机械毕业设计（论文）-高炉无料钟炉顶下密封阀和下节流阀的设计【全套图纸】 .pdf

第 i 页 高炉无料钟炉顶下密封阀高炉无料钟炉顶下密封阀 和下节流阀的设计和下节流阀的设计 摘 要 炼铁是钢铁生产中的一个重要环节，生产出产品（主要是生铁）的质量和产量直接 影响到炼钢生产。 高炉生产是获得大量生铁的主要手段。 然而随着高炉冶炼技术的发展， 传统炉顶仍然存在着设备复杂、密封性能差和氮气使用量高等缺点。本文介绍了高炉无 料钟炉顶装料布料装置的概况，在高炉顶部，炉顶装料设备是用来装料入炉并使炉料在 炉内合理分布，同时起到炉顶密封作用的设备。而高炉无料钟炉顶中的密封阀、料流调 节阀关键设备的结构特点并对所存在的问题进行研究与探讨。本次设计的主要内容有： 传动方案的比较及方案的确定,电机和液压缸的选择与验算，减速机、轴、键的选择与 校核和润滑等内容。本装置的设计简化了炉顶结构，提高了炉顶布料装置的可靠性、密 封性，降低了经济成本，对于今后高炉炉顶设备的研究，提供了新的思路。 关键词关键词：无料钟炉顶，装料布料装置，密封阀，节流阀 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 第 ii 页 abstrct iron- smelting iron and steel production is an important aspect of producing products (mainly iron) the quality and yield a direct impact on steel production. blast furnace pig iron production is heavily the primary means. in the blast furnace at the top, top loading equipment is used to loading into the furnace and the furnace charge a reasonable distribution, and to play a top role in sealing the equipment. however, with blast furnace smelting technology development, there are still top of traditional complex equipment, poor performance sealed and nitrogen use of the higher shortcomings. this paper describes the blast furnace of bell- less top fabric loading device profile, in blast furnace at the top, top loading equipment into the furnace is used for loading and charge a reasonable distribution in the furnace, while a top role in sealing equipment. the blast furnace of bell- less top of the valve seals, material flow control valve key equipment and the structural characteristics of the problems existing research and study. the design elements include: drive for comparison and for sure, the electrical and hydraulic cylinders and the choice of checking, reducer, reel, and the choice of key check and lubrication, and other content. this device simplifies the design of the top structure, improve the reliability of the device fabric top, seal and reduce the economic costs, the future of blast furnace top equipment, providing a new way of thinking. key words: bell- less top，fabric loading device，ealing valve，aterial flow valve 第 iii 页 目 录 摘 要 i abstrct . ii 1 绪论 1 1.1 选题的背景和目的 1 1.1.1 选题背景 1 1.1.2 选题的目的 1 1.2 现代高炉的发展和发展前景 1 1.3 无料钟炉顶设备的优越性 2 1.4 高炉炉顶工作原理和操作 3 1.4.1 无料钟高炉炉顶的组成 3 1.4.2 无料钟高炉炉顶的布料过程 3 1.4.3 无料钟高炉炉顶的研究意义及发展方向 6 1.5 高炉炉顶密封阀与节流阀的概述 6 1.5.1 密封阀结构特征和用途 6 1.5.2 下节流阀与下密封阀作用 7 1.6 本课题设计的主要内容 8 2 总体方案设计 . 