开铁口机设备及液电控制技术的研究

0 前言

开铁口机属现代化大型冶炼高炉的关键设备，专门用于高炉出铁。开铁口机使用钻头打通高炉的出铁口通道，实现顺利出铁水。其工作性能的好坏直接决定了高炉生产是否稳定、顺行，能否正常按时出铁，决定了整个炼铁厂高炉的产量。

开铁口机设备一般由钻冲机构、倾斜机构、调整杆、回转机构、基础座、管路系统等组成。开铁口机工作流程：当开铁口机处于待机位置时，回转油缸供油，驱动回转悬臂带动钻冲机构一起旋转，至钻冲机构旋转到主铁沟中心线上方位置(钻冲机构中心线投影与主铁沟中心线重合)时停止，倾斜机构中倾斜油缸进油，驱动钻冲机构倾斜(倾斜角度与铁口通道角度一致)，此时钻杆对准出铁口点，送进马达驱动小车带动钻杆、钻头打通出铁口通道(钻杆安装在凿岩机上，凿岩机可实现钻杆的钻削和冲击功能)，实现顺利出铁。铁口打开后，使小车迅速回退，倾斜油缸进油，钻冲机构抬平，回转油缸供油，使回转悬臂带动钻冲机构回到待机位置，重新更换钻杆、钻头，以便下次开铁口。

图1 KJT型开铁口机结构简图

1 开铁口机技术现状

目前炉前开铁口机设备在中小型高炉出铁过程中基本满足现场实际操作使用，由于大型高炉炉内压力高，铁口通道长，通道内炮泥含铁渣较大，出铁频率较高，故对开铁口机设备性能、操作模式安全性要求高，现有开铁口机在大型高炉炉前使用过程存在着较多问题，对高炉正常出铁、规模产量有一定影响，同时使炉前区域存在安全隐患。

1.1 钻冲机构水平调节问题

钻冲机构与倾斜机构通过螺栓固定为一体，倾斜机构通过轴承与回转悬臂头部连接，当钻冲机构处于工作位而钻头不能对准出铁口时，只能通过调整杆驱动倾斜机构带动钻冲机构绕着回转悬臂头部旋转轴摆动，从而使钻头与出铁口重合，无法使钻冲机构产生平动，这样调节会导致钻杆中心线与铁沟中心线产生夹角(正确开孔状态：钻头对准出铁口，钻杆中心线与铁沟中心重合)，在开孔过程中会导致钻孔偏离铁口通道方向，从而破坏铁口通道。

1.2 钻杆开孔过程中扰度及摆动幅度大

由于钻杆较长，钻杆后端与凿岩机接手固定，前端在挡火板沟槽内受沟槽支撑，钻杆中部无支撑，当钻杆工作时，由于进给力、切削力、冲击力等会导致钻杆旋转过程中扰度太大，且容易从挡火板沟槽内蹦出，从而影响正常开孔。

1.3 凿岩机驱动钻孔开孔耗时

大型高炉铁口通道长，炮泥硬度大，钻头磨损较严重，打开铁口通道耗时长，需要半小时至1小时(开孔过程中有时候需要更换钻头)，严重影响出铁水的产量。

1.4 钻杆钻孔深度无检测装置

钻孔深度直接影响开铁口时的劳动强度和成本，精确测量开铁口机钻孔深度能够保证铁口深度的稳定，现有的开铁口机钻孔深度都是通过直观目测粗略估算，无法实现精确测量，从而导致钻孔过浅或过深，多次开铁口及钻杆损坏等问题，不利于维护铁口通道的稳定性。

1.5 设备运行的冲击力

当回转机构旋转至末端时，因速度较快导致停止的瞬间惯性产生巨大的冲击力(大型开铁口机设备重量一般在23～25 t)，会造成对整个设备强大的冲击力，对设备本体、连接件、轴承、油缸等产生破坏，大大降低设备的使用寿命，从而增加维护、检修的成本。

1.6 倾斜机构干涉

开铁口机整个回转过程中，倾斜油缸有杆腔始终保压以提供足够的力矩使钻冲机构处于抬平状态，充分保证钻冲机构能绕开下方的铁沟盖，若连接倾斜油缸的软管受高温热辐射产生破损，会导致倾斜油缸失压，钻冲机构自动倾斜，与铁沟盖或锚钩座等直接碰撞，出现安全事故。

