（机械工程专业论文）开铁口机冷却方式的研究及改造设计.pdf

东北大学硕士学位论文 开铁口机冷却方式的研究与改造设计 摘要 本文是宝钢集团梅山公司炼铁厂技术攻关项目，主要是解决开铁 口机的故障率高，现场的灰尘度较大，备件更换频繁等问题。 随着液压及气动技术在冶金工业中的应用与发展，开铁口技术也 在不断推陈出新，其中气、液混合型开口机是当前较为先进、应用较 为广泛的一种。目前，梅山公司炼铁厂使用的开口铁机为德国生产的 d d s 型开铁口机，经过一段时间的使用，存在诸多问题。在对d d s 开 口铁机的总体结构、液压系统的组成及工作原理进行细致的分析和研 究后，大胆提出了雾化水冷却的方式来解决生产中存在的一系列问 题，并取得了较好的效果，该技术为国内首创。 d d s 型开铁口机存在的主要问题是： ( 1 ) 现场开铁口的过程中因气冷方式引起较大灰尘； ( 2 ) 钻头粘带铁水，钢钎损耗较大： ( 3 ) 钻速较慢； ( 4 ) 进气管高温变形； ( 5 ) 振打机构高温负载较大而损坏，更换率较高等。 本文引进喷嘴雾化理论并对其进行技术改造，使冷却介质由单一 的气体变为雾状气体混合物，使得设备的冷却效果大大提高，同时解 决了设备在使用过程中存在的一系列问题，故障率大大降低，提高了 i i 东北大学硕士学位论文 设备的使用寿命。 改进着力点是如何使水、气在钢钎中雾化，假如没变成雾状而成 为水流的话，那么水碰到高温的铁水就会形成爆炸，后果将不堪设想。 因此怎样使水雾化是改进中的关键技术和难点，水流节流口开口大 小、水流与气流的比例、雾化装置的设计等也是本文着重研究的内容。 关键词开铁口机雾化冷却雾化装置高炉铁口 i 东北大学硕士学位论文a 胎s t r a c t s t u d y a n d d e s i g n o n c o o l i n gm e t h o d s o f i r o n - m o u s e - o p e n e r s m a c h i n e a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei su s e dt oe x p l a i n i n gt h et e c h n o l o g yi t e md e v e l o p e d b ym e i s h a nc o r p o fb a ns t e e lg r o u p ，w h i c hi s d e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m so ft h ei r o nm o u t h o p e n e r ，s u c ha si t sh i g h 矗e q u e n c yo ft h et r o u b l e ，g r e a td u s to ft h ef i e l da n dt h e f r e q u e n t l yc h a n g i n go f t h es p a r ep a r t s 黜t h e d e v e l o p m e n t s o f t h e h y d r a u l i ca n dp n e u m a t i cc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yu s e d i n m e t a l l u r g i c a li n d u s t r y , t h ei r o nm o u t ho p e n e rt e c h n o l o g yh a sh a dan e wr i s i n g ，i n w h i c ht h em i x e dt y p ew i t ht h eh y d r a u l i ca n dp n e u m a t i cc o n t r o l l i n gi sc o m p a r a t i v e l y a d v a n c e da n d e x t e n s i v e l yu s e d a tp r e s e n t ，t h ei r o nm o u t ho p e n e r su s e d i no u rc o r p a r et h ei m p r o v e dt y p e sb a s e do r ld d s t y p ei r o nm o u t ho p e n e r sw h i c hw a sp r i m a d l y p r o d u c e di ng e r m a n y i nt h ec o m s eo fu s i n g 艄f o u n dt h a tt h e r e e x i s t ss e v e r a l p r o b l e m sw h i c hw ec a nn o ti g n o r e c o n s e q u e n t l y , w ep u tf o r w a r d san e wm e a s u r e s ， c a l l e da t o m i z i