300t炼钢转炉倾动及抗扭装置设计

题 目 300t 炼钢转炉倾动及抗扭装置设计 院 （系） 专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 评阅教师_ _ 职称_ 年 月 日 注 意 事 项 1. 设计（论文）的内容包括： 1） 封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2） 题名页 3） 中文摘要（300 字左右） 、关键词 4） 外文摘要、关键词 5） 目次页（附件不统一编入） 6） 论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论、参考文献 7） 附录（对论文支持必要时） 2. 论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、 程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万字。 3. 附件包括：任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。 4. 文字、图表要求： 1） 文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别 字，不准请他人代写 2） 工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有 图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用 工程字书写，不准用徒手画 3） 毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印 4） 图表应绘制于无格子的页面上 5） 软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5. 装订顺序 1） 设计（论文） 2） 附件：按照任务书、文献综述、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 次序装订 3） 其它 300t 炼钢转炉倾动及抗扭装置设计 院（系） 专业班级 学生姓名 指导教师 年 月 日 学生毕业设计（论文）原创性声明 本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下 进行的设计（研究）工作及取得的成果，设计（论文）中引用他（她） 人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果 为本人独立完成，不包含他人成果及为获得重庆科技学院或其它教育 机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（研 究）所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日 中文摘要 摘 要 随着我国钢铁行业的快速发展，转炉炼钢生产得到了广泛的普及和应用。转 炉倾动装置作为转炉的驱动机构，是转炉炼钢的关键设备之一。如何保证转炉倾 动装置运行的平稳性和可靠性，一直是钢铁行业追求的目标。与此相适应，转炉 倾动装置在不断地更新和发展。到目前为止，转炉倾动装置主要有落地式、半悬 挂式、全悬挂式等几种形式。 本文主要对 300t 转炉四点全悬挂式倾动机械的工作原理、转炉驱动功率的 计算、托圈耳轴的力能参数的计算及抗扭装置的设计进行了说明。 关键词：转炉 倾动及抗扭装置 设计 英文摘要 ABSTRACT With the rapid development of steel industry, the production of converter steel-making has been the popularization and application of a wide range. Tilting converter converter device as the drive mechanism is a BOF, one of the key equipment. Tilting converter how to ensure the smooth running of equipment and reliability of the steel industry has always been a goal. To adapt, converter tilting devices are constantly updated and developed. So far, the converter tilting device main floor-standing, half-hanging, full hanging, such as several forms. In this paper, the whole of 300t converter tilting suspended the work of mechanical principle, the calculation of the power converter drive, the trunnion ring force and energy parameters of the