机械毕业设计（论文）-高炉布料器的设计【全套图纸SW三维优】.doc

本科生毕业设计说明书题 目：高炉布料器的设计学生姓名：学 号：200540401201专 业：机械设计制造及其自动化班 级：机2005-2班指导教师：37内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）摘 要目前，随着世界各国对钢铁的需求量的越来越大，高炉容积也随之不断提高，这就对高炉炉顶设备提出了新的要求，特别是对高炉布料设备的要求。无料钟炉顶布料器的改进，是大幅度增加钢铁产量、提高经济效益的必由之路。 我国炼铁工艺结构的优化还存在一些问题，解决这一矛盾需要不断优化并确立更为合理的高炉炉顶结构。针对这一问题，结合包钢高炉生产实际情况，文章介绍了包钢炼铁厂无料钟炉顶的总体结构，简要介绍了包钢BG-型无料钟炉顶布料器结构、原理、特点，本文对高炉生产中炉顶设备做了简单介绍，在这个基础上，对炉顶设备中的布料器做了较为详细的介绍，并在此基础上对布料器作了全面的分析，设计和计算。关键词：高炉，布料器，无钟炉顶设备内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）AbstractAt present，the need of iron has been greatly extended all over the world. Consequently, the capacity of blast furnace is more enlarged. Meanwhile, the top equipments of blast furnace, especially for the top distributor are more challenged. The improving of the bell-less top of distributor is the way that must be taken to increase the output of iron and enhance the economic efficiency. There are still some problems in the optimization of iron making processes in our country ，to solve this Problem，it is very necessary to gradually optimize and establish more reasonable blast furnace top. With regard to this question，combined with practical situation of blast furnace production and the situation of raw materials in Baotou iron and steel company，This text introduces the overall construction of the bell-less top of the Iron-making Plant in Baotou Steel. The construction， principle，characteristics on the BG- type bell-less blast furnace distributor are described .Based on the briefing on the top equipments of blast furnace, the distributor is carefully introduced and over all analysis, design, and relevant calculation are carried out.Key words: blast furnace，distributor, bell-less top ,目 录摘 