9 2.1 高炉的主要结构和作用 9 2.2 高炉主要设备的设计特点 10 2.2.1 布料器 10 第 iv 页 2.2.2 料罐 11 2.2.3 料流调节阀 . 11 2.2.4 下密封阀 . 12 2.2.5 无料钟炉顶在技术上的优、缺点 12 2.3 具体方案的确定 15 2.3.1 下节流阀运动方案的确定 15 2.3.2 下节流阀传动方案的确定 15 2.3.3 下密封阀运动方案的确定 15 2.3.4 下密封阀传动方案的确定 15 2.2.5 下密封阀的性能 15 2.4 无料钟炉顶特点 . 16 3 下节流阀的设计计算 . 17 3.1 下节流阀驱动行程的计算 17 3.2 轴的校核 18 3.2 精确校核轴的疲劳强度 21 3.3 键的选择和校核 24 3.3.1 选择键联接的类型和尺寸 24 3.3.2 校核键联接的强度 24 3.4 花键的校核 24 3.5 滚筒电机的选择 26 4 下密封阀的设计计算 . 27 4.1 下密封阀中液压缸的设计选取 27 4.2 下密轴的强度校核 29 4.3 平键校核 32 5 润滑方法的选择 . 33 5.1 润滑 33 5.1.1 减速器的润滑 33 5.1.2 下密封阀润滑方式选择 34 第 v 页 5.1.3 下节流阀润滑方式选择 34 6 设备可靠性与经济性分析 . 35 6.1 设备的可靠性 35 6.2 设备的经济可行性分析 35 结 束 语 . 36 致 谢 . 38 参考文献 . 39 第 1 页 1 绪论 1.1 选题的背景和目的 1.1.1 选题背景 在国民经济快速发展的拉动下，中国钢铁工业进入快速发展阶段，这也带动了高炉 炼铁的快速发展。伴随着中国生铁产量的高速增长，中国高炉炼铁技术水平也取得了一 定进展。南京博物院 1959 年 6 月在徐州利国驿峒山北 400 米处微山湖的南岸，清理汉 代炼铁炉的遗迹。1970 年 8 月，九四二四厂(后易名为上海梅山冶金公司)一座 1060 立 方米高炉 出铁。翌年 5 月 18 日第二座同容积高炉建成投产。1976 年 611 月，南钢一 号高炉(300 立方米)大修期间对槽下上料设备彻底改造 取消小行车 、称量车，代之以 链板机、皮带机、电动翻板、电子秤称量斗，实现上料系统远距离集中控制操作。1985、 1986 年， 上海梅山冶金公司两座高炉进行大修改造。 二号高炉炉容扩大 到 1250 立方米， 成为江苏之最。 大修后的热风炉为改进内燃型， 采用集中送风， 并有烟气预热回收系统。 一号高炉用热管式换热器预热助燃空气， 二号高炉用分离式 热管预热助燃空气和煤气。 1987 年全厂平均风温达到 1083， 创历史水平。 其中一号高炉年平均风温达到 1111， 为国内最好水平。泥炮和堵渣机亦由电动改为液压 传动，堵口时推力增大，从而增加 了可靠性。目前，我国高炉炼铁也由原来的钟式炉顶逐渐被无料钟炉顶所代替 1。 1.1.2 选题的目的 高炉炼铁一直是重要的炼铁工艺，也是技术进步和创新的重要领域。近年来，随着 高炉设备的水平不断提高，中型、小型高炉逐渐被大型、巨型高炉代替。这就要求高炉 炼铁技术在高炉装备提高喷煤比、延长高炉寿命、提高高炉原燃料质量、改进高炉操作 等方面要有明显的进步。中国高炉炼铁在高效、低耗、长寿、优化操作技术等方面取得 了进步。但是，精料技术、喷吹煤粉、热风温度等方面是呈下降态势。近年来，大型高 炉生产技术水平，取得了明显进步，宝钢、马钢、上钢一厂、鞍钢、首钢等企业大高炉 利用系数和燃料比等指标已达到先进水平。 今后要进一步改善原燃料质量和提高热风温 度2。 1.2 现代高炉的发展和发展前景 高炉大型化、现代化要求，促使世界各国对高炉炉顶装料布料装置进行了各种探讨 第 2 页 和开发。早在 20 世纪 70 年代初期，先后由卢森堡、西德、苏联等国对炉顶实现无料钟 布料， 作出了种种设想和尝试。 无料钟炉顶与有料钟炉顶装料设备相比， 具有布料灵活、 重量轻、维修方便，而且密封性能好等特点，给高压炉顶提供了优秀的条件。因此在新 建、改建的高炉上都选用了无料钟布料装置 3。 随着高炉大型化和冶炼强度的提高, 炉顶装料设备的性能也要求相应提高。 设备结 构的合理性、装备的选进性直接影响着高炉的产量和产品质量。现有高炉设备的结构及 零部件有些已不能满足这种要求, 迫切需要改进。 目前世界上大型高炉炉顶装料设备形 式多样,有并罐无料钟、串罐无料钟、三罐无料钟及双钟四阀型等,这几种形式的无料钟 各有其特点,都能满足高炉正常生产要求。其中串罐无料钟占主导地位。目前新建或改 扩建的大型高炉上,基本上采用串罐无料钟炉顶。 随着高炉操作稳定及长寿,无料钟炉顶 的布料控制优越性充分显露出来。 1.3 无料钟炉顶设备的优越性 无料钟炉顶装置与以前的钟式炉顶或钟阀式加活动炉喉板的装料设备相比具有很 大的优越性，一是布料灵活，有利于改善布料，提高煤气利用率；二是密封性好，有利 于炉顶压力；三是维护方便，有利于提高高炉作业率。因此，自无料钟炉顶设备问世以 来，迅速在各国高炉上推广应用，我国各大钢铁厂高炉也相继采用，先后由首钢、梅山、 重钢、攀钢、唐钢、宝钢、鞍钢、武钢、马钢、等厂装备了无料钟炉顶装料装置。