calculation and design of torsional devices are described. Keywords: Converter ；Tilting and torsion device ；design 目录 目 录 中文摘要 I 英文摘要 1 绪论 1 1.1 转炉炼钢工艺流程 .1 1.2 目前国内外转炉炼钢生产情况 .3 1.3 转炉炼钢中的基本设备 .7 1.4 本设计的目的及意义 10 1.5 本章小结 10 2 方案认证 11 2.1 转炉炉体支承系统 11 2.2 转炉倾动机构 12 2.3 倾动机械的工作特点及基本设计参数 13 2.4 本章小结.13 3 驱动电机的选择14 3.1 转炉传动用电动机容量的确定 14 3.2 电机过载负荷的校核 15 3.3 传动大齿轮接触疲劳强度验算 15 3.4 本章小结 16 4 耳轴及托圈设计17 4.1 耳轴最佳位置的计算.17 4.2 耳轴的强度计算.18 4.3 轴承寿命的计算 23 4.4 制定耳轴的制造工艺方案 24 4.5 托圈的修复 24 4.6 本章小结 25 5 抗扭装置的原理设计26 6 转炉的振动分析27 7 结论29 参考文献 30 致 谢 31 1绪论 0 1 绪论 转炉炉体概述： 氧气转炉是转炉炼钢连铸车间的中心，虽然转炉本身的重量和其投资只约占 全车间的 5%，但是它是进行炼钢反应并冶炼成钢水的容器。将半成品的铁水、废 钢和溶剂等装入转炉，通过吹入纯氧时发生的高温化学反应，将它们变成钢水。 整个车间的操作运行，从铁水的预处理脱硫脱磷到供应铁水，从废钢的装槽准备 到装入转炉，还有散装原料的供应、供养、烟气的排除回收和除尘设备的运行等， 都围绕着转炉的需要及转炉操作的节奏严格无误的进行，任何的延迟与不协调， 不但会影响车间的作业效率，而且更会影响到钢的质量，因此它的地位是非常重 要的。 氧气转炉做为炼钢反应容器，其主要的功能与性能要求如下： 可容纳所需的铁水和废钢，能经受装入废钢快等炉料的冲击； 可经受钢水锤炼时溅起的高温钢水和炉渣对炉衬的冲刷和侵蚀； 转炉内空间不只可容纳钢水，并且可满足锤炼时钢水滴的飞溅和泡沫渣的 涨溢，以减少金属损失； 转炉的炉体内形应近似椭球体，以减少散热面积，并避免形成死角，以利 于钢水运动和均匀成分； 转炉的炉体在装入铁水、废钢以及进行取样、出钢和出渣等操作中，均能 灵活自如而安全稳定地旋转，充分满足吹炼操作的需要。 氧气转炉的炉形如下： 图 1.1 转炉炉形 1.1 转炉炼钢工艺流程 这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰 等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 （含 1%的硅可使生铁的温度升高 200 摄氏度） ，可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 1绪论 1 转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许 多小孔（风口） ，压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转 炉处于水平，向内注入 1300 摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后 鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、 锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使 反应遍及整个炉内。几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化， 生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现 巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰 反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。 当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢 已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里， 再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需 15 分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那 就是低吹转炉。 随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉 （也有侧吹转炉） 。这 种转炉吹如的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质 量。 