10MN电极挤压机设计开题报告

10MN电极 挤压机 1 选题背景及其意义 在 二十世纪初，美国首先 可以 用 电极挤压机 生产 200*1200 毫米的电极。在之后 的二十 年 里 ， 电极 挤压机 设备 不断发展， 电极 挤压 机生产的电极可以 达到 500*1828 毫米。 随着电炉炼钢技术向着大容量的方向发展，电极的直径也随之变 大到 510-610 毫米。到了 五十年代中期，美国国家碳素公司下属的尼阿加拉、哥伦比亚和克拉克斯泊尔厂均 装备了 12600 吨 的 电极挤压机，能 挤压生产1125*2750 毫米的碳素或石墨电极。 日本 的碳素工业 发展 起步 要比美国 较 晚 ，但 发展 速度 却 很快。 根 据 一些 资料介绍， 二十世纪二十年代末 建 立 碳素工业时，日本 可以 生产的电极直径最大只有 150-200 毫米。 到了 三、四十年代 ，日本开始从美国、德国 引进先进 的技术和设备。后来， 又通过和别国 的技术 合作 来提高日本电极挤 压设备的设计制造水平和能力。 比 如日本东海电极公司的 6000 吨电极挤压机， 就是由美国 所属 公司设计、日本 所属的公司制作和 制造的。 日本对本国碳素工业的重视，使得其碳素工业得到快速的发展，技术已经可以和西方一些国家的水平相当。 据资料介绍， 目前国外最近制造 的一台大吨位电极挤压机是奥地利 的 公司为波兰某工厂制造的 6300 吨电极挤压机。该机 器 重 为 700 吨，可挤压 生产 450-1000 毫米，长达 到 3000 毫米的电极。 电极挤压机是炭素厂最重要的 生产 设备，它的吨位和性能决定 着该企业在行业中的地位。因此，各个 厂 家 对 挤压机的选购 特别重视，不惜 花费重金购买行业内公认的 先进的 挤 压机。例如，旋转料室 35 MN（卧） /15 MN（立）有挡板压机以及从国外引进的 35MN（卧） /17MN（立）无挡板压机 。 电极挤压机是炭 -石墨制品成型最重要的 设备 ,在一定的工艺条件下 ,设备性能的好坏 ,直接影响电极的质量和成型率。电极是电炉 重要 的 组成部分 ,它将电 能输入到 电炉内然后与 炉料间产生高温电弧（ 电弧 温度可达 3000-6000）。电极在 这种 高温下工作 ,会受到炉气的氧化和 塌料的撞击。冶炼过程 中 要求电极具有良好的导电性 ,耐高温 性使其 不易 被 氧化与烧损 ,有足够的强度 ,不易 被 折断及破碎 ,含磷、硫等杂质少。电极挤压设备主要由凉料机、挤压机、冷却系统 三部分组成。从混捏机输来的电极糊料在 凉料机 中进一步混匀并冷却 至 100-110。 然后 加入 挤压机 按要求挤压成不同规格的电极并剪切成 相应的 要求长度 ,之后进入冷却系统 进行 冷却成 形成 半成品。 电极挤压机可用于很多领域，如国防工业、航空 航天、船舶等各行各业，所以对电极挤压机的研究具有很重要的意义。 2 文献综述 （国内外研究现状与发展趋势） 通过对国内外一些资料的查询和对目前电极挤压机的发展状况的研究，电极挤压机技术的发展呈以下集中趋势。 2.1 电极直径趋于稳定，电极挤压机不再向大吨位方向发展 电极挤压机能力随电极直径加粗而加大是五十年代的情况。美国 在五十年代初能 生产 510-610 毫米，长 2440 毫米的电极。 但到五十年代末的短短几年里就 提高到 能 生产直径 1125 毫米，长 2750 毫米的电极。而到了七十年代，国外电极的直径已经 不再加粗，一般 挤 压机生产的电极 直径 最粗 不超过 650 毫米。随着 电炉炼钢技术的发展 电极的直径已经不能再继续增大，而是对 于提高电极的允许载流密度 进行研究 。 