馬艷麗，賈昆,王德生
（酒鋼集團宏興鋼鐵股份有限公司，甘肅嘉昭關735100）
摘要：基于現(xiàn)場實際,分析了焦爐爐門清理作業(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器人實現(xiàn)自動清理焦爐爐門和爐框的新方案。方案詳細設定了清理機器人的工作過程，分析了清門清框機器人性能指標及現(xiàn)場應用目標，應用自動清門清框機器人能夠?qū)崿F(xiàn)手動或自動定點清理。
關鍵詞：焦爐爐門；清理；工業(yè)機器人；性能指標
1前言
焦炭在高溫干憎過程中含碳的高分子有機質(zhì)化合物會產(chǎn)生軟化、熔融、裂解等物理化學變化,其中一種高溫裂解產(chǎn)物是焦油,黏稠的焦油會粘結(jié)在焦爐爐門刀邊和門框上，如果清理不及時,焦油會進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密貼合形成密封面,導致爐門冒煙、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,造成設備發(fā)生故障，進而影響生產(chǎn)。
以多自由度智能機器人的新技術應用于焦爐爐門清框作業(yè)，替代崗位操作人員進行焦爐爐門、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標問題將起到至趟要的作用。
2焦爐爐門、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行清理。由于操作時間緊、生產(chǎn)任務重、6 m焦爐清理強度大等原因，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，已嚴重影響焦爐的環(huán)保達標，同時還存在崗位人員暴露在高溫爐門處作業(yè)的安全風險。
根據(jù)GB 16171—2012《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》,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)工藝和裝置必須設立局部或整體氣體收集系統(tǒng)和凈化處理裝置,而各焦爐爐門小范圍區(qū)域無法設置收集系統(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遠超過排放限值,增加了爐門區(qū)域的人身安全風險和焦爐生產(chǎn)的環(huán)保風險。
3自動清門清框機器人技術
3.1自動清門清框機器人工作過程
焦爐自動清門清框機器人系統(tǒng)主要由清門和清框機器人系統(tǒng)兩部分組成。焦爐自動清框機器人系統(tǒng)主要包括六軸工業(yè)機器人、高壓水射流裝置、焦爐門框機器視覺定位系統(tǒng)、門框側(cè)邊吹掃系統(tǒng)及防水防護裝置、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，設備自檢, 滿足啟動條件。2） 視覺系統(tǒng)對焦爐門框系統(tǒng)指定區(qū)域進行檢測，計算焦爐門框的相對位置尺寸，實現(xiàn)焦爐爐門框在機器人坐標系中的位置定位。3 ）控制器單元將位置定位信息通過通信模塊傳遞給機器人控制器。4）工業(yè)機器人接收到焦爐爐門框
定位信息后進行路徑規(guī)劃及軌跡規(guī)劃[3]。5）通過工業(yè)機器人與控制器單元聯(lián)動,開啟機器人防護裝置，機器人運行到初始位置。6）機器人驅(qū)動高壓水流噴槍在焦爐門框表面上下、左右運行，對爐門框內(nèi)的焦油及石墨清理干凈。7 )機器人完成清洗任務退回到防護區(qū)。
3.2自動清門清框機器人特點
清門清框機器人采用多關節(jié)六軸工業(yè)機器人, 控制系統(tǒng)由運動控制器、伺服電機和驅(qū)動器構(gòu)建而成,實現(xiàn)機器人前后、左右方向進給運動及姿態(tài)調(diào)整。機器人本體可采用國內(nèi)或國外公司制造的機械機構(gòu),機器人本體防護等級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、機器人運動控制模塊、外設控制模塊、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,實現(xiàn)爐門、爐門框的高壓水清掃[4]。
3）安全防護。由于機器人在運行過程中，機器人的動作速度快、活動范圍大，而且經(jīng)常出現(xiàn)突然啟動的動作，這些對非法進入機器人動作范圍的操作人員來說相當危險，因此設備的安全防護非常重要。在機器人工作站的四周設有防護欄，防護欄的人工操作區(qū)域為封閉式結(jié)構(gòu)，兩側(cè)設有擋板防止人員違規(guī)進入，防護欄上還配有維護人員進出的安全門,安全門上設有安全鎖，當安全門打開時,安全鎖發(fā)出預警信號,機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機器人主要性能指標及現(xiàn)場應用
自動清門清框機器人性能指標。采用多自由度機器人進行焦爐爐門、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)形式進行示教編程, 解決不同工況的適應性問題[5]。該類型機器人帶有視覺監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)η謇磉^程進行監(jiān)控。根據(jù)清理效果，進行手動或自動定點清理。另外，還可根據(jù)需要設置清理過程的噴射角度、擺動噴射等參數(shù)，提高清洗效果。主要性能指標包括 1）工業(yè)機器人具有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)機器人最大運行速度1.5m/s,最大清洗速度5 m/min。3）機器人最大負載能力＜20kg。 4 機器視覺識別系統(tǒng)識別精度1cm。5））高壓水射流裝置最高壓力60 MPa。
自動清門清框機器人現(xiàn)場應用目標。1）實現(xiàn)焦爐爐門自動清理功能，刀邊內(nèi)無50mm以上連續(xù)附著物。2）實現(xiàn)焦爐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%。
自動清門清框機器人現(xiàn)場應用價值簡析。人 工清理焦爐爐門和爐框時,需耗時30 min左右，當工況環(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。實現(xiàn)機器人自動清 理焦爐爐門和爐框后,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)濟效益和間接經(jīng)濟效益無法估量。項目達標后，緩解了焦爐生產(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，提高了焦爐自動化水平,最終向?qū)崿F(xiàn)自動化減人目標邁出扎實一步。
5結(jié)語
焦化行業(yè)工藝流程特點決定了焦爐跑煙冒火不僅與爐體和設備維護狀況密切相關,而且與炭化室內(nèi)荒煤氣壓力是否合適及穩(wěn)定有較大關聯(lián)[6]。為搞好焦爐“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,采用多自由度機器人技術進行爐門、爐門框清理是一種先進、適用的技術方案。自動清理機器人方案可以實現(xiàn)示教編程, 能有效提高設備對不同工況的適應性,此外通過運動設計并結(jié)合視覺監(jiān)控系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對清理過程進行手動或自動定點清理，提高清理效果。
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