（机械工程专业论文）矿棉上料系统的设计及可靠性分析.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随着国内市场对矿棉产品的需求的急剧增加，矿棉质量的提高也得到人们的极大 重视。由于上料系统是矿棉生产线中的第一个环节，对矿棉的质量和产量有着重要 的影响。根据“北新建材集团股份有限公司年产3 万吨矿棉项且”的要求，论文对 其上料系统进行了研究与设计。 本文在综合分析矿棉上料系统的现状与发展动态的基础上，分析了瑞典和日本矿 棉上料系统的组成结构，比较了二者的优缺点，提出了北新建材集团年产3 万吨矿 棉生产用上料系统的方案。 通过对上料系统机械设备部分和自控系统部分的分析，上料系统一般分为料仓、 称量、配合、提升系统，针对各系统的特点，研究了各子系统的功能原理，根据上 料系统结构特点和性能、工艺的具体要求，对上料系统进行了设计与实现。 本文还根据可靠性分析的原理与方法，对上料系统进行了fm ea ( 失效模式与 效应分析) 和fta ( 故障树分析) 综合分析。并对各子系统建立了故障树。建立 了系统故障树结构简图，利用故障树分析法对上料系统进行了定性分析，确定了系 统的最小割集。由故障树分析结果确定了重要底事件，并根据重要底事件及可靠性 评分准则建立了故障原因分析表。其研究成果为上料系统地设计与实现提供了理论 基础。 关键词：矿棉上料系统可靠性故障树 华中科技大学硕士学位论文 i ；目目i i j - _ _ l _ _ i i l - l _ _ _ i - - _ _ _ l w i t ht h en e e do ft h em i n e r a lw o o li nt h em a r k e t ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n f i o nt ot h e q u a l i t yo ft h em i n e r a lw 0 0 1 t h e r a wm a t e r i a ls y s t e mi st h ef i r s tp a no ft h em i n e r a lw o o l p r o d u c t i o nl i n e ，w h i c hh a si m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h eq u a l i t ya n d t h ey i e l do ft h em i n e r a l w 0 0 1 t h i st h e s i sr o o t si nt h e3 0t h o u s a n dm i n e r a lw o o lp e ry e a rp r o j e c to fb n b m ，w h e r e an e wt a wm a t e r i a ls y s t e mi sd e s i g n e d t h em a k e u po ft h er a wm a t e r i a ls y s t e mi ns w e d e na n dj a p a na l er e s e a r c h e di nt h i s a r t i c l e ，w h i c h a r eb a s e do nt h e a c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to ft h e r a wm a t e r i a l b o t h e x c e l l e n c ea n d s h o r t c o m i n g s a f ea n a l y z e d t h es c h e m eo ft h e1 1 e wr a w m a t e r i a ls y s t e m 缸e p u t o u t t h er a wm a t e r i a l s y s t e m i s d e s i g n e d i nd e t a i l a c c o r d i n gt o t h e a n a l y s i s o ft h e m a c h i n e r ya n dt h e a u t o m a t i o ns y s t e m t h er a wm a t e r i a ls y s t e mi sd i v i d e di n t os i l o ， w e i g h i n gs y s t e m ，m a i n