（机械制造及其自动化专业论文）烧结机布料装置液压系统设计及动态特性研究.pdf

摘要 摘要 烧结机布料装置是在烧结过程中按照生产工艺要求把混匀后的烧结混和料从 混合料槽中布到烧结台车上面。布料质量直接影响着料面点火情况、煤气消耗和 固体燃耗，影响着成品烧结矿的质量。 本文针对布料装置的工艺要求和设备情况，确定了布料装置液压系统控制方 案。布料控制由油缸驱动，设计液压系统采用电液比例控制系统对布料闸门进行 调节，并确定了主回路使用比例换向阀，控制系统液压缸的上升、下降以及速度。 同时设计确定了电液比例系统主要元件的规格型号及参数。 在确定液压系统元件参数的基础上，完成了混合料布料液压控制系统的数学 模型和设计计算。通过理论分析，根据油缸流量负载方程和力平衡方程首次建立 了比例阀控布料装置非对称液压缸的数学模型和传递函数。 利用仿真技术对混料布料液压调节系统的动静态过程和响应频率进行了仿 真，其结果证明所设计的液压系统运行平稳、响应快，满足混和料布料闸门启闭 及时、布料平稳均匀的工艺要求，同时证明了所设计液压系统及所建数学模型的 正确性。 分析介绍了布料装置的工艺流程，p l c 自动控制方法及控制过程。布料装置具 有p l c 内部编辑、自动布料的特点。 从设备应用情况看，本课题达到了混合料布料液压系统设计的预期效果，解决 了长期以来混合料布料面临的实际问题。本文的研究不仅具有重要的实际意义， 也为企业生产提供了科学的技术指导和可行性依据。 关键词混合料布料；比例控制；建模；仿真 山东大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i n g d e v i c ed i s t r i b u t e st h es i n t e r i n gm i x t u r em i x e dt o p l a t f o r mo f s i n t e r i n g m a c h i n ei nc o u i o fs i n t e r i n g a c c o r d i l l gt op r o d u c t i o nt e c h n o l o g y r e q u i r e m e n t d i s t r i b u t i n gq u a l i t yw i l le f f e c td i r e c t l ya l l u m a g ec o n d i t i o n ；o fc h a r g el e v e l ， c o n s u m p t i o i lo fc o a lg a sa n db u r n - u po fs o l i d ，a n dw i l le f f e c tt h eq u a l i t yo ff i n i s h e d s i n t e r i n go r ep r o d u c t a c c o r d i n gt op r o c e s sr e q u i r e m e n t sa n de q u i p m e mc o n d i t i o na b o u td i s t r i b u t i n g d e v i c e ，t h et h e s i se s t a b l i s h e s t h e c o n t r o lp r o g r a mo fh y d r a u l i cs y s t e ma b o u t d i s 研b u t i n gd e v i c e t h ec o n t r o lo fd i s t r i b u t i n gi sd r i v e db yo i lc y l i n d e r ；t h ed e s i g ni s d o n et h a th y d r a u l i cs y s t e ma d o p t e se l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y j t e mt o a d j u s td i s t r i b u t i n gd r a w - g a t e ；a n dd e t e r m i n e st h a tm a i nc i r c u i tu s e sp r o p o r t i o n a l r e v e r s a lv a l v et oc o n t r o lu p - d o w na n ds p e e do f h y d r a u l i cc y l i n d e r s p e c i f i c a t i o n ，m o d e l n u m b e ra n dp a r a m e t e ro fm a i np a r t si n e l e c t r c i - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ls y s t e ma r e d e s i g n e da n dd e t e r m i n e da tt h em