要IAbstractII第一章高炉炉顶设备的发展1第一节传统布料工艺与设备简介及其存在的主要问题1第二节炉顶设备的发展及其特点22.1三钟型炉顶装料设备32.2麦基型高炉炉顶42.3无钟炉顶5第三节无料钟炉顶设备的结构形式和特点53.1无钟炉顶的密封与冷却63.2无料钟炉顶在我国的运用发展83.3无钟炉顶的优缺点9第四节无料钟炉顶在包钢的运用和发展94.1BGII布料器的传动原理及现状94.2BG-II型布料器的主要特点：104.3BG-型布料器的主要特点：11第二章无料钟炉顶布布料器的设计计算13第一节概述13第二节基本参数的确定132.1高炉生产的参数132.2基本参数的计算132.3中心喉管的验证15第三节布料器的设计计算153.1布料器的总体设计163.2部件的选择173.3动力学，力能参数的设计计算18第四节其他部分零件的设计与校核304.1小齿轮转矩的计算304.2花键轴的校核32第三章技术经济分析34参考文献36内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 高炉炉顶设备的发展第一节 传统布料工艺与设备简介及其存在的主要问题炉顶设备是用来装料入炉并合理在炉内分布，同时起炉顶密封作用的设备。现代大型高炉每天要把上万吨的炉料从炉顶装入炉内。设备启，制动频繁，受载大，零件表面不断受到炉料的冲击和摩损。随着高压操作的推广和炉顶压力的提高，装料设备的寿命显著缩短。随着炉子的容积不断扩大，给装料设备的制造，运输和安装带来了一系列的困难。根据高炉冶金工艺的特点，对炉顶装料设备提出下列一些要求：一，炉喉圆周布料要均匀。不论在体积或块度方面，圆周布料要力求均匀。二，炉喉径向布料要合理，不但炉墙附近能分布较多的和粒度较细的原料。而且要有较宽得料峰。以便于充分利用煤气的化学能与热能。三，有利于炉喉原料的径向调节。四，能不对称加料，在必要时可以定点布料及定点下偏斜或扇形布料。五，密封要可靠，保证高压操作所要求的炉顶压力。六，设备的结构尽可能的简单，制造容易，运输和安装方便。七，要求有较长的寿命，便于维护和修理，降低因炉顶设备引起的休风率。八，炉顶设备的电气控制系统要尽可能的简单。九，操作方便，容易掌握，使用可靠。总之，炉顶装料设备要求在满足合理布料如高压操作的条件下，设备要尽量简单，维护方便，使用可靠，达到提高高炉产量，降低焦比，促进高炉生产的目的。高炉炉顶设备的设计是一个不断完善，改进与创新的过程。双钟式炉顶装料设备已有上百年的历史，目前仍占多数，它由受料漏斗，布料器与装料器三部分组成，炉顶经料车上料，进入受料漏斗，布料器按照一定的工作制度进行布料，然后小钟打开，在压力均衡后，再打开大钟，炉料进入炉喉。随着高压操作的推广和高炉容积的不断扩大，双钟式炉顶也越来越不能够满足生产的要求，其主要存在的问题有：布料器的旋转漏斗的密封性不够可靠，不是摩察阻力太大，就是容易漏气且维护工作量大。小钟寿命短，一般不超过一年，小钟漏斗的接触面和小钟一样很容易被含尘煤气破坏。大，小钟拉杆间的密封极易漏气，不易维护，在安装调整上如何保持大，小拉杆间的同心度也有困难。大钟和大钟漏斗的寿命随着炉顶压力的增大而缩短，一般只有一年多一点，随着高炉的容积增大大钟和大钟漏斗的尺寸也要相应增大，重量也要增大，给制造运输都造成了困难。此外炉顶吊车的吨位也增加，使炉顶钢架结构庞大，安装与调整都更加困难。对于大型高炉而言，料钟炉顶不能满足炉喉径向布料的要求，大钟下面的广大面积不能直接加料，使中心气流过于散发，煤气的热能与化学能不能得到充分的利用，不利于炉喉的调剂和定点布料。基于以上诸多问题，近年来国内外出现了许多新型的炉顶，以取代双钟式炉顶。新型的炉顶可区分为两大类：一类仍属于钟式炉顶，另一类是无钟式炉顶。在有料钟炉顶当中又分三钟式，四钟式和钟阀式炉顶。双钟双阀式炉顶有两个均压室，大钟均压室可以直接利用煤气，不必设置均压设备，双搂孔的布料器处于等压气体内工作。只有驱动轴伸出外面，需要转轴密封。这种炉顶的装料过程是：料车接近炉顶时打开放散阀，使均压室内的压力降为大气压，然后打开一个密封阀，同时启动布料器，接着料车倒料结束，关闭密封阀，打开均压阀，使钟阀间的容积达到高压，打开小钟，原料落在大钟上，关闭小钟，再重复上述过程装下一车料。钟-阀式炉顶的优点：密封阀盖始终不与原料接触，可以避免原料的冲击与磨损利于提高寿命，且尺寸与重量都较小，更换方便。钟-阀式炉顶的缺点：需要庞大而笨重的大，小钟及其料斗。炉顶高度大，制造，运输及安装困难，投资大。总之，由于高炉容积的扩大和炉顶压力的提高，普通的钟阀式炉顶存在许多缺点。第二节 炉顶设备的发展及其特点1907年，美国麦基公司发展的带有旋转布料器的双钟装料设备在高炉上获得了广泛的应用。据统计，自1907年来已有586套该公司制造的麦基炉顶交付使用，并至少有相同数目的类似设计的装置投产使用。在高炉大型化的初级阶段，麦基型炉顶仍是独一无二的炉顶装料设备。但随着高炉大型化和炉顶压力的提高，此炉顶的缺点日益暴露。其一，气密性差，限制了炉顶压力。其二大钟寿命短。1962年投产的美国钢铁公司杜昆厂6号高炉安装了三钟型炉顶，揭开了改造炉顶装置的序幕。