ss y s t e ma n dl i f t i n gs y s t e m e v e r ys u b - s y s t e m s f u n c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i ci sd e s c r i b e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fr e l i a b i l i t y , f m e a ( f a i l u r em o d e a n de f f e c ta n a l y s i s ) a n d f t a ( f a u l t t r e e a n a l y s i s ) a r e s e tf o r t ht ot h er a wm a t e r i a ls y s t e m t h ef a u l tt r e ei ss e t u pf o re v e r ys u b s y s t e m t h es e m a n d e r e sa r i t h m e t i ci s u s e dt oc a r r yo u tt h eq u a l i t a t i v e a n a l y s i sa n dt h em i n i m a lc u ts e ta r ee s t a b l i s h e d t h ea n a l y s i sf o r m o ff a u l tc a u s ei sm a d e b a s e do nt h ei m p o r t a n tb o t t o me v e n ta n dr e l i a b i l i t yg r a d er u l e k e y w o r d s ：m i n e r a lw o o lr a wm a t e r i a ls y s t e mr e l i a b i l i t y f a u l t f l e e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 浒、裘 日期：2 移午年3 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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。本人授权华中科技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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：绦：殳指导教师签名： 日期：劲午年3 月了1 日日期：扫砰年? 月刁日 珍 髟、 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的来源 本课题来源于“j t 新建材集团股份有限公司年产3 万吨矿棉项目”。该项目的研 制目标是建立一条能年产3 万吨的矿棉生产线，矿棉生产线上料系统的设计是该项 目中的重要的组成部分，对矿棉的质量和产量有着重要的影响。本论文要对其上料 系统进行研究与设计。 1 2 研究的目的和意义 l 、矿棉产品的应用 自1 9 7 3 年爆发世界能源危机以来，节能受到各国政府的高度重视，国外把节能 称为“第五常规能源”，同石油、煤、天然气和电力并列，而在节约能源采取的许 多措施中，共同的一点就是发展和应用绝热材料。利用高炉废重矿渣所生产的岩 ( 矿) 棉制品【1 】就是优质价廉的绝热材料，其用于建筑方面能加强建筑保温隔热、 是建筑上最有效、最经济的节能材料，同时也大量用于冶金、电力、化工、石油天 然气、石化、轻工、船舶、航天、交通等行业。在应用中可大幅度减少能源消耗量， 从而减少环境污染和温室效应，具有很大的社会效益。 自1 8 4 0 年英国首先发现熔化的矿渣可喷吹成纤维生产矿渣棉以来，其发展至今 已有1 6 0 多年的历史。1 8 8 0 年通过对矿渣棉性质和用途的研究，德国和美国开始生 产矿渣棉，尔后在其它国家相继使用和生产。1 9 3 0 。1 9 5 0 年开始了矿物棉大规模的 生产和应用。1 9 8 0 年至今国际上矿物棉制品的产量处于比较平稳的阶段j 由于其 它的绝热材料如玻璃棉、膨胀珍珠岩、泡沫塑料等的加快发展，使主要矿物棉生产 国家的发展速度放慢，但在生产规模、技术及深加工方面有了很大的发展。 