120T转炉氧枪刮渣器的设计与应用

120T顶吹转炉氧枪刮渣器的设计与应用饶大海摘要：本文简要介绍了研制120T顶吹转炉氧枪刮渣器时所要考虑的问题及解决办法，并对刮渣器进行了设计计算。为同类设备提供了可借鉴的经验。关键词：刮渣器氧枪1.引言随着转炉炼钢技术的发展，攀钢提钒炼钢厂较早就采用了溅渣护炉技术来提高转炉炉龄。但是溅渣护炉在提高转炉炉龄的同时，也带来了一些负面影响，主要表现在氧枪粘渣严重，提不出氧枪孔，导致生产中断，只有割断氧枪，更换氧枪。这既增加了氧枪消耗量，也增加了打渣、换枪的时间，较大地影响炼钢生产的产能。针对这一问题，经过多次论证，提出了在转炉上增设氧枪刮渣器，以消除溅渣护炉带来的负面影响。2.刮渣器的设计2.1刮渣器的工作原理刮渣器的工作原理为：在机械臂上安装刀具，当氧枪上升到一定高度时，刮渣器动作，刀具抱住氧枪（气动控制），依靠氧枪上升时的拉力，刀具将氧枪上的粘渣划破或破碎，从而将渣除去。当氧枪升至上极限位置时，氧枪上的粘渣完全清除，此时刮渣器动作退回原位，等待下一次刮渣。2.2刮渣器的设计方案由于炼钢厂转炉氮封口周围的空间狭窄，氧枪金属软管在吹炼时会降到氮封口平台上，氧枪存在偏枪。因此，要成功设计刮渣器，必须解决以下问题：（1）刮渣器的结构形式和布置；（2）刮渣器要有一定的适应氧枪偏枪的能力。刮渣器所采用的结构形式和布置方式，必须做到使刮渣器与氧枪金属软管不发生干涉。经现场测量和反复设计，最终确定采用如图1所示的结构和布置形式。在现场20#梁上焊接东立柱和西立柱，再在东立柱和西立柱上分别安装东悬臂梁和西悬臂梁，刮渣器就安装在悬臂上。刮渣器采用直线传动的滑臂式，由气缸驱动。为了满足刮渣器适应氧枪偏枪的要求，需从两方面来考虑：（1）确定气缸行程时，使气缸行程大于氧枪不偏枪时刮渣所需行程，根据氧枪偏枪情况，确定行程余留量为30；（2）刮渣器的刀具采用4把，这样可起到刮渣器对氧枪定心的作用，在汽缸的推力作用下，使氧枪的偏枪得到矫正，从而使刮渣器的刀具都能刮到氧枪粘渣。图1刮渣器的结构图2.3刮渣器的自动控制为实现自动刮渣的功能，即氧枪提升到氮封瓶塞提出氮封口1米以后刮渣器就自动投入刮渣，必须解决好三方面的问题：（1）过载保护，即防止由于氧枪粘残钢过多造成氧枪提不动而使氧枪重砣钢绳松套，为自动刮渣提供安全保障。在氧枪重砣钢绳上安装拉力传感器，通过设定拉力传感器的最低值并用于控制氧枪升降电机，当拉力传感器的拉力低于最低值时，电机就得讯停止，从而防止氧枪钢绳松套，达到过载保护的作用。（2）连锁控制，即刮渣器的动作由氧枪的运行状态来控制，达到自动刮渣的功能。通过氧枪极限，当操作氧枪提升到刮渣起始点，刮渣器闭合刮渣，直至氧枪枪头提出刮渣器刀具，刮渣器打开。（3）氧枪运行顺利，为保证氧枪顺利下枪，在控制上作到氧枪在任意工作点操作下降，刮渣器自动打开。3.刮渣器的设计在明确了刮渣器的相关问题后，就可进行刮渣器的设计，其设计计算如下：3.1确定气缸型号为保证刮渣器处于等待位时不防碍氧枪顺利下枪，以及为适应氧枪偏枪而预留的行程量，气缸行程确定为300mm。为达到刮渣器能对氧枪偏枪起矫正作用，气缸缸径要适度大一些，选定为125mm。因氮封口周围温度高，选用耐热型气缸。气缸型号选定为QGB-R1253.2强度计算3.2.1计算滑动臂的强度（1）计算滑动臂的弯矩由于氧枪采用重砣式提升，经计算重砣与氧枪的重量差为2.3吨，则刮渣器滑动臂（单臂）所承受的最大力为：F=2.3/2×1000×9.8=11270N考虑到安全系数，取F=11500N。刮渣器滑动臂可简化为悬臂梁，受力图如图2所示，滑动臂所受的最大弯矩为：Mmax=F.L=520×11500=5980000N.mm图2刮渣臂受力简图（2）计算截面的形心坐标位置yc´滑动臂的截面形状为如图3所示。图3滑动臂的截面形状图根据材料力学，材料截面的形心（几何中心）公式yc´=∑Aici=89×37.34/2(64+37.34/3)+89×64×64/2=42.0377≈42mmyc´——截面的形心坐标Ai——截面ABC相对于Y轴的面矩Ci——截面BDEC相对于Y轴的面矩③计算滑动臂的应力在形心的坐标系中，该截面的受到的最大应力σmax。σmax=Mmax/Iz=89×37.34³/36+(64+37.34/3-42)²89×37.34/2+89×64³/12+(42-64/2)²89×64=4614178.68mm4ymax=64+37.34-42=59.34mmσmax=5980000×59.34/4614178.68=76.9MpaMmax——形心截面受到的最大弯矩Iz——该截面的抗弯截面模量Ymax——形心到危险截面的最大距离查资料可得，滑动臂的材质为35CrMo,其曲服极限为σs=540Mpa。则滑动臂的安全系数为：S=σs/σmax=540/76.9=7,满足强度要求。3.2.2计算悬臂梁的强度（1）计算悬臂梁的弯矩悬臂梁的受力简图如图4所示，悬臂梁所受最大弯矩为：Mmax=L.F=3498×11500=40227000N.mm图4悬臂梁的受力简图图5悬臂梁的截面简图（2）计算悬臂梁的应力悬臂梁的截面形状如图5所示。σmax=Mmax.ymax/Iz其中，Iz=2（230×20³/12+90²×230×20）+16×160³=80288000mmymax=100mmσmax=Mmax.ymax/Iz=40227000×100/80288000=50.1Mpa悬臂梁的材质为16Mn,其屈服极限为350Mpa。滑动臂的安全系数为：S=σs/σmax=350/50.1=6.9，满足强度要求。4.气动系统的设计根据所选气缸的规格，管路的通径确定为25。为实现减压、过滤、润滑和调速的要求，气动回路配备了减压阀、分水滤气器、油雾器、节流阀和换向阀，气动原理图如图6所示。5.刮渣器的应用刮渣器安装调试后，在炼钢厂的生产中发挥了重要作用。氧枪上的沾的渣基本上在吹炼后提枪的过程中予以除掉。（1）消除了操作工用乙炔、氧气割枪割氧枪沾渣的作业方式（未上刮渣器之前，一般吹炼5炉左右就停下来割