n ga n d c o o l i n gb y t h ew a t e r , w h i c hi sb a s e do nt h ec a r e f u ls t u d yt ot h ea l l c o n s t r u c t i o no ft h ei r o nm o u t ho p e n e r ，t h ea r c h i t e c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i c t e c h n o l o g y f r o m t h ep r a c t i c e ，w ef o u n di ti sa l le f f e c t i v ei d e a a l s o ，i ti st h ei n t e r n a l f i r s t 。 t h e r ea r em a j o r p r o b l e m s o f t h i sm a c h i n e s 躺f o l l o w s ： l 。b e c a u s eo f a i r - c o o l i n gi nt h ec o u r s eo f t h eo p e n i n gf i e l d ，t h e r ei sm u c hd u s t 。 2 t h ed r i l lb i tg l u e st h em o l t e ni r o na n dh a sl o w e r s p e e d ； 3 t h ed r i l lr o dl o s si sb i g g e r 4 a d v a n c i n g t h ew i n d p i p ec a nb e c o m ed e f o r m e du n d e r h i g ht e m p e r a t u r e 5 t h eo r g a n i z a t i o no ft h ev i b r a t i o na n ds t r i k i n gh a sab i g g e rl o a d e ru n d e rh i 垂 t e m p e r a t u r e ，a n dd a m a g e se a s i l y , a n dt h ec h a n g ef r e q u e n c y i sa l s o h i g h i no r d e rt os o l v eas e r i e so f p r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e ，ir e c o m m e n dt h es p r a y n o z z l ea t o m i z e p r i n c i p l e , a n d h a sr e f o r m e d t e c h n o l o g y i th a sm a d e t h ec o o l i n gm e d i u m b e c o m et h ef o gf o r mg a sm i x t u r eb ys i n g l eg a s ，h a se n h a n c e dt h ec o o l i n ge t t e c to f e q u i p m e n t ，融t h es a n l et i m e , h a ss o l v e das e r i e so fp r o b l e m so ft h ee x i s t e n c eo f e q u i p m e n ti nt h eu s i n gc o u r s e , a n dh a sr a i s e dt h es e r v i c el i f eo fe q u i p m e n t ，a n dh a s g r e a t l y r e d u c e dt h eb a r r i e rr a t e 东北大学硕士学位论文abstract 1 1 1 ec u t i np o i n to ft h et e c h n o l o g y r e f o r m i n go f t h ee q u i p m e n ti sh o wt om a k et h e w a t e ra n da i rb e a t o m i z i n gi nt h ed r i l lr o d i f t h ew a t e r a n da i rc o u l dn o tb ec h a n g e di n t o f o gb u tw a t e rc u r r e n ta n dt h e nt h ew a t e rt o u c h e dt h em o l t e ni r o na th i g ht e m p e r a t u r e ， t h ee x p l o s i o nw o u l db eh a p p e n w h i c ht h ec o n s e q u e n c