自那时到现在，设计出了多种新型炉顶，主要有：2.1 三钟型炉顶装料设备1959年，苏联扎波罗什钢铁厂试验了三钟型炉顶装料设备，1962年投产的美国杜昆丁6号高炉是第2座，1963年日本定点三号高炉也采用三钟式炉顶。三钟炉顶在麦基炉顶的基础上增加了一个小钟构成了两个密封室。上部的小钟是传统的麦基布料器组成部分，可以旋转，中钟则不能旋转，三钟之间有两个密封室，在大钟下面的下部密封室与炉喉相通，始终保持高压，因此，大钟不起密封作用，只起布料的作用。上部密封室设有均压放散阀和均压阀供小钟和中钟开启前均衡上部密封室的压力之用。在三钟炉顶中，大钟的寿命有了显著的提高，但在高压操作的条件下小钟易于损坏。2.2.1 钟阀式炉顶装料设备使用三钟炉顶装料设备的两座高炉的炉顶压力并未超过1公斤/平方厘米，因而三钟型炉顶设备并不能满足高压操作的要求，但通过三钟炉顶装料设备的实践人们认识到：1.双密封室是提高大钟寿命的有效措施；2.使用双密封室后炉顶高度增加，在上部小钟处温度经常在200度以下，这就有可能使用带橡胶密封圈的盘式密封，于是在三钟炉顶的实践下诞生了两钟阀封型炉顶。2.2.2 IHI型在IHI型装料设备中，设有两个盘式阀，阀座上镶有硅橡胶密封圈，为了避免积灰和冷却密封圈，用氮气或清洁煤气进行连续吹扫。歪嘴布料器在盘式阀和小钟之间。在料车上料的高炉上，每个盘式阀上设有一个受料漏斗，料车上行时，均压，放散阀开启降低盘式阀和小钟之间压力到大气压；开启盘式阀然后料车进入分歧轨向受料漏斗卸料；炉料经受料漏斗和布料器卸入炉内。IHI型炉顶的优点是阀代钟，减少了设备的重量，为快速更换创造了条件 。由于是盘式阀上采用了金属与橡胶接触密封方式，提高了气密性，但早期的装有IHI型炉顶的高炉压力并不是很高，近年来有了很大的提高。IHI型炉顶布料器的主要缺点是：布料效果不是很理想，武汉钢铁设计院做了歪嘴布料器的模拟实验。布料器按六点布料，一个周期后沿圆周上无论是按粒度还是按料重都没有达到均匀，麦基型布料器则不然，同样是六点布料，一个周期以后炉喉圆周上无论按粒度还是按料重都达到了均匀分布。因为在麦基布料器的工作过程中，布料器是炉料装入炉内才开始旋转的，不论该批炉料的转角是多少，卸料小钟上的条件是一样的。空转定点的歪嘴布料器则与此相反，它在炉料卸入以前旋转，在布料器处在不同位置时炉料卸到小钟上的条件也不同，于是在某个位置上形成了固定的粒度偏析。2.2.3 新日铁型（NSC型）新日铁型炉顶是皮带上料的IHI型炉顶的改进型。它将IHI型中的密封在上密封室的歪嘴布料器移到了料仓的上方。炉料自皮带上卸下时，快速地旋转布料器，料仓下方的出料口增加为四个，每个出料口上设有一个闸门，密封阀也相应的增加为四个，其他与IHI相同。新日铁型炉顶具有的几个优点：1) 由于布料器设在密封室之外，易于维护检查，有利于提高密封室的压力。2) 皮带装料配合快速布料器可使炉料在炉仓内合理分布。3) 如果需要更换，由于炉结够的简化更换的时间减短。4) 大钟只起布料的作用，因而不堆焊硬质合金，只加衬板。2.2 麦基型高炉炉顶在麦基型高炉炉顶中，布料器设在盘式阀以上定心旋转。布料器下部设有六个盘式阀，结构与IHI型相似。盘式阀下方是小钟，由于它要起密封作用，必须经过仔细加工。小钟上方是一个可以上下移动的圆锥型布料器，它不但不起密封作用，也不存原料，它唯一的作用就的布料。麦基型高炉炉顶的布料性能与传统的麦基型炉顶相近，并具有更大的适应性。以上几种炉顶有各自的优势和短处，但随着高炉容积的扩大和炉顶压力的增加，普通的钟式或钟阀式炉顶存在以下一些缺点：1) 目前用大钟装料的炉顶，炉喉径向调节不能满足要求，料峰很窄，大钟下面的广大面积不能直接加料，改使中心气流发散，煤气的热能和化学能得不到充分的利用。2) 由于料钟的角度是固定的炉料的调整径向调节不能靠装料制度和料批的大小来充分调节。这种方法既不灵敏又不方便，并使得电气控制复杂化。3) 不能定点下偏料或扇形布料。4) 炉顶密封靠大小钟来完成时，由于料钟直径大，在炉顶温度经常波动和原料不断冲击，摩察的密封。5) 料钟，料斗及布料器的重量都随着高炉容积的扩大而增加，给生产，运输，安装，维护带来一系列的困难。2.3 无钟炉顶由于上述几种形式的高炉炉顶仍采用大钟和小钟，因而给高炉大型化带来困难。首先是巨型高炉的大钟直径大多在8m以上，大钟和大漏斗重达百吨，使加工制造和运输极不方便；其次是为了更换大钟，需要在炉顶设置大功率的吊车，使炉顶钢结构庞大而笨重；再次是随着大钟直径的增加，炉喉中被大钟遮拦的面积愈来愈大，布到中心的炉料减少，因而在高炉大型化初期出现了不顺利，蹦料多。六十年代末期通过使用可移动炉喉保护板纠正了蹦料。