2.2 大部分设备采用油压直接传动方式 在最近十几年里 ， 国外电极挤压技术发展的明显变化是电极挤压设备趋向使用油泵 直接传动。 如日本的 新系列产品全都为油泵直接传动。而蓄势器传动只在一些特大型电极挤压机上应用 ， 如美国 公司拥有的 12600 吨挤压机、日本 公司的10000 吨挤压机等 。 2.3 采用同步自动剪切装置 为了获得标准 长度的电极 ， 电极挤压机 末端会采用不同的剪切装置。目前有固定剪切和 移动同步自动剪切两种方式。 固定剪切装置 就 是在挤压机咀型的前方固定 安装 两把刀 , 通过液压或机械传动使剪刀切断电极。采用固定 剪切装置 时每次剪切前都 要停止挤压 , 这样会引起 电极膨胀或产生龟裂。既影响生产 效 率 , 又影响电极 的 质量。 为克服上述 的 缺点 , 研究出 了剪切装置随 着 电极的挤出速度 而 保持同步移动 的同步剪切。目前使 用的同步剪切装置有电液同服同步自动剪切装置和机械平衡同步自动剪切装置两种。 2.4 采用咀型夹 紧机构与更换装置 咀型是按 照 电极制品 横截面的大小不同而经常 更换的一种工装 ， 特别是生产大型电极 ， 往往咀型 本身的 重量 就 超过 10 吨 ， 并有 100以上 的 温度 ， 手工更换比较困难。因此，国外电极挤压设备都安装有 咀型旋转更换装置和咀型夹紧机构。使咀型 的更换工作由每次 1-2 小时减 少 到 每次 15-20 分钟 ， 大大缩短了咀型的 更换时间 ， 并 且操作安全可靠。 2.5 向自动化 方向 发展 挤压设备的辅助装置和 设备 也 是挤压生产线的重要组成部分 ， 因此提高生产率的主要方法 就 是 在于提高挤压机各 个 环节的机械化和自动化程度。 随着 国外挤压技术的 不断 发展 ， 促进了设备 的不断完善 逐步 从人工化走向自动化。如果说五十年代的 电炉炼钢技术 是 朝着大容量 方向 发展 ， 使挤压设备 的 吨位加大来生产大直径电极的话 ， 那么 ， 到了七 、八 十年代 以后， 则发展 成为由单机自动化向 整 个生产过程的自动化 的方向发展 。 3 研究内容 本课题研究设计的挤压机是 10MN 电极挤压机，由于它在挤压机类别里属于小吨位的挤压机，所以选择卧式机构进行设计。 10MN 电极挤压机结构简单，有卧式预压、卧式挤压的特点。 10MN 电极挤压机本体结构由前梁、后梁和水平方向张力柱组成一个水平的封闭受力框架。后横梁上装有一个挤压缸和二个侧工作缸，三只缸均与活动梁相连。 中间是一个上方有入料口的料室。料室出口处是 咀形，咀形处有一可上下移动的挡 板。 电极挤压机 的工作过程及原理，工作时 ，料室右侧的 咀形 出口处，移动挡板要下移 封住 咀形 口，然后对料室进行加料，每次加料后由 主 液压缸对料室内的原料进行预压，预压 时间为 1-3 分钟， 预压过程中抽真空。预压完成后， 由两侧的回程缸将主缸柱塞拉回，然后继续往料室里加料 ， 重复上述的预压过程，此过程重复 2-3 次则加料完成。然后咀形处挡板上移， 挤压主缸和侧缸加压进行挤压，电极制品即由 咀形 口挤出，随后由自动剪切装置 将制品剪断，再由料槽或辊道将制品输送至水槽冷却 。 3.1 总体参数 （ 1）公称挤压力： 10MN； （ 2）回程力 ： 1.5MN； （ 3）工作介质： 液压油；常用工作压力： 25 MPa； （ 4）挤压行程： 2000mm； （ 5）料室直径： 800mm； （ 6）料室长度： 2000mm； （ 7）咀形规格： 100mm- 400mm。 