馬艷麗，賈昆,王德生

（酒鋼集團(tuán)宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉昭關(guān)735100）

摘要：基于現(xiàn)場實(shí)際,分析了焦?fàn)t爐門清理作業(yè)中焦油和石墨清理不干凈或無法清理的問題，提出采用多自由度機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動清理焦?fàn)t爐門和爐框的新方案。方案詳細(xì)設(shè)定了清理機(jī)器人的工作過程，分析了清門清框機(jī)器人性能指標(biāo)及現(xiàn)場應(yīng)用目標(biāo)，應(yīng)用自動清門清框機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)手動或自動定點(diǎn)清理。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t爐門；清理；工業(yè)機(jī)器人；性能指標(biāo)

1前言

焦炭在高溫干憎過程中含碳的高分子有機(jī)質(zhì)化合物會產(chǎn)生軟化、熔融、裂解等物理化學(xué)變化,其中一種高溫裂解產(chǎn)物是焦油,黏稠的焦油會粘結(jié)在焦?fàn)t爐門刀邊和門框上，如果清理不及時,焦油會進(jìn)一步裂解生成游離的石墨分子,石墨分子又會快速析出并附著在爐門襯磚表面形成堅(jiān)硬的外殼。一方面，粘結(jié)在爐門刀邊上的焦油縮聚變硬后，會造成爐門刀邊與爐門框正面不能嚴(yán)密貼合形成密封面,導(dǎo)致爐門冒煙、腹板擠壓變形開裂冒煙，因此在生產(chǎn)過程中需要崗位操作人員用煤泥封堵冒煙的縫隙。崗位操作人員在含有大量有毒有害物質(zhì)的荒煤氣環(huán)境中作業(yè),工況較惡劣,不但有安全隱患,還對人身健康造成危害;另一方面,附著在爐門襯磚上的堅(jiān)硬石墨會磨損爐頭砌體造成爐墻損壞，使橫鐵彈出，阻礙爐門下落或造成爐門掉落等一系列問題⑴,造成設(shè)備發(fā)生故障，進(jìn)而影響生產(chǎn)。

以多自由度智能機(jī)器人的新技術(shù)應(yīng)用于焦?fàn)t爐門清框作業(yè)，替代崗位操作人員進(jìn)行焦?fàn)t爐門、爐門框清理,不但自動化程度高,而且可有效解決人工清理困難和清理作業(yè)時的安全隱患問題，對改善爐門排放物的和達(dá)標(biāo)問題將起到至趟要的作用。

2焦?fàn)t爐門、門框不及時清理的危害

目前，焦油和石墨的清理主要依靠崗位操作人員利用單爐操作時間進(jìn)行清理。由于操作時間緊、生產(chǎn)任務(wù)重、6 m焦?fàn)t清理強(qiáng)度大等原因，常常出現(xiàn)焦油和石墨不能清理干凈甚至來不及清理的情況同時,崗位人員清理時使用2 ~ 4 m的鋼釬子，容易造成刀邊和腹板損壞。長期以來，焦化廠爐門冒煙密封問題始終無法得到徹底解決，已嚴(yán)重影響焦?fàn)t的環(huán)保達(dá)標(biāo)，同時還存在崗位人員暴露在高溫爐門處作業(yè)的安全風(fēng)險。

根據(jù)GB 16171—2012《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,現(xiàn)有企業(yè)執(zhí)行大氣污染物排放限值:氮氧化物濃度＜ 500 mg/m³,二氧化硫濃度＜ 50 mg/m³, 顆粒物濃度＜ 30 mg/m³。產(chǎn)生大氣污染物的生產(chǎn)工藝和裝置必須設(shè)立局部或整體氣體收集系統(tǒng)和凈化處理裝置,而各焦?fàn)t爐門小范圍區(qū)域無法設(shè)置收集系統(tǒng)和凈化系統(tǒng),爐門逸散煙氣屬于無組織排放,煙氣中污染物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排放限值,增加了爐門區(qū)域的人身安全風(fēng)險和焦?fàn)t生產(chǎn)的環(huán)保風(fēng)險。

3自動清門清框機(jī)器人技術(shù)

3.1自動清門清框機(jī)器人工作過程

焦?fàn)t自動清門清框機(jī)器人系統(tǒng)主要由清門和清框機(jī)器人系統(tǒng)兩部分組成。焦?fàn)t自動清框機(jī)器人系統(tǒng)主要包括六軸工業(yè)機(jī)器人、高壓水射流裝置、焦?fàn)t門框機(jī)器視覺定位系統(tǒng)、門框側(cè)邊吹掃系統(tǒng)及防水防護(hù)裝置、控制器單元、通信模塊等^[2-3]。其工作過程包括 1）系統(tǒng)接收啟動信號，設(shè)備自檢, 滿足啟動條件。2） 視覺系統(tǒng)對焦?fàn)t門框系統(tǒng)指定區(qū)域進(jìn)行檢測，計(jì)算焦?fàn)t門框的相對位置尺寸，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t爐門框在機(jī)器人坐標(biāo)系中的位置定位。3 ）控制器單元將位置定位信息通過通信模塊傳遞給機(jī)器人控制器。4）工業(yè)機(jī)器人接收到焦?fàn)t爐門框

定位信息后進(jìn)行路徑規(guī)劃及軌跡規(guī)劃^[3]。5）通過工業(yè)機(jī)器人與控制器單元聯(lián)動,開啟機(jī)器人防護(hù)裝置，機(jī)器人運(yùn)行到初始位置。6）機(jī)器人驅(qū)動高壓水流噴槍在焦?fàn)t門框表面上下、左右運(yùn)行，對爐門框內(nèi)的焦油及石墨清理干凈。7 )機(jī)器人完成清洗任務(wù)退回到防護(hù)區(qū)。

