焦炉自动清门清框新技术的应用

基于现场实际，分析了焦炉炉门清理作业中焦油和石墨清理不干净或无法清理的问题，提出采用多自由度机器人实现自动清理焦炉炉门和炉框的新方案。方案详细设定了清理机器人的工作过程，分析了清门清框机器人性能指标及现场应用目标，应用自动清门清框机器人能够实现手动或自动定点清理。

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前言

焦炭在高温干憎过程中含碳的高分子有机质化合物会产生软化、熔融、裂解等物理化学变化，其中一种高温裂解产物是焦油，黏稠的焦油会粘结在焦炉炉门刀边和门框上，如果清理不及时，焦油会进一步裂解生成游离的石墨分子，石墨分子又会快速析出并附着在炉门衬砖表面形成坚硬的外壳。一方面，粘结在炉门刀边上的焦油缩聚变硬后，会造成炉门刀边与炉门框正面不能严密贴合形成密封面，导致炉门冒烟、腹板挤压变形开裂冒烟，因此在生产过程中需要岗位操作人员用煤泥封堵冒烟的缝隙。岗位操作人员在含有大量有毒有害物质的荒煤气环境中作业，工况较恶劣,不但有安全隐患，还对人身健康造成危害；另一方面，附着在炉门衬砖上的坚硬石墨会磨损炉头砌体造成炉墙损坏，使横铁弹出，阻碍炉门下落或造成炉门掉落等一系列问题，造成设备发生故障，进而影响生产。

以多自由度智能机器人的新技术应用于焦炉炉门清框作业，替代岗位操作人员进行焦炉炉门、炉门框清理，不但自动化程度高，而且可有效解决人工清理困难和清理作业时的安全隐患问题，对改善炉门排放物的和达标问题将起到至趟要的作用。

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焦炉炉门、门框不及时清理的危害

目前，焦油和石墨的清理主要依靠岗位操作人员利用单炉操作时间进行清理。由于操作时间紧、生产任务重、6m焦炉清理强度大等原因，常常出现焦油和石墨不能清理干净甚至来不及清理的情况同时，岗位人员清理时使用2~4m的钢钎子，容易造成刀边和腹板损坏。长期以来，焦化厂炉门冒烟密封问题始终无法得到彻底解决，已严重影响焦炉的环保达标，同时还存在岗位人员暴露在高温炉门处作业的安全风险。

根据GB16171-2012《炼焦化学工业污染物排放标准》，现有企业执行大气污染物排放限值:氮氧化物浓度＜500mg/m³，二氧化硫浓度＜50mg/m³，颗粒物浓度＜30mg/m³。产生大气污染物的生产工艺和装置必须设立局部或整体气体收集系统和净化处理装置，而各焦炉炉门小范围区域无法设置收集系统和净化系统，炉门逸散烟气属于无组织排放，烟气中污染物浓度远远超过排放限值，增加了炉门区域的人身安全风险和焦炉生产的环保风险。

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自动清门清框机器人技术

3.1自动清门清框机器人工作过程

焦炉自动清门清框机器人系统主要由清门和清框机器人系统两部分组成。焦炉自动清框机器人系统主要包括六轴工业机器人、高压水射流装置、焦炉门框机器视觉定位系统、门框侧边吹扫系统及防水防护装置、控制器单元、通信模块等。其工作过程包括

（1）系统接收启动信号，设备自检, 满足启动条件。

（2）视觉系统对焦炉门框系统指定区域进行检测，计算焦炉门框的相对位置尺寸，实现焦炉炉门框在机器人坐标系中的位置定位。

（3）控制器单元将位置定位信息通过通信模块传递给机器人控制器。

（4）工业机器人接收到焦炉炉门框定位信息后进行路径规划及轨迹规划。

（5）通过工业机器人与控制器单元联动，开启机器人防护装置，机器人运行到初始位置。

（6）机器人驱动高压水流喷枪在焦炉门框表面上下、左右运行，对炉门框内的焦油及石墨清理干净。

（7）机器人完成清洗任务退回到防护区。

3.2自动清门清框机器人特点

清门清框机器人采用多关节六轴工业机器人，控制系统由运动控制器、伺服电机和驱动器构建而成，实现机器人前后、左右方向进给运动及姿态调整。机器人本体可采用国内或国外公司制造的机械机构，机器人本体防护等级IP65。