e a n t i m e m a t h e m a t i cm o d e la n dd e s i g nc a l c u l a t i o no fh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma b o u t d i s t r i b u t i n gd e v i c e a l ef i n i s h e di nt h eb a s i so fd e t e r m i n i n gp a r t sp a r a m e t e ro f h y d r a u l i cs y s t e m t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s m a t h e m a t i cm o d e la n dt r a n s f e r f u n c t i o no fp r o p o r t i o n a lv a l v e - c o n t r o ld i s s y m m e t r i c a lh y d r a u l i cc y l i n d e ro fd i s t r i b u t i n g d e v i c ea r ee s t a b l i s h e df i r s t l ya c c o r d i n gt of l o w - l o a de q u a t i o na n df o m eb a l a n c e e q u a t i o no f o i lc y l i n d e r t e c h n i q u eo fs i m u l a t i o ni su t i l i z e dt os i m u l a t ed y n a m i ca n ds t a t i cc o u r s ea n d r e s p o n s e 疗e q u e n c yo f h y d r a u l i cr e g u l a t i n gs y s t e ma b o u td i s t r i b u t i n gd e v i c e t h er e s u l t p r o v e st h a th y d r a u l i cs y s t e md e s i g n e do p e r a t e ss m o o t h l ya n dr e s p o n s e sq u i c k l y , a n di t m e e t d i s t r i b u t i n gd r a w - g a t et h ep r o c e s sr e q u i r e m e n to fs t a r t - s t o p i nt i m ea n d d i s t r i b u t i n gs m o o t h l y ，u n i f o r m l y a tt h e 姗et i m e ，i tp r o v e st h ec o r r e c t i o no f h y d r a u l i c s y s t e md e s i g n e da n dm a t h e m a t i cm o d e le s t a b l i s h e d p r o c e s sf l o w ，p l ca u t o m a t i cc o n t r o lm e t h o da n dc o n t r o lp r o c e s sa l ea n a l y s i z e d i i a n di n t r o d u c e d d i s t r i b u t i n gd e v i c ei s c h a r a c t e r i z e db yp l ci n t e m a le d i t o r 锄d a u t o m a t i cd i s t r i b u t i n g f r o mu s e dc a s eo fe q u i p m e n t ，t h et h e s i sr e a c h e st h ee x p e c t e de f f e c to fh y 出a u l i c 5 y s t e md e s i g n e do fd i s t r i b u t i n gd e v i c es o l v e sa c t u a lq u e s t i o nf a c e db y d i s t r i b u t i n g d e v i c ef o rl o n gt i m e s t h es t u d yi sg i v e dv i t a la c t u a l s i g n i f i c a n c e ，i tc 觚a l s op r o v i d e s c i e n t i f i ct e c h n i c a lg u i d ea n df e a s i b i l i t yb a s i sf o r e n t e r p r i s ep r o d u c t i o n k e y w o r d s d i s t r i b u t i n gd e v i c eo fm i x t u r e ；p r o p o r t i o n a lc o n t r o l ；m o d e lb u i l d i n g ； s i m u l a t e i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 蝴一渺麓粗 。 