我国 高炉设备，通过多年的引进、研制、开发，完全可用国内技术设计、制造。 无料钟高炉炉顶技术从70年代发展到现在已日益完善,目前世界上大型高炉炉顶装 料设备形式多样,有并罐无料钟、串罐无料钟型等,这几种形式的无料钟各有其特点,都 能满足高炉正常生产要求。其中串罐无料钟占主导地位。目前新建或改扩建的大型高炉 上,基本上采用串罐无料钟炉顶。 随着高炉操作稳定及长寿,无料钟炉顶的布料控制优越 性充分显露出来。 串罐顾名是思义是罐上下串通的， 而且并罐是两个罐并列放置的形式。 由于形式不同，串罐形式要少一套上、下密封阀和一个下料流阀、更重要的是串罐形式 的冶炼工艺上，具有布料偏析小，称量正确的优点。正因为这样，对于现代高炉冶炼来 说，实现正确下料控制的计算机功能易于实施，也是串罐无料钟炉顶，在世界各地纷纷 采用的主要原因。我国宝钢二号高炉、一号高炉易地大修的高炉、鞍钢、马钢的大型高 炉也先后引进一部分卢森堡技术和装备。 在国内首批实现高度自动化的串罐式无料钟炉 顶 4。 第 3 页 1.4 高炉炉顶工作原理和操作 1.4.1 无料钟高炉炉顶的组成 高炉无料钟炉顶主要由受料漏斗、上节流阀、上密封阀及料罐、下节流阀、下密 封阀、布料器等六部分构成。为了能够交替地往两个料罐装料，受料漏斗做成可以移动 的。每个密封罐的容积约为半批料（相当于料车上料时两车料） 。在料罐的顶部和下部 设有密封阀起炉顶密封作用。每个料罐独有均压设备。在下密封阀的上面设有料流调节 闸门，可以控制原料流量。布料器的溜槽可以绕高炉中心线进行转动，溜槽的倾角可以 调节。完成高炉圆周布料和径向布料，结构总图如图 1.1 所示5。 1.4.2 无料钟高炉炉顶的布料过程 开上密封阀料车上料一批料罐料满关上密阀均压煤气压力、 开下密阀下料 下料完成下密阀关排压阀开排空料罐煤气开上密封阀循环往复 第 4 页 料 斗 布 料 器 下 密 封 阀 下 节 流 阀 上 密 封 阀 上 节 流 阀 图 1.1 高炉无料钟炉顶装料装置总图 无料钟炉顶布料的具体操作过程如下：当称量料罐需要装料时，料车移动到炉顶受 料漏斗上，由料车卷扬机的主令控制器释放相应的触点，使料罐的放散阀打开，然后打 开上密封阀， 此时下密封是关闭的。 当第一车料装入称量料罐后， 关闭上密封和放散阀。 为了减小下密封阀的压力差，打开均压阀使料罐内充入均压煤气。此时第二车料已到炉 顶，然后把料罐内的煤气放散掉，打开上密封。同样的方式进行装料入罐。关闭上密封， 再次进行均压，等待往炉内装料。装料顺序一般是一次矿石、一次焦炭，形成一批料， 当料线到需要装料的位置时，发出装料入炉的信号，探尺自动提升到最高位置，同时布 料器启动旋转，在料罐均压 正常的情况下打开下密封阀。当旋转溜槽转到预定的开始 第 5 页 布料位置时，布料器控制系统使一个触点动作，使料流调节阀的闸口打开到规定的开口 度，原料按预定的卸料方式、时间往炉内布料。料流调节阀开度的大小不同可获得不同 的料流速度，一般是卸球团矿时开度小些，卸烧结矿时开度大些，卸焦炭开度最大。规 定的卸料时间是根据旋转的转速，料罐内原料的体积，使每次布料达到 10 圈左右的料 层数目。当料罐“卸空”信号由测力仪 （电子秤）或同位素探测发出后，先完全打开 料流调节阀，以防卡料，而后料流控制闸门和下密封阀相继关闭，放散罐内的压力，准 备接受下一批料。在此同时，旋转溜槽转到停机位置，躲开探料设备的工作。如此反复， 其布料工艺流程如图 1.26。 图 2.2 无料钟炉顶装料设备工艺流程图 第 6 页 1.4.3 无料钟高炉炉顶的研究意义及发展方向 今天的无料钟式炉顶，工艺日趋完善，密封愈加严密，布料方式更加合理，效率越 来越高，成本越来越低。然而无料钟炉顶也存在如下缺点：设备笨重、结构复杂、传动 效率低。炉顶布料装置的通病是密封性能差，氮气消耗量大，生产成本高，所以通过对 高炉炉顶结构和性能的分析进行设计并进一步的对其进行改进， 使其更加适应当今大规 模的生产，从而提高工作效率。研究方向主要集中在继续提高炉顶设备使用率、合理利 用资源、实现超高喷煤，进一步延长炉役寿命和环境保护等几个领域，进而不断提高高 炉生产效率和设备使用率，降低能耗，有效保护环境，实现可持续发展 7 。 1.5 高炉炉顶密封阀与节流阀的概述 随着高炉生产获得更大经济效益的同时， 对其炉顶的装料设备的机械性能的要求也 越来越严格，在均排压系统能正常工作的条件下，上下密封阀密封效果的好坏直接影响 高炉高压操作工艺。 1.5.1 密封阀结构特征和用途 密封阀的结构特征： 结构简单:分为几个单独阀门，每个阀门为独立液压油缸控制开关,阀门为旋开阀, 密封件、密封面不与料流接触; 体积小、重量轻:单个阀体 1.5 吨左右箱式结构、体积小。安装、更换、维护方便, 并且传动结构均在外部,便于检查、维修; 密封好、寿命长、顶压提高,整体阀门密封性能良好,工作压力为 150kpa、整体寿 命为一代炉龄。 密封阀的用途：是安装在料罐炉料进口处，下密封阀安装在料罐下料口处用来对料 罐进行煤气密封，以保证高炉的带压操作。密封效果不好会引起煤气泄露，漏出的煤气 不但会使维护炉顶人员中毒，而且夹带着大量炉料、粉尘的煤气对其他设备的接触面都 产生强烈的磨损，煤气泄漏所造成的设备损坏是炉顶设备损坏的普遍现象，也是炉顶设 备损坏的主要原因。 炉顶设备造价很高， 而且更换炉顶设备需要耗费大量人力物力财力。 