（1）软件控制系统方案。软件控制系统主要由通信模块、机器人运动控制模块、外设控制模块、报警模块、急停处理、安全连锁功能、文件管理以及示教器模块等组成。

（2）高压水射流的工作方案。用高压水泵把水的压力上升到最高60MPa，通过三联切换阀实现高压水的切换，然后通过喷枪把高压水打到炉门刀边上以及炉门与门框的结合密封处，实现炉门、炉门框的高压水清扫。

（3）安全防护。由于机器人在运行过程中，机器人的动作速度快、活动范围大，而且经常出现突然启动的动作，这些对非法进入机器人动作范围的操作人员来说相当危险，因此设备的安全防护非常重要。在机器人工作站的四周设有防护栏，防护栏的人工操作区域为封闭式结构，两侧设有挡板防止人员违规进入，防护栏上还配有维护人员进出的安全门，安全门上设有安全锁，当安全门打开时,安全锁发出预警信号,机器人识别后停止动作，处于静态，保证维修人员的人身安全。

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机器人主要性能指标及现场应用

自动清门清框机器人性能指标。采用多自由度机器人进行焦炉炉门、炉门框清理，自动化程度高，能够根据不同炉门、炉门框结构形式进行示教编程，解决不同工况的适应性问题。该类型机器人带有视觉监控系统，能够对清理过程进行监控。根据清理效果，进行手动或自动定点清理。另外，还可根据需要设置清理过程的喷射角度、摆动喷射等参数，提高清洗效果。主要性能指标包括

（1）工业机器人具有6个自由度撮大行程5m，与末端执行器相结合，最大行程6.3m。

（2）工业机器人最大运行速度1.5m/s，最大清洗速度5m/min。

（3）机器人最大负载能力＜20kg。

（4）机器视觉识别系统识别精度1cm。

（5）高压水射流装置最高压力60MPa。

自动清门清框机器人现场应用目标。

（1）实现焦炉炉门自动清理功能，刀边内无50mm以上连续附着物。

（2）实现焦炉炉门框自动清理功能，框正面无连续50mm以上连续附着物。

（3）每个炉门和炉门框从开始清理到结束时间＜3min/次。

（4）利用单炉操作时间对炉门、炉门框清理率100%。

自动清门清框机器人现场应用价值简析。人工清理焦炉炉门和炉框时，需耗时30min左右，当工况环境特别恶劣时，则无法清理甚而不清理。1套炉门刀边和腹板采购成本15000元以上，使用寿命最长6个月，最短则2个月。实现机器人自动清理焦炉炉门和炉框后，将全面代替人工清理，每次清理时间仅3min，不但提高了劳动效率，降低了劳动强度，而且解决了人工清理不彻底、清理不及时、清理工具损坏炉门刀边和腹板造成密封失效的问题，延长了炉门刀边和腹板的使用周期，直接经济效益和间接经济效益无法估量。项目达标后，缓解了焦炉生产过程中无组织排放有毒有害烟气的环保压力，改善了工作环境，提高了焦炉自动化水平，最终向实现自动化减人目标迈出扎实一步。

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结语

焦化行业工艺流程特点决定了焦炉跑烟冒火不仅与炉体和设备维护状况密切相关，而且与炭化室内荒煤气压力是否合适及稳定有较大关联。为搞好焦炉“无组织排放”治理工作，保证人员安全，变被动维修为主动维修，采用多自由度机器人技术进行炉门、炉门框清理是一种先进、适用的技术方案。自动清理机器人方案可以实现示教编程，能有效提高设备对不同工况的适应性，此外通过运动设计并结合视觉监控系统，能够实现对清理过程进行手动或自动定点清理，提高清理效果。

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