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(chǎng)實(shí)際,分析了焦?fàn)t爐門(mén)清理作業(yè)中焦油和石墨清理不干凈或無(wú)法清理的問(wèn)題，提出采用多自由度機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清理焦?fàn)t爐門(mén)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(guò)程，分析了清門(mén)清框機(jī)器人性能指標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用目標(biāo)，應(yīng)用自動(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)定點(diǎn)清理。
關(guān)鍵詞：焦?fàn)t爐門(mén)；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(guò)程中含碳的高分子有機(jī)質(zhì)化合物會(huì)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(huì)粘結(jié)在焦?fàn)t爐門(mén)刀邊和門(mén)框上，如果清理不及時(shí),焦油會(huì)進(jìn)一步裂解生成游離的石墨分子,石墨分子又會(huì)快速析出并附著在爐門(mén)襯磚表面形成堅(jiān)硬的外殼。一方面，粘結(jié)在爐門(mén)刀邊上的焦油縮聚變硬后，會(huì)造成爐門(mén)刀邊與爐門(mén)框正面不能?chē)?yán)密貼合形成密封面,導(dǎo)致?tīng)t門(mén)冒煙、腹板擠壓變形開(kāi)裂冒煙，因此在生產(chǎn)過(guò)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(duì)人身健康造成危害;另一方面,附著在爐門(mén)襯磚上的堅(jiān)硬石墨會(huì)磨損爐頭砌體造成爐墻損壞，使橫鐵彈出，阻礙爐門(mén)下落或造成爐門(mén)掉落等一系列問(wèn)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(mén)清框作業(yè)，替代崗位操作人員進(jìn)行焦?fàn)t爐門(mén)、爐門(mén)框清理,不但自動(dòng)化程度高,而且可有效解決人工清理困難和清理作業(yè)時(shí)的安全隱患問(wèn)題，對(duì)改善爐門(mén)排放物的和達(dá)標(biāo)問(wèn)題將起到至趟要的作用。
2焦?fàn)t爐門(mén)、門(mén)框不及時(shí)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(shí)間進(jìn)行清理。由于操作時(shí)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(lái)不及清理的情況同時(shí),崗位人員清理時(shí)使用2 ~ 4 m的鋼釬子，容易造成刀邊和腹板損壞。長(zhǎng)期以來(lái)，焦化廠爐門(mén)冒煙密封問(wèn)題始終無(wú)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(shí)還存在崗位人員暴露在高溫爐門(mén)處作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
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(mén)小范圍區(qū)域無(wú)法設(shè)置收集系統(tǒng)和凈化系統(tǒng),爐門(mén)逸散煙氣屬于無(wú)組織排放,煙氣中污染物濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)排放限值,增加了爐門(mén)區(qū)域的人身安全風(fēng)險(xiǎn)和焦?fàn)t生產(chǎn)的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。
3自動(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人技術(shù)
3.1自動(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人工作過(guò)程
焦?fàn)t自動(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人系統(tǒng)主要由清門(mén)和清框機(jī)器人系統(tǒng)兩部分組成。焦?fàn)t自動(dòng)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(mén)框機(jī)器視覺(jué)定位系統(tǒng)、門(mén)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(guò)程包括 1）系統(tǒng)接收啟動(dòng)信號(hào)，設(shè)備自檢, 滿(mǎn)足啟動(dòng)條件。2） 視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)焦?fàn)t門(mén)框系統(tǒng)指定區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算焦?fàn)t門(mén)框的相對(duì)位置尺寸，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t爐門(mén)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(guò)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(mén)框
定位信息后進(jìn)行路徑規(guī)劃及軌跡規(guī)劃[3]。5）通過(guò)工業(yè)機(jī)器人與控制器單元聯(lián)動(dòng),開(kāi)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(dòng)高壓水流噴槍在焦?fàn)t門(mén)框表面上下、左右運(yùn)行，對(duì)爐門(mén)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(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人特點(diǎn)