ei s 讪t 1 1h a r d l yi m a g e t h e r e f o r e k e yt e c h n o l o g ya n dd i f f i c u l tp o i n ti sh o wm a k i n gw a t e ra t o m i z a t i o n ，t h es i z eo ft h e o p e n e rf o r w a t e rc u r r e n tc o n t r o l l i n g ，t h ep r o p o r t i o no ft h ea i rc u r r e n ta n dw a t e rc u r r e n t a l s o ，d e s i g no f a t o m i z eb o a r da r ea l s ot h ec o n t e n ts t r e s s e di nt h i sa r t i c l e k e y w o r d s i r o nm o u t h f u lo p e n e r h i g h - p r e s s u r e b o i l e r a t o m i z a t i o nc o o l i n ga t o m i z e rb o a r d i r o nm o u t h v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中取得的研究成果除加以标注的地方外，不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学 位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：q 、诂， 日 期：即习a 乃 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第l 章绪论 l 。l 目前梅出冶金公霭开铁墨枫煞使擂概况 宝钢集团上海梅山冶金公司炼铁厂l 、3 # 两艨1 2 5 0 矗亳炉，分别在1 9 9 7 年、1 9 9 5 年大修肟投产时，淘汰了冲击式的开铁口机，蜜装投入了德园进口的 d d s 型嚣铰日掇。有关l # 窝3 莓耀座1 2 5 0 m 3 麓炉炉羲蓼壤凝怒表1 1 。建炉在绦簦过 程中，也使用了中南液压气动设计研究所设计的转化产品。随着时间的推移，出 现了如下鹃问题： ( 1 ) 打机构由于使用时间长，气锤振打时与吹灰管离速摩擦，经常使吹灰管 发热、交软、断裂、卡死气锤藏造成吹荻气路与搬打气鼯串气，气锤不振打。 q ) 风动气强达孛旋转枧枚瓣鼗耱寇皴承磨援严重，在链嚣铁墨阻力大瓣， 经常发生旋转齿轮打滑，转杆不旋转的现象。 ( 3 ) 镶头、镪箨瀵耗羹警太，嚣一次铁蜀有辩簧多次更挨锯头、链帮。 针对这些情况，我们参考了武钢5 l 高炉试用的正、逆打的环保型开口机，决 定针对我厂芷打型d d s 开日桃进行改造。 衷1 1 赢炉炉耱概况 t a b l e l 1 t h e p r e f a c e o f t h e f r o n t o f h i g h - p r e s s u r e b o i l e r 炉顶服力铁口数吹灰时空铁口深度开口机工作气压 ( 疆堍)( 夸) 气谤耗薰 ( 黻)( 静a ) ( m 3 ) l # 炉0 。1 3 5 0l32 2 0 0d d s 芷蠡戮 8 7 3 # 炉 0 1 4 2232 2 0 0 叻s 正打型 6 7 1 2 谍惩提出的意义 在我黧镶铁纾业，嚣铁鏊巍是巍炉炉 l 蓼鳃竣蠡之一，宅黪经藐好舔壹按影螭 到高炉的产量和操作工人的生命安全。开铁口时。产生的大量灰尘严艇影响到工 入鹣健康，获关；汝职工酌惑身键康来讲，致滋狠有必要。 - 1 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 另外，从设备本身来讲，以往的开口机基本上都是具备旋转、冲击这两个功 能，在打开铁口的过程中，经高温固化后的炮泥被冲击破碎，碎屑被压缩空气吹 出，形成较大的粉尘。同时，在高温环境中，钻头在钻开坚硬的炮泥极易发热， 硬度降低，在铁口钻至1 5 m 左右时，钻头经常发生与铁口中的残渣粘住，出现开 铁口难，钻头损耗严重，在铁口的过程中，强化冷却是一个值得探讨的课题。 1 3 开铁口机工况 由旋转油缸带动旋转带动悬臂及钻架到工作位置和起始位置后，由斜油缸带 动钻架到工作位置，反之，提升钻架到水平位置，由风动马达带动链条传动装 置，使风钻前后移动；由振打机构的旋转带动钻杆旋转工作，由振打机构中的振 子带动冲撞杆进行振打工作。开铁口机的工作状况见图1 1 图1 1 开铁口的工作状况 f i 9 1 1w o k i n gs t a t i o n o f t h ei r o nm o u t ho p e m e r 1 4 国内的开铁口机的使用情况 目前，我国炼铁行业大型高炉中一般采用由德国进口的d d s 开口铁机及宜昌 中南液压气动设计研究所的转化型d d s 开铁口机产品，浙江嘉兴生产的全气动开 铁口机；首钢自行研制使用的全液压开铁口机和英国戴维公司制造的气液混合型 开铁口机等。 