一 i 1 课题的来源及意义 第1 章绪论 济南钢铁集团总公司始建于1 9 5 8 年，是山东省建厂最早、规模最大的全民所 有制大型钢铁联合企业，济钢的主要产品有：中板、中厚板、圆钢、螺纹钢筋、槽 钢、角钢等钢材制品，另外还有焦化产品、水泥、金属制品、耐火材料等，总共 1 3 大类，1 5 2 个种类，2 6 5 0 个规格。先后有2 2 个产品分别获得国、部、省优质产 品称号，船板、热轧带肋钢筋、碳素结构钢板获国家实物质量金杯奖，a 、b 、a i 级船板通过了中、英、法、日、德、美、挪七国认证。质量管理通过了i s 0 9 0 0 2 质量体系认证。 “十五”期间，济钢总公司提出“建设大而强的新济钢，实现跨越式发展” 的宏伟目标。通过认真研究国内外钢铁市场形势，按照最大限度地发挥生产潜力， 提高产量和质量，降低系统成本，加快结构调整，突出技术、管理创新，进一步 扩大品种，提高市场竞争力，全面提高企业经济效益的指导思想，建设了l # 1 2 0 t 转炉、中厚板二，三期工程，1 、2 # 焦炉工程，3 # ( 1 4 m ) 竖炉工程，2 0 0 0 0 m 3 h 制 氧机，1 # 1 7 5 0 m 3 高炉工程，这些工程已经于2 0 0 4 年先后投产。2 0 0 5 年对济钢来说 更是不平凡的一年，被称为济钢的建设发展年，这一年济钢不仅要完成i 0 0 0 万吨 钢的生产任务，而且新建的冷轧镀锌板和彩涂板工程、热连轧薄板工程、2 # 、3 # 1 2 0 t 转炉、2 # 、3 # 1 7 5 0 m 3 高炉等项目将在年底全部投产，这些项目的建成一 方面会促进1 0 0 0 万吨钢目标的完成，同时也必将大大提升企业的竞争力。 济钢第一烧结厂现有两台1 2 0 m 烧结机和两台6 0 m 烧结机，其任务就是向炼铁 高炉提供成分和粒度合格的成品烧结矿，供高炉冶炼铁水使用，4 台烧结机的烧结 矿产量为4 8 0 万吨年。3 座1 7 5 0 m 3 高炉投产后每天将缺少成品烧结矿1 0 0 0 0 吨， 因此必须增加烧结矿的生产能力。在此背景下济钢决定新建一台3 2 0 m 2 烧结机，年 产烧结矿3 4 0 万吨，这样加上现有的4 台烧结机，烧结矿总产量可达8 2 0 万吨年， 基本解决炼铁高炉熟料缺少的情况，保障了济钢整个工艺生产线的物料平衡1 。 为了提高烧结矿质量，降低燃料消耗，3 2 0m 。烧结机与芬兰r a u t a r u u k k i 公司合作 采用了国际先进的烧结机工艺及自动化控制系统。在这个系统中，对布到烧结台 山东大学工程硕士学位论文 车上的料层情况进行反馈控制，即首先对烧结台车的料层厚度进行检测，用收集 的数据来控制烧结机布料系统给料闸门的开启度，保持料层在横向和纵向的成分 稳定和料面平整，从而提高烧结矿的质量，减少波动。 在烧结机布料系统中，用什么机构来调节布料闸门开度非常关键。首先要保 证动作的精确性，能按给定信号调节闸门开启度，并能进行自动校正。其次要能 适应设备周围的工况和烧结混合料的情况，具有较长的寿命。第一烧结厂使用的 布料闸门调节机构为步进电机驱动，由于不能适应工况，电机使用寿命很短，经 常断轴，既耗费了大量的备件费用，又影响了生产的高效稳定。鉴于这种情况， 在3 2 0m 2 烧结机工程中，我们决定用液压系统取代步进电机来完成对布料闸门的 开启度调节。 但是，综观国内烧结机，在布料闸门调节这个工序中，还没有成熟的经验可 以借鉴，有些厂家在液压系统的使用上也很不成功。这里面有设备本身的原因， 有管理的原因，但是更重要的是技术方面的原因。因为大家都以为烧结厂的设备 是傻、大、黑、粗，而液压系统也不复杂，所以在系统设计和动态特性研究方面 都没有专门去做工作，导致系统本身的不完善，同时系统也没有在最优状态下工 作，从而导致了上述后果。 本课题就是在这种情况下开展的。首先在设计液压系统时，充分考虑到现场 的条件，使系统适应现场的环境和工况，保证系统本身的可靠性，其次对系统进 行动态特性分析，找出系统运行的最优参数，指导操作。希望通过本课题的研究， 完成布料液压系统的设计研制及高指标要求，保证其安全可靠性，节约成本；同 时完成其动作的自动化要求，实现其高的可靠性、灵活性和高的效率；最后从参 数调节方面实现系统的最优运行状态。 1 2 电液比例控制技术 1 2 1 液压控制系统 目前在实际运用中，液压控制系统主要有以下三类； ( 1 ) 液压开关控制 第1 章绪论 ( 2 ) 电液比例控制 ( 3 ) 电液伺服控制 各类系统的核心在于所选择的控制元件即开关阀、比例阀、伺服阀，根据系 统要求来选择控制元件，对于开环系统通常选择开关阀，而闭环系统选择伺服阀， 比例阀既可用于开环系统，也可用于闭环系统。