图 1.2 电炉、转炉系统炼钢生产工艺流程简图 转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六 步组成： 上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理； 倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置） ； 1绪论 2 降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色 烟雾，随后喷出暗红的火焰；35min 后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈， 炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱） ； 35min 后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约 12min 后火焰微弱，停吹） ； 倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢； 出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始 吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之 二，开吹 3-5 分钟后，第一批渣料化好，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好， 则许加入第三批萤石渣料。 吹炼过程中的供氧强度： 小型转炉为 2.5-4.5m3/(tmin)；120t 以上的转炉一般为 2.8- 3.6m/(tmin)。 开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； 在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干” ，不喷溅，快速脱碳与 脱硫，熔池均匀升温为原则； 在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌， 稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中 Fe 含量，减少铁损，达到溅渣的要 求。 当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温 度，取样快速分析C、S、P的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合 金化，由此一炉钢冶炼完毕。 1.2 目前国内外转炉炼钢生产情况 2003 年我国转炉钢产量已接近 1.9 亿,占我国钢产量的 85.2%,约占世界转 炉钢的 25%。50300转炉由 2001 年的 75 座增至 2003 年的 134 座,工艺技术进 一步优化。我国转炉冶炼新钢种和优质钢种增长迅速,其中包括低合金、耐候钢、 TRIP(相变诱发塑性)钢以及合金结构钢、齿轮钢、轴承钢、锅炉用钢等特殊钢。 今后转炉钢的增长主要是对条件较好转炉钢厂挖潜改造,进一步提高装备水平、 扩大品种、提高质量以及降低消耗,改善环境。 1952 年氧气顶吹转炉在奥地利林茨道纳维茨(Linz,Donawitz)钢厂诞生,简 称 LD,其后陆续在一些国家获得广泛采用。1964 年我国第 1 家氧气顶吹转炉炼钢 1绪论 3 厂在首钢建成投产,与此同时我国太钢从奥钢联引进了 2 台 50氧气顶吹转炉,使 我国的氧气顶吹转炉炼钢进入了发展的初始阶。 20 世纪 60 年代中期,我国设计、科研、制造、生产人员共同协作,开展了大 型氧气顶吹转炉炼钢厂的设计,1971 年容量 120的大型转炉炼钢厂于 1971 年在 攀枝花钢铁公司顺利建成投产。 1978 年我国宝钢首次从国外引进了 300大型转炉成套设备,1985 年建成投 产。通过对宝钢引进大型转炉炼钢技术的学习、消化,于 20 世纪 90 年代中、后 期,又在宝钢二炼钢厂、武钢三炼钢厂、鞍钢三炼钢厂、首钢炼钢厂先后建成投 产了 180、210、250大型氧气顶底复吹转炉,从此,我国转炉炼钢进入了高 速发展期。1996 年我国钢产量首次突破 1 亿,转炉钢产量已达 6947.5 万;占 全国总钢产量的 68.6%。1999 年我国转炉钢产量突破 1 亿;达到 10247.2 万; 占全国钢产量比重上升到 82.7%。近年来,转炉钢产量持续处于高速增长态势, 2002 年我国转炉钢产量高达 15330 万,仅时隔 3 年转炉钢产量增长近 50%。1994 年我国 1384 万平炉钢产能至 2002 年已全部被转炉钢所取代。据统 计,2003 年我国转炉钢产量已近 1.9 亿,约占世界转炉钢产量的 25%以上。 1.2.1 我国转炉炼钢发展现状 作为转炉炼钢主要炉料的生铁逐年增长,为转炉炼钢钢产量的大幅度增长提 供了良好而充裕的原料条件,与世界各主要产钢国家相比,我国铁钢比较高,近年 来我国生铁产量及铁钢比如表 1 所示。由于我国废钢资源短缺(仅 2001 年进口 废钢量已达 978.693 万),电力缺乏,电价偏高,致使电炉钢产量的增长受到一定 程度的制约;平炉被淘汰,生铁资源的充裕,给转炉钢产量的增长提供了良好条件, 因此转炉钢产量近年来获得了快速增长。2001 年和 2003 年各种容量转炉的座数 变化如表 2 所示。各种炼钢法的钢产量及所占比例见表 3。 