国内大型高炉企业的液压开铁口机大多由德国TMT公司引进，具有输出功率大、钻速快、操作灵活方便等特点，大大提高了高炉生产效率^[1]。然而，在钻铁口过程中，钻杆需要执行高速旋转和高频率轴向击打复合运动，导致零部件严重磨损甚至损坏，常因无备件更换而造成高炉停产^[2]。从国外进口单件零部件，价格昂贵、交货期长，且国外专家只提供安装图纸，无法明晰制造原理。因此，对进口液压开铁口机国产化研发势在必行^[3-4]。

1 存在问题

进口液压开铁口机包括支座、回转机构、吊挂机构、钻架机构、液压系统5个部件。支座为水平布置，待机时位置距地面1.55 m，更换钻杆、钻头须举过头顶，给维护和保养带来不便；回转机构倾斜布置，旋转液压缸反向安装，当液压缸伸出到达工作点位置时，恰好处于铁沟正上方，受高温影响，铁水烘烤密封易出现漏油现象；吊挂机构的悬挂装置只有1组，钻架机构垂直方向倾斜角度为±1°，导杆只能微调吊挂机构水平转角±1°；钻架机构的锤式钻机直接倒挂在轨梁上，钻杆工作时由于离心力作用产生晃动而跑偏；液压系统为普通液压传动系统，换向冲击大，钻杆马达转速无法调整，致使马达输出的扭矩难以控制。

2 国产化改造 2.1 液压开铁口机支座改造

支座设计为圆柱体结构，下表面为正方形法兰水平布置，上表面为圆形法兰且以圆心为坐标原点，绕X轴顺时针旋转0.9°，绕Y轴顺时针旋转5.3°，形成两个倾斜角度。支座上表面设计两个方向倾斜角度，分别为0.9°和5.3°，能确保开铁口机打开出铁口时，钻架机构中心线与高炉出铁口中心线重合，且准确对准高炉出铁口。另外，在待机时处于水平状态，距离地面高度为1.2 m，便于维修和更换钻杆。支座下表面设置安装孔，与高炉框架地脚通过高强螺栓连接固定，支座下表面正方形法兰4个角分别扣除4个小正方体，利用与之相匹配的正方体挡块加固，挡块焊接在高炉框架地脚上，防止支座转动和错位^[5]，具体如图 1所示。

2.2 液压开铁口机回转机构改造

回转机构由基架、转臂、固定心轴、旋转液压缸组成^[6]，基架设计为长圆形，一端与支座上表面圆形法兰用螺栓连接固定，另一端与转臂通过固定心轴连接，转臂绕固定心轴转动；旋转液压缸设计为两端铰接安装形式，缸头与转臂铰接，尾部与基架铰接，工作时活塞杆做直线往复运动，同时带动转臂绕固定心轴水平转动。基架、转臂、旋转液压缸组成曲柄摇块机构^[7]，如图 2所示。

2.3 液压开铁口机吊挂机构改造

吊挂机构由扁担梁、悬挂装置组成，扁担梁安装在转臂末端，并以转臂为半径随转臂做圆周运动，如图 3所示。悬挂装置设计为两组，通过销轴对称安装在扁担梁两端，悬挂装置设置法兰与钻架机构轨梁连接，通过调整法兰垫片的厚度调节钻架机构垂直方向倾斜角度±2°。导杆一端连接基架，另一端连接吊挂机构扁担梁上，基架、转臂、吊挂机构和导杆组成双摇杆机构。导杆内部设置碟簧以吸收吊挂机构的冲击和振动，导杆可微调吊挂机构水平转角±2°，通过导杆伸长或缩短来调整钻架机构与出铁口的准确定位^[8]。

2.4 液压开铁口机钻架机构改造

钻架机构由轨梁、机械手、定位装置、锤式钻机、钻杆组成，如图 4所示。轨梁由工字钢焊接而成，中间部位设置法兰与悬挂装置固定连接。轨梁随转臂旋转，同时跟随吊挂机构左右摆动，钻杆最大行程达到5 500 mm。