一般来说，开关阀有两种状态； 开启和关闭，因此要实现高质量的复杂控制时，必须有足够大量元件，把各元件 调整成某一特殊状态。必要时选通这一元件，从而实现使被控对象按预定的顺序 和要求动作。在工程实际应用中由于大多数被控对象仅需要有限的几种状态，可 以应用开关控制。开关元件通常简单可靠，不存在系统不稳定的情况。可以利用 计算机输出的数字信号经放大后驱动开关元件，省去昂贵的数模转换元件，从而 使电气控制变的简单，而比例阀、伺服阀都可以依据输入电信号来控制液流方向， 并使流量和压力比例地，连续地受到控制，可以认为其有无限种状态，可以分别 对应于被控对象地无限种运动状态。 表i - i 列出了三类系统所用伺服元件、比例元件和开关元件的性能对比。 表卜l 伺服、比例和开关元件的性能对比 划 伺服阀比例阀开关阀 劳拦、 介质过滤精度( u m ) 32 52 5 阀内压力降 7o 5 2o 2 5 o 5 稳态滞环 1 3l 3 重复精度 0 5 10 5 l 频宽 2 0 2 0 02 5 中位死区无有有 价格因子 3 l o 5 由表卜1 可见，传统的电液伺服阀由于对流体介质的清洁度要求十分苛刻， 其制造成本高，维护费用高，系统能耗也比较大，一般控制系统不宜采用。而传 统的电液开关控制又不能满足高质量控制系统的要求。比例阀则是以传统的工业 一3 一 山东大学工程硕士学位论文 用液压控制阀为基础，采用可靠，廉价的模拟式电一机械转换器和与之相应的阀 内结构设计。从而获得对油质要求一般，价廉，阀内压力损失低，性能又能满足 大部分工业控制要求的比例元件。比例阀是介于开关阀与伺服阀之问的一种元件。 与电液伺服阀相比，其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速 性方面还不如伺服阀外，其他方面的性能与控制水平与伺服阀的相当，虽然价格 较贵，但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂，特别是要求有 高质量的控制水平的地方，比例阀逐渐代替了传统开关阀。此外，比例控制阀还 可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合控制功能这使得比例控制系统 较之开关阀控制系统，不但控制性能得以提高，而且使系统更为简化。因此比例 阀更为广泛底获得应用“”。 1 2 2 电液比例控制技术 1 2 2 1 电液比例控制技术概述及其发展历史 在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力 连续地成比例地得到控制的系统，都可以被称为电液比例控制系统。 电液比例控制技术是近3 0 年发展起来的介于普通断通控制与电液伺服控制之 间的新型电液控制技术分支，它作为连接现代化微电子技术和大功率工程控制设 备之间的桥梁，己经成为现代控制工程的基本构成之一，在机电一体化和工程设 备实现计算机控制的技术进步过程中得到了充分的应用与发展。 比例技术的发展大致可以划分为三个阶段： 从1 9 6 7 年瑞士b e r i n g e r 公司生产k l 比例复合阀起，到7 0 年代初日本油研公司 申请了压力和流量比例阀二项专利为止，标志着比例技术的诞生时期。这一阶段 的比例阀仅仅是将比例型的电一机械转换器，如比例电磁铁代替传统液压阀的开 关电磁铁或手调螺杆机构而己。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化，大多数 不含内反馈闭环。其工作频宽也仅在卜5 h z 之间，稳态滞环在4 一7 之间。多用于 开环控制，这个时期的阀可以称之为早期比例阀。 1 9 7 5 1 9 8 0 年间可以认为比例技术的发展进入了第二阶段采用各种内反馈原 一4 - m 4 # 女 第1 章绪论 理的比例器件大量闻世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也日趋成熟， 比例器件的工作频宽己达5 1 5 h z ，稳态滞环亦已缩d x 至u 3 左右。应用领域也同渐 扩大，不仅用于开环控制，也被应用于闭环控制。 8 0 年代，比例技术进入了发展的第三阶段。比例器件设计原理进一步完善， 采用压力、流量、位移内反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀的稳态精度，动 态响应和稳定性都有了迸一步的提高，除了因制造成本所限，比例阀在中位保留 死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀没多大差别。另一项重大进展 是，比例技术开始和插装阀控制技术相结全，开发出各种不同功能和规格的二通、 三通型比例插装阀。形成了8 0 年代的电液比例插装技术的新特征。同时，由于传 感器和电子技术的发展还出现了电液一体化的比例器件。电液比例技术逐步形成 了8 0 年代的集成化趋势。第三个值得指出的进展是电液比例容积器件，各类比例 泵比例控制马达相继出现，为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。 