表 1.1 我国生铁产量及铁钢比 年度项目 2000200120022003 生铁产量/万13103.4215554.251690820231.19 钢产量/万12850151031822522234 铁/钢比1.021.0280.9280.91 表 1.2 我国不同容量转炉的座数变化/座 1绪论 4 转炉容量/20012003 年 2103001111 1001802432 50904091 30404444 205050 204747 合计216275 表 1.3 近 10 年我国各种炼钢法的钢产量及占总钢产量比例的变化 平炉转炉电弧炉其它 年度 钢总产 量/万 产量/ 万 t % 产量/万 %产量/万% 产量/ 万 % 199492611384155889.963.61966.121.210.40.1 19959536130813.9635866.718111958.60.6 199610124126112.56947.568.61893.218.7220.2 199710891969.68.97984.173.31912.117.615.20.2 199811459543.74.79097.879.21814.315.822.60.2 199912856108.11.510247.282.71947.715.714.40.1 200012856108.10.810584.382.42020.015.9137.61.1 20011510383.30.512601.583.12400.515.877.20.5 200218225001533084.1282015.5750.4 200322010001876885.2322014.7220.1 近年来我国特殊钢产量占全国钢总产量的 8%10%,2003 年我国特殊钢产量 达 2000 万,占全国钢总产量的 8 4%。而日本 2003 年特殊钢总产量为 2255.58 万,占全国钢总产量的 20.32%,特殊钢增长率为 7.2%(与 2002 年比),近年来日 本特殊钢约有 60%是转炉钢厂生产的。与日本相比,我国特殊钢产量尚有很大差距,我 国特殊钢生产今后除依靠 30 家特钢企业外,转炉适度增产特殊钢也势在必行。汽 车、机械、电力行业是特殊钢需求的大户,强劲的市场需求也将是特殊钢增产的 重要因素。我国技术装备水平较高的转炉钢厂已有生产特殊钢的经验。 多年来宝钢 300转炉一直生产 140mm 无缝连轧管机的芯棒用钢(38CrMoV),其 生产工艺为铁水脱硫、转炉冶炼、二次精炼、浇铸钢锭、1150初轧机开坯、 750mm 轧机轧成芯棒。本钢 120转炉采用铁水脱硫,转炉采取高拉碳吹炼0 1绪论 5 4%,经 LF 二次精炼,浇铸成 3钢锭后经轧制生产出 GCr15 轴承钢,成品经高倍检 验 A、B 夹杂物为 1 级,C、O 夹杂物为 0 级,O1010-6,钢材质量达到 YJZ89 标准要求。梅山钢铁公司利用 150顶底复吹转炉试炼了 3 炉低合金耐热钢 15CrMo,该钢种具有较好的高温性能,主要用于制造工作温度高于 450压力容器, 同时还具有很好的抗氧化性能、抗硫化氢腐蚀和氢腐蚀性能。浇成连铸板坯合格 率为 100%,轧成板卷表面性能良好,为梅山钢铁公司生产高附加值产品提供了宝贵 经验。 1.2.2 转炉生产工艺进一步优化 为了提高钢质量和扩大冶炼钢种,原有大、中型转炉炼钢厂都相继增建了铁 水脱硫装置及二次精炼装置。近年来新建的转炉炼钢厂普遍配置了全量铁水脱硫 装置,并根据冶炼钢种要求配置了炉外精炼装置,一般多选用精炼,有些转炉 钢厂还设置了 VD 或 RH 精炼装置,从而为生产高附加值钢种提供了有利条件。近 年来转炉二次精炼比已大幅度提高,如 2000 年我国转炉炼钢精炼比为 26.56%,到 2003 年转炉炼钢精炼比进一步提高。 1.2.3 转炉自动化水平不断提高 大、中型转炉炼钢厂一般均采用了基础自动化和过程计算机控制系统,有些 大中型转炉钢厂还设置了管理计算机系统。另外在一些有条件的大型转炉炼钢厂 增设了副枪装置或炉气自动分析仪,藉副枪或炉气分析仪为检测手段,实现了计算 机动态模型控制,从而提高了转炉终点命中率,改善了转炉作业指标。 1.2.4 工序能耗 由于转炉生产操作技术水平不断提高,以及各转炉钢厂对转炉煤气和转炉烟 道汽化冷却蒸汽的回收,使转炉工序能耗有所降低,有些大型转炉钢厂达到负能炼 钢水平,如宝钢一、二炼钢厂、武钢三炼钢。近年来,我国转炉工序能耗亦有显著 降低。 1.2.5 转炉炉龄 溅渣护炉技术的普遍推广,炉衬材质的进一步改善,对炉体维护的加强以及转 炉操作水平的不断改进,从而使转炉炉龄大幅度提高,耐火材料消耗降低。武钢二 炼钢复吹转炉取得了新的成果,2002 年创造了炉龄 29942 炉的纪录;小型转炉如山 东莱芜钢厂(容量为 25)的 2 号转炉创造了 37271 炉16的纪录,福建三明钢厂 (容量为 20)的 1 号转炉创造了 33542 炉的新纪录。近年来我国重点大、中型钢 铁企业转炉平均炉龄由 2000 年的 2641 炉增至 2003 年的 4674 炉。 由于转炉炉龄大幅度提高,也使转炉吹炼模式发生了变化,原设有 2 座转炉的 车间可由过去的 2 吹 1 进行 2 吹 2 作业;原设有 3 座转炉的车间过去为 3 吹 2,现 可改为 3 吹 3 作业模式,从而使转炉生产能力大为提高。 1绪论 6 1.2.6 市场的强劲需求 随着我国国民经济的持续稳定发展,对钢材市场的需求必将保持强劲的势头。 