因此，不论是IHI，NSC或NKK型炉顶，都必须配合采用可移动炉喉保护板，这使炉顶装置更加复杂化。1972年鲍尔（PWarth）公司设计出了无料钟布炉顶，同年Hamborn的Theissen公司一个下属的工厂的1400立方米的高炉安装了该公司的有料槽无料钟炉顶装料设备。无料钟炉顶装料设备的问世，理想的解决了高炉炉顶装料设备存在的布料和密封两个难题。由于设备矮小，重量较轻，降低了炉顶的高度，减小了造价，也不存在较大零件的加工和运输方面的困难。但因上下密封阀均采用硅橡胶的软密封，这就要求炉顶温度必须控制在硅橡胶所能允许的范围内（小于250度）。在无料钟炉顶的设计中，它采用一个布料时旋转速度固定的溜槽布料器来代替大钟，溜槽可以绕中心线旋转，也可以上下摆动。溜槽的正上方有一个控制溜槽转速与摆动的齿轮箱，减速器齿轮箱用螺栓固定，吹氮气冷却，这样可以防止充满粉尘的煤气从顶部空间进入，溜槽上方有两个料仓，轮换装料和卸料，当料仓上密封阀开启，下密封阀关闭，则处于装料状态；当料仓上密封阀关闭，下密封阀打开时，则处于卸料状态。开启密封阀时料仓需要减压和增压。为了保护下密封阀设有下闸门P，卸料时先开下密封阀后开下闸门，避免炉料磨损密封阀。下闸门的开启可以控制，使之与旋转的溜槽的转速相匹配，使炉料的布料均匀。为了防止叉型漏斗卡料发生事故，因而对炉料的粒度有严格的要求。由于溜槽可以同时旋转和摆动，因而无钟炉顶的布料有以下几个优点：1) 快速旋转且布料均匀；2) 可在指定的区域内扇形布料3) 溜槽每隔一批料转动指定角度，可做与麦基布料相似的定点布料。第三节 无料钟炉顶设备的结构形式和特点我国在50年代到70年代建设的高炉，炉顶装料设备都是由受料漏斗、麦基式布料器、大钟装料设备组成，当时普遍使用烧结矿。这种有大小钟组成的单密封室装料设备，炉顶操作压力一般只能保持在0.05-0.07mpa，即使在使用冷烧结矿的高炉上，炉顶操作压力也只能达到0.1-0.12mpa，而且不能长期稳定的操作。虽然作过一些局部改进，例如：为提高装料设备的密封性能，在旋转布料器上和大小钟拉杆上增加了密封层；在密封外面加上水冷，以保持密封填料的弹性；大钟普遍采用双折角，使弹性漏斗与刚性大钟的密封面受下降物料的磨损有所减轻；为改善布料状况，减少粒度偏析等，在操作上采用多点布料，正装或倒装上部调节手段，但是钟与斗是金属间的接触硬密封，加之热烧结矿的高温作用下，不可能把炉顶的压力提高到0.2-0.5mpa，此外马基斯布料器和固定式布料器不能彻底的解决各种炉料在布料上的偏析。因此到了70年代，料钟式炉顶设备已成为阻碍高炉产量提高的关键因素。为改善我国固定大钟布料粒度不均匀的弊端，在装料设备的下部增设了可调炉喉装置，但仍不能理想地适应对布料形式的要求。同时也使得炉顶设备尺寸过于庞大，结构过于复杂，大钟和漏斗在铸造、加工和运输等方面都存在一系列的困难。1970年卢森堡威尔斯厂与保尔沃文斯（Paul.Wurth）公司共同创造了PW型无料钟炉顶装料设备（摆动旋转溜槽式炉顶），并于1972年在德国汉堡4号高炉应用。中国冶金进出口公司则于1984年4月与卢森堡PW公司签署了高炉无钟炉顶设备技术合作协议。1987年中国冶金设备制造公司组织重庆钢铁设计院，西安冶金机械厂和宝钢的生产建设单位去PW公司参加基本设计、设备监制和设备验收等工作，从中获得了新一代无料钟炉顶设计与制造技术，为国内独立进行1000-4000立方米级无料钟炉顶设备的设计制造，打下了坚实基础。无料钟炉顶技术发明至今，仍在不断的改进发展与完善。宝钢2号高炉引进的无料钟炉顶，就是PW公司最新推出的改进技术，主要有以下改进。3.1 无钟炉顶的密封与冷却无料钟炉顶的总体设计方案概括起来分三大类：并罐式，串罐式，串并罐式。早期的无料钟炉顶布料器齿轮箱都采用氮气或加压净煤气进行冷却密封，防止在炉顶高温和粉尘作用下影响齿轮箱各零件的正常工作。通入箱中的气体流量随着炉子的大小不同而异，一般情况下，2000立方米的高炉需要气流量3500/立方米，这样大量的气体输入炉内，不仅消耗大量气体，而且需要增加大量设备，尤其是煤气或氮气的加压设备，提高了生产费用，耗费了大量的能源。PW公司于1984年首次在Albed.Belya高炉上采用了水冷式的密封阀齿轮箱，可使通入气体量减少90%。我国的宝钢2号高炉，武钢的5号高炉和鞍钢的11号高炉的无钟炉顶均采用了水冷式的齿轮箱。3.1.1 并罐式无料钟炉顶并罐式无料钟炉顶主要由受料漏斗、料罐、叉型管、中心喉管、旋转溜槽及其传动以及密封、均压放散、冷却系统等组成。