1.7 开铁口机设备操作方式

目前采用手动操作模式，即操作者在液压操作室操作手柄实现开铁口机各种动作要求，以便顺利打开铁口。液压操作室远离铁口，位置固定，观察范围狭窄、角度单一，故操作者无法准确了解设备实际运行状态(开孔速度、小车前进速度、钻杆旋转速度及冲击能力等)是否合理，有可能操作失误，影响铁口通道的顺利打开。

2 开铁口机最新技术研究成果

针对目前市场上炉前开铁口机设备存在的各种问题，对设备进行技术革新，使其满足大型高炉炉前开口工艺要求。

2.1 钻冲机构摆动滑道技术

如图2所示，钻冲机构与倾斜机构安装固定为一体，摆动滑道架与悬臂通过上下轴承连接，倾斜机构担置于摆动滑道架两边凸缘上，并能在该凸缘式滑道上移动(即倾斜机构带动钻冲机构可在滑道上进行平动)。

当回转悬臂到工作位置时，如此时钻冲机构与铁沟中心线相交产生角度偏差，可通过调节调整杆来推动摆动滑道架带着钻冲机构绕着悬臂前端立轴摆动，直到钻冲机构与铁沟中心线重合或者平行为止。若为平行状态，则推动倾斜机构带着钻冲机构沿着滑道架平行移动，直到钻冲机构与铁沟中心线重合为止。当钻头对准出铁口时，该结构形式可始终保持钻杆中心线与铁口通道中心线重合，开孔时不会产生偏离，从而更好的保护铁口通道。

图2 摆动滑动结构简图

2.2 钻杆夹钳及钻杆扶持技术

如图3所示，夹钳机构前支座固定于轨梁前端，后支座固定在轨梁上面，通过油缸驱动杆机构实现钳子的张开与闭合，扶持机构为可移动式的托钩装置，支撑钻杆，具有防钻杆反弹的压板装置。

开铁口机钻孔时，夹钳处于闭合状态(闭合程度应根据现场钻杆大小而定，夹钳闭合时，必须保证与钻杆间有间隙，方便钻杆旋转及移动)，当链条带动行走小车前行时，同时也带动夹持机构前行，始终保持扶持机构约处于钻杆中部位置，避免了钻杆在钻孔过程中部无支撑，扰度、摆动大的问题，有利于钻杆平稳开孔。

图3 钻杆夹钳及钻杆扶持结构简图

2.3 高频率冲击的凿岩机及雾化技术

采用高频冲击、高转速、大扭矩的凿岩机，当铁口通道很顺畅时，通过高转速、大切削力进行开孔，当切削阻力增大时，采用高频率低冲击功与切削同时进行，保护铁口通道不被大冲击震动破坏，形成规则光滑的细长孔道，也有利于后期炮泥封堵铁口通道。

水雾化开铁口技术属于新兴炉前开口技术，对无水炮泥效果尤其显著，在钻进过程中给予钻头良好的冷却,可确保一个钻头完成开口，无须中途更换，显著提高钻进效率,降低钻杆、钻头消耗，正常开孔时间控制在6～10分钟。