其理由为:我国固定资产投资尽管会有调整,但投资水平仍保持不断适量增长,特 别是一些国家重点工程项目的建设,如南水北调、西气东输、青藏铁路、三峡工 程、奥运工程、能源战略,以及国家实施的西部大开发和振兴东北老工业基地等 都将进一步促进对钢材的大量需求;随着人民生活的不断改善和提高,我国的城市 化建设以及人们对住房、汽车、耐用消费品等社会消费的需求不断增长。 转炉炼钢处于炼铁、轧钢的中间环节,前工序受高炉铁水供应的制约;后工序 要满足轧钢对品种质量的要求。由于我国高炉生产能力的逐年增长,现有轧机生 产能力已大于炼钢生产能力,废钢资源的短缺,电力的紧缺和电价的昂贵,从而限 制了电弧炉炼钢的发展。综上所述,今后转炉炼钢仍将呈发展态势,其钢产量也将 视市场需求与炼铁、轧钢同步适度增长。 1.3 转炉炼钢中的基本设备 氧气顶吹转炉(oxygen top blown converter) 由顶部吹氧进行炼钢的转 炉。炉子由转炉炉体及倾动系统、氧枪及供氧系统各部分构成。氧枪要保证按照 冶炼要求供给超音速氧流。一个转炉有两个氧枪系统：工作氧枪和备用氧枪，这 样可以在工作氧枪损毁时立即换上备用氧枪，不致造成冶炼中断。转炉炉体包括 炉壳、耳轴和托圈、轴承座等金属结构及倾动机构。见图 2。 炉壳 由钢板焊成，内衬砌有碱性耐火材料。各国由于资源不同，所用耐火 材料也不同。主要有含 Mg()较高的白云石砖和高纯度、高密度、高强度的镁碳砖。 托圈起着支撑炉体、传递倾动力矩的作用。托圈断面呈矩形，中间焊有直立的带 孔筋板，以增加托圈的刚度。转炉托圈两侧设有耳轴，耳轴支撑在轴承上，由齿 轮带动，经托圈使炉体倾动。倾动机构是使炉体能倾动的机械设备，以便进行兑 铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等工艺操作。倾动机构应能使炉体正反旋转 3600。炉炉型指炉壳砌衬后所形成的转炉内膛轮廓。最上端称为炉口，然后由上 到下分为炉帽、炉身和炉底三段。炉帽有正口式和偏口式两种，正口式炉帽为轴 心对称的截锥形，这样可使兑铁水和出钢分在两侧进行，有利于炉衬均匀受侵蚀， 故大多数转炉都采用正口式炉帽。炉身为直圆筒形，炉底为球缺形。图 3 是不同 吨位的转炉炉型比较示意图。决定转炉炉型的基本参数是炉容比和高宽比。炉容 比是指炉型空间所有容积和金属料装入量之比，一般接近 1m3t 钢水的密度是 7tm3。这样，炉子内只有 17 为钢水所占据，其余 67 都是空的，保留这样 大的空间是为了容纳泡沫渣(见转炉泡沫渣)，避免喷溅。但过大的炉容比增加设 备投资。高宽比是指炉型总高度和炉身直径的比。早期增加转炉容量时降低高宽 1绪论 7 比，即炉子向矮胖方向发展。但这使得两个耳轴距离加大，并导致耳轴中心线弯 曲度增大，所以特别大的炉子高宽比又趋向增加。根据高宽比和炉容量即可确定 熔池深度和熔池面积。 耳轴和托圈 它们不仅承受炉体(包括炉衬)和金属料的重量，在倾动时还承 受很大的扭力，炉体受热膨胀还对托圈形成热应力。炉子越大，所受力越大，产 生的应力也愈复杂。大炉子两耳轴间跨度增加，耳轴和托圈弯曲变形使减速器内 齿轮咬合不好，增加磨损。因此大炉子多采用悬挂式减速系统，也就是把减速器 甚至包括电动机全都挂在耳轴上。这样，无论耳轴中心线如何变形，减速器和耳 轴都保持相互垂直关系。 图 1.3 转炉炉体结构 倾动电动机和减速器 是根据倾动力矩的大小来设计的。转炉的倾动力矩包 括三部分：炉壳和炉衬自重引起的力矩，简称空炉力矩；炉内液体金属引起 的力矩，简称铁水力矩；转炉倾动系统和耳轴的摩擦力矩。力矩由重心和耳轴 位置所决定。空炉的重心是固定的，而铁水重心在炉子转动过程中不断变化，当 炉子转到出钢位置，空炉重心和铁水重心位于耳轴的两侧，空炉力矩和铁水力矩 方向相反。如果所选耳轴位置和空炉重心很近，有可能造成铁水力矩大于空炉力 矩的情况，如果倾动机械的制动不灵，在铁水力矩的作用，炉子会自动下倾而使 1绪论 8 钢水泼洒在地面上，造成严重事故。为了避免这个问题，选择耳轴位置时应使空 炉力矩总是大于铁水力矩。当倾动机械临时发生故障，可使转炉借助自重自动转 回垂直位置。后一种设计称为全正力矩，而前一种称为正负力矩。全正力矩的缺 点是提高了力矩的最大值，增大了倾动机械的负荷和设备投资。 附属设备 为了保证转炉的正常运转，还要有加料系统、转炉烟气净化回收系统、 冷却系统等附属设备。它们的配置情况如图 5 所示。加料系统由许多料仓和带式 运输机组成，将各种散装料(石灰、铁矿石、萤石等)由地下料仓运输到炉顶上方。 吹炼时根据工艺要求，将不同散装料用电子秤称量后，经由烟道的加料口加入转 炉。烟气净化回收系统包括炉气的冷却、除尘和抽引机械，用以回收炉气的物理 热和化学热和去除炉气中的细微烟尘颗粒物。 图 1.4 氧气顶吹转炉的设备及附属设备 1.4 本设计的目的及意义 本设计是为某炼钢厂设计 300t 炼钢转炉的倾动和抗扭装置。随着钢厂的逐 年增多，越来越多的钢厂开始向大型转炉转变。转炉的转变必将有与之相符合的 1绪论 9 机械设备，而这些设备也要随着科技的发展而进行更新和换代。对于一个炼钢转 炉中的重要设备部位-转炉的倾动机械设备和抗扭装置自然也就成了研究课题 的重点。 本设计是为炼钢厂设计 300t 炼钢转炉的倾动和抗扭装置。转炉生产炼钢时， 倾动机械会产生很大的扭矩，同时，转炉在操作中还需进行频繁的倾动，因此除 了要承受基本静载荷外，还需要承受由于启动、制动引起的动载荷，而且由于机 构传动链中存在着较大的啮合间隙，当进行刮炉口渣等操作时，使机构承受较大 的动载冲击，其数值为静载荷的两倍以上，因此倾动机构经常处于过载状态下工 作。