机械手设计为气动式，安装在轨梁上，在钻杆钻铁口过程中，机械手始终握住钻杆，防止钻杆的径向移动，实现了钻杆与铁口通道的精准定位。

定位装置安装在轨梁最前端，在钻铁口过程中，圆头顶针头部进入定位座圆锥形凹坑内部，能完全控制开铁口机转臂上、下、左、右、前、后6个自由度移动，实现了开铁口机转臂精确定位^[9]。

锤式钻机倒挂在轨梁上，由链条带动沿轨梁前后移动，锤式钻机核心零件包括花键套、钎尾轴、卡具。

花键套外花键设计为渐开线齿，内花键设计为矩形齿，采用国内优质合金钢40Cr替代进口材料，利用调质处理的方式，使其具有高强度和高疲劳强度，以及较高的硬度，从而提高耐用度。在冲击功为554 J、冲击频率为每分钟1 765次的工作条件下无疲劳断裂发生^[10]。

钎尾轴设计为圆弧螺纹，可提高抗腐蚀能力，且便于拆卸，采用国内优质合金钢20CrNi3Mo替代进口材料，利用特殊的热处理方式，具有高强度和高疲劳强度，延长使用寿命。同时，增加过渡轴肩、定位轴肩根部的圆角半径，能承受最大进给力40 kN、扭矩1 100 J，避免了由于应力集中而产生的开裂和折断现象^[11]。

卡具定位锁紧孔设计为方形孔，有效防止定位销转动，降低磨损和损坏概率，采用国产合金钢30CrMnTi替代进口材质，采用特殊的热处理方式，具有均匀的强度、高的硬度及高的疲劳强度^[12]。同时，采用特殊的机械加工步骤，确保钻杆与连接孔轴线同轴度公差为ϕ 0.01 mm，如图 5所示。

2.5 液压开铁口机液压系统改造

液压系统设计为电液比例液压控制系统，执行机构包括钻杆马达、液压锤、进给马达、旋转液压缸，如图 6所示^[13]。钻杆马达由比例流量阀控制钻杆的转速为0~330 r/min；液压锤由比例减压阀控制液压力的大小，进而控制液压锤输出的冲击功；马达通过比例减压阀控制输出的扭矩，同时，通过比例流量阀控制输出的转速，进而控制锤式钻机移动的速度；旋转液压缸由比例流量阀和压力补偿器叠加控制，以确保其加速度恒定^[14]。

3 实际应用

在国外开铁口机技术的基础上，形成了具有自主知识产权的完整创新技术成果，最终实现了整机国产化，经检测符合《液压机技术条件JB/T 3818—2014》标准^[15]，产品经测试性能优于国外同类产品，如图 7所示。本钢7^#高炉于2020年应用该加工工艺制造的开铁口机，能承受冲击频率为每分钟1 765次；旋转速度为280~315 r/min；能承受扭矩为960/480 J；承受振打压力为20 MPa。冲击功为554 J；钻进深度最深可达5.6 m，完全满足德国TMT开铁口机的工作条件与性能要求，整体技术达到国际先进水平。高炉液压开铁口机运行稳定，故障停机时间逐年下降，满足生产要求，进口液压设备累计费用由2020年的350万元降至2021年的98万元，备件费用也逐年下降，降低了72%。由于诊断和维修速度加快，避免了高炉长时间停机带来的巨大损失，维修累计成本由2020年300万元降至2021年150万元。

4 结论

1）基座设计为倾斜式基座，能保证液压开铁口机准确对准高炉出铁口，在待机时处于水平状态，距离地面较低，便于维修和更换钻杆。

2）在钻杆钻铁口过程中，机械手始终握住钻杆，消除了钻杆的径向移动，实现了钻杆与铁口通道的精准定位。

3）最大进给力为40 kN、冲击功为554 J、冲击频率为每分钟1 765次、扭矩为1 100 J、钻杆最大行程为5 500 mm，开铁口机的功能明显提高，操作更加方便，提高了工作效率，整体技术达到国际先进水平。

4）解决了维修备件短缺的问题，大大压缩了高炉停机时间，降低运行成本。进口液压设备费用由2020年累计350万元降至2021年累计98万元。