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 1 4 1s g k 型全液压开铁口机 s g k 型全液压开铁口机为北京首钢自行研制的产品，该产品为多功能全液压 开铁机是新一代多功能开铁机，它可替代以往电动、电气混合驱动等类型的开铁 口机，是高炉开铁口机的发展趋势。它采用了多项新结构、新技术，并获得了国 家专利和北京市科技进步三等奖。该设备在首钢本钢邯钢太钢等钢铁公司使用。 其特点有以下几个方面： 本机能力强功率高将轻而易举地打开高炉铁口； 本机刚性好，在钻孔过程中机体颤动很小打出的直线孔道质量极佳； 高度矮，可放置于风口平台之下； 安全可靠采用了一系列保护措施，确保炉前人员安全； 自动功能多，保证开口顺利进行并避免了人工误操作的可能性： 全部操作只有三个手柄，操作简单，容易掌握。 该产品规格性能见表1 2 。 表1 2 产品规格性能 t a b l e1 2 s p e c i f i c a t i o n sa n dc a p a b i l i t i e so f t h ep r o d u c t s 使用冲击旋转钻孔冲击扭转使用 规格高炉功率扭矩深度油压 油压炮泥重量 ( m )( j )( ( r a m )( m a )( m p a )( t ) s g k i2 0 0 0 3 0 0 03 0 02 0 3 8 0 01 6 1 91 6各类1 8 s g k i i2 0 0 0 3 0 0 0 3 0 02 03 0 0 01 6 1 91 6各类1 6 s g k i1 0 0 0 2 0 0 0 2 0 02 02 8 0 01 6 1 91 6各类1 3 s g k i v1 0 0 0 m 3 以下 2 0 02 02 5 0 01 6 1 91 6各类 1 1 i 4 2c h q m 2 , 0 0 0 型气动开铁口机 c h q m 2 0 0 0 型气动开铁口机是中南气动研究所研制开发的新一代炉前设备， 设备所有动作的唯一动力是压缩空气，它抛弃了纯机械设备的呆板、设备庞大、 结构复杂、炉前操作不安全等特点，解决了电液控制设备易燃易爆等弊端，也符 合冶金行业技术发展的大趋势。 该公司生产的立式、卧式、悬挂式全气动开铁h 机转臂有适应4 0 0 0 m 3 以f _ 高炉的y q t 9 0 1 0 型，适应2 0 0 0 m 3 以下高炉的y q t 9 0 2 0 型，适应 2 5 0 m 3 以 下高炉的y q t 9 0 3 0 型等。该气动开铁口机的技术特点是： 气动转臂采用了气动马达和链条传动带动小车沿轨梁做直线往复运动，在铁 口中钻打出一条完整规则的直线孔道。在控制气路中设置相关气动元件，调整后 3 东北大学硕士学位论文第1 章终论 可获得炉前作业所需要的进退速度，快尽快退的工作方式，打击采用冲击回转方 式，在开岛作监瞬既可钻削又可冲击，有效提高歼口速澄。全气动远距离搽作， 快速退避，实现了高炉炉前安全作业。c h q m 2 0 0 0 型气幼开铁口机的产品型号及 参数见表1 3 。 表t 3 c h q m 2 0 0 0 型气动开铁口机性能参数表 t a b l el ，3 c a p a b | l l 妒p a r a m e t e r l i s t so t t b e c h q 姚o o o s t ” i r o nm o u t ho p e a e rc o n t r o l l e d b yp n e u m a t i c s 规格型号额定风量额定风压撮打次数 转动角度重量 ( m 3 m i n )似p a )( b s ) ( o ) ( 堍) q c - 1 9 50 6 1 0 3 6 07 2 q c - 9 5 6 0 4 0 61 03 6 08 9 q c - 1 2 0 7o 6 0 7 l o3 6 01 9 2 1 4 3 明s 毽开铁口机 d d s 开铁口机为德国产品，型式为气液组合型。该设备传动机构为液压传 动，旋转进给机构为气动传动，钻机进给装置由气动马达作为动力源，振打机构 也是气动鞭动。d d s 型弹铁晶魄在交凌痘建广泛。渡魂瓣主要特点是： 该设备泥炮的结构比较紧凑。 维护篱荸。工作可靠，操作方使： 在出铁口中能够打出一条规则豹直线通道； 能够适应湔炉炉前高温多尘的恶劣环境。 镑枫避给装置、链极性能以及悬臀及镁斜装置性能参数分期见表1 a 、表 1 5 及表1 6 。 表1 4钻橇遴跨装置参数： t a b l e1 4p a r a m e t e r so f f e e dd e v i c ef a r d r i l l i n gm a c h i n e s i nt h et a b l e 名称单位数值 钻头进绘行程n 嫩 3 5 0 0 最大进给、后退速度 t r d s1 2 最大进给、羼运撂是力 x n 一 8 8 钻孔时空气消耗 m a m i n2 2 5 退回时空气消耗m 3 m i n 8 额定工作空气压力融 o 。