所以，设计出合理的倾动机构对于转炉的安全生产有着至关重要的意义。 1.5 本章小结 本小节主要对转炉的生产工艺流程和转炉的基本设备进行了简单的描述，并 对国内的转炉发展作了一定的介绍，了解了转炉的发展历程及国内转炉生产的快 速发展。 2 方案认证 0 2 方案认证 2.1 转炉炉体支承系统 转炉支承系统包括：托圈部件；炉体和托圈的连接装置；支承托圈部件的轴 承和轴承座。转炉炉体的全部重量通过支承系统传递到基础上，而托圈又把倾动 机构传来的倾动力矩传给炉体，并使其倾动，因此，它们都是转炉机械设备中的 重要组成部分。 2.1.1 托圈部件 本设计转炉中采用炉体和托圈分开的支承结构，选择这种形式的理由是，转 炉炉体发生变形的情况下，也不会影响整个倾动机构的正常工作，而托圈两侧耳 轴的同心度和平行度再制造中也容易得到保证。 2.1.2 托圈基本结构 托圈是转炉的重要承载和传动部件。它在工作中除承受炉壳、炉衬、钢水和 自重等全部静载荷外，还要承受由于频繁启、制动所产生的动负荷和操作过程所 引起的冲击负荷，以及来自炉体、盛钢桶等辐射作用而引起托圈在径向、圆周和 轴向存在温度梯度而产生的热负荷。故托圈结构同样需要具有足够的强度和刚度 才能保证转炉正常生产。 设计托圈的几个方面： 托圈断面形状采用箱形。因为封闭的箱体断面受力好，托圈中切应力均匀， 这种断面的抗扭刚度比开口断面的抗扭刚度要到好几倍，而且封闭端面还可以直 接通入冷却水冷却托圈，加工制造方便。 采取剖分托圈，分四段。剖分面位置的选择避开托圈最大应力值所在截面， 尤其要避开最大切力所在截面。 托圈采用开口式托圈。托圈做成马蹄形开口式，炉体通过三点支承在托圈 上。当三个轴承上盖拆开后，整个炉体可以从炉座中退出，便于快速更换炉体。 开口式托圈结构可以满足工作和静力要求。 耳轴和托圈的联接采用直接焊接。这样做可以省去较重的耳轴座和联结件， 而且重量轻，结构简单、加工量少。制造时先将耳轴与耳轴板用双面环形焊缝焊 接起来，然后将耳轴板与托圈腹板用单面焊缝联接。耳轴板可适应焊缝的收缩。 制造时要保证两耳轴的平行度和同心度。耳轴最好与托圈进行整体的同轴加工， 以保证其加工精度。 2.1.3 托圈的基本尺寸参数 其基本尺寸有：托圈外径、断面尺寸、耳轴直径及其长度 2 方案认证 1 2.1.4 耳轴轴承 耳轴轴承的工作特点是：负荷大，要承受炉体、液体金属和托圈部件的全部 重量，有时还要承受倾动机构部分和全部重量；转速低，每分钟最高转速为 1 转 左右；经常处于局部工作状态；启动、制动频繁；工作条件恶劣，高温、多尘； 因此对耳轴轴承的要求是：有足够的强度，能经受静力和动力载荷；充裕的抗疲 劳耐久限；对中性好，并要求轴承外壳和支承有合理的结构；安装、更换、维护 容易、经济性好。 耳轴轴承的型号选择：铰链式轴承支座。功能是当托圈耳轴受热膨胀时，轴 承立刻沿导向套做轴向移动，其滑动摩擦会产生轴向力，从来增加了轴承座的的 轴向请饭力矩。耳轴轴承采用重型双列向心球面滚子轴承，轴承固定在轴承座上， 两个铰链的销轴在同一轴线上，此轴线位于与耳轴轴线垂直的方向上。依靠支座 的摆动来补偿耳轴轴线方向的胀缩。 2.2 转炉倾动机构 转炉倾动结构的基本设计参数：载荷参数、倾动力矩和速度参数、倾动速度 载荷参数为 300t 转炉转速分为 0.5 /1.0 rmin 倾动力矩为 6500kNm 2.2.1 转炉倾动机构的配置形式 全悬挂式，这种配置的特点是将电动机、减速器等全套传动装置都通过末级 减速器的箱壳悬挂在耳轴上，各齿轮副的正常啮合当然不受耳轴挠曲的影响。全 悬挂式是由半悬挂式发展而来的，因而其末级悬挂器亦应设置抗扭装置。全悬挂 式实现了多点啮合，可以减小传动装置尺寸，同时还可以采用多路传动，抗扭装 置采用了碟簧及液压缓冲。这种配置的优点是：结构紧凑、重量轻、占地面积少、 运转安全可靠、工作性能好。设计采用四点啮合。 2.2.2 倾动机构的传动方式 采用电动机-齿轮传动方式 2.2.3 转炉倾动机构的调速方案 采用直接电动机调速方案 转炉倾动机构采用直流电动机配合简单的圆柱齿 轮传动，即可实现连续调速，且直流电动机过载能力强、加速和减速过程稳定； 操作方便、安全可靠。 2.2.4 转炉倾动机构驱动方式 采取四驱动双边驱动。为了保证转炉倾动机构工作时具有最大可靠性，由四 台电动机同时驱动。在两端耳轴同时输入传动力矩，可以更合理的利用圈部件的 传动能力，进一步调高机构的安全可靠性。 2 方案认证 2 2.2.5 抗扭缓冲装置 由于采用全悬挂式配置方式，为了防止悬挂在耳轴上的传动装置绕耳轴旋转， 必须要设有抗扭装置，通过抗扭装置将传动装置的反力矩传递到基础上。 抗扭装置的形式：抗力杆抗扭缓冲装置。这种装置是一种性能较好的柔性抗 扭缓冲装置，采取双扭力杆。它的缓冲原理是利用细长的扭转杆的弹性变形来吸 收能量。即把外力矩转变为扭转内力矩。这样可以使传动力矩逐渐增加或减少， 从来起到缓冲作用。这种抗力杆抗扭装置主要是靠扭力杆的扭转弹性起缓冲作用。 2.3 倾动机械的工作特点及基本设计参数 转炉倾动机械的工作特点为低速重载，它的基本设计参数是倾动速度和倾动 力矩。转炉的倾动速度很低，载荷特点为承受重载。 转炉倾动力矩的计算，是正确选定耳轴位置的依据，同时也是倾动机械设计 的基本载荷参数，从而保证设计制作的转炉既满足正常安全生产，又能达到更佳 经济性。