2 0 世纪7 0 年代前，我国各种绝热材料产业的技术装备是很落后的，基本上是 手工式生产，为了发展我国新型建筑绝热材料，适应建筑节能的需要，7 0 年代末北 新建材集团从瑞典引进第一条年产1 6 3 万吨岩棉生产线。从此开始了我国绝热材料 华中科技大学硕士学位论文 _ - - _ _ _ _ _ 4 一i i i i i i - 产业技术进步的全新时代、随后我国又从美国、日本、澳大利亚、意大利、法国等 国家引进各种绝热材料生产线。2 d 0 0 年底，全国从业员工近6 0 万人，销售收入4 0 亿元。完成各种绝热材料产品产量9 5 万吨，位居世界第二【2 l 。绝热材料产品品种可 以说国外有的，我国基本上都有了，品种齐全，多达3 0 类，已基本形成符合我国 国情的绝热材料行业和绝热材料科技体系，已发展成为个为国民经济、国防建设 和人民生活服务的重要行业。绝热材料产品及技术装备己在满足国内市场需求的同 时，逐步走向国际市场。 2 1 世纪，我国能源短缺，仍然制约着可持续发展，为完成“十五”规划和2 0 1 5 年远景规划，除积极开发能源外，更主要是要节约能源。我国建筑能耗仍然远远高 于发达国家，必须加快建筑节能实施步伐，因此，绝热材料工业仍需迅速向前发展。 预计在2 1 世纪，我国绝热材料的产量将居世界第一，但还需不断提高工艺技术装 备自动化水平，扩大企业规模，以使产品质量稳定，品种齐全，迎接加入w t o 后 的严峻挑战。为进一步开拓国内外市场，尚需加快行业和技术创新进程，开发符合 环抱( 绿色) 标准的复合制品为主的新型绝热材料。岩( 矿) 棉是资源综合利用的 节能材料，是价廉物美，利国利民的绝熟材料，符合国家的产业政策，应投入资金 支持其持续发展。 2 、矿棉上料系统的作用 为了能生产出高质量的矿棉产品，所有必须在矿棉生产的源头设备上投入技术 力量。在矿棉生产线中，上料系统是非常重要的一环，对产品的质量，产量有着重 要的影响。上料系统主要包括对原料称量系统、配合系统、提升系统。通过对该系 统主要设备的优化组合可达到原料准确配比，并能使输送入熔炉内达到各种原料均 匀分布，以利于原料在熔炉内熔化，从而使产品的质量，产量得到提高。 由于矿棉生产采用在熔炉内熔化原料，属于连续不问断生产，而且生产周期长 ( 一个周期为5 7 天) 。这就要求把上料系统的故障率降到最低，以保证生产的连 续性，因此必须尽可能全面地考虑其故障点。 产品责任法使企业必须考虑生产故障所造成的损失，以及由此引起的法律责任。 需要使用和维修管理人员对系统的组成及工作情况有全面的了解，并且能专门研讨 2 华中科技大学硕士学位论文 某些系统特殊的故障问题。 目前市场上的产品质量参差不齐，谁的产品能满足市场的需要，谁的产品有优 势，谁就能长盛不衰，作为企业自身的竞争压力是可想而知的。只有产量达到一定 规模，质量上乘，才能达到不败之地。这样厂方更加提高了对系统高可靠性，低故 障率的要求，以提高产品的市场竞争力。 人工费用曰益提高是提高系统可靠性的另一重要原因。减少人工成本，也可以 降低企业的管理成本。工作人员对系统有较全面的了解，学到更多的劳动技能，创 造更多的企业价值，完全符合现代企业管理思想。 国际市场对矿棉的需求日益增加，迫使产品在质量和产量上不断提高，目前国 际建筑市场对矿棉的需求拥有巨大缺口，因此要使产品质量和产量得到提高，使之 国际化、更加具有国际竞争力，是同其先进可靠的生产系统分不开的。 1 3 国内外发展状况 i 、矿棉生产线上料系统的状况 美国、前苏联、原西德、日本等国大力发展了矿棉的生产，因而上料系统也基 本分为欧美、日本两种方式。1 9 7 8 年北新集团自瑞典容格公司引进了年产1 6 3 0 0 吨 岩棉生产线，属于欧美的上料系统方式。其后，呼和浩特市岩棉厂从澳大利亚引进 岩棉生产线，南京岩棉厂根据1 9 7 8 年北新引进的生产线翻版了同样产量的生产线、 东莞从美国引进生产线。基本上$ 0 - 9 0 年代的矿棉生产中的上料系统方式都属于欧 美的上科系统方式。9 0 年代2 1 世纪初上海矿棉厂、北新集团先后引进了日本技术 生产岩( 矿) 棉。根据上料方式的不同，在国际上基本分为欧美、日本两种上料系 统方式，目前国内( 除北新集团外) 基本上都是引进上述西方国家或是仿造。 2 、欧美矿棉生产上料系统的形式 欧美矿棉生产上料系统大体可分为两种，这两种系统区别不是很大，故都归属 于欧美方式。第一种上料系统包括多个料仓和电子称，皮带输送机，箕斗，输送轨 道及熔炉。料仓成排设置，出料口在电子称上方，不同料按比例称量完成后，分别 华中科技大学硕士学位论文 翻i 。 i i i i i i i i _ - _ - _ _ _ _ - _ _ - - - l 从电子称的出料口供给到皮带输送机的输送带上进行配合，再输送至熔炉上部，将 配合料倾倒进熔炉中，完成上料过程。