因此，保证密封性就能保证了高炉的顺利生产。由于上、下密封阀长期在高温、大负荷 以及粉尘、炉料、煤气的冲刷腐蚀等恶劣工况下工作，因此要求上、下密封阀具有相当 高的密封阀 8。 第 7 页 1.5.2 下节流阀与下密封阀作用 下节流阀的阀板和滚筒用两个电机分别驱动的方法，控制合适的阀门开度，以达到 控制料流的目的。该节流阀安装于高压储料罐的排料口之下，它有一个外壳密封箱，上 与高压储料罐相连，下与下密封阀箱相接。其内部是一个滚筒给料机，该滚筒给料机包 括一个扇形阀、滚筒、阀芯过料管，以及位于阀箱外面的扇形阀驱动装置和滚筒驱动装 置。通过调整扇形阀的开度和滚筒的转速，达到控制高压储料罐的排料速度以调节料流 的目的。节流阀具有以下特点：1、构造较简单，便于制造和维修，成本低。2、调 节精度不高，不能作调节使用。3、密封面易冲蚀，不能作切断介质用。4、密封 性好较差。如图 1.2 下密封阀是靠2个液压缸来完成阀的开闭动作。阀的开启和关闭均由2个动作来完 成 ,即阀的倾动和旋转。阀的倾动是由倾动液压缸动作完成的它使阀板从阀座上脱开 , 以避免阀板密封面在转动时产生滑动摩擦。阀的旋转是由旋转液压缸动作完成的 ,它使 阀板绕空心转臂旋转一定的角度 ,以避免阀板被料流冲刷。如图1.3 图1.2 下节流阀 第 8 页 图1.3 下密封阀 1.6 本课题设计的主要内容 本毕业设计课题名称为： 高炉无料钟炉顶下密封阀和下节流阀设计， 基于这一课题， 首先详尽了解高炉无料钟的炉顶设计，通过结构和性能的分析进一步完成本次课题，为 满足现在高炉炼铁的大规模生产，并能满足降低成本，提高效率和效益。本次课题设计 的主要内容大致如下： 1. 大量收集与本课题相关的国内外资料， 整理资料内容， 分析各种高炉炉顶的 结构设计方案，比较炉顶装料设备的优缺点。并了解高炉炉顶的装料设备在国内外 的应用情况及发展动态，掌握密封阀和节流阀的类型、特点、应用范围，工作原理、 传动方式和结构特点。 2. 针对炉顶装置的现存情况， 对无料钟炉顶装置进行分析， 设计高炉无料钟炉 顶下节流阀和下密封阀。目的延长设备的使用寿命，降低生产成本，提高工作效率， 减小环境污染，增加效益。 3. 拟定下节流阀和下密封阀的设计方案并进行优化设计，选择最佳的设计方 案，对下节流阀的电机和下密封阀的液压缸进行设计选择，并对其进行校核，确定 第 9 页 所选择的电机和液压缸满足所需要求。 4. 对下节流阀和下密封阀的零、部件进行设计计算。并对其中重要的零、部件 进行校核计算。确保下节流阀和下密封阀在工作中安全、可靠。 5. 对所设计的下节流阀和下密封阀进行经济性分析 910。 2 总体方案设计 2.1 高炉的主要结构和作用 高炉用于冶炼液态铁水的主要设备。其横断面为圆形的炼铁竖炉，用钢板作炉壳， 里面砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分。护 喉之上设置装料设备；炉缸上部沿圆周均匀设风口，热风通过热风围管、支管和弯头、 直吹管， 由风口鼓入炉内； 风口平面之下有出渣口和出铁口。 近代巨型高炉由于渣量少， 不设出渣口。 高炉的主要组成部分: 高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉 才用钢箍加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉 体，有的还承受炉顶载荷。 炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既是炉料的加入口，也是煤气 的导出口。它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直 径、炉腰直径及大钟直径比例适当。 炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐 渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻找 力。 炉腰：高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部 位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力， 在渣量大时可适当扩大炉腰直径。 炉腹：高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收 缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角。 炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。 第 10 页 炉底： 高炉炉底砌体不仅要承受炉料、 渣液及铁水的静压力， 而且受到 1400 4600的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。 炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层， 因而其形状都是向下扩大的。 高炉和炉基的总重量常为高炉容积的 1018 倍 （吨） 。 炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和 其它金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火 材料砌筑而成的。 炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣， 维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此，在炉喉设置保护板 （钢砖） 11。 2.2 高炉主要设备的设计特点高炉主要设备的设计特点 2.2.1 布料器 布料器主要由气密箱、布料溜槽、传动装置等组成。布料装置是整个炉顶装料设备 的核心，其运动分为溜槽的轴向旋转与径向倾动，二者既可以单独实现，又可以同时实 现即为螺旋运动。布料器的旋转漏斗由内外漏斗组成。外漏斗由铸钢 zg35 制成，下部 圆筒部分也可用厚钢板卷成悍成。圆筒外表面需光滑加工，以减少填料密封的摩擦阻力 和保证较好的密封效果。内漏斗由上下两部分组成。上部是焊接件，其内表面用锰钢板 保护。 布料器的转速公式 为了圆周均匀布料，布料器溜槽要有一定的转速。该转速由主 电机 n1传递，与副电机无关。设溜槽的转速为 nck,则 nck= 7 8 3 4 1 2 1 z z z z z z n 设计时，布料器的转速 nck由基本参数的计算确定，然后选择足够功率的交流或直 流电动机，再根据上述公式分配速比 12。 第 11 页 2.2.2 料罐 料罐，其作用是接受和贮存炉料。随着无料钟炉顶的广泛使用和不断改进，不仅设 备结构有了很大变化，并且在总体布置上也出现了多种型式，概括起来大致可分为并罐 式、串罐式和串并罐式三种。 并罐式无料钟炉顶是由两个并列的料罐布置在高炉中心线两侧， 料批由带式上料机 输送到炉顶，经过移动小车装入料罐。 串罐式无料钟炉顶是由布置在高炉中心线上的旋转料罐和其下的密封料罐串联形 成。缺点是密封阀操纵机构的尺寸过于庞大。 串并罐式无料钟炉顶是由至少两个并列的受料罐和相应数量的上波纹管、 上节流阀 和上密封阀与一个中心料罐串联形成上、下两层贮料罐，组织料批进行装料 13。 2.2.3 料流调节阀 料流调节阀是无料钟炉顶中控制单位时间内料流量的关键设备， 它与布料器溜槽进 行合理配合达到各种布料的要求。该料流调节阀安装于高压储料罐的排料口之下，下密 封阀之上，它有一个外壳密封箱，上与高压储料罐相连，下与下密封阀箱相接。其内部 是一个滚筒给料机，该滚筒给料机包括一个扇形阀、滚筒、阀芯过料管，以及位于阀箱 外面的扇形阀驱动装置和滚筒驱动装置。通过调整扇形阀的开度和滚筒的转速，达到控 制高压储料罐的排料速度以调节料流的目的。料流调节阀（简称节流阀）的阀板和滚筒 用两个电机分别驱动的方法，控制合适的阀门开度，以达到控制料流的目的。如图 2.1 1.滚筒 2.扇形阀板 3.箱体 图 2.1 下料流调节阀结构图 第 12 页 2.2.4 下密封阀 下密封阀安装于下阀箱内下料闸下面，它与上密封阀、均压阀及均压放散阀、料流 调节阀共同配合完成炉内下料和保证高炉装料装置的高压密封，是保证炉顶高压的关键 设备之一，它必须具有良好的高压密封性能，实现炉顶高压操作。溜槽布料器的上、下 密封阀直径很小，又嵌有弹性良好的橡胶密封圈，密封性能良好，能承受高压操作。下 密封阀上部有一个节 流阀承受罐内炉料重量，密封阀只管密封，不与炉料接触，因此 阀体寿命长，密封有保证。因此无钟布料在国内外得到了广泛的应用。上密封阀与下密 封阀的工作原理基本上是相同的 ,均是靠 2 个液压缸来完成阀的开闭动作。阀的开启和 关闭均由 2 个动作来完成 ,即阀的倾动和旋转。阀的倾动是由倾动液压缸动作完成的 , 它使阀板从阀座上脱开 ,以避免阀板密封面在转动时产生滑动摩擦。阀的旋转是由旋转 液压缸动作完成的 ,它使阀板绕空心转臂旋转一定的角度 ,以避免阀板被料流冲刷。阀 的关闭动作与阀的开启动作相反进行。液压缸的行程终点均设有接近开关 ,与其他相关 设备进行自动联锁操作14。如图 2.2 1、下法兰组件 2、下密封阀座 3、阀板组件 4、曲柄 图2.2 密封阀结构图 2.2.5 无料钟炉顶在技术上的优、缺点 无钟炉顶自从 70 年代初出现以来, 实践证明有以下优点：1 布料灵活；2 密封可 靠, 有利于提高炉顶压力； 3 结构先进, 设备采用积木式和小型化, 规格系列化, 具有一 定的互换性, 维修更换方便；4 寿命长, 自动化程度高。 第 13 页 这些优点在大高炉上得到了充分的体现, 使无料钟炉顶在 1000m 以上高炉上得到 了迅速推广。无料钟炉顶按料罐的布置方式可分为并罐和串罐两种, 其结构如图 2.3 图 2.3 并罐无钟炉顶示意图 并罐和串罐无料钟炉顶从膨胀节以下部位是相同的, 水冷传动箱均采用水冷气封, 设独 立的闭路循环水冷系统。并罐无钟比串罐无钟炉顶设备多了一个料罐, 并要多设一套均 压放散系统, 因此其上料作业率要高于串罐无钟炉顶,休风率低于串罐无钟炉顶15。 如图 2.4 第 14 页 图 2.4 串罐无钟炉顶示意图 无料钟炉顶在大高炉上占绝对优势, 国内并罐与串罐并存, 并罐在布料上存在不可 避免的偏析问题, 出现“蛇形”现象, 特别是特大型高炉使炉料在高炉圆周方向上分布 不均匀, 产生偏析, 因而影响煤气流的合理分布,并且“蛇形”现象对中心喉管磨损严重, 目前, 在并罐无料钟炉顶上安装了对中装置后, 虽然对布料效果有所改善, 但仍然还存 在着一定的问题。