比例控制多用于开环控制，图1 - 1 为简化的开环电液比例控制方框图。 电液比例阀 图1 - 1 简化的开环电液比例控制方框图 输入信号p 经电控制器处理放大后向比例阀的电磁铁输送电流i ，电磁铁产生 与输入电流诚一定比例的电磁力兄，此力作用在比例控制阀的阀芯上，使之产生 相应的位移，从而控制来自液压泵的压力能，把相应的压力p 或流量q 输送给液 压缸和液压马达，使负载得到一定的推力f 或速度v 。 电液比例控制系统的性能及其较高的自动化程度，使它在很多的工业项目中 广泛应用。它的最主要优点体现在以下几个方面： 一5 一 山东大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 可明显地简化液压系统，实现复杂程序的控制，操作简单方便，相对于 电液伺服控制降低了费用，提高了可靠性。 ( 2 ) 利用电信号便于实现远距离控制或遥控。 ( 3 ) 工作平稳，利用反馈可以提高控制精度或实现特定的控制目标，具有较 高的控制精度。 ( 4 ) 能按比例控制液流的流量、压力，从而对执行器件实现方向、速度和力 的连续控制，并易实现无级调速。 1 2 2 2 电液比例控制技术的国内外发展现状及发展趋势 ( 1 ) 电液比例控制技术的国外发展现状 国外电液比例技术的研究始于本世纪四十年代，到七十年代投入了广泛的工 业应用，至今己形成完整的产品品种、规格系列，并对己成熟的产品，为进一步 扩大应用，在保持原基本性能与技术指标的前提下，向着简化结构、提高可靠性、 降低制造成本的方向发展。 国外电液比例技术己经成熟，并有了推广运用，比如波克兰叉车使用了电液 比例控制系统，又如德国博世公司开发的农业拖拉机液压提升器电子控制系统， 引入了比例阀等。 液压工业己成了全球性的工业，国际液压界一些著名公司如美国的派克汉尼 汾公司、德国的博世力士乐公司等居世界领先地位。电液比例控制的理论研究和 技术的发展是液压工业领域发展的大趋势，是液压工业又一个新的技术热点和增 长点。 ( 2 ) 电液比例控制技术的国内发展现状 对于电液比例控制技术，国内外不仅己开展研究而且已经达到广泛的实际应 用，但目前国内的制造和技术还落后于国际水平。我国电液比例技术到七十年代 中期开始发展，在国内的应用、尤其在工程机械上的开发应用才刚起步。总的看， 我国电液伺服比例技术与国际水平比有较大差距，主要表现在：缺乏主导系列产 品，现有产品型号规格杂乱，品种规格不全，各类比例泵、比例阀等，国内设计 生产的品种少，并缺乏足够的工业性试验研究：在控制技术方面，自动化程度不高， 一6 一 第l 章绪论 性能水平较低，质量不稳定，可靠性较差，以及存在二次配套件的问题等，都有 碍于该项技术进一步地扩大应用，急待尽快提高。 ( 3 ) 电液比例控制技术的国外发展趋势 国外近年来，电液比例技术的发展趋势： 提高控制性能，适应机电液一体化主机的发展。提高比例阀及远控多路阀的 性能使之适应野外工作条件，并发展低成本比例阀。 电液比例技术与二通和三通插装技术相结合，形成了比例插装技术，此外出 现比例容积控制，为中、大功率控制系统节能提供新手段。 电子控制器向着专用集成电路方向发展，实现小型化、组合化，并达到高可 靠性目的。 电液比例阀向通用化、模块化、组全化、集成化方向发展，以实现规模经济 生产，降低制造成本，开发变量泵控制专用电液比例阀，以及阀与泵的结构性能 匹配设计。 电液比例技术的主要基础元件的相互衔接愈来愈密切，零部件通用化程度不 断提高柏6 。 1 3 大型烧结设备发展概述 1 3 1 烧结厂生产流程 烧结厂生产工艺流程如图卜2 所示”1 从烧结厂厂外运来的各种烧结原料在综合原料场进行初步混匀后成为混匀 料，通过皮带机运输到烧结厂配料室料仓，和烧结厂新增加的熔剂、燃料、返矿 一同通过配料圆盘和皮带秤按照设定配比进行定量配料，形成烧结混合料；烧结 混合料通过皮带运输机到圆筒混合机，在圆筒混合机内分别加水、蒸汽同时进一 步混匀；混匀后的烧结矿用皮带机运输到烧结机上面，通过梭式不料车将混合料 布到混合料槽，同时一部分较细颗粒的成品烧结矿作为铺底料通过皮带运输到铺 底料槽；铺底料槽和混合料槽内的料通过布料器均匀布到烧结机台车上，当烧结 机台车通过点火炉时，里面的混合料被点着开始烧结过程，当台车运行到烧结机 一7 一 尾部时，烧结过程完成，通过单辊破碎机的破碎进入到烧结矿冷却设备；烧结矿 经过冷却后落到皮带上，通过皮带机运送到成品筛分设备上；通过筛分设备将工 艺设定各种粒度的成品烧结矿分离开，分为成品矿、返矿、铺底料进入相应流程， 其中成品矿作为高炉炼铁的主要原科参与炼铁工艺，返矿作为烧结厂的原料之一 重新参与配料，铺底料通过专用皮带机运到烧结机上作为铺底料使用。 图1 屹烧结机工艺流程图 1 3 2 国外大型烧结技术装备发展状况 ( 1 ) 概况 世界上共有4 0 0m 。以上的大型带式烧结机及其配套设备近4 0 套，绝大多数是 第1 章绪论 7 0 年代投产的。这些设各技术先进，工艺完善，自动化程度较高。其中最大的烧 结机为前苏联马格尼托歌尔斯克钢铁公司第五烧结厂的6 8 4m 2 带式烧结机。在烧 结技术装备方面日本发展速度最快，有1 0 套大型烧结设备，占世界总数的2 5 以 上。 