3.2自動清門清框機(jī)器人特點(diǎn)

清門清框機(jī)器人采用多關(guān)節(jié)六軸工業(yè)機(jī)器人, 控制系統(tǒng)由運(yùn)動控制器、伺服電機(jī)和驅(qū)動器構(gòu)建而成,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后、左右方向進(jìn)給運(yùn)動及姿態(tài)調(diào)整。機(jī)器人本體可采用國內(nèi)或國外公司制造的機(jī)械機(jī)構(gòu),機(jī)器人本體防護(hù)等級IP65。

1） 軟件控制系統(tǒng)方案。軟件控制系統(tǒng)主要由通信模塊、機(jī)器人運(yùn)動控制模塊、外設(shè)控制模塊、報警模塊、急停處理、安全連鎖功能、文件管理以及示教器模塊等組成。

2）高壓水射流的工作方案。用高壓水泵把水 的壓力上升到最高60 MPa,通過三聯(lián)切換閥實(shí)現(xiàn)高壓水的切換，然后通過噴槍把高壓水打到爐門刀邊上以及爐門與門框的結(jié)合密封處,實(shí)現(xiàn)爐門、爐門框的高壓水清掃^[4]。

3）安全防護(hù)。由于機(jī)器人在運(yùn)行過程中，機(jī)器人的動作速度快、活動范圍大，而且經(jīng)常出現(xiàn)突然啟動的動作，這些對非法進(jìn)入機(jī)器人動作范圍的操作人員來說相當(dāng)危險，因此設(shè)備的安全防護(hù)非常重要。在機(jī)器人工作站的四周設(shè)有防護(hù)欄，防護(hù)欄的人工操作區(qū)域?yàn)榉忾]式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)設(shè)有擋板防止人員違規(guī)進(jìn)入，防護(hù)欄上還配有維護(hù)人員進(jìn)出的安全門,安全門上設(shè)有安全鎖，當(dāng)安全門打開時,安全鎖發(fā)出預(yù)警信號,機(jī)器人識別后停止動作，處于靜態(tài), 保證維修人員的人身安全。

4機(jī)器人主要性能指標(biāo)及現(xiàn)場應(yīng)用

自動清門清框機(jī)器人性能指標(biāo)。采用多自由度機(jī)器人進(jìn)行焦?fàn)t爐門、爐門框清理，自動化程度高,能夠根據(jù)不同爐門、爐門框結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行示教編程, 解決不同工況的適應(yīng)性問題^[5]。該類型機(jī)器人帶有視覺監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)η謇磉^程進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)清理效果，進(jìn)行手動或自動定點(diǎn)清理。另外，還可根據(jù)需要設(shè)置清理過程的噴射角度、擺動噴射等參數(shù)，提高清洗效果。主要性能指標(biāo)包括 1）工業(yè)機(jī)器人具有6個自由度撮大行程5 m,與末端執(zhí)行器相結(jié)合, 最大行程6.3 m。 2） 工業(yè)機(jī)器人最大運(yùn)行速度1.5m/s,最大清洗速度5 m/min。3）機(jī)器人最大負(fù)載能力＜20kg。 4 機(jī)器視覺識別系統(tǒng)識別精度1cm。5））高壓水射流裝置最高壓力60 MPa。

自動清門清框機(jī)器人現(xiàn)場應(yīng)用目標(biāo)。1）實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t爐門自動清理功能，刀邊內(nèi)無50mm以上連續(xù)附著物。2）實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t爐門框自動清理功能,框正面無連續(xù)50 mm以上連續(xù)附著物。3）每個爐門和爐門框從開始清理到結(jié)束時間＜3 min/次。4）利用單爐操作時間對爐門、爐門框清理率100%。

自動清門清框機(jī)器人現(xiàn)場應(yīng)用價值簡析。人 工清理焦?fàn)t爐門和爐框時,需耗時30 min左右，當(dāng)工況環(huán)境特別惡劣時，則無法清理甚而不清理。1 套爐門刀邊和腹板采購成本15 000元以上，使用壽命最長6個月，最短則2個月。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動清 理焦?fàn)t爐門和爐框后,將全面代替人工清理，每次清理時間僅3 min,不但提高了勞動效率，降低了勞動強(qiáng)度,而且解決了人工清理不徹底、清理不及時、清理工具損壞爐門刀邊和腹板造成密封失效的問題,延長了爐門刀邊和腹板的使用周期，直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益無法估量。項(xiàng)目達(dá)標(biāo)后，緩解了焦?fàn)t生產(chǎn)過程中無組織排放有毒有害煙氣的環(huán)保壓力，改善了工作環(huán)境，提高了焦?fàn)t自動化水平,最終向?qū)崿F(xiàn)自動化減人目標(biāo)邁出扎實(shí)一步。

5結(jié)語

焦化行業(yè)工藝流程特點(diǎn)決定了焦?fàn)t跑煙冒火不僅與爐體和設(shè)備維護(hù)狀況密切相關(guān),而且與炭化室內(nèi)荒煤氣壓力是否合適及穩(wěn)定有較大關(guān)聯(lián)^[6]。為搞好焦?fàn)t“無組織排放”治理工作,保證人員安全,變被動維修為主動維修,采用多自由度機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行爐門、爐門框清理是一種先進(jìn)、適用的技術(shù)方案。自動清理機(jī)器人方案可以實(shí)現(xiàn)示教編程, 能有效提高設(shè)備對不同工況的適應(yīng)性,此外通過運(yùn)動設(shè)計(jì)并結(jié)合視覺監(jiān)控系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對清理過程進(jìn)行手動或自動定點(diǎn)清理，提高清理效果。

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