它用一个旋转溜槽代替了钟式和钟阀式炉顶的大钟进行布料，溜槽上方有一个控制溜槽旋转和摆动的齿轮箱，齿轮箱内通有氮气或加压净煤气以防止高温带尘煤气进入齿轮箱内，同时并对齿轮箱进行冷却。齿轮箱上方有下密封阀、调节阀、中间漏斗、料罐、上密封阀和翻板。料罐中的炉料通过中间漏斗、调节阀、中心喉管卸入溜槽。两个料罐交替使用将炉料送入中心喉管，并由溜槽以最佳的旋转速度和最佳倾角以及最佳的布料方式将炉料布入炉内。并罐式无料钟炉顶从布料的多样性和灵活性、设备本身的结构、维护等方面比钟式炉顶和钟阀式炉顶优越的多，但是经过对布料和煤气利用等进行大量分析和研究发现，从结构上和炉料运动的实际轨迹上看，并罐式炉顶有以下不足:(1) 由于两个料罐布置偏离了高炉中心，导致布料不对称、炉料偏心、径向矿焦比不对称；(2) 由于下料口是倾斜的，料流与中心喉管斜向相撞，出现“蛇形”运动现象，从而导致炉料在炉喉断面圆周方向分布不均匀；(3) 当溜槽的倾斜方向与料流方向一致时炉料抛得较远，垂直时则较近，因此在炉喉断面的布料形状实际上为椭圆形而不是圆形，矿焦两个料层也不吻合。由于以上的布料不均匀现象直接影响了煤气的利用效率，为了克服并罐式炉顶的上述不足，卢森堡PW公司在上世纪八十年代初开发了串罐式无料钟炉顶。3.1.2 串罐式无料钟炉顶串罐式无料钟炉顶有卢森堡式、SS型、紧凑式3种。串罐式无料钟炉顶装料设备是将双料罐并列布置改为双罐上、下同轴重叠布置。上料罐起受料和贮料作用，仅在下料罐设立上密封阀、下密封阀、料流调节阀和称量装置。由于下料口在高炉的中心线上，从而避免了炉料偏析，得到了圆周均匀布料，同时也减少了对中心喉管的磨损。它的另一个优点是占据空间小，因与并罐式无料钟炉顶相比省去了一套均压放散设施和称量装置，相同条件下比并罐式无料钟炉顶节省投资。SS型无料钟炉顶是在国内外高炉炉顶技术的基础上发展而来的，形成了自己独有的特点:机械设备简单，制造容易，安装维护方便，工艺性能好，节省投资。在中小型高炉应用较多。紧凑式无料钟炉顶虽然保留了串罐式无料钟炉顶的特点，但是因作业率较低，尤其是当设备进行检修时影响高炉生产，未得到广泛使用。串罐式无料钟炉顶与并罐式无料钟炉顶相比较有以下不同：(1) 并罐式无料钟炉顶的弊端是由于料罐中心偏离高炉中心产生布料偏析，但赶料线快；串罐式无料钟炉顶由于料罐中心与高炉中心同心，不仅减少了偏析，而且减少了阀门开启的次数，但赶料线慢。(2) 并罐式无料钟炉顶两个料罐在一个大梁上，梁的刚度以及一个料罐卸料时要影响另一个料罐称量，其精度难以保证:串罐式无料钟炉顶上、下两罐分开，称量不受外界影响，称量精度高，这对高炉实现理想的冶炼过程，实行自动化操作十分重要；(3) 高风温，风温维持在125013000C，并采用富氧鼓风(60-80m3/t) . 鉴于串罐式无料钟炉顶的优点，近年来新建或改建的高炉多采用串罐式无料钟炉顶。美国的Rawtarnuk公司于1995年和1996年分别重建了1号和2号高炉，这次重建大大改善了高炉的冷却系统和耐火材料的寿命，并使耐火材料的寿命提高15年，从而进一步地提高了高炉寿命和改善了布料器的气体控制，并且设备的上料时间是通过声音传感器来实现的，从而使得物料得到了良好的控制。在矿石层的填充过程中不同粒度的烧结矿被分成不同的层，从而更有效地控制了炉身热量的损失，并且在布料时，它能发生一种新信息，通过调整料车的角度而减少料车的运行时间，拆除了移动喉阀从而使得高炉的体积提高了5.9立方米。另外，该密封无料钟炉顶设备能够在尽量减小热量损失的情况下，控制高炉炉气和物料分布。3.2 无料钟炉顶在我国的运用发展无料钟炉顶装料设备首先是由首钢在1000立方米高炉采用的新技术，经过1-2年的实践，对PW公司的无料钟炉顶技术进行了适当的改进，用以改进首钢的3、4号高炉炉顶，并且协助酒泉钢铁公司安装了1513m高炉的无料钟炉顶。之后包钢结合1号高炉大修的经验，将无料钟炉顶布料器的溜槽摆动驱动改为液压缸操作，将传动件移到了炉外，简化了齿轮箱机构。第一重型机械厂与梅山冶金公司合作设计制造了两座1000立方米的高炉，也比较全面的采用了无钟炉顶技术，液压泥炮技术和计算机控制技术。全国高炉设备的无料钟炉顶的最初形式是双罐并列式，这种形式已经使用了很长一段时间，在实际生产中也取得了较好的成果，但在实际操作中布入炉内的料圈出现了料流不均匀现象，这种现象在一侧料车装料时（另一侧料车发生故障）表现的尤为明显。根据目前国外的生产经验，用单料车上料，一般不超过6-8小时后，炉内就出现了偏析，引起炉况不顺，在双料车同时装料时，由于料流不均匀的方位是相对的，几乎能保持相对的稳定状态。