6 4 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 表1 , 5钻机性能参数 t a b l e1 5c a p a b i l i t yp a r a m e t e rl i s t so f t h e d r i l l i n gm a c h i n e s 名称单位数据 冲击次数w m m1 7 8 0 冲击功 n m2 6 0 最大扭矩 n m6 2 0 转速 r p m 1 2 0 1 4 0 最大输出功率 k w7 8 额定工作空气压力胁 0 7 撞击时空气消耗 m 3 m i n1 0 0 转动时空气消耗 m 3 m i n4 4 吹灰时空气消耗 m 3 m i n3 o 表1 6悬臂及倾斜装置性能参数： t a b l e l 6 c a p a b i l i t yp a r a m e t e r l i s t so f t h eb o o ma n dt i l td e v i c e 名称单位特性值 旋臂回转半径 n l r n4 6 9 5 回转角度 ( o )1 6 0 前进回转时间 s1 5 退后回转时间 s1 5 回转液压缸行程 m m4 7 0 回转缸活塞杆直径 m m1 2 5 悬挂钻角调整角度 ( o )0 1 5 正常钻角 ( o ) 1 0 倾斜时间 s 2 倾斜缸行程 m m1 0 0 倾斜缸活塞杆直径 m m9 0 倾斜缸工作压力 n e a1 6 回转缸工作压力 w 毋8 1 6 液压工作压力 n 田a2 5 工作介质 矿物油 1 4 4 存在的问题 垄! ! 盔堂堡主堂垡堡壅 蔓! 童堕鲨 以上几种开铁i = i 机的机构原理基本类似，关键的钢钎冷却及处理炮泥的方式 都为压缩空气，在使用过程中，同时存在吹灰管断裂、风动马达故障及钻头损耗 大、灰尘大等共性问题。 1 5 主要研究的内容 本文主要研究的内容是如何解决以上存在的问题。经研究分析，以上问题关 键在于环境温度太高、冷却能力不够所致，如何降低设备的温度是本文研究的重 点所在。 冷却的方式很多，考虑到高炉炉前的特殊环境，比较适合的方式是水气混合 介质的冷却方式，但一定要形成雾化的状态，若形成水流则会引起爆炸。如何使 水雾化则是本文的研究重点。 通过研究雾化机理和雾化机构，掌握形成雾化的基本条件，在现有的设备上 作出相应的改造以满足生产的需要是本文研究的主要内容。 东北大学硕士学位论文第2 章d d s 型拜铁口机的机构及原理分析 第2 章d d s 型开铁口机的机构 及工作原理分析 沟了熨好地研究钢钎的冷龆方式。首先毒必要对d d s 开铁嗣枧豹结构及工作 原理及各种参数做相关的研究及分析。 2 1 开铁舀机的组成 开铁嗣杌由支柱、旋臂、调整枫梅、籁籀装鬣、链枫避给及振季机构组成。 2 。2 开铁蜀撬的王作蔗理 ( 1 ) 旋甓葶嚣钻絮出旋转i 虫缸豢魂旋篱及链絮翻工俸经鬃( 铁嗣霞登) 露起始位 置的定位脊该机构调整党成。 ( 2 ) 当镑桨到达工终像嚣螽，对准锾霜筏嚣豹上下穰籀建度满整鸯簸籍涟钰来 完成。返回时由该油缸提升钻架到水平初始位置。 ( 3 ) 风动马达带动链条传动装置，拖动风钻前精豹往复运动。前进钻机避给， 后退，回到视始能量。 ( 4 ) 振打机构的旋转器带动钻杆旋转工作，钻头的钻削力量由该机构保 芷；由 该撬孛熬擞予豢淤四舞掇梅豹；孛攘移进行掇动工圣馨。 2 3d d s 型开铁墨帆的结构 2 3 。l 主柱和旋臂装置 庄柱和旋臂装鬻通j 建一个啦! 2 0 0 # v 径的滚珠轴承来联接，因此该轴承承受着 本设锈除主柱部黧璧蛙於的赝窍戴甍。 旋臂装嚣的旋转动作是通过设置在旋臂本体内的液压油缸逡动带动连杆机 李冬，簸嚣霞凝譬零镩旋转鹣。这耱六连耔式熬橇稳，其运动戆特熹是运动平稳， 受力均匀无死点；所有杆机构念部包容在臂架本体内，和臂架一起旋转，避免了 液压油斑静矫露，延长了油缸及耔机构鹩使爝寿命。魏瑟2 1 所示。麓臂转动， 在工作位置年在起始位鼹器停披时，珏立桂上的一个定瑕撞板秘设置在主旋綮上 的一个缓冲器和一个撞块来限制，保证旋臂能够较平稳她停止。如图2 2 所示。 调节爨挂装璧( 靼慰准爨铁蜀) 戆上下馕移鼍霹谨范霾隽4 1 5 黼。调节露，廷要 打开挡板螺钉及卡环螺钉7 和8 。旋转螺杆l ，即可使轴2 带动悬挂装置上下移 动。旋臂梳构蔫鬻2 3 掰示。遮动孰滚蚕翔蘑2 4 所示。 - 7 。 本l 大学瑗女学位谂支 第2 掌d d s 登歼铁墨辘静据擒及纛臻分辑 豳2 1旋鬻装置 l a g2 1r o t a r yd e v i c e s 8 东北大学硕士学位论文 第2 章d d s 型开铁口机的机构及原理分析 5 键 图2 2横柱结构图 飚2 2 d r a w i n g so f t h ec r 憾sb a rs t r u c t u r e 1 调整螺杆2 机柱3 推力轴承4 调节螺母 6 村套7 锁板8 挡环螺钉 图2 3运动机构 f ：i g2 3m o v i n go r g a n i z a t i o n s 9 畚j e 大学矮士学彀论文 第2 章d d s 型秀铁疆规的枧构及琢理分叛 国2 4旋饕运动辕迹燕 f 蟪2 4 t h eo r b i t sd r a w i n g so f r e v o l u t i o n 东北大学硕士学位论文 第2 章d d s 型开铁口机的机构及原理分析 2 3 2 调熬机构 调整援孛奄实物鎏期鬻2 + 5 掰示。