气雾柜是水雾化开铁口技术的必配设备，其功能有：

(1)吹扫冷却。压缩空气吹入凿岩机后形成气流循环，吹出时带走机体热量，起到冷却作用；

(2)油雾润滑。压缩空气流经油雾器，形成油雾，吹在凿岩机内需要润滑的部位，形成油膜，对运动部位润滑作用；

(3)水雾冷却钻头及降尘。高压水在凿岩机内与压缩空气相遇后，形成水雾，通过机内管道，从钻头吹出，与开口产生的烟尘混合，起到冷却、降尘作用。

气雾柜使凿岩机更加高效，稳定的工作；提高开孔效率，降低钎具消耗；减少烟尘，并延长凿岩机使用寿命。

2.4 缓冲、限位技术

如图4所示，回转悬臂两侧安装有调整螺杆，缓冲架安装在固定基础架两侧(即回转悬臂处于工作位置和待机位置处)，缓冲架上安装有缓冲器及固定块，缓冲器采用液压缓冲或机械缓冲。当回转油缸驱动悬臂旋转到工作位置或待机位置时，悬臂侧面的调整螺杆先与缓冲器接触，以消除整个回转机构惯性冲击力，另一调整螺杆再与固定块接触，以便对悬臂位置精确定位(调整螺杆的伸出长短可根据悬臂具体位置进行调节)，该技术可解决回转机构产生冲击力对设备整体破坏问题，可使整个设备运行较为稳定，延长设备使用寿命，同时可精确定位悬臂工作位置，避免油缸行程定位悬臂位置误差较大问题。

图4 缓冲结构简图

2.5 液电控制技术

(1)钻孔深度检测装置。针对现有开铁口机无钻孔深度检测装置的弊端，利用旋转编码器测量位移功能(编码器安装在送进马达出轴上，将马达旋转圈数转化为直线位移)和钻孔临界开通时压差原理，采用开铁口机钻孔深度测量装置。该装置由绝对值编码器及压力变送器、PLC硬件及软件、智能显示仪表三部分组成其工作流程如图5所示。

图5 检测装置工作流程

该测量装置能确保开铁口机钻孔深度的准确测量，为高炉炉前开铁口机钻孔操作提供参考依据，指导炉前工人正确的操作泥炮，保证生产顺利进行，降低成本，提高高炉使用寿命。

(2)倾斜油缸的压力平衡。针对液压油软管受高温热辐射产生破损，导致倾斜油缸无法保压而出现钻冲机构自动倾斜的问题，利用液压安全平衡阀的原理，将平衡阀与溢流阀组合为一体，直接安装在倾斜油缸有杆腔进油口处，在无杆腔不主动供油情况下，有杆腔始终处于保压状态，不受油缸外界管路的影响，其工作原理如5所示。

该倾斜油缸平衡阀在回转过程中可始终保持钻冲机构处于抬平状态，避免与下方的铁沟盖干涉，使开铁口机设备处于安全运行状态，避免事故发生。

图6 倾斜油缸平衡阀原理图

(3)遥控操作技术。由于手动操作模式的弊端性，最新操作模式采用遥控形式，遥控系统用于对开铁口机设备的无线控制，无线控制系统包括遥控接收装置和便携式遥控器发射装置。在遥控操作模式下，先启动遥控器，等一切正常后，再推动遥控器上的相应手柄或按键以完成相应的动作(需将用于遥控操作的液压手动阀全部升级为电磁阀，方可采用遥控器控制阀的启动，关停)，待机械设备完成工作后将设备选择开关打到卸荷位置即可。

遥控操作可由一持遥控器者前往出铁现场操作，此时操作人员可以非常清楚的观察高炉的开铁口情况，操作更加方便、准确，可有效的提高工作效率，减少不必要的操作失误，安全得到保证。

3 开铁口机设备及液电技术发展趋势

(1)全自动化操作技术。高炉出铁时伴随高温、粉尘、噪音等各种因素，使出铁场环境相当恶劣，不利于工人在现场操作设备，同时每个操作者技术水平有较大差异也会影响开铁口的效率及安全，伴随工业自动化的全面发展，未来开铁口机操作方式应趋于全自动操作模式。自动模式对操作人员来说是最好的支持，根据设定好的工艺参数和工艺程序编制程序，设备的操作顺序和功能均是全自动的。操作员只需输入开始信号，所有其它动作和功能都根据存储在PLC程序中的参数、设定来完成，操作员仅对整个钻孔过程负有监督作用，不会影响出铁过程。

(2)自动换杆技术。炉前开铁口机自动化操作不含其辅助设备——换杆机，并没有完全实现真正意义上的全自动化，需人工更换开铁口机钻杆。自动换杆机为炉前辅助设备，其主要功能是给开铁口机更换钻杆，减少炉前操作员长期在恶劣环境下工作，也可避免钻杆使用后因为高温而无法靠近的情况，保证其人身安全。未来应对自动换杆机进行研发设计，并对液压、电控系统等进行升级优化，使炉前所有设备按照炉前工艺要求实现自动化操作，以便实现真正意义上的炉前全自动化操作。