第二种上料系统是利用上料皮带输送机代替 箕斗，其他部分与前述系统相同。在上料过程中，皮带输送机上配合后的料经上料 皮带输送机向上运送至熔炉上部，再抛洒进熔炉中【3 1 。 3 、日本矿棉生产上料系统的形式 日本矿棉生产上科系统包括多个料仓、电子称、料罐、电动葫芦及轨道、炉门 开闭装置。料仓按六边形布置，出料口在电子称上方，不同料在料罐内按比例称量 完成后，由电动葫芦提升斟罐至熔炉上部，将配合料倾倒进熔炉中，完成上料过程。 4 、北新集团矿棉生产线的上料系统 北新集团年产3 万吨的矿棉生产线，就是要建成国际上一流的先进生产线，其 上料系统的设计目标就是要推陈出新，通过对欧美、日本技术的消化吸收，开始研 究、设计新的上料方式。 1 4 相关技术与概念 1 4 1 机械可靠性的必要性 因为矿棉生产线是连续化生产方式，上料系统的设备可靠性和稳定性是本文研 究的重点。可靠性学科产生并逐步推广应用到各行业中，其最大的功绩就是将以往 人们对产品的可靠性由模糊的定性概念变为清晰的定量指标；并将其贯穿于产品的 设计、制造、检验及使用的整个过程中。因此，可靠性学科的推行，不应仅仅将其 作为提高某种产品质量的措施，而应将它看成是提底整个工业体系，某一行业的管 理水平，将产品质量全面引上一个新台阶的战略措施l “。 电子系统，除了真空管时代，在半导体以后的历史，几乎是与可靠性技术息息 相关地发展起来韵。因而，在电子技术中，可靠性从一开始就确定了其基本的地位。 对于机械系统，可靠性技术的引入要比电子系统迟2 0 年左右i ”。这是因为： ( 1 ) 机械系统所承受的应力状态比较复杂。机械系统除静应力之外，还承受 了动态下的动应力及动态下的复合应力的作1 6 1 。此外还有查腐蚀、磨损、热应力 华中科技大学硕士学位论文 等复杂的应力因素。所以，由这些应力作用雨引起的失效模式较之电子系统更复杂， 同时要难于控制。 ( 2 ) 机械零部件的通用性较之电子元器件的通用性差网，故要采用可靠性的通 用概念与理论来处理机械问题是不够的，它要求有机械系统本身特有的理论基础， 而该理论系统还有待进一步完善。 ( 3 ) 机械产品的可靠性实验难于进行，它需耗费比电子产品更多、更大的人力 与物力。因产品一般不能有较大的样品容量进行试验，所以要获得较准确的可靠性 数据往往需要经历段较长的数据积累与整理过程。 ( 4 ) 传统的安全系数设计方法在机械设计领域中已有近百年的历史。在提高机 械系统的安全性方面往往用提高安全系数的做法，其结果是掩盖了或阻碍了可靠性 理论在机械领域中的发展。 在电子产品的可靠性不断提高以及机械设备越来越复杂的今天，机械可靠性的 问题已突出地摆在人们的面前。由于以下原因使人们对可靠性工作的重要性提高了 认识： ( 1 ) 机械设备的庞大、复杂与密集程度的提高，反过来要求设备本身的安全性 相应地提高。其结果是导致了设备的零件数目不断地增加，这就要求零件本身具有 更高的可靠性才能满足系统的可靠性目标值。 ( 2 ) 产品责任法使企业必须考虑产品故障所造成的损失，以及由此而引起的法 律责任。为了避免由此所引起的高额赔偿，提高产品的运行质量势在必行。 ( 3 ) 市场竞争的压力。产品竞争是经济发展的必然趋势，可靠性被当作竞争的 武器。因此，只有产品可靠性高的企业，才能在竞争中取胜。 ( 4 ) 入工费用日益提高。由于入工修理费用不断提高，反过来要求设备( 产品) 应在投入运行之后尽量少修或不修。因此，对产品就提出了在规定的运行时间内无 故障或少故障的要求，即可靠性指标的要求。 1 4 2 可靠性技术的发展 “可靠性”作为一个名词，早就有之。人们对于所购买的产品从可靠性的角度 华中科技大学硕士学位论文 出发，总有一个自觉与不自觉、清晰与不清晰的比较标准。但是，这个标准往往是 模糊的，它只停留在“感觉”的基础上。 2 0 世纪4 0 年代，美国致力于提高部件的可靠性，延长部件的使用寿命，逐步 引入了零部件的可靠性指标，如通用汽车公司，通过采用更好的设计、更好的材料、 更好的检验手段，使汽车发动机的寿命从4 万公里提高至1 6 万公里以上嘲。 第二次世界大战末期至朝鲜战争，由于战争的需要，大量的电子设备应用于战 争。这些设备在运输、储存与实战中都出现过大量的故障而失去战斗的机能，造成 了人员的严重伤亡，这一切引起了美国军事部门的高度重视。于是，在1 9 5 2 年， 美国国防部研究与发展局防御处成立了一个所谓的“电子设备可靠性咨询小组” ( a g r e e 即a d v i s o r yg r o u p o h r e l i a b i l i t yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t 的缩写) 1 9 1 i i o 。 