表卜2 为国外部分大型烧结设备一览表。 表1 - 2 国外部分大型烧结设备一览表 烧结机型号设计能力 国家厂名投产时间台数 ( 盯)( t c ) 日本新日铁大分机 6 0 01 9 7 5 62 5 0 0 0l 马格尼托歌尔斯克钢铁 前苏联 6 8 41 9 8 62 8 0 0 02 公司第五烧结厂 克虏伯公司莱茵豪森厂 德国 ，4 0 0 1 9 7 21 6 0 0 0l 5 机 法国索里梅公司福斯厂 4 0 01 9 7 31 6 0 0 0l 巴西图把朗n 。1 机 4 4 01 9 8 31 5 0 0 01 意大利塔兰托n 。5 机 4 0 01 9 7 52 0 0 0 0l 韩国浦项钢铁公司广梁湾厂4 0 01 9 8 71 3 0 0 01 ( 2 ) 技术装备发展情况 1 ) 原料场 进行原料中和混匀，力求达到烧结矿成分的稳定，是现代高炉获得高生产率、 低能耗、生铁质量稳定的重要手段，因此，国外建造的烧结厂，除了采用冷矿工 艺、设置储矿能力较大的原料堆存场外，几乎都配备褶当规模的中和混匀设施。 2 ) 混合造球机 采用混合料造球可提高烧结混合料的透气性及烧结矿成品率，国外多采用圆 筒混合造球机。 3 ) 布料装置 改进布料方法，保持烧结混合料的粒度和固定碳在料层高度方向上合理偏析， 山东大学工程硕士学位论文 是强化烧结过程，提高烧结矿质量，降低烧结能耗的重要措施，因此普遍采用偏 析布料装置。 4 ) 点火装置 采用多种节能新型点火烧嘴，如线式烧嘴、长缝式烧嘴等；点火炉的结构形 式从过去高、大、笨朝矮、小、节能的方向发展。 5 ) 烧结机 烧结机的改进主要表现在增加烧结机有效面积、采用厚料层烧结、延长烧结 机台车寿命、控制烧结机台车跑偏等方面。 6 ) 主抽风机 采取多种措施，严格控制电耗；采用高压风机。 7 ) 密封装置 目前各种类型烧结机的共同问题是烧结机漏风率大，高达3 0 5 0 。如前 苏联达部分烧结机抽风系统的漏风率都在5 0 以上，也就是说主抽风机的抽风量 有一半以上没有参与烧结过程。因此，国外很多烧结厂都很重视烧结系统漏风的 防治，采用各种有效措施进行改进，取得了降低漏风率的显著效果，如日本大部 分烧结厂每吨烧结矿消耗的风量都在2 0 0 0 m 3 以下，有的甚至低到i 0 5 8 1 2 6 6m 3 。 8 ) 破碎筛分设备 常用的热矿破碎机有单辊破碎机、快速转子式破碎机、和挤压式破碎机，其 中最先进的是单辊水冷式热矿破碎机；由于热矿振动筛长期在高温、多尘的恶劣 条件下运转，事故较多，影响了烧结机作业率的提高。随着烧结机向大型化、自 动化发展，有些国家已采用增加冷却机风机负压与处理能力的方法，而取消了热 矿筛。 9 ) 冷却机 烧结矿的冷却风方式分为抽风和鼓风，目前应用最多的是鼓风冷却。 1 0 ) 余热回收 烧结生产过程中，热烧结矿显热和烧结烟气显热占烧结过程热耗的5 0 以上， 因此各烧结厂都很重视余热回收工作。回收方式主要有预热点火空气、余热蒸汽 采暖、余热蒸汽发电。 第l 章绪论 1 1 ) 环境保护 近年来各国都采取了一系列的措施。同本的烧结厂在干式除尘器上引入了问 歇荷电技术、增加了脱硫装置。 1 2 ) 自动控制 随着烧结技术的进步，烧结过程自动控制技术得到飞速发展，数字控制仪表、 c r t 智能操作台和微处理机已广泛地应用到烧结生产过程控制和生产管理中。 1 3 3 我国大型烧结设备发展概述 ( 1 ) 大型烧结设备现状 据统计，到1 9 9 7 年为止，我国重点钢铁企业和地方骨干企业正在生产的烧结 机为2 1 0 台，其中重点钢铁企业1 0 0 台，总面积为9 6 6 7 5 盯，地方骨干企业1 1 0 台，总面积为3 5 5 7 5 时；正在新建的烧结机1 9 台，计2 0 8 3 吖，其中重点钢铁企 业1 2 台( 数据) 。 在大型烧结成套设备方面，上海宝山钢铁公司有3 台4 5 0 吖烧结设备，武汉 钢铁公司为1 台4 3 5m 2 和一台3 6 0m 烧结设备，马鞍山钢铁公司有两台3 0 0 时烧 结设备，安钢1 台烧结机，鞍山钢铁公司两台3 6 0 m 2 烧结机，本溪钢铁公司l 台3 6 0 m 2 烧结机，济钢的3 2 0m 烧结机。这些设备有的已建成投产，有的正在建设，即将 投产。 ( 2 ) 我国大型烧结设备水平简述 1 ) 进入了世界大型烧结设备先进的技术行列。目前，世界上4 0 0 时以上的烧 结机仅有3 0 余套，而拥有4 5 0m z 以上烧结设备的只有日本、原苏联等少数国家。 而国内自行设计、制造的宝钢4 5 0m 烧结设备、武钢4 3 5m 2 烧结设备均处于领先 行列。 2 ) 开发了大型鼓风环式与带式冷却设备，如4 6 0 盯鼓风环式冷却机和3 2 0m 鼓风带式冷却机。 3 ) 研制出了高效率的大型环保设备。主烟道烟气的处理能力达到2 1 0 0 0 m 3 m i n ； 电器控制系统采用了计算机化的全智能控制器和两级计算机通讯网络，同时采用 了过程控制和管理计算机。 山东大学工程硕士学位论文 4 ) 发展了完整的大型冷矿系统整粒设备，如宝钢三期工程，二次筛分和三次 筛分振动筛外形尺寸为3 m 9 m 。 