高炉慢风损失，具有较大的经济效益。改造前，每年每座高炉炮泥平均采购费用1760万元，改造后，由于杜绝了操作原因、现场原因、特殊原因等诸多不利因素造成炮泥的严重浪费，每年每座高炉炮泥平均采购费用降低至1440万元，节省炮泥材料采购费用约320万元。

本技术解决了高炉出铁口打泥量过大导致铁口深度过深、下次铁口难开、浪费炮泥严重等现象，避免了高炉打泥量过少、铁口深度浅、出铁时间短或铁水放不干净等异常情况而严重影响高炉炉缸的寿命。液压炮打泥量累计总数复位到零，实现液压泥炮打泥量全程、时时、动态容积监控，从而达到精确控制打泥量。铁口合格率(铁口深度合格次数与总数的比率)由原来65%提高至98.5%。表2为打泥量装置改进前、后各指标对比表。

表2 打泥量装置改进前、后各指标对比

结束语

1)提高了炮泥的使用率，减少炮泥的使用量，具有较大的经济效益，每年每座高炉节省炮泥材料采购费用约320万元。

2)避免了远距离观察和人为判断带来的较大偏差，通过计算机外部接口进行远程监控，实现自动化控制，每次打泥量的误差控制在0.001 m3以内。

3)解决了高炉出铁口打泥量不准确问题，实现液压泥炮打泥量全程、时时、动态容积监控，从而达到精确控制打泥量。铁口合格率由原来65%提高至98.5%。