25最近有研究表明, 并罐无料钟的布料偏析和“蛇形”布料, 造成 小粒度料先行, 大粒度料后行, 布料中将小粒度布在靠炉壁一侧, 大粒度料布在中心, 发展了中心气流, 抑制边缘气流, 一方面保护了炉壁, 提高了高炉的寿命, 另一方面有 利于高炉顺行。但串罐无料钟炉顶由于料罐中设有插入件, 出现了大料先行, 小料后行 的现象, 发展了边缘气流, 抑制中心气流, 不利于高炉顺行和长寿。 以料车上料为例, 无 料钟炉顶料罐有效容积一般按料车有效容积的 3 倍考虑, 串罐无料钟炉顶上料罐的有 效容积与密封料罐的有效容积相同。 在中小型高炉上, 由于受物料水力半径的影响,“下料不畅或卡料”成为无钟炉顶缩 小尺寸的一个制约因素, 料流调节阀、中心喉管等部件的尺寸缩小受到限制, 以至于在 小高炉上出现了布料圈数过少等现象, 小高炉装烧结矿时, 布料圈数会更少, 布料时间 第 15 页 更短, 布料的均匀性就差。因此小高炉设计中要加快布料溜槽回转速度, 使溜槽吊挂机 构的动负荷增加。布料速度加快, 还会出现在断面为半圆的溜槽上料从溜槽侧面溜出的 现象, 这是很不利的16。 2.3 具体方案的确定 2.3.1 下节流阀运动方案的确定 下节流阀的运动是靠扇形阀板与滚筒的配合来实现的。 节流阀的扇形阀板是由花键 轴和花键轴套来驱动的，通过调整扇形阀的开度和滚筒的转速，达到控制高压储料罐的 排料速度以调节料流的目的。 2.3.2 下节流阀传动方案的确定 下节流阀设计成花键轴与花键轴套形式， 通过调整扇形阀板的开度和滚筒的转速来 实现节流作用，应选择承载能力高，对中性好，导向性好，应力集中较小的花键形式， 又因为矩形花键强度削弱小，加工方便，故取矩形花键轴和矩形花键轴套，载荷较轻故 选择静联接形式。 2.3.3 下密封阀运动方案的确定 下密封阀安装在称量罐下部，溜槽布料器的下密封阀直径很小，又嵌有弹性良好的 橡胶密封圈，密封性能良好，能适应高压操作。下密封阀的工作原理是借助曲柄转动带 动阀板，使阀板上的橡胶圈与密封阀座紧密结合，封住来自上部的压力煤气，从而达到 密封效果。 2.3.4 下密封阀传动方案的确定 下密封阀采用液压缸加曲柄形式传动。液压缸驱动曲柄绕下密封轴转动，使曲柄带 动阀板开启和关闭，从而阀板上的密封圈起到了对料罐的密封作用。因为，阀座上有气 体吹扫孔，在阀盖将要关闭时吹去胶圈上的炉料颗粒，使阀座保持相对干净。以提高橡 胶圈的使用寿命，密封阀只管密封，不与炉料接触，因此阀体寿命长，密封有保证。 2.2.5 下密封阀的性能 采用液压缸加曲柄形式传动， 其优点是： 其优点是机构小巧,设备重量轻,结构简化, 节省投资。 最重要的是启闭料钟平稳, 运行中能自动防止过载, 并能通过节流阀调节料 钟的升降速度。 液压传动装置减轻了炉顶设备总重, 降低炉顶高度, 从而减轻炉顶钢结 构的重量，有利于环保, 降低粉尘, 改善环境。 第 16 页 2.4 无料钟炉顶特点 针对现有炉顶装料装置存在的问题，对新型无料钟炉顶装料装置进行了设计，内容 包括布料器传动机构的设计，布料器密封与冷却机构的设计和装料装置其它机构（包括 受料漏斗、料罐、截流阀、料流调节阀和上、下密封阀）的设计。设计中把溜槽的驱动 机构设置在了炉外， 避免炉内高温的破坏， 延长设备的使用寿命， 使设备运行更为安全， 同时减少了耗氮量，降低了成本。 新型无料钟炉顶的设计具有结构设计合理、传动效率高、密封性能好、布料灵活等 优点， 能满足高炉冶炼的要求。其布料装置的传动方式、密封和冷却方式合理、可行17。 第 17 页 3 下节流阀的设计计算 3.1 下节流阀驱动行程的计算 电动机分为交流电动机和直流电动机两种。由于直流电动机需要直流电源，结构较 复杂，价格较贵，维护比较不便，因此无特殊要求时不宜采用。 生产单位一般用三相笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最多。 电动机类型要根据电源种类（交流或直流） ，工作条件（温度、环境、空间位置尺 寸等） ，载荷特点（变化性质、大小和过载情况） ，起动性能和起动、制动反转的频繁程 度，转速高低和调速高低和调速性能要求等条件来确定。 炉料选用铁磁矿，查文献17，8- 250，其堆密度为 4 3 mt ,料罐有效容积：5m 3 取扇形阀板运动速度0.3v =m s ; 滑动摩擦系数 f=0.15 (无润滑剂)，查文献18，8- 134表 8- 9 扇形阀半径mmr550=; 对下节流阀扇形阀板产生力矩作用的炉料体积近似为： v 82 1054 . 2 900300=mm3=0.254m3 ; ng8 .9956254. 040008 . 9=; f f =gf =9956.8n5 .149315. 0= 选电动机： 按工作要求及工作条件选用三相异步电动机，封闭式机构，电压 380v，y 系列 w pkw vff 45 . 0 1000 3 . 0 5 . 1493 1000 = = = 传动装置总效率 22 = 承联减 按表 4- 2- 9 取： 减速器效率 0.80= 减 滚动轴承效率 = 承 0.99 第 18 页 半联轴器效率 = 联 0.99 则传动总效率 22 0.990.990.80.768 = 所需电动机功率 pr=kw pw 59 . 0 768 . 0 45 . 