宅戆一端逶过关节辙承帮立柱连接。舅一端 通过关节轴承与旋臂的横柱联接。横柱又相对于悬拄是一体的，所以通过调节调 整梳梅於调节螺杼可敬改变钻头及锫轩在工作对对癌铁潮水平位黉的准确程度。 调整机构运动轨迹如图2 + 6 所示。 圈2 ，5 谓熬据梅蜜穆蚕 f t # 5 r e a l i s tf i g u r eo f a d j u s t i n go r g a n i z a t i o n s 2 3 3 倾斜装置 颓瓣装嚣实黪藉热潮2 。7 掰暴。滚篷鼓设置在旋转辙懿蔫辩。液悉缸豹一臻 通过关节轴承与悬挂架适接，另一端通过关节轴承与钻机进给裟置的托架相连 接，通过滚凝缸静运动，托架绕转轴上下倾斜，箕角度范围为0 。1 5 。另外 在旋转轴的质端，设置了一个聪下螺皴，可以通过调节联下螺丝来确定钻机蛇倾 斜角度。倾斜装置及钻秆进给装置如图2 8 所示。 图2 7 倾斜装置实物图 f i 9 2 7r e a l i s tf i g u r eo ft ii t d e v i c e l l 东北大学硕士学位论文 第2 章d d s 型开铁口机的机构及原理分析 图2 6调整机构运动轨迹 t h eo r b i t sd r s w l n g so f _ 硼删缸ge 堰r i z a t i e m 查j ! 查堂堡主兰堡垒奎 墨! 皇里里! 翌亚堡旦垫塑塑墨堡里坌堑 图2 8倾斜装置及钻杆进给装置 2 8t i l t o r g s n i z a t o n s - n d 由m 吨r o d s n p p l y i q d e v i c e 东北大学硕士学位论文第2 章d d s 型开铁口机的机构及原理分析 2 3 4 行走小车 行走小车是由传动装置和轨道组成。在行走过程中，风机马达带动钻具前进 或后退。为了减小链条的振摆程度，也设置了一个缓冲装置。其实物图如图2 9 所示。 图2 9 行走小车实物图 f i 9 2 9r e a l i s tf i g u r eo fm o v i n gd e v i c e 2 3 5 振打机构 振打机构由振子，旋转器及消音器组成，主要功能为钻头旋转进给工作的 同时产生颤振。增强钻头的工作效率。振打机构实物图如图2 1 0 。 图2 i 0 振打机构实物图 f i 9 2 1 0r e a l i s tf i g u r eo fh i t t i n gd e v i c e 14 东北大学硕士学位论文第2 章d d s 型开铁口机的机构及原理分析 2 3 6 钻具 钻头为梅花形状，是开铁口机的主要部件，钻头的性能、强度直接影响到开 铁口的时间和钻头更换的次数。所以我们考虑对钻头的冷却进行研究，改善钻头 的工作状况，延长钻头的寿命，从而减少钻头的磨损及更换次数。把冷却介质从 钻头和钻杆接合处喷出，实现冷却除尘效果。钻头由链条带动沿着托架移动，托 架前端有两个缓冲器和导向孔，用来限制钻机的前进行程及使钻机能够较平稳的 工作。钻具实物图如图2 1 1 。 础。 图2 1 1 钻具实物图 f i 9 2 1 1r e a l i s tf i g u r eo fb i td e v i c e 通过对开铁口机各机构的结构及原理的分析，为下一步设计及研究打下了基 东北大学硕士学位论文第3 章冷却介质的雾化理论研究 第3 章冷却介质的雾化理论研究 3 1 雾化机理 溶液形成喷雾，是在瞬间完成的。当溶液雾化为细雾滴时，必须要消耗一定 的能量。以形成新的更大的表面( 克服表面张力) 、克服粘滞力，并向分散液滴 供给动能。 这里概括地讨论一下液体分散的雾化机理，以了解是什么原因促使溶液雾化 的。这种雾化机理对上述三种雾化器均适用。 液体雾化器机理基本上可分三种类型，即：滴状分离裂；丝状分裂；膜状 分裂。 1 滴状分裂 在压力式雾化器中，液体以不大的速度流出喷嘴时，祝形成细流状，在离喷嘴 出口一定距离处，开始分裂成液滴，如图3 1 所示。这是因为表面张力形成一个 不稳定的团柱状的液流，由于某处液流的直径小于平均值，并在此形成较薄的液 ( 1 ) 水( 2 ) 水( 3 ) 水( 4 ) 7 9 ( 5 ) 水( 6 ) 酒精( 7 ) 水 图3 1 滴状分裂示意图 f i g 3 1s k e t c hm a p o f d r o p w i s e dd i s i n t e g r a t i o n 膜。此处由于所受的表面张力作用较液膜厚的部分大得多，因此，薄的部分所含 的液体就转移到了厚的部分，然后这部分延长成线，并分裂为大小不同的液滴。 1 6 东北大学硕士学位论文 第3 章冷却介质的雾化理论研究 这种雾化机理称为滴状分裂。 在旋转雾化器中，当盘的圆周速度和进料速率都很低时，溶液的粘度和表面 张力的影响是主要的，雾滴将单独形成并从盘边缘处甩出。如图3 2 所示。对于 直接形成液滴的雾化情况，液滴尺寸大约等于在盘周边表面上液膜的厚度。在气 流式雾化器中，气液速度甚小时就是滴状分裂。 