转炉倾动力矩由三部分组成，即空炉力矩，液体力矩和摩擦力矩。其中， 空炉力矩由炉壳和炉衬的重量引起，空炉力矩是倾转角的正弦函数；液体力矩是 由铁水和熔渣引起的力矩，倾动时因液体的形状随角度不断变化，其重心位置变 化复杂，通常需要繁琐的公式计算；摩擦力矩是指倾动时耳轴上的摩擦力矩，方 向始终和倾动方向相反，大小基本不变化。上述三个力矩的计算，尤其以铁水和 熔渣的重心位置计算最为复杂。对于炉内液体重心计算，常规的手动算法有公式 法、切片法和积分法，无论是哪种算法，都存在着繁重的工作量，往往要花费几 周甚至更久的时间来进行计算和优化选择。目前国内已经有转炉倾动力矩计算的 专用软件，虽然其计算准确高效，但是因建模较复杂，现在还没有在设计部门得 到普及。相关设计人员在进行转炉及其倾动设备的设计时，常因超繁琐的计算工 作量或苦于没有计算软件，对于耳轴位置的确定以及倾动电机的选择往往是凭借 经验或者类比，而并非根据倾动力矩曲线随耳轴位置变化的变化来确定最佳设计 方案。因此设计时存在一定的盲目性。 2.4 本章小结 本章对本设计的转炉构成进行了方案描述，提出了各个部位的具体设计 方法，对接下来的设计计算给予了方向。 3 驱动电机的选择 0 3 驱动电机的选择 3.1 转炉传动用电动机容量的确定 转炉炼钢操作的最大力矩以及其他操作力矩经计算确定后，根据转炉容量等 情况，选定转炉的倾动速度，0.1-1.5r/min,在此范围内可连续或分级变速。倾 动力矩选定 6500kNm。 电动机容量计算： -转炉用电动机所需功率 KW；N -转炉炼钢操作最大力矩 kgm ；本设计中取 6500kNm max M -转炉的转速，；本设计中取 0.5/1.0 r/min 2 种速度nmin/r -转炉正常操作时运转的电动机台数；本设计中设计所需数目为 4 台 -安全系数，K=K 32K K -考虑电压降引起力矩误差及力矩计算误差； 取 1.2 2 K -考虑采用多电机远转不同步造成的力矩误差，采用四电机；取 1.1 3 K - 转炉倾动装置的机械效率；本设计为齿轮传动取=0.90 计算转速为 0.1r/min 时： 975 maxn KM N = 49 . 0975 5 . 0106501 . 12 . 1 3 kW 2 . 122 计算转速为 1.5r/min 时： 975 maxn KM N 975 maxn KM N 3 驱动电机的选择 1 kW 4 . 244 49 . 0975 0 . 1106501 . 12 . 1 3 3.2 电机过载负荷的校核 转炉的拆炉和事故力矩一般由电机过载来满足，这样事故力矩值应满足下式： kn Mr 975 式中 转炉的事故力矩值 kgm r M 电机的过载系数，取 4 计算转炉转速为 0.5r/min 时： 21272 5 . 01 . 12 . 1 49 . 0975 4 975 kn Mr 计算转炉转速为 1.0r/min 时： 10636 0 . 11 . 12 . 1 49 . 0975 4 975 kn Mr 在本设计中，采用全柔性传动的悬挂式齿轮装置，由 4 台直流电动机传动。 最后选定的电动机型号为 YZR280S-6，这种电机的额定功率为 75kW，额定转 速为 960r/min，工作制为 S3 断续周期工作制，每一个工作周期为 10min,即相当 于等效启动 6 次/h,电动机的基准负载持续力 FC 为 15%，FC=工作时间/一个工作 周期。 由此，查阅资料得知，此时减速比为 638 选取标准减速器 ZSY160，减速比为 68. 3 驱动电机的选择 2 3.3 传动大齿轮接触疲劳强度验算 减速器传递到耳轴上的力矩中间还有一个大齿轮的存在，由于大齿轮的工作 条件，材料上选取铸钢，输出功率为 244.4KW，转速为 1.5r/min，分度圆直径为 d=3790mm，选用直齿圆柱齿轮传动，选用 7 级精度（GB 10095-88） 。取齿数比为 3.2，齿宽系数 ，材料的弹性影响系数，载荷系数1 d 2 1 8 . 189 MPa E Z3 . 1 t K 计算转矩为 10 1056 . 1 5 . 1 5 10 5 . 95 P T 接触疲劳强度 3 d d 2 t 3 32 . 2 E ZTK = 3 37901 2 8 . 189 10 1056 . 1 3 . 149.12 =MPa409 查表所得许用应力为 540MPa，所以所用齿轮满足接触疲劳强度的要求。 3.4 本章小结 本章对驱动电机的功率进行了计算，并在计算结果上选取了电机和减速 器。从来确立了转炉转动的功率，并对大齿轮的接触疲劳强度进行了验算。 4 耳轴及托圈设计 0 4 耳轴及托圈设计 4.1 耳轴最佳位置的计算 按照转炉炉体的的空炉重量重心计算，再按照钢水重量重心计算，组成转炉 的合成操作力矩，据此计算转炉的最佳耳轴位置。其出发点是转炉运转倾动必须 安全可靠，并且适度经济，即要求为全正力矩时，需计入炉嘴粘钢的影响，并能 克服耳轴摩擦力，达到自返竖直；当要求为正负力矩时，正值的炉嘴不粘钢时的 最大力矩值（） ，能与负值的炉嘴粘钢时的最小力矩值的绝对值几乎相等，达 b M 到分布平衡，经济合理。计算公式如下： aqka msa h sqkabkb msab h hg rGGG MMM d rGGGrGG MMMM d dHH cos)( )2( cos)(cos)( )2( 2 1 而 mkdb MMMM 11 mkda MMMM 22 bkkk rHHGMcos)( 1 akkk rHHGMcos)( 2 sincos)( 1bbbbbd rXrZHGM sincos)( 2aaaaad rXrZHGM ajqs rZHGMcos)25 . 