0 = 查机械设计课程设计手册表 4.12- 1，可选 y 系列三相异步电动机 y90l- 4 额定功率1.5kw o p = 满载转速1400minr 580mmd =， 查文献5 表 3.2- 11，减速器 传动比140i =。 传动轴转速： 6060 0.3 9.8min 0.58 w v nr d = w n10r min=取 3.2 轴的校核 由于花键轴的受力较大，并要求限制其尺寸与重量，需提高其耐磨性，以及处于 较恶劣条件下工作，所以采用 45#钢，为提高其强度（尤其是疲劳强度）和耐磨性，对 其进行调质处理。 驱动端半轴上的功率 p，转速 n 和转矩 t 若轴承效率 0.99= 承 。 减速器效率 0.8= 减 。 联轴器效率 0.99= 联 。 则 2222 1.5kw0.990.990.81.15kw o pp= 承联减 转矩： t=9550mmn n p =1098 10 15 . 1 9550 取 mmnt=1100 根据轴的结构图作出轴的计算简图如图 3.1： 第 19 页 n m n m n m n m 图 3.1 轴的计算简图 第 20 页 水平面：根据 0f= 0 fnh ff= 1100 =21569n 0.051 nhf t ff r = 花键 垂直面： 根据 0f= 0 nv fg= ngfnv 8 . 9956= 在 v 面内的最大弯矩 max 0.164 v mgm= =mn164. 09957 =1632mn 在 h 面内的最大弯矩 max 0.164 hf mfm= 215690.164nm= 3537n m= 轴所受最大的弯矩出现在 b 处 22 maxmaxmaxvh mmm=+ = 22 35371632+ 22 8953537=+ =3895mn 按弯矩合成应力校核轴的强度： 进行校核时， 通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面 （即危险截面 b） 的强度。 根据文献14，15- 373中式(15- 5)及以上所算数据，扭矩切应力为脉冲循环变应力，则 0.6 =。 轴的计算应力： () 2 2 ca mt w + = = () 3 2 2 09 . 0 1 . 0 11006 . 03895 + =54.19mpa 第 21 页 前已选定轴的材料为 45，调质处理 ，由文献14，15- 362中表 15- 1 查得 1 60mpa=， 因此 1 = 故可知其安全。 3.3 键的选择和校核 键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的轴向固定以传递转矩，有的还能 实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。 键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方 面。键的类型应根据键联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符 合标准规格和强度要求来取定。所以，键的选择很重要。重要的键联接在选出键的类型 和尺寸后，还应进行强度校核计算。 3.3.1 选择键联接的类型和尺寸 选用圆头平键联接（a 型） 。 根据65mmd =， 从文献8， 4- 306表 4- 95 查得键的截面尺寸20mm 12mmbh=。 参考文献8，4- 307表 4- 96 键的长度系列，取键长90mml =。 3.3.2 校核键联接的强度 键、轴的材料都是 45 钢，由文献8，6- 106中表 6- 2 查得许用挤压应力 80 p mpa=。 键的工作长度90mm20mm70mmllb=， 接触高度 12mm 26mm 2 kh=。 轴传递的转矩 1100tn m= 根据文献8，6- 106中式（6- 1） ，把70mml =、6mmk =、65mmd =、1100tn m= 代入可得 3 210 p t kld = 3 2 1100 10 6 70 65 = 75.280 p mpampa=（合适） 3.4 花键的校核 1、键的选择 为了能满足定心精度，定心的稳定性，故选用矩形花键。矩形花键的定心方式为小 第 25 页 径定心。 根据小径65=dmm，查文献8，5- 206表 5- 3- 20 选用的矩形花键的规格为： 149210210mm 取键长99=lmm。 即花键的齿数10=z，大径102=dmm，小径92=dmm，键宽14=bmm。 2、校核花键联接的强度 校核键的挤压强度 p zhld t p m = 3 102 式中： 载荷分配不均系数，与齿数有关，一般取 =0.70.8，齿数多时取偏 小值；取 =0.7 z 花键的齿数； l 键的工作长度，单位为 mm； h 花键齿侧的工作高度，矩形花键，c dd h2 2 =，c 为倒角尺寸，单 位为 mm； m d 花键平均直径，矩形花键，单位为 mm； 2 dd dm + = p 花键联接时的许用挤压应力，单位为 mpa； 查文献8，6- 108表 6- 3，取 p 的值为 40mpa； 1100=tnm c dd h2 2 = mm502 2 92102 = = 97 2 92102 2 = + = + = dd dmmm mpa zhld t p m 55 . 6 97995107 . 0 1011002102 33 = = = p =40mpa 键的强度合格。 