图3 2旋转式雾化器滴状分裂图 f i g 3 2s k e t c hm a p o f d r o p w i s e dd i s i n t e g r a t i o no fr o t a r y a t o m i z e r 2 丝状分裂 在压力式雾化器中，进一步提高溶液的喷出速度( 即提高压力) ，由于 表面张力和外力的作用，使液柱沿着水平与垂直方向振动，使其变成螺旋状振动 的液丝，在其末端或较细处很快就断裂为许多小雾滴，如图3 3 所示。图3 3 中 a 表示由上往下看到的液丝运动状态，图3 3 中b 则是由侧面看到的液丝运动状 态。 ( 1 ) 说明圈( 2 ) 酒精( 3 ) 水( 4 ) 水( 5 ) 水 图3 3 丝状分裂示意图 f 逗3 3 s k e t c hm a po f t h r e a d l i k e 同样，在气流式喷嘴中，当气、液相对速度较大时，气、液间有很大的 1 7 东北大学硕士学位论文第3 章冷却介质的雾化理论研究 摩擦力，魏游滚较好豫一溃被嚣定， 抽细处很快断裂，并分裂成小雾滴。 短，棼愈细。 舅一端弼力挝成一条条缩妖翡线，这些线酶 相对速度愈大，丝愈细，数存在的时间愈 程旋转忒雾化器中，当盘转速和避料速搴较高时，半球状料滚被挝成谗多渡 丝。液量增加，液丝数目也增加，但达到一定数值以后，再增加液量时液丝就变 耀，滚丝数爨不霉增加。滚丝极不稳定，鼯瓣盘不远楚就迅缝辫裂，变戒无数小 液滴，如图3 4 所示。 圈3 4 旋转雾化器的丝状分裂 脚3 4 s k e t c hm a po f t h r e a d l i k e d i s i n t e g r a t i o no f r o t a r y a t o m i z e r 3 ，貘炊分袈 当溶液以相当高的速度从压力式喷嘴喷出，或者气体以相当高的速度从气流 式囔嘴囔窭时，都澎戒一个绕窑气奄旋转豹空心锥薄貘状雾滴群，薄壤分裂为液 丝或液滴。如图3 5 所示。 ( 1 ) 酒精( 2 ) 酒精( 3 ) 酒精( 4 )水 鹭3 5 貘获分甏 f 蟾3 5 s k e t c hm a po f f i l mw i s ed i s i n t e g r a t i o n 在旋转式雾化器串，当液薰较大对，液丝数黼与厚度均不再增加液缵问稠甄合 1 8 至! ! 盔兰堡主堂垡煎壅 篓! 主堡塑坌廛塑墨熊堡笙塑塞 共成连续戆滚骥，如图3 , 6 爨零。这些貘由因盘躅边 幸长至一定距襄鹰破裂，分 散成霹滴。 图3 , 6 旋转式雾化器的膜状分裂 f 迫3 6 s k e t c h m a p o f f d mw i s e d i s i n t e g r a t i o no f r o t a r ya t o m i z e r 3 2 雾滴和颗粒的平均直径及其分布 走了寝示大，j 、不鬻的滚滚秘鬏粒足寸，入靛采蔫备耱平均壹径，佟为代表 全部液滴或颗粒大小的一个单一值。缎这个值并不能充分地代表尺寸分布。平均 直径必须同其它参数一起才髓充分确定尺寸特征。选择什么样的平均尺寸，取决 于过程的特点和所提供的有关数据( 皴长度、面积、体积、重擞等) 。 测量尺寸分布的方法很多，如鼹微镜分析法、筛分法、沉降法、扬析法、 竞吸收法襄彝魂梭溅仪器等。 3 2 1 数据的表示方法 籍我稻袋焉莱一释涮量手羧，嚣褥一些颥粒或液清静数据，这些数据胃沼不 同的方法来处理和表示，才能照示其特征。现介绍如下： ( 1 ) 歹i j 表的方法这是一种很精确的表示液滴尺寸的通用方法。表格能够表 示出镪一秘尺寸魄分蠢l 毒况。袭3 。l 就是一例。由表3 1 可以餐刘，蠢吾分数最 大的液滴直径范围是2 5 3 5 1 t i n ，其西分数为3 9 5 。但可以根据需要列出我们 酝霉簧熬教爨之惩熬关系。瞧燕，大豢瓣数据要徽蔽表格豹形式是馁寐矮懿，嚣 且要下子看明白表中的数据并作出说明也是困难的。因此，磁实际上往往采用 图示法。 。 国图示法图示法和列袭法相比。具有下列优点： “ 由圈示法所提供的数据，可队迅速地估算某些参数。 由图涿法鼷提供驰尺寸玲；基整线可l ；姜缀快遮餐逝冀努枣关系。 在数据甚多的情况下，图示法尤为清晰。 鬻焉豹瑟忝法说餮翔下： 1 9 东北大学硕士学位论文第3 章冷却介质的雾化理论研究 矩形图矩形图是表示雾滴或颗粒尺寸分布的一种最简单的方法。在一 表3 1 液滴数据及处理结果汇总表 t a b l e3 1t h ec o l l e c t i o nd a t ao f d r o pa n dt h ep r o c e s s e dr e s u l t s 液滴尺间隔代尺寸液尺寸液小于dd l n i x移i n ixd 阳lx 寸间隔表尺寸滴数滴所占的累计 1 0 之1o 21 0 4 add m m| 督比例百分数 m m 矗仞 0 52 530 40 40 0 7 50 1 8 ( 忽略) 5 1 51 01 83 23 61 _ 81 81 8 1 5 2 52 01 3 02 3 42 7 02 65 2 01 0 4 0 2 5 3 53 02 2 0 3 9 56 6 56 61 9 8 05 9 4 0 3 5 4 54 01 0 5 1 9 08 5 54 21 6 7 56 7 0 0 4 5 5 55 01 88 69 4 12 41 2 0 06 0 0 0 5 5 6 56 01 62 99 7 09 65 7 33 4 4 0 6 5 7 57 01 12 09 9 07 75 3 93 7 7 0 7 5 8 58 0 61 o 1 0 0 0 4 83 8 43 0 7 0 5 5 71 0 0 01 8 26 8 9 03 0 0 0 0 给定尺寸范围( 尺寸间隔) 内，对液滴或颗粒数所占百分比作图。