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液压泥炮返泥问题的分析和研究
液压泥炮返泥问题的分析和研究
引言
泥炮作为炼铁高炉炉前设备的核心设备，其 能否正常使用，直接影响着高炉的生产及安全。但泥炮工作环境恶劣，温度高、灰尘大，加之近年 高炉大型化的发展，高压操作、连续出铁及无水炮 泥的应用，对设备提出了更高的要求，设备的使用 及维护也变得至关重要。
返泥作为泥炮使用过程中的常见问题之一， 直接影响着泥炮打泥机构的寿命。本文以 KD300 泥炮返泥为例，着力分析打泥活塞的结构形式，提 出了最优的解决方案。
防止返泥的构件组成
如图 1，泥炮的打泥机构分泥腔和油腔两部分。泥腔由炮嘴 1 和泥缸 2 组成，油腔为打泥油缸5，两个腔体由固定在打泥油缸 5 前端的打泥活塞
和刮泥环 4 将其进行分开。打泥油缸 5 中的活塞杆与驱动腔体 6 固定，驱动腔体 6 前端设有漏泥口，刮泥环 4 固定在驱动腔体 6 的漏泥口后方， 在打泥活塞 3 与刮泥环 4 之间形成漏泥部分。
在打泥的过程中，打泥油缸 5 的缸体携带打泥活塞 3 推动泥腔中的炮泥挤压到铁口内。泥腔与油腔两个腔体应相对独立，但实际应用过程中， 在完成打泥工作后打泥油缸 5 的缸体缩回时，由于打泥活塞的磨损，粘在泥缸 2 内壁的部分炮泥会被打泥活塞 3 带到漏泥部分从漏泥口排出，这个过程就是返泥。返泥量过大会造成严重的后果。由于刮泥环的磨损，粘在打泥油缸 5 外壁的部分炮泥串到油腔活塞杆伸出部分，会拉伤活塞杆，进一步损坏活塞杆密封，从而使打泥油缸外泄，使泥炮无法正常工作。
打泥机构返泥量多少的关键在于打泥活塞与泥缸 之 间 的 配 合。KD 型泥炮的泥缸采用ZG35CrMo 且内腔辉光离子氮化，而打泥活塞则采用ZG35CrMo 且外圆氮化。其优点为耐磨性能好，返泥量小，使用周期长。但随着炮泥成分的变化摩 擦力加大，二者磨损量相当，当出现返泥现象时，泥 缸内壁拉伤现象较为普遍，而泥缸返修成本远高于 打泥活塞成本。本着降低使用成本的要求，打泥活 塞的耐磨性应低于泥缸，故打泥活塞考虑采用铜 件。为了满足提高打泥活塞的寿命，采用镀铬泥缸 代替氮化泥缸，因为前者的表面粗糙度远好于后者。
为了进一步提高打泥活塞的寿命，减少泥炮 返泥量，设计出“前后环式打泥活塞 + 镀铬泥缸” 的组合型式。如图 2 所示，打泥活塞由压板 2、前后活塞环 3、4 和 5 组成，用螺栓将其固定在打泥油缸缸体 6 前端。
3 前后活塞环式打泥活塞返泥现象过程分析
某钢铁公司高炉设有两个铁口，采用 KD300 型泥炮，打泥活塞采用前后活塞环型式，但仍在短期内出现返泥现象。如图 3。
如图 3，西铁口泥炮前后活塞环高低差约 5mm，东铁口泥炮前后活塞环外圈等高，与泥缸单边间隙约为 5mm。实际使用过程中西铁口泥炮比东铁口泥炮漏泥量小。
对炮泥走向进行分析。如图 2，当打泥油缸带着打泥活塞将炮泥推向铁口时( 即 A 向) ，由于打泥反力的作用，部分炮泥将沿着压板 2 与泥缸1 间的间隙朝 B 向运动。当炮泥运动到前活塞环
端面时，会分成 B1 ( 沿着压板 2 与前活塞环 3 间隙进入前、后活塞环内壁与泥塞 5 组成的腔体中) 和 B2 ( 沿着前、后活塞环与泥缸 1 之间的间隙运行进入漏泥孔: 即返泥) 两个方向运行。
前后活塞环的磨损共分为三个阶段:
第一阶段( 前、后活塞环外圈同时磨损) : 由于压板2 与前活塞环3 间隙 H1 大于前后活塞环4 与泥缸 1 的间隙 H2 ，故炮泥会沿着 B1 方向前进， 炮泥进入到后活塞环 4 与泥塞 5 之间的间隙。而后活塞环 4 所承受的轴向压力 ＞ 径向压力，故后活塞环 4 与泥塞 5 之间的右端锥面会紧密贴合。自由状态下，外圈会涨开。这时，前、后活塞环外 圈同时磨损。
第二阶段( 后活塞环外圈先磨损) : 随着外圈磨损量增大，仍然是 H1 ＞ H2 。在 B1 方向的炮泥
由右向左致密度依次降低，即后活塞环 4 的径向压力大于前活塞环 3 的径向压力。随着前、后活塞环外圈的磨损，由于前后活塞环圆周方向存在切缝，后活塞环 4 首先向外涨开，外圈增大以弥补外圈的磨损量，保证后活塞环外圈与泥缸紧密结合。而前活塞环几乎没有涨开，前、后活塞环外圈形成台阶，后活塞环磨损，前活塞环产生间隙。
反应现象: 前活塞环 3 外圈有泥层，后活塞环
内圈有泥层。
第三阶段( 前、后活塞环外圈同时磨损) : 随着后活塞环 4 外圈磨损量增大，依靠炮泥对后活塞环 4 内圈的径向压力，而参数的变形量接近后活塞环 4 材料的膨胀率时，后活塞环 4 外圈不再增大。同时，在前活塞环 3 内圈炮泥致密度升高， 重复第二阶段后活塞环 4 涨圈过程，外圈快速增大，前活塞环 3 外圈磨损，直到前活塞环内圈的径向压力而参数的变形量接近前活塞环材料的膨胀 率时，前、后活塞环外圈基本一致。
反应现象: 前、后活塞环内圈有泥层，而外圈出现返泥。
根据前后活塞环的磨损过程分析，可以解释涨圈式活塞环在某钢铁公司高炉东西两个铁口的磨损现象。
故障分析及对策
根据泥炮返泥现象，从泥缸的工艺、打泥活塞的材质和制作工艺进行分析，并提出解决方案。
首先泥缸采用铬钼钢且内腔辉光离子氮化， 其表面粗糙度相对较差，会导致前后活塞环铸铜 件磨损较快。为提高活塞环的寿命，可以使用镀 铬泥缸，提高表面粗糙度。
其次对前后活塞环的材料进行分析化验，确认材料为锡青铜。而锡青铜的强度和耐磨性都不算好，为提高寿命，将其材质改为铝青铜。
最后对前后活塞环的制作工艺进行分析。原前后活塞环采用整体加工，外圆与泥缸之间采用间隙配合，此种型式便于安装，在设备使用过程中依靠间隙小来减少返泥，但随着铜环的磨损间隙进一步增大，返泥就不可避免。
为提高活塞环的寿命，采用铜环涨圈补偿结构。
前后活塞环结构型式如图 4，在自由状态下，
横向切口 H 远大于安装时的切口 h。
前后活塞铜环涨圈补偿原理: 如图 2，由于前后活塞环 3 和 4 轴向切开，在预紧力下进行安装( 见图 4) ，外圈与泥缸 1 紧密接触，而内圈与 5 保留间隙。当打泥油缸带着打泥活塞将炮泥推向铁口时( 即 A 向) ，由于打泥反力的作用，部分炮泥将沿着压板与泥缸间的间隙朝 B 向运动。当炮泥运动到前活塞环端面时，会沿着压板与前活塞环间隙 B1 进入前、后活塞环内壁与泥塞组成的腔体中。当前后活塞环外圈磨损后，由于铜环本身安装时有预紧力，同时也依靠炮泥挤压使铜环外圈增大，始终保持铜环外圈与缸体内壁为紧接触，从而起到补偿作用，避免产生返泥情况。
在改变了前、后活塞环的材质，并采用前后活塞铜环涨圈式打泥活塞后，返泥情况得到了极大的改善，打泥活塞使用寿命从不足一月提高到了半年以上，使用效果良好。
结论
选择合适的材质，并采用合理的制作工艺时， “前后活塞铜环式打泥活塞 + 内壁镀铬的泥缸” 可以有效减少返泥。在使用打泥机构的过程中， 同时应注意一下几点:
提高刮泥环的耐磨性。
在泥缸下方增加水冷装置，降低泥缸受热变形量。
加大漏泥口，定期清理漏泥口的炮泥。
定期检查打泥活塞和刮泥环，磨损量较大时及时更换。
严格控制炮泥质量。