5 ) 发展了高效余热回收装置目前最常用的为利用冷却机的余热生产高温蒸 汽，马鞍山钢铁公司的余热发电项目正在实施。 6 ) 自动化控制水平有较大进步。许多厂家采用了计算机集散控制系统，取代 了常规模拟仪表控制系统，济钢新建3 2 0m | 烧结机采用了芬兰r a u t a r u u k k i 公司 的烧结机监控系统，预计燃料消耗将降低4 ，烧结矿质量波动将降低5 9 1 1 1 0 | | 1 1 | 。 1 4 烧结布料装置 为了寻求一种理想的布料方法，国外进行过许多研究，象日本、前苏联等国 家根据不同的原理已经研究出多种布料方法 日本各烧结厂采用的布料方法有条筛溜槽布料法、吹风偏析布料法、倾斜偏 析板布料法、改进型圆辊布料法、多段闸门辊式布料、强化筛分布料法；前苏联 采用的布料方法有电振布料法、旋转漏斗式布料法、料流稳定器布料法、倾斜阶 梯式布料法、转动式反射板布料法、磁辊布料法”2 ，n ”。 济钢原来的烧结厂的布料装置为稚料圆辊一反射板装置，布料圆辊的开度靠 布料闸门来控制。布料闸门的驱动控制经历了几个发展过程。第一烧结厂2 9 0 m 2 烧结机刚投产时采用的是钢丝绳一定滑轮系统。该系统钢丝绳一端连接着布料 闸门，中间通过定滑轮变向，另一端连着配重。配重利用自重产生拉力和闸门给 钢丝绳的拉力相平衡，当需要调整闸门开度时，通过人的拉力增加或减少配重给 钢丝绳的拉力来完成。这个系统的调节周期和调节量都是靠人手动完成，同时调 节的效果也是由人凭经验来判定，因此随动性和准确性都很差。2 0 0 2 年两台烧结 机大修改造时对上述闸门驱动系统进行了改造。动力由步进电机提供，通过连杆 和铰支点将步进电机的水平运动转化为闸门的旋转运动，从而改变闸门和圆辊表 面的间隙来调整下料量。作为一种把数字电脉冲信号转换成机械角位移的机电元 件，步进电机具有控制简单、价格低、维护容易、定位精度高、无累积位置误差、 可自锁、控制成本低等特点而得到广泛应用m 1 但是存在明显缺陷。首先是，在 使用过程中步进电机不能适应生产工况，使用寿命太低，更换频繁，不仅影响了 t 。一带州伊州就r ”牌期州日p 怫删_ p “”褂寿寥盹 第1 章绪论 生产而且耗费了大量资金，仅2 0 0 3 年一年就耗资6 0 万元；其次该系统是开环控 制系统，不能根据反馈情况来调整开度，只能根据指令工作。 在3 2 0m 2 烧结机工程中，根据以前的使用情况，我们决定采用液压系统来完 成闸门控制。其过程和步进电机驱动系统一样，只是由液压缸代替了步进电机， 同时在液压缸内设置位移传感器测量活塞杆的位移情况，并反馈进行控制。这样 就保证了执行机构的准确性，而液压系统本身的优点又避免了步进电机损坏过快 的问题。 山东大学工程硕士学位论文 第2 章布料装置液压系统设计 2 1 布料装置 2 1 1 布料装置的工艺作用 布料装置在烧结过程中的作用是把混匀后的烧结混和料从混合料槽中按照生 产工艺要求布到烧结台车上面。要想提高成品烧结矿的质量，必须提高布料质量， 同时提高布料质量对于改善料面点火情况尤其是煤气消耗和固体燃耗，也起着相 当大的作用“”，因此对混合料布料需要满足以下要求。 ( 1 ) 沿台车宽度方向上布料量应均匀一致。 ( 2 ) 沿台车宽度方向上同一高度的混合料粒度和水分应均匀分布。 ( 3 ) 从料面垂直向下方向混合料粒度分布逐渐变粗，燃料分布逐渐减少。 ( 4 ) 料面要求平整。 ( 5 ) 料层有良好的透气性 t 6 j 达到上述要求，才能基本实现“均匀烧结”，有效控制料层上、中、下部的烧 结速度，在提高烧结矿产量的同时，获得良好的烧结矿质量n ”。 2 1 2 济钢3 2 0 m 2 烧结机布料工艺过程 3 2 0m 。烧结机布料的具体工艺过程为：混合料槽中的烧结混合料在重力和布料 圆辊转动时辊皮表面摩擦力的带动下不断从料槽中落到下面的反射板上，通过反 射板的缓冲和偏析把料布到下面的烧结台车上，由运动的台车载着混合料完成烧 结过程，从而把烧结混合料生料变成熟烧结矿。在这个工序过程中，为了达到烧 结过程最优化要求，采用了烧结料层厚度控制”1 。通过平均层厚控制、布料 圆辊机速控制、布料闸门控制来实现啪具体来说，一方面是通过变频电机调整 布料圆辊的旋转速度来完成，而这只能作为粗调，不能完全达到要求：另一方面 是在圆辊转速不变的情况下通过调节布料闸门的开启度来调整下料量的大小，这 属于微调机构。但是，布料圆辊的转速调整受到其它条件的制约，只能在2 8 8 4 r m i n 范围内调节，当转动速度过低时就会影响到混合料的运动速度和运动轨 迹，从而影响偏析布料效果“嘲。引起负面效应，达不到布料的基本要求，因 此在圆辊调速的基础上还需要有布料闸门调节系统通过调节闸门开度来更精确地 1 4 0h女 第2 章布料装置液压系统设计 控制料量调整，从而满足生产工艺的要求，把烧结混合料生料烧成质量优异的成 品烧结矿。 2 1 3 济钢3 2 0 m 2 烧结机布料装置的组成 济钢3 2 0m 2 烧结机布料装置如图2 一l 所示，布料系统由布料圆辊、布料闸门、 和反射板( 本图略) 组成。布料圆辊由专门的驱动系统驱动，采用变频电机，速 度为2 8 8 4 r m i n ；布料闸门为8 个，两边宽度为3 1 9 m ，中间6 块为5 5 0 r a m ，布 料门之问的间隙为6 m ，布料闸门的驱动采用液压系统，由8 个液压缸驱动，互相 独立，互不关联。 