第 26 页 3.5 滚筒电机的选择 已知 滚筒的转速 120 / minnr= 滚筒的直径 350mmd = 滚筒的速度 60 dn v = 0.35 120 60 = 2.2m s= 滚筒的有效功率 1000 w gv p = = 1000 2 . 2 8 . 9956 =kw9 .13 减速器效率 0.80= 减 滚动轴承效率 = 承 0.99 半联轴器效率 = 联 0.99 则传动总效率 22 0.990.990.80.768 = 则，所需电动机有效功率 w r p p = = 768 . 0 9 . 13 kw1 .18= 查机械设计课程设计手册表 4.12- 1， 可选 y 系列三相异步电动机 y200l1- 6 额定功 率18.5 o pkw= 满载转速970minr， 由（文献机械传动装置选用手册表 7.8- 4）减速器传动比8i =。 第 27 页 4 下密封阀的设计计算 液压缸的设计和使用正确与否，直接影响到它的性能和易否发生故障。在这方面， 经常碰到的是液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞下垂以及活塞杆的压杆 失稳等问题。所以，在设计液压缸时，必须注意如下几点： （1） 尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大载荷，或在受压状态下具有良好的纵向 稳定性。 （2） 考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲装置 和排气装置，系统中需有相应的措施。但是并非所有的液压缸都要考虑这些 问题。 （3） 正确确定液压缸的安装、固定方式。如承受弯曲的活塞杆不能用螺纹连接， 要用止口连接。液压缸不能在两端用键或销定位，只能在一端定位，为的是 不致阻碍它在受热时的膨胀。如冲击载荷使活塞杆压缩，定位件需设置在活 塞杆端，如为拉伸则设置在缸盖端。 （4） 液压缸各部分的结构须根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做 到结构简单、紧凑，加工、装配和维修方便。 4.1 下密封阀中液压缸的设计选取 1、选择液压缸的安装方式：头部、尾部销轴。 2、求下密封阀开启、关闭所需液压缸提供的驱动力 设液压缸所需最小力为驱动力f ，根据下密封阀的工作可得，下密封阀开启时只需 克服阀板重量，关闭时不但克服阀板重量，还要克服料罐内高压气体的压力，在计算驱 动力的时候，应取最大阻力。 阀板的质量为 188kg，高压气体作用在阀板处，阀板的直径为 0.725m, 则： f =188 9.81842.41.842kngn= 第 28 页 图 4.1 下密封阀计算简图 由图 4.1 直角三角形可得： 2 l = o 45250 cos=176.8 mm, 1 l =500 mm 由力矩平衡可列方程： 112 f lf l=， 其中， 1 f为液压缸所需力 则，kn l lf f2 . 5 8 . 176 500842 . 1 2 1 1 = = = 由此推力选液压缸： 50mm1.46 al =， 速比：， 活塞杆直径：22mm 最大行程：450mm 油口尺寸: 通径为10mm， 联接螺纹 m18 2 a 31.42knmpkn推力： ， 工作压力：16, 拉力：21.56 第 29 页 4.2 下密轴的强度校核 由于下密轴的受力较大，并要求其尺寸较长，需提高其强度性，以及处于较恶劣条 件下工作，所以采用 45 # 钢，为提高其强度(尤其是疲劳强度)和耐磨性，对其需要进行 调质处理。查文献26,370 表 15- 115- 1 轴的常用材料及主要力学性能 n 取 3。 0 590 b = a mp 0 590 196.67 3n = a mp 1计算轴的支承反力 下密轴受力如图 4.2 所示。 图 4.2 上密轴受力简图 由下密轴受力可列力矩平衡方程： 3 f 为液压缸对下密封轴的最大力， 3 t 为其力矩， 数值上 3 f =31.42kn, 3 t = 23 lf =31.420.1768=5.56kn 曲柄处的转矩 2 t = 3 t =5.56kn （方向相反） 第 30 页 1 0m(f )= 则，()()0 5 . 908775 5 . 133775 5 . 908 5 . 908 432 =+fff 1.84201817 5 . 168342.31 5 . 908 4 =+f = 4 f30kn 由简图 4.2 可列力矩平衡方程： 4 0m(f )= 则，()()0 5 . 133 5 . 133775 5 . 133775 5 . 908 321 =+fff 0 5 . 13342.31 5 . 908842 . 1 1817 1 =f knf22 . 3 1 = ()mknffm=93 . 2 9085 . 0 22 . 3 9085 . 0 12 ()mknffm=41335 . 0 301335 . 0 43 根据第三强度理论校核： 第 31 页 m/knm t/knm 图 4.3 下密轴的弯矩、扭矩图 根据图 4.3 可看出 3 f 处受力为最大，故校核此截面即可。 += 22 1 tm w ca 式中： ca 轴的计算应力，单位 mpa w 抗弯模量，w= 32 3 d 单位 mm 3 m 轴