0 ( 2 式中 最佳耳轴耳轴高度（从熔池底算起） g H 预选转炉耳轴高度（从熔池底算起）H 正负力矩时耳轴位置的修正量 1h d 全正力矩时耳轴位置的修正量 2h d 分别为最大和最小的合成力矩 ab MM , 4 耳轴及托圈设计 1 分别为新炉衬和旧炉衬时的空炉力矩 21,kk MM 分别为新炉衬和旧炉衬时的液体力 21,dd MM 转炉的炉嘴粘钢力矩 s M 转炉的摩擦力矩 m M 分别为最大和最小力矩时转炉内液体总重 ab GG , 分别为最大和最小力矩时转炉的水平倾角 ba rr , 分别为最大力矩时转炉的液体重心坐标 aa ZX , 分别为最小力矩时转炉的液体重心坐标 bb ZX , 分别为转炉空炉重量和炉嘴粘钢重量 qk GG , 分别为转炉空炉重心高和炉膛内高 2 , jk ZH 代入数据计算得到，耳轴的最佳位置为 3980mm 4.2 耳轴的强度计算 4.2.1 耳轴的载荷分析 进行轴的强度校核计算时，已知传递功率为 P=244KW，转速为 n=1.5r/min。 选择轴的材料为 45 钢，经调质处理，由表查的材料力学性能数据为： MPa b 650 MPa s 360 MPa270 1 MPa155 1 MPaE 5 1015 . 2 初步估算轴径，由于材料选取 45 钢，由表查的，选取 A=115，则得到 mm76.627 3 min n P Ad 4 耳轴及托圈设计 2 考虑联轴器加键，轴径增大 5%，故轴大端为 D=660mm，齿轮端为 d=520mm 轴的结构设计，选取轴为 GB/T286-1964 双列向心球面滚子轴承。 轴上受力分析 轴传递的转矩为： 5 . 1 4 10955244 T = m 6 105 . 1N 齿轮上的圆周力为： 3790 6 105 . 12 792 1 d 1 2 N T t F 齿轮的径向力为： N t FF307387 . 0 792 cos tan r 齿轮的轴向力为： NFF288363 . 0 792tan tx 耳轴同时还要受到转炉的附加力，大小NF 7 107 . 1 求支反力，如图 4.1 在水平平面内的支反力由 ，得0 A M 0 2 c z d x Fcba r Fb B R bc d x Fcba r F Bz R 2 N384 62195819 2 520 288621958193262307 由于，得0z N Bz R r FR77 Az 在垂直方面内的支反力，可知： 4 耳轴及托圈设计 3 0 B M 0)()(cFcba t Fcb By R cb Fccba t F By R )( 62195819 6219 7 107 . 1)621958193262(792 N 6 105 . 7 由于，得：0y By R t FF Ay R 6 105 . 7792 7 107 . 1 N 6 105 . 9 图 4.1 受力分析 作弯矩图 1）齿轮的作用力在水平平面的弯矩图，如图 4.2 b）： mNcb Az R D M 1178 3 1062195819326277a z ）（）（ mN d x F Dz M D M 1253 3 102602881178 2 z 2）齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图，如图 4.3 c）： mNcba Ay R D M 8 1045 . 1 3 10)621958193262( 6 105 . 9)( y 3）因此，齿轮作用力在 D 截面的最大合成弯矩 4 耳轴及托圈设计 4 mN Dy M D M D M 8 1045 . 1 22 z 4）由于转炉重力在 D 截面做出的弯矩： mNbF D M 8 1054 . 1 3 10)58193262( 7 107 . 1)a ( 该作用平面不稳，这时其弯矩为二者之和，则截面 D 的最大合成弯矩为： mN D M D M D M 8 1099 . 2 max 做转矩图，如图 4.2 e): mNT 6 105 . 1 图 4.2 耳轴的载荷分析图 4.2.1 耳轴的强度校核 确定危险截面，由于力的传递由传动齿轮进行，齿轮截面处弯矩最大，且 有齿轮配合引起的应力集中，故属于危险截面。 安全系数校核计算 由弯矩引起对称循环的弯应力，转矩引起的为脉动循 环的切应力。 4 耳轴及托圈设计 5 弯矩应力幅为： 其中 W 为抗弯断面系数，查表得到 W=16.9 W D Mmax a 2 cm 6 10 9 . 16 8 1099 . 2 a a MP 7 1077 . 1 由式子： aa 1 K S 查表得到数据， 为 45 钢疲劳强度极限；MPa270 1 正应力有效应力集中系数；62 . 2 K 表面质量系数；92. 0 尺寸系数。81 . 0 平均应力折算系数。21. 0 14 1077 . 1 21 . 0 14 1077 . 1 81 . 0 92 . 0 62 . 2 6 10270 S 6 1034. 4 切应力幅为 = p W T a 2 m 6 10 1 . 302 6 105 . 1 a 4 1066 . 2 MP 其中为抗扭断面系数。 2 1 . 30 cm p W mm K S 1 4 耳轴及托圈设计 6 10 1066 . 2