双支臂电渣炉电极夹持机构改造.pdf

DOI:10.16683/J.CNKI.ISSN1674-0971.2023.2031前言电渣冶金生产是适应科技工业发展需要而产生和发展起来的，如初期仅是用于提纯航空和空间技术需要的材料，生产小型的高级优质钢锭和材料。由于电渣冶金技术的迅速发展，并且显示了高度的优越性，日益被重视，不仅在技术先进的发达国家拥有大量的电渣炉和生产能力，而且对于发展中国家的科技发展亦具有明显的适应性。1背景介绍双支臂电渣炉在冶炼过程中每个支臂需切换碳电极或金属电极，每炉钢各支臂需切换23次1，换模工作量较大。原夹持机构完全依靠人力操作，准备时间长，劳动强度大，且实施夹持过程对设备造成损伤。张云辉晏东罗犹强摘要：双支臂电渣炉在冶炼过程中每个支臂需切换过渡电极下部夹持的碳电极或金属电极，电极夹持完全依靠人力操作，准备时间长，劳动强度大，且实施夹持过程对设备造成损伤，经常出现过渡电极夹头拉弧和漏水现象。为解决上述问题，将原水冷过渡电极改为非水冷件，并在线外与碳电极固定或与金属电极焊接为一体，设计液压夹持机构夹持过渡电极，实现快速、安全切换电极。关键词：电极；夹持；液压；快速切换中图分类号：TH137.9文献标识码：B文章编号：1674-0971(2023)-002-04Zhang Yunhui，Yan dong Luo Youqiang（Pangang Group Changcheng Special Steel Co.，Ltd.，Jiangyou 621701,Sichuan，China）Abstract:In the process of smelting,the electric slag furnace needs to switch the carbon electrode or metalelectrode held at the clamp of the lower part of the transition electrode.The electrode clamping completely dependson human operation,long preparation time,high labor intensity,and the implementation of the griping processcauses damage to the equipment,and the transition electrode clamp arc and water leakage phenomenon often occur.In order to solve the above problems,the raw water-cooled transition electrode is changed to non-water-cooledparts,and the external line is fixed with the carbon electrode or welded with the metal electrode.The hydraulicclamp mechanism is designed to clamp the transition electrode to realize fast and safe switching electrode.Keywords:electrode，clamp，hydraulic pressure，fast switching收件日期：2023-1-08作者简介：张云辉（1984-），男，毕业于青岛理工大学，机械设计制造及其自动化专业，工程师，现供职于攀钢集团江油长城特殊钢有限公司，从事设备点检工作。邮箱：，电话：[phone]。（攀钢集团江油长城特殊钢有限公司，四川江油 621701）特钢技术Special Steel Technology第29卷 总第115期2023年第2期Vol.29（115）2023.No.2冶金设备与技术改造Transformation of the electrode clamping mechanism of thedouble-support arm electric slag furnace双支臂电渣炉电极夹持机构改造原夹持机构如图1所示：图1中导电铜管、导电铜板、横臂及上卡头为设备本体部件。过渡电极（总长2800 mm）固定在卡头上（横截面为方形），正常情况下不需要拆卸。因过渡电极与碳电极或金属电极为活动夹持，夹持导电面存在较大的发热，故过渡电极为水冷导电部件，上部连接进回水管，下部为夹持碳电极或金属电极的夹头，分固定夹头和活动夹头，均为水冷部件，其中活动夹头通过金属软管与过渡电极接通水路。