在实际生产中，两个料车的品种不能完全对等，因而总是保持高炉生产的一个不稳定因素，为了消除并列料车布料时出现的不均匀现象；通过实验和生产检验，近年来又出现一种双料并串联中心排料无料钟炉顶装料设备，这种新型的炉顶装料设备可以得到均匀料流的圈，是发展中的无料中炉顶的新一代产品。通过串并联两种类型的无料钟炉顶设备的比较，主要确保了炉内料流的均匀性，有利于高炉生产的稳定进行，同时留有足够的赶料能力。3.3 无钟炉顶的优缺点优点：1) 炉喉布料是一个由重量较轻的旋转溜槽来进行的，由于该溜槽可以作圆周方向的旋转运动可改变角度，能够实现理想的布料，并且操作灵活，能够满足高炉布料和炉顶的调剂作用。2) 由于取消了大钟，大料斗和旧式旋转布料器这些笨重而且需要精密加工零件，比较彻底的解决了制造，安装，维护，运输和更换问题。3) 炉顶有两层密封阀且不受原料的磨损与冲击，寿命比较长。阀和阀座的重量比较小，可以方便的调整和更换更换时可以整体更换也可更换某个零件。4) 炉体的结构大大简化了，部件的重量减轻了，炉顶安装的吊车由120吨减小到了40吨的起重重量，简化了炉顶的钢结构，降低了炉顶的高度，整个炉顶的总投资减少到了阀式炉顶的50%，且降低了炉顶的高度。缺点：1) 目前耐热硅橡胶所能容许的工作温度为250-300度，而国内的使用烧结矿的高炉中，炉喉温度往往高达400-500度，对耐热硅橡胶的破坏很大。2) 布料器传动系统太复杂，溜槽虽然很灵活，但自动控制很复杂，工艺操作上不易掌握，目前国外的经验表明，溜槽仍采用固定的一两个角度的环形布料，没有充分发挥灵活布料的作用。根据这些经验，北京科技大学设计了一种能同时多环布料的新型布料器，这种布料器结构简单，溜槽不必调倾角，只要利用正反转和不同的转速就可以灵活布料。这种布料器的控制和操作都大为简化。第四节 无料钟炉顶在包钢的运用和发展包钢炼铁厂自80年代初开始与包头钢铁设计院等单位共同协作开发研制了具有我国知识产权的无料钟炉顶布料器，并于1985年3月在包钢炼铁厂1号高炉大修改造中正式投入使用，从此我国在1500m以上的高炉有了自主知识产权的无料钟炉顶设备。4.1 BGII布料器的传动原理及现状1985年3月，第一台BGII型布料器在包钢1号高炉正式投入使用，这台布料器与国内外普遍使用的PW型无钟炉顶布料器相比较，具有完全不同的传动机构。国外的PW布料溜槽以行星差动减速器机构来实现布料溜槽围绕高炉中心线旋转（角）和使溜槽绕吊钩轴上下摆动使溜槽与高炉炉体中心线形成不同夹角（角），在自动控制系统的控制下由角和角灵活组合，构成单环，多环，螺旋，定点，扇形布料等方式，以满足高炉冶炼的需要。而BGII型布料器是采用一交叉滚柱（或球）轴承将一个旋转套筒吊在顶盖上，套筒与轴承外圆相连，轴承的内圆与顶盖相连。套筒下端用两根花键轴悬吊溜槽托架和溜槽。这样，圆筒的旋转就使溜槽的旋转就使溜槽随之绕高炉中心线旋转，实现溜槽旋转运动，达到沿圆周布料的目的。溜槽角的运动是通过液压系统操作和溜槽用花键轴相连的曲柄滑块机构来实现的，该曲柄的一端的滑块在一个带有水平旋转托辊并可在一个带有滚道的托圈内回转的浮动框架内滑动，当液压缸提升或压下托圈时，通过托辊使浮动框架上下移动并可通过曲柄来带动花键轴旋转，从而达到溜槽摆动的目的，实现角的改变，通过控制系统对角和角进行控制，之其实现不同组合，即可实现高炉工艺所需要的各种布料方式，满足高炉布料的需要。BG-I型布料器初次在包钢使用，即显出其独特的优点受到有关方面的认可，但也还存在角运动精度太低等缺点，在1988年包钢3号高炉大修，在3年多的实践基础上，技术人员对BT-I型布料器进行了重新分析并有了新的突破，并就此对原有的布料器作了改进，使布料器角控制精度从原来的1度提高到小于0.2度。同时对冷却系统以及曲柄结构作了根本性的改动，完成了布料器的第二代设计制造，即现在生产中采用的BT-II型布料器。4.2 BG-II型布料器的主要特点：BG-II型布料器自1988年投入使用至今，包钢有关技术人员不断的对其进行改善，实践证明这种布料器已达到了国际先进水平，与PW布料器相比有如下几点独到之处：1. 机构设计合理，结构简单，各主要传力与运动部分受力明确，整机寿命长，设备重量轻，制造、安装调整方便。PW型布料器机构复杂，加工制造困难，要求精度高，因此价格昂贵，二者相比，国产BG-II型布料器在功能完全达到PW型布料器的水平，但价格却比其低很多。仅占国内制造的PW型布料器的1/5。因此在中国的这种情况下，极具竞争实力，并有向国外推广的价值。2. BG-II型布料器还具有良好的维修性，使用经验表明，布料器只有几个托辊在轴承达到其使用寿命期限时，需要定期检修和更换，而更换托辊作业只需高炉短期休风即可全部更换，其费用较为低廉。而PW型布料器传动机构一旦发生故障不但设备不易检修更换，并且价格昂贵。