胛 轴：才上一 叭l 缮 岁 彷 尉 心箍 j 一戥 _ t 图2 - i 烧结机布料装置 1 混合料槽2 混科布料液压缸3 布料挡板 4 圆辊给料器5 台车栏板上沿6 台车篦条上表面 2 1 4 济钢3 2 0 m 2 烧结机布料装置的工作过程 首先，s p s s 系统中的烧结机给料控制模型根据压入率检测装置反馈的数据经过 计算后在2 8 8 4 r r a i n 范围内来调节布料圆辊的转速，以满足该模型对布料效 山东大学工程硕士学位论文 果的要求；在此基础上，烧透点控制模型根据烧结过程反馈的数据经过计算后通 过控制系统来控制布料闸门的开启和定位，通过布料闸门的调整满足模型对布料 效果的要求，以保持烧透点的恒定，进而保持烧结矿质量的稳定。正常工作情况 下，通过调节布料圆辊的转速来调节压入率的使用较少，因为它属于粗调，会引 起压入率的过度变化，而实际工作中布料闸门的调整更为频繁，因为布料闸门的 调整可以在允许范围内满足烧结过程对压入率的要求。 2 2 液压系统设计背景 2 2 13 2 0 a 2 烧结机技术参数 2 2 1 1 烧结机 一 ( 1 ) 烧结机型式：带式 ( 2 ) 烧结机有效烧结面积：3 2 0m 2 ( 3 ) 烧结机有效抽风长度：8 0m ( 4 ) 烧结机有效烧结宽度：4m ( 5 ) 烧结机机头至尾轮中心距头尾轮节圆直径：9 5 6 0 0m m 0 4 1 3 6 姗 ( 6 ) 台车运行速度：1 7 5 1m m i n ( 7 ) 料层厚度：6 5 0 7 0 0m m ( 8 ) 设计能力：8 5 0 t h 、 。 ( 9 ) 烧结机外形尺寸( 长x 宽x 高) ：1 0 4 x 1 3 5 x 1 6 7 ( m ) ( 1 0 ) 烧结机自重：2 0 5 0 0 0 0k g 2 2 1 2 混合料槽 ( 1 ) 料槽型式：双层料槽 ( 2 ) 有效容积：5 0m 3 2 2 1 3 布料圆辊 ( 1 ) 圆辊直径：中1 2 8 2 m ( 2 ) 圆辊长度：4 0 4 6 哪 ( 3 ) 圆辊转速：2 8 8 4r m i n ( 4 ) 驱动电机额定功率：1 8 5k w ；哮矿 _ _ 一 州 一 肾 一 一 一 一 竹 一 墙 第2 章布料装胃液压系统设计 ( 5 ) 变频调速频率：1 7 5 0h z 2 2 2 芬兰罗德洛基s p s s 技术的引进 济钢新建3 2 0 m 2 烧结机工程是济钢“十五”规划重点项目，是济钢实现2 l 世 纪跨越式发展的重要工程之一。奥钢联芬兰罗德洛基工程部目前烧结自动控制水 平位于世界顶级水平，经过考察交流，济钢新建3 2 0 m 2 烧结机工程确定采用其烧结 厂监控系统( s p s s ) 技术，由奥钢联芬兰工程部向济钢提供s p s s 技术设计说明和 技术服务，双方联合开发。 s p s s 技术包含有目前烧结生产最新和最先进的操作控制技术，系统应用软件 包括工艺计算、控制模型以及实现先进烧结厂生产控制的工艺监控和人机接口。 其核心部分是控制模型，包括基础级工艺模型和2 级工艺模型。s p s s 系统需要可 靠的过程接口，依靠现场仪表采集数据，传到s p s s 系统。系统依据现场采集的实 时数据，采用控制模型来进行烧结过程控制，控制思想简洁，自动化控制水平高， 可以优化用户烧结机工艺控制，有助于生产人员操作。根据对工艺过程实时检测 的信息和工艺模型的计算，该系统可以稳定有效地帮助用户进行生产，大大减少 了烧结生产中人工操作失误所带来的损失，可使总燃料率( 焦炭比率，m j t s i ) 减少3 ，产量( t m v d ) 增加2 ，烧结质量波动( 标准波动) 减少3 ，优化了烧结 矿质量，稳定烧结过程，同时提高烧结厂的自动化操作控制水平，使济钢烧结机 自动化水平在国内处于领先水平，向世界先进水平迈进。 2 2 3 液压系统的提出 在s p s s 系统中，涉及混合料给料控制的有两个模型其一是烧结机给料控制 模型，它是一个基础级模型，在线控制烧结混合料料流，使给料保持稳定，模型 控制圆辊给料速率使烧结机压入率保持稳定，通过超声波检测压入率。其二是烧 透点控制模型，它是一个2 级模型，计算烧结层横向断面上b r p ”1 的位置，并利 用布料闸门控制压入率模型的目的是使烧结层横向断面火焰前锋保持一致，压 入率尽可能平滑稳定，这意味着烧结机烧透点恒定，从而保证烧结矿质量保持稳 定，另外炉算上方温度降低，也减少了炉箅的损耗。 烧透点的控制在整个模型中处于核心地位，它既要求烧透点在烧结机纵向的 恒定，又要求烧透点在烧结层横向断面保持一致。而烧透点的控制在是通过s p s s 山东大学工程硕士学位论文 系统控制压入率来实现的，压入率的横向分布自动完成b r p 沿台车宽度方向的均 匀分布。压入率是表征烧结料层透气性“钉晒儿剐的一个概念，由超声波料位计测 定的料厚计算得出。压入率计算如下： 压入率= ( b a ) b 1 0 0 9 6( 2 - 1 ) a 一从测量点到反射板前料面的距离( 唧) b 一从测量点到台车的距离( 姗) 而压入率则是通过布料圆辊旁边的布料闸门来控制的。