碳电极或金属电极的夹持步骤为：1、将过渡电极的活动夹头向上翻转；2、将碳电极或金属电极放在过渡电极下方，然后操作横臂下降，使碳电极或金属电极进入过渡电极夹头内，放下活动夹头；3、将锁紧销穿入固定夹头和活动夹头，并将锁紧斜铁插入锁紧销孔，操作人员使用铁锤将斜铁打紧，完成碳电极或金属电极的夹持工作。碳电极或金属电极的夹持过程存在以下缺陷：1、实施难度高，需将碳电极或金属电极放置在过渡电极正下方，不易对正，经常出现夹持不良而导致夹口发热严重甚至拉弧；2、操作工需通过手持铁锤锤击斜铁实现夹紧，劳动强度大，且存在较大的人身安全隐患；3、锤击斜铁的过程难免直接锤击在假电极上（斜铁受力面较小），直接或间接导致假电极漏水的情况非常多，使炉座正常冶炼存在较大风险，且维修任务重，假电极使用成本高；4、铁锤锤击斜铁的过程，对整个炉头的冲击和振动大，对设备的性能影响大。综上所述，双支臂电渣炉原碳电极或金属电极的夹持方式存在严重的缺陷，需研究改造方案，彻底解决问题。2夹持机构改造针对双支臂电渣炉原电极夹持存在的问题，根据其它炉座的成功经验，取消过渡电极的水冷功能，直接采用200圆钢作为过渡电极，长度参照图一原假电极长度2800 mm，将过渡电极在线外与碳电极固定或与金属电极（上端尺寸约为200 mm）焊接为一体，规避漏水和因夹持不良产生过热甚至拉弧的风险。将原横臂上卡头改造为活动卡头，采用液压夹持器夹持过渡电极以解决原操作方式存在的缺陷。2.1 夹持器设计将原横臂上的固定上卡头改造为活动卡头，以液压驱动实现夹持和打开功能。2.1.1 活动卡头组件设计2.1.1.1 导电铜块设计原过渡电极上部导电面为平面，现改用圆弧面导电，需重新设计导电铜块，材质为T2。图2左视图中左侧平面与图1中导电铜板接触，右侧圆弧面与200圆钢过渡电极接触，实现导电。设计圆弧面积大于原方形过渡电极与导电铜板的接触面积，确保设计导电效果不低于原结构。导电铜块定位安装面设计成斜面，与活动夹头配合安装。2.1.1.2 活动卡头设计活动夹头分为固定部分和活动部分。特钢技术第29卷第2期图1 原夹持机构Fig.1 Original clamping mechanism图2 导电铜块Fig.2 Conductive copper block图3 活动夹头Fig.3 Movable chuck 60图3为活动夹头，其中固定部分与横臂连接固定，活动部分与固定部分以铰链连接，使活动部分具有旋转功能，活动部分设计一个油缸铰链，用于与油缸连接2。活动部分与固定部分开口间距满足200圆钢过渡电极可靠进出和被夹持。固定部分设计梯形孔，用于定位导电铜块。根据夹头固定部分在炉座横臂上的安装空间、油缸的安装位置以及过渡电极尺寸，优化后选定夹头铰链与过渡电极中心距为180 mm，油缸铰链与夹头铰链中心距为200 mm。2.1.1.3 活动卡头组件图4为导电铜块与活动夹头组合安装，导电夹头左右两侧突出固定夹头侧面最小量为5 mm，确保可靠导电及具备一定的使用寿命（正常工作时左侧导电面的损耗十分小，右侧圆弧导电面的使用寿命预计大于10年）。导电铜块与活动夹头采用斜面定位安装，避免了螺栓固定，理由为：1、图1中导电铜板为水冷件，且不易拆卸，故难以加工螺纹孔；2、根据其它炉座的经验，此处采用螺栓连接在异常情况下螺栓出现导电时极易拉弧烧断。导电铜块不设计水冷，因其材质为T2，能与导电铜板和过渡电极可靠接触，且接触面积大于原结构，发热量小，满足工作要求。2.1.2 液压设计2.1.2.1 液压缸设计考虑到双作用液压缸3在冶炼时有渗漏油的风险，故采用单作用液压缸，冶炼时需夹紧电极，故将液压缸设计成碟簧结构4，依靠碟簧提供夹持力。夹头正常工作时夹持200圆钢过渡电极，为确保夹持安全可靠，选用夹头空夹时动夹头与导电块最小间距为180 mm，即夹头正常工作时安全夹紧余量为20 mm。以油缸铰链顺时针旋转作图得出油缸铰链中心起（夹持200圆钢过渡电极时）、止位置水平间距为 22.3 mm，即油缸轴伸出 22.3mm，取值为23 mm。因碟簧油缸采用无中位机能的电磁换向阀控制，则空夹时油缸轴为全部伸出，即活塞右移至极限位置，正常工作时油缸轴缩进23 mm，完全满足夹持安全。图4中活动夹头与固定夹头间的开口部位为过渡电极进出夹头的位置，其中最小间距处为标注的“L”段。当L200 mm时200圆钢过渡电极才能进出夹头，为便于操作，取L=215 mm，以油缸铰链逆时针旋转作图得出油缸铰链中心起（夹持200圆钢过渡电极时）、止位置水平间距为46.2 mm，即油缸轴缩进46.2 mm，取值为47 mm。过渡电极与金属电极焊接为一体（统称电极）总质量约2吨，重力约为2104N，工作时夹头与电极间摩擦力f应不小于2104N。夹头的夹持力为N夹，摩擦系数为u，钢与紫铜摩擦系数取0.5，由摩擦力公式可知：f=uN夹。则N夹=fu=4104N。