3.2 液压缸 本课题所设计的电极挤压机有三个液压缸， 主液压缸是柱塞液压缸，两侧两个辅助液压缸是活塞液压缸。 分别起挤压和回程 作用，也有其对应的结构， 液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动 的液压执行元件。液压缸输出力和活塞有效面积及其两边的压差成正比；液压缸基本上由缸筒和缸盖、活塞和 活塞杆、密封装置、缓冲装置与排气装置组成 3.3 料室 本结构料室左侧上方设置一个进料口，用来进料。本结构的预压和挤压都是在料室进行，当从进料室加热一部分原料之后，主缸进行一次预压，然后由回程缸拉回，反复 2-3 次后对原料进行挤压。 对于本结构的出料处是型嘴设计，料室横截面积与型嘴口横截面积的比值称为挤压比（）。挤压比 从数据上 反映了炭素糊料的变形情况，挤压比的大小对于 糊料 被 挤压变形过程和挤压制品质量 都有很重要影响，若挤压比过小，会 使内层 的糊料压的不够实，挤压的产品内外层性能差别会很 大；若挤压比过大， 挤压时产 品 从型嘴口被挤出的 速度过快，产 品 的 密度 会 下降，且距 离中心线不同半径的层面流速不同 ， 会使 层面间产生较大的相对滑动，从而使层状结构更 加明显，使其强度 大幅下降，同时挤压 时 所消耗的能量 也会 增加，这在 实际生产中 是不经济的。因此 在挤压一定直径的产品时，必须合理选择料室直径。 料室型嘴处 设计一挡板，挡板的作用是当料室在加料和进行预压的时候，挡板需要下移，把型嘴出口挡住，防止预压时 料室内的 原料溢出。当预压结束后，挡板上 移，进行挤压工作。 3.4 横梁 本机构有前后两个横梁，前后两个横梁分别要承受机构的重量和机构在运行时所产生的各方面的力。故要根据各方面因素对其设计，保证机构在运行过程中的稳定性。 3.5 咀形 料室右侧需要设计一出料的咀形。根据 各方面因素进行设计。 炭素糊料 在 挤出 咀形 后会发生弹性膨胀，所以挤压产 品截面积 会 略大于 咀形口截面积。 但是在后序 的焙烧和石墨化过程中会有一定 的收缩，机械加工时 也 需有一些加工余量，所以挤压机 咀形 出口端内壁尺寸应比产品成品尺寸大 4%-10%。 3.6 预压力和挤压力 对于本机构的卧式挤压机，预压（或挤压） 力与料室横截面积的比值叫 做 比压（），即预压（或挤 压）时料室内炭素糊料单位面积 上 所 承受的压力。 预压的目的是充分排尽糊料中的气体，达到压 实 的目的，以提高产 品密度。适当 的 提高预压压力有利于提高产品 的 密度，但是对于提高产品的机械强度效果不 会 明显。 3.7 挤压力回程力分配 挤压缸的挤压力是 10MN，回程力是 1.5MN，但是机构在运行的的时候还会受到摩擦力等其他力的影响，所以设计时要把液压缸的力大一些。回程是由两个侧缸完成，所以要通过后续的计算进行力的合理分配。 3.8 挤压速度 挤压速度是 根据挤出速度而设定 的，不同规格的炭素产 品对应 着不 同的挤出速度，适当降低挤出速度有利于提高产 品的密度，但挤出速度太慢则 会 影响生产效率。挤出速度与挤压速度之比等于料室横截面积与型嘴出口横截面积之比，即为 挤压比。 4 研究方案 4.1 方案 比较 本课题研究设计的是 10MN 电极挤压机，现在已有的挤压机吨位一般比较大，大致的结构如下图所示： 图 4-1 旋转料室电极挤压机 1 回程缸； 2 主缸； 3 真空排气管； 4 挤压头； 5 料室； 6 压实真空罐； 7 型嘴； 8 自动剪切机； 9 机座； 10 旋转油缸； 11 托板缸； 12 前梁与挡板 上 图 这种电极挤压机适合进行吨位比较大的挤压，它的结构比较复杂， 设计时比较麻烦，占用空间大，移动和安装不太方便， 加工要求比较高，适合大型 生产 厂使用。 