这个矩形图直 接指示出液滴或颗粒群的尺寸分布。例如，按表3 1 的第l 行( 液滴尺寸间隔) 和第4 行( 按各尺寸液滴数目所占百分比) 的数据作成矩形图。第1 行即矩形宽 度，第4 行即矩形高度，联接第2 行( 每一间隔的代表尺寸) 各值，即得各折 线，如图3 7 所示。 尺寸频率曲线图采用大量的尺寸间隔( d ) 来表示尺寸分布所作的曲线 图更便于实际应用。可以认为尺寸频率陷线图是a d 趋近于零( d 一0 ) 时的一个 平滑的矩形图。可按直径、体积、表面积等测定的某一组数据，作出频率曲线 图。图3 8 的频率曲线是根据表3 1 的第2 栏f ： 砂和第4 栏6 e n d ) 数据作出的。 下标n 表示按液滴数目作为存在的频率。液滴( 或颗粒) 频率通常以直径的百分 数来表示。频率曲线表示为 r 厶( d ) d ( d ) = 1 0 0 ( 3 1 ) o h 式( 3 1 ) 中，办表示在样品中某一尺寸液漓所占百分比( 以液滴数为基 准) 。 累积分布曲线图表示尺寸分布的更进一步方法是累积分布图。这个图 2 0 东北太学硕士学位论文第3 章冷却介质的雾化理论硬究 鼍 蕊 蠢 隧3 7 表示液演足寸势毒翡鬣形黼 f i g 3 。7 r e c t a u 耋l em a po f d r o p t e ts i z ed i s t r i b u t i o n 疆麟，分嘻鸳嘲 网3 8 表示平均液滴直径的频率曲线图 f i g 3 8t h e f r e q u e n c yc u r v em a p o f t h e a v e r a g ed r o p l e td i a m e t e r 由大于或小于给寇尺寸的液滴( 硪颗粒) 的累积频率百分数与尺寸大小的关系构 、 2 l 查! ! 盔堂堡主堂篁堡茎 墨i 兰堡塑坌星塑墨垡堡堕堑壅 成的。例如以表3 1 的第5 栏为纵坐标，第2 栏为横坐标，便作出累积分布图， 如图3 9 所示。液滴或颗粒直径、表面积、体积、重量都可以作为制图的基准。 瓤 条 皿 瓢 蹦； 窖 e l * 工 诚浦尺寸皿m l t l 图3 9 表示平均液滴直径的分布的累计分布图 f i g 3 9t h et o t a ld i s t r i b u t i o not h e d r o p l e td i a m e t e r 3 2 2 平均直径 一个雾滴群或颗粒群特性，要由一个分布函数和两个函数和两个参数一某 种形式的平均直径及测量的尺寸范围来表示。因此要简单介绍一下平均直径。 前己指出，雾滴或颗粒大小是不均匀的，这就要用某种方式表示它的平均 直径。因此，平均直径是表示全部雾滴的一个数学值，此值是雾滴数目、长度、 面积或体积大小的一种量度。 ( 1 ) 常用直径研通常常用直径d ，能满意地表示出雾滴的特征。用图示 法时，常用直径d ，相应于频率曲线的最高点。 ( 1 ) 算术平均直径d a m 算术乎均直径玩肼是按照各种液滴( 或颗粒) 直径的 总和被液滴( 或颗粒) 数除来确定的。 算术平均直径矾吖根据定义，可按下式计算； y d + ， d 删= 毛等 ( 3 2 ) 厶i v o 式中毋某一间隔的液滴代表尺寸，g m ； f 某一间隔的液滴代表尺寸的数量。 例如，按照表3 i 的第3 栏和第6 栏数据 = 皆= 警= 。2 j g m ( 3 ) 中间直径d 中间直径是用液滴( 或颗粒) 数的5 0 时的滴径( 或粒 径) 来表示的。所以，在累积曲线上5 0 处相对应的直径便是中间直径。例如由 东北大学硕士学位论文第3 章冷却介质的雾化理论研究 图3 9 可以查到，当f c d ) = 5 0 时，d u = 2 9 m m 。 ( 4 ) 面积平均直径d s m , 当某过程属于表面积控制时，如吸收等，其直径用 面积平均直径为宜。 面积平均直径d s u 表示： y d ? ! d s u2 ( 舒) 2( 3 3 ) 例如，由表3 1 的第3 栏和第7 栏的数据，可算出d s m 。 ：c 骅；c 号划：l a m 采用光吸收分析法时，其直径是基于表面积的，宜用面积平均直径。 ( 5 ) 体积平均直径d v u 利用沉积分析法或筛分法分析喷雾干燥所得颗粒 时，是根据其体积或重量得到平均直径的。 体积平均直径按下式计算： = ( ( 3 4 ) ( 6 ) 体积一面积平均直径d e s 体积一而积平均直径，又称为索特( s a u t e r ) 平均直径，其定义是液滴的面积对体积比值等于全部雾滴样品的面积对体积的比 值。 除上述介绍的平均直径外，还有另外一些平均直径表示法，此处不再叙述。 3 3 气流式雾化器 3 3 1 概述 操作原理气流式喷嘴是我国应用最广的一种。现以二流式喷嘴为例，说明 气流式喷嘴的操作原理，如图3 1 0