通过作图可知，油缸铰链旋转轨迹偏离横臂中轴线极小，故可近似取油缸推力F等于夹头夹持力N夹，则夹头空夹时，即油缸自由状态时（碟簧安装时的初始压力）油缸轴推力F1为4104N。为保证正常工作时夹持可靠，取安全系数为1.5，则：F2=4104N1.5=6104N。通过胡克定律F=kx可知：F=kx。则碟簧劲度系数：k=F/x=（6X104N-4104N）/23 mm870N/mm。夹头打开时碟簧受压力 F3870N/mm47mm+6104N=100 890 N。故碟簧油缸液压力至少为100 890 N才能克服碟簧对活塞的推力。同理，油缸轴受力最大也为100 890 N，通过设计计算取油缸轴直径 d 为 70mm，即半径r为35 mm。炉座原液压站工作压力为8 MPa，由P=F/A可知：A=F/P。则有杆腔一侧活塞受力面积A=F/P=0.0126m2。因A=3.14（R2-r2），故活塞半径R=72.4 mm，直径D=144.8 mm。为避免液压站高压力输出，取活塞直径D为200 mm。活塞杆与碟簧导向杆受力相当，故碟簧导向杆直径取70 mm，结合活塞尺寸，选择碟簧规张云辉 晏东 罗犹强：双支臂电渣炉电极夹持机构改造第29卷第2期图4 活动夹头组件Fig.4 Package of movable chuck 61特钢技术第29卷第2期格为14070.8811.2（GB1972-1980），根据行程选择36片碟簧，碟簧组合形式采用对合组合。根据碟簧、活塞、活塞轴及行程和横臂空间等确定油缸其它尺寸，如图5所示。图5中油缸活塞左腔设置碟簧，右腔为液压油腔室，油缸驱动活动夹头旋转时自身需要旋转，故油缸设计成中部销轴安装形式。右腔进油时，油缸轴内缩，夹头打开；右腔回油时，碟簧复位，夹头夹紧。2.1.2.2油缸座设计配合油缸中部销轴安装形式，设计销轴孔为可拆卸结构的油缸座，油缸销轴与油缸座销轴孔间设计一个黄铜套，如图6。整体安装时，油缸定位后，油缸座直接焊接在横臂侧面。检修时通过拆卸油缸座销轴孔即可拆出油缸，便于正常维护。2.1.3液压夹持器设计如图7为液压夹持器整体安装图，安装顺序为：1、将活动夹头组件安装在横臂上，导电铜块圆心在横臂中轴上，连接螺栓设置绝缘垫和绝缘套管；2、将碟簧油缸与油缸座及连接杆组合，其中连接杆与油缸轴间设置绝缘，使油缸不带电；3、将油缸组件中连接杆与夹头组件中的活动部分以铰链形式连接；4、通过作图可知空夹状态时L值为165 mm，则以L值保持165 mm将油缸座与横臂焊接固定，完成整体安装。油缸上油口与电磁换向阀出油口连接，电磁换向阀得电时，油缸进油，夹头打开；电磁换向阀失电时，油缸回油，夹头夹紧。通过此控制方式实现电极的快速切换。3结语双支臂电渣炉完成液压夹持改造后已使用约1年半，未出现一次故障，改造成功，具有以下优点：1、液压夹持器实现了电极的快速切换，降低了操作工的劳动强度，避免了人身伤害风险；2、相比于原结构，液压夹持器及假电极故障率大幅度降低，运行可靠性高；3、原过渡电极价值高，其因锤击操作和水体腐蚀，运行成本也较高，本改造方案大幅降低了过渡电极的运行成本，且可杜绝假电极报废；4、液压夹持平稳可靠，消除了原方式对炉头产生冲击和振动的缺陷；5、过渡电极不需要水冷，杜绝了原结构因假电极在冶炼中途漏水导致废钢的风险。综上所述，电极液压夹持器改造方案具有很好的使用效果。参考文献1无名.电渣重熔炉冶炼（中级本）.攀长钢.nameless.Electroslag remelting furnace smelting(intermediateversion).Panchanggang2 濮良贵.机械设计（第八版）.西北工业大学，2006.5 PULianggui.Mechanical Design(8th Edition).NorthwesternPolytechnical University,2006.53 成大先.机械设计手册.第5卷.化学工业出版社，2007.11ISBN 978-7-122-01409-2 Cheng Daxian.MechanicalDesign Handbook.Volume 5.Chemical Industry Press,2007.11 ISBN 978-7-122-01409-24 成大先.机械设计手册.第3卷.化学工业出版社，2008.1ISBN 978-7-122-01410-8 Cheng Daxian.MechanicalDesign Handbook.Volume 3.Chemical Industry Press,2008.1 ISBN 978-7-122-01410-8图5 碟簧油缸Fig.5 Disc spring cylinder图6 油缸座Fig.6 Seat of oil cylinder图7 整体安装Fig.7 Intergral erection 62