上图机构的工作过程及原理大致如下所述，工作时 料室和 咀形旋转成竖直方向，下面 由托 板封住 咀形 口，此时开始加料，一般分 2 次加料，每次加料后由预压主 缸带动预压压头对糊料进行捣固，捣固后进行预压，预压 时间为 1-3 分钟 ，捣固和预压过程中抽真空。预压完成后，提升 杆 将预压主缸柱塞和预压压头提起，料室旋转为水平方向，挤压主缸和侧缸加压进行挤压，电极制品即由 咀形 口挤出，随后由随动剪将制品剪断，再由料槽或辊道将制品输送至水槽冷却 。 本课题的设计的是 10MN 电极挤压机，要求 电极挤压机结构简单 ， 使用方便、快捷，适合小量的生产，设备的运输与安装，并且具 有卧式预压、卧式挤压的特点。 大致结构如下图所示： 图 4-2 卧式电极挤压机结构简图 1 机架； 2 后横梁； 3 加料斗； 4 料室； 5 真空罩； 6 咀形 ； 7 挡板； 上图 电极挤压机 的工作过程及原理，工作时，料室右侧的咀形 6出口处，移动挡板 7要下移 封住 咀形 6，然后由加料斗 3对料室 4进行加料，每次加料后由 主 液压缸对料室内的原料进行预压，预压 时间为 1-3 分钟， 预压过程中由真空罩 5抽真空。预压完成后， 主缸柱塞由液压缸拉回，然后继续往料室里4加料 ， 重复上述的预压过程，此过程重复 2-3 次则加料完成。然后挡板 7上移， 挤压主缸和侧缸加压 进行挤压，电极制品即由 咀形 6口挤出，随后由自动剪切装置 将制品剪断，再由料槽或辊道将制品输送至水槽冷却 。 通过对本课题 参数 要求的考虑，对适合这种吨位挤压机结构的考虑加之其他方面因素 的综 合比较，最后决定使用上图 4-2 的结构简单，使用方便的结构设计本课题。 5 进度计划 2013.11 查阅有关专业技术文献，了解液压机国内外现状和发展趋势。 2013.12-2014.01 主要技术参数确定及总体方案确定。 2014.01-2014.02 主要零部件结构的初步确定及设计计算。 2014.03-2014.04 完成总装图、部件图和零件图。 2014.05-2014.06 撰写设计说明书，准备答辩。 参考文献 1辛火 . 35MN 电极挤压机液压控制回路及其故障分析 .合肥炭素厂 2肖著珏 .电极挤压机型咀曲线设计方法的研究 .湖南大学学报（自然科学版） .1994 年 04 期 3包第馥 .德 国 30 MN 立捣卧式电极挤压机简介 .上海碳素厂 4赵如 .国内外电极挤压机技术的发展 .上海重型机器厂 .1992 5宋清玉、孟宪玉 . 35MN 立卧电极挤压机结构研究 .设计研究院工程师 .1996 6赵杰三 .电极挤压机评述 .山西三利炭素有限公司 .文章编号： 1001-3741（ 2011） 05-41-04 7俞新陆 .液压机的设计与应用 M .机械工业出版社 .2006： 17-19 8赵如 .国外电极挤压机技术的发展 .上海重型机器厂 .1985 9魏征宇、赵国、栋薛峰、满庆惠、邹敏 .立捣卧挤式炭素挤压机主机设计 .文章编号： 1001-3741（ 2012） 02-B24-04 10Ping Zhou 、 Haiyan Liu 、 Kaishun Tan、 Chao Chen. Application and Research of Fuzzy Control Simulation in Twin Screw Extruder .Guilin University of Electronic Technol