清門(mén)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(dòng)控制器、伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)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(dòng)及姿態(tài)調(diào)整。機(jī)器人本體可采用國(guó)內(nèi)或國(guó)外公司制造的機(jī)械機(jī)構(gòu),機(jī)器人本體防護(hù)等級(jí)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(dòng)控制模塊、外設(shè)控制模塊、報(bào)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(guò)三聯(lián)切換閥實(shí)現(xiàn)高壓水的切換，然后通過(guò)噴槍把高壓水打到爐門(mén)刀邊上以及爐門(mén)與門(mén)框的結(jié)合密封處,實(shí)現(xiàn)爐門(mén)、爐門(mén)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(guò)程中，機(jī)器人的動(dòng)作速度快、活動(dòng)范圍大，而且經(jīng)常出現(xiàn)突然啟動(dòng)的動(dòng)作，這些對(duì)非法進(jìn)入機(jī)器人動(dòng)作范圍的操作人員來(lái)說(shuō)相當(dāng)危險(xiǎn)，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(mén),安全門(mén)上設(shè)有安全鎖，當(dāng)安全門(mén)打開(kāi)時(shí),安全鎖發(fā)出預(yù)警信號(hào),機(jī)器人識(shí)別后停止動(dòng)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(chǎng)應(yīng)用
自動(dòng)清門(mén)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(mén)、爐門(mén)框清理，自動(dòng)化程度高,能夠根據(jù)不同爐門(mén)、爐門(mén)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(wèn)題[5]。該類(lèi)型機(jī)器人帶有視覺(jué)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)η謇磉^(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)清理效果，進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)定點(diǎn)清理。另外，還可根據(jù)需要設(shè)置清理過(guò)程的噴射角度、擺動(dòng)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(gè)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(jué)識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別精度1cm。5））高壓水射流裝置最高壓力60 MPa。
自動(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用目標(biāo)。1）實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t爐門(mén)自動(dòng)清理功能，刀邊內(nèi)無(wú)50mm以上連續(xù)附著物。2）實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t爐門(mén)框自動(dòng)清理功能,框正面無(wú)連續(xù)50 mm以上連續(xù)附著物。3）每個(gè)爐門(mén)和爐門(mén)框從開(kāi)始清理到結(jié)束時(shí)間＜3 min/次。4）利用單爐操作時(shí)間對(duì)爐門(mén)、爐門(mén)框清理率100%。
自動(dòng)清門(mén)清框機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值簡(jiǎn)析。人 工清理焦?fàn)t爐門(mén)和爐框時(shí),需耗時(shí)30 min左右，當(dāng)工況環(huán)境特別惡劣時(shí)，則無(wú)法清理甚而不清理。1 套爐門(mén)刀邊和腹板采購(gòu)成本15 000元以上，使用壽命最長(zhǎng)6個(gè)月，最短則2個(gè)月。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)清 理焦?fàn)t爐門(mén)和爐框后,將全面代替人工清理，每次清理時(shí)間僅3 min,不但提高了勞動(dòng)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,而且解決了人工清理不徹底、清理不及時(shí)、清理工具損壞爐門(mén)刀邊和腹板造成密封失效的問(wèn)題,延長(zhǎng)了爐門(mén)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(wú)法估量。項(xiàng)目達(dá)標(biāo)后，緩解了焦?fàn)t生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)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(dòng)化水平,最終向?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化減人目標(biāo)邁出扎實(shí)一步。
5結(jié)語(yǔ)
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(wú)組織排放”治理工作,保證人員安全,變被動(dòng)維修為主動(dòng)維修,采用多自由度機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行爐門(mén)、爐門(mén)框清理是一種先進(jìn)、適用的技術(shù)方案。自動(dòng)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(duì)不同工況的適應(yīng)性,此外通過(guò)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)并結(jié)合視覺(jué)監(jiān)控系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)清理過(guò)程進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)定點(diǎn)清理，提高清理效果。
參考文獻(xiàn)：
[1] 尹雪山•關(guān)于快速更換爐門(mén)框的研究與探討[J]•山西焦煤科 技,2016 S1） 32.
[2] 朱大奇，顏明重•移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)綜述[J].控制與決 策,2010（7）:961-967.
[3] 宋志安.井下煤倉(cāng)新型清倉(cāng)技術(shù)[J]•礦業(yè)工程研究,2010（1）: 59-62.
[4] 田濤，鄧雙城,楊朝嵐，等•工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨 勢(shì)[J] •新技術(shù)新工藝,2015（3） 92-93.
[5] 王成軍•煤礦管道除垢機(jī)器人的設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械,2009（8） 25.
[6] 李強(qiáng)，方亮青,鄧成豪，等.7.63 m焦?fàn)t爐門(mén)框外側(cè)跑火治理實(shí)踐[J]•安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2018（1）