因此，PW布料器日常维护要求较高，而BG-II型布料器对炉顶环境的要求则相对较为宽松。3. BG-II型布料器采用了开式水冷系统，冷却更为可靠，该系统是将水管引入气密箱盖的环形水管喷淋系统，将水喷在旋转套筒上，冷却水沿圆筒壁流到水冷底盘上，再引到箱体外。系统简单，易于观察，不但水冷底盘得到冷却，整个机构工作温度也较低。4. 与PW型布料器相比较，润滑简单也是优点之一，BG-II型布料器各润滑均为干脂润滑。实践证明该布料器在高炉定期检修时，只需手动注入润滑油润滑即可，因此不存在因润滑系统发生故障而造成损坏的问题。BG-II型布料器包钢高炉上已经使用了多年，经受了恶劣环境的考验，特别是在高炉炉顶煤气短期温度达600度时仍能正常工作，显出了这种布料器的独特优点。1996年美国凯瑟工司邀请美国一家钢铁公司炼铁专家到包钢进行考察，确认此布料器有推广价值，要求国外代理推销。1996年12月20日，中国钢铁工贸集团公司实业开发部，中国金属学会与美国凯瑟公司签订了代理协议，更说明了这种布料器的推广应用前景广阔，如果能对现在的不足改进的话，必将获得更好的效果。4.3 BG-型布料器的主要特点：包钢BG-型布料器（见图1.1）是在包钢BG-型布料器基础上改造成功的,主要改造有:回转支承代替托辊、采用浮动密封等。图1.1 包钢BG无钟炉顶布料器包钢BG-型布料器的构造原理是主、副传动与其机构分别为2套相对独立的结构,其间用与回转支承连接的钢圈12相连接。机器的构造(见图1):主要构件分为密封箱内,密封箱外和炉内3部分,密封箱内是角和角的运动机构,密封箱外是角和角的传动与的信号发送装置,溜槽及其托架置于炉喉顶部,中心喉管与炉喉相通,均为炉内部分。耳轴转套的上端以法兰与带有外齿圈的回转支承的外圈用螺栓联结,回转支承内圈则用螺栓固定在密封箱顶盖上,配有立式交流电动机的摆线针轮减速机通过弹性柱销联轴器与装在密封箱盖上的轴承盒内的小齿轮轴联结,此小齿轮与回转支承的齿圈啮合,这样,当电动机旋转时耳轴转套便带动溜槽旋转,实现角运动。2个曲柄的外端均装有同样大小的曲柄轮(滚子),曲柄轮插入钢圈的长形孔道中,钢圈与下部回转支承的内圈用螺栓连结,下部回转支承的外圈与托圈联接,钢圈上对称安装2个定心块。升降托圈以9副竖向滑块与密封箱壳内的9条竖向滑道相配合,置于密封箱上盖在圆周等距布置的3个直线油缸的活塞杆通过中间接杆与升降托圈铰结,这样,当油缸杆升降时,带动托圈升降,托圈通过回转支承带动钢圈升降,钢圈再带动两曲柄轮上下运动,从而驱动溜槽摆角,即实现角运动。当电动机启动,角旋转时,油缸动作,即可实现角和角的联合运动。在角机构中,3个驱动直线油缸,其上腔油路联在一起,下腔油路联在一起,工作时是靠密封箱内的9个竖向滑道与气密箱严格间隙来实现同步的。布料器内部水冷方式采用喷淋式水冷,从布料器上盖引入冷却水,依靠安装在耳轴转套外的喷淋管向设备喷水,水汇集到底盘后引出布料器,经U型水柱排到炉身水冷循环系统,保证气密箱体内氮气和高炉煤气不外泄。第二章 无料钟炉顶布布料器的设计计算第一节 概述高炉炉顶设备的设计要根据高炉生产工艺要求而定，要求精度可靠，并具有唯一性。故无钟炉顶布料器的设计不同于其他的通用机械设计，主要是靠经验总结和实践性改进。第二节 基本参数的确定无钟炉顶的基本参数：布料器的转速，料罐的容积，料流的调节阀内径和中心喉管的内径等。其目的是保证足够的装料能力，达到圆周均匀布料。2.1 高炉生产的参数有效容积：日产铁量：日焦量： 利用系数：焦比： 冶炼强度：2.2 基本参数的计算料罐的有效容积一般取每批料的容积，即相当于两个料车的有效容积，所以取料罐容积。节流阀内径： 中心喉管直径：计算结果如下： 计算并填写下表：高炉容积DmmmV=Sinm/sVsnr/min20000.82.0570.2510.1221.5060.3782566.188.80.9040.227110.1314.7表2-1其中：原料出口最小截面的流速（m/s）原料流动系数，一般在0.6-1.2之间排料口水利半径，m料罐容积，排料率布料器转速布料层数布料器的转速（即旋转溜槽的转速），要保证圆周的均匀布料，转速太高对设备的损坏大，一般来讲，每次布料应该为10层（旋转环形布料时）或10圈左右的料（步进式同心布料时）。2.3 中心喉管的验证根据生产实践中，中心喉管的直径大小对圆周均匀布料有很大的影响，另外，中心喉管直径的增大，需要溜槽加宽，使溜槽比较笨重。因此，在不引起卡料的前提下，中心喉管的直径应尽量小一些。由 (为因为中心喉管是垂直的)取 k=1.3， , 由此可知，以上所求的数据都满足要求。第三节 布料器的设计计算布料器的传动系统包括主传动（角传动）和副传动（角传动），如前面所述，布料器的主传动是由液压传动的是很不稳定的，为了稳定其传动多采用机械传动，它是由行星减速箱和气密箱两大部件组成。行星减速箱支持在气密箱的顶盖上。气密封直接处于炉顶部，为了保证轴的传动零件的工作温度不超过50，必须通冷却气冷却。角的传动一般采用液压传动，它是有直线液压缸，托圈和浮动框架组成的曲柄传动。主运动（角传动）和副运动（角传动）是由两个完全独立的系统组成。他们之间是由浮动框架来联系在一起。他们之间的传动量互不干涉。其结构参BGII型布料器总装图。角传动是由行星减速器带动小齿轮进行旋转（通过连轴器相连），而小齿轮带动与旋转圆筒一起的大齿轮旋转，同时旋转圆筒也进行旋转，从而带动布料器旋转，而角的运动是由液压缸的直线运动带动托圈上下运动，回转框架带动曲柄进行摆动，曲柄是一端通过花键轴与溜槽相连接，从而带动溜槽倾动。3.1 布料器的总体设计布料器的设计主要包括两个传动的实现以及有关内容。而布料器角的运动主要由液压缸的传动来实现的。在此传动中采用了三个液压缸同时驱动来实现角的运动，三个液压缸要求必须实现同步性，当然实现同步在机械上必然也要采用同步的设备，其液压系统如图2.1所示：图2.1 液压缸传动示意图液压缸的传动如下：液压泵1开始工作后，当三位四通换向阀3处于右位时，油液就进入了液压缸下下腔，三个活塞杆向上运动，从而带动旋转框架向上运动。当换向阀3中位工作时，系统保压，活塞杆不动。当换向阀3左位工作时油液进入液压缸上腔，活塞杆向下运动，从而带动框架向下运动。5和6为行程开关，用来限制旋转框架的移动范围。溢流阀用来稳定系统压力。在实际工作用换向阀3一般采用电磁换向阀，这样可以远程控制活塞杆的运动，从而控制溜槽的倾角。在托圈旋转框架的系统中，溜槽耳轴上的两个曲柄的外端均装有同样大小的曲柄轮，曲柄轮插入六边形旋转框架中，旋转框架既可以随选择套筒一起绕高炉中心线旋转亦可在液压缸的驱动下在旋转套筒外部上下移动，曲柄轮安装在旋转框架内的曲柄轮槽内，可左右移动。这样只有角转动时旋转框架随之在辊道内传动，水平位置不变，并不影响角。同样角可以在角运动或静止的情况下通过调整旋转框架进行调整。油缸行程以及曲柄的长度：旋转溜槽的转角范围：（与高炉中心轴线的夹角）根据炉体内部结构，曲柄的长度确定为R=450cm。由图2.2可以看出液压缸活塞杆的最大行程为： 考虑到其它因素的影响，故取L=380mm,即活塞杆的行程380mm。图2.2 溜槽倾动示意图3.2 部件的选择1）部件的选择根据机械手册P168所述，选定电动机的功率为：P=7.5KW，转速n=1440 rpm。查包钢的相关资料，应选电动机与减速器为一体的产品，减速比i=29，蜗轮蜗杆减速器。大齿轮选用徐州回转支承厂生产的用于起重机的标准件HJW45-1540A该齿轮和轴承为组合体，该轴承由圆扁盘组成，圆扁盘在一正方形的轨道中交错排列，使该轴能承受多种载荷且负荷很大。大齿轮的模数m=14，Z2=124,所以选小齿轮m=14, Z1=20,材料为42SiMn的直齿轮。2）验证速比： 溜槽转速：误差：所以速比满足要求。3.3 动力学，力能参数的设计计算 3.3.1 角系统的受力分析 1）溜槽的重心计算炉料在溜槽内是变化的，但其受力的变化并不大，所以分析受力时可以忽略料重，参考材料力学得： 取 2) 计算不同角时曲柄小轮的受力 OA=750-（520-295）=525 AD=OA*cot=OA/tan DB=1550-300-OA/tan 由 可得：式中： 为曲柄小轮受力。 为托圈及托架重量W=3409.4 Kg 为曲柄与水平面的夹角 溜槽和铅垂方向的夹角 由以上公式计算并填入下表：表 2-201020304050-368.78-299.96-65.57170.56287.13446.26-1256.33-1002.4-215.78569.2977.51520.4注：值为负，说明与原受力方向相反。图2.3 溜槽3）计算角不同时，旋转框架的受力。图2.4 旋转框架受力模型 根据力的平衡条件： 框架重由得 和随角度变化情况如下表：表2-301020304050kg-1068.3-724.1376.81480.42045.62856.9Kg-74.683.355410221273.41652.5图2. 3 Q2和Q2 随角度变化情况由上图可知和是与角成大致的线性关系，并且由图中可得比随的增大上升的更快，也就是说，随角的增加的变化更明显，由于增大的更快，因而针对采取相应的措施，从而使该主托辊的寿命相等。4）计算角不同时，托圈的受力 由于托圈承担着旋转溜槽摆动的任务，因