其下设九个任务小组，对在战争中使用的电子产品从设计、试制、生产到试验、保 存、运输、使用等方面的可靠性作了全面的调查与研究，并于1 9 5 9 年，提出了“电 子设备可靠性报告”，即a g r e e 报告。该报告正式地将可靠性的定义确定了下来。 同时，它全面地总结了电子设备的失效原因与情况，提出了比较完整的评价产品可 靠性的一套理论与方法。a g r e e 报告后来成为可靠性研究的基础文件。 此后，经过多年的补充与发展，逐步形成了今天的可靠性学科1 ”】。 可靠性学科，就目前所涉及的内容来讲，大致有以下几个方面： ( 1 ) 可靠性工程：它是知道工程实际的可靠性活动的- - f 7 学科1 1 2 1 ： ( 2 ) 可靠性物理：从机理的角度去研究产品造成不可靠的原因； ( 3 ) 可靠性数学：作为可靠性活动的基础，在可靠性活动的发展过程中所形 成的数学分支； ( 4 ) 可靠性教育与管理：研究如何推行可靠性活动的- - f 学科，是- - f 保证 科学。 可靠性工程作为可靠性学科的一个分支，大致由如下几方面组成： ( 1 ) 可靠性理论应用到产品的可靠性评价方面，有可靠性评估与可靠性预测； ( 2 ) 可靠性理论应用到产品、零件的设计上，有概率工程设计或可靠性设计 等【n i ； 6 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 将可靠性设计与优化理论结合起来，综合各方面的因素，考虑设计的最 佳效果，有可靠性分配与可靠性优化【1 4 l ； ( 4 ) 考虑设备的维修因素之后的可靠性问题，有系统的可维护性与可利用性 的估计。 ( 5 ) 作为以上各分支的基础，有可靠性试验及其数据处理。 可靠性学科产生并逐步推广应用至各行业中，将以往人们对产品的可靠性由模 糊的定性概念变为清晰的定量指标；并将其贯穿于产品的设计、制造、检验及使用 的整个过程中。可靠性分析是- - 1 7 发展时间较短的新兴学科，随着生产的发展，对 其研究还在不断地充实与提高。因此，这是一门有广阔发展前景的学科。 1 5 论文主要研究内容 ( 1 ) 根据矿棉生产产量、产品质量的要求，通过对上料系统的研究、设计，设 计一种适合于工业化连续生产的上料方法及其上料系统，此上料系统可使装入熔炉 内的配合料分布均匀，熔化时快速均衡，降低能耗，获取优质熔体，最终保证产品 ( 矿棉纤维) 质量，提高产量。 ( 2 ) 对所设计的上料系统进行可靠性分析，特别是进行故障树分析，使系统的 故障变为最少，从而降低生产成本，增加系统的稳定性和可靠性。 1 6 小结 本章介绍了课题的来源、目的及研究意义。对上料系统在国n 步b t r 棉生产中的 应用状况以及可靠性分析方法的研究和应用进行了阐述。最后提出了本文做的主要 工作。 华中科技大学硕士学位论文 i i _ 口= _ | = ，t | _ _ _ _ 自- - = 自_ = = = = 目= ；= ；= = = = = = - - _ _ t t l ：j _ _ - = ；j ；| 目_ 昌昌_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 目- - _ _ - 2 上料系统工艺流程的确定 矿棉是以矿渣、天然矿石等为原料，在熔炉中经过高温熔化后，在离心力的作 用下，熔体被拉伸成絮状纤维，然后将这些形成的絮状纤维收集起来所得到产品 1 1 5 1 1 1 6 1 ，矿棉还可进一步加工制成粒状棉、棉毡、棉板、棉管等各种制品，广泛应用 于建筑工程中。 在送入熔炉前，各种原料和燃料( 如焦碳) 要按比例配合成配台料，配合前这 些料分别装在不同的料仓内，要确保各种料从进厂至熔炉这个阶段达到设计要求， 使进入炉内的各种料均匀分布，才能使熔化均匀。 矿棉上料系统分为欧美、日本两种上料系统方式，其中欧美以瑞典上料系统为 代表。 2 1 瑞典上料系统的组成结构与分析 因为瑞典使用矿棉产品很多，广泛应用于建筑上，其上料系统也比较先进。北 新集团在1 9 7 8 隼引进了瑞典容格公司年产1 6 3 0 0 吨岩棉生产线，此生产线中的上 料系统为全套设备引进，在北新集团使用多年。上料系统其工艺流程如下： 图2 1 瑞典上料系统工艺流程图 8 华中科技大学硕士学位论文 瑞典上料系统的组成结构如下： 1 料仓2 称量系统3 配合系统4 提升系统 图2 2 瑞典上料系统组成示意图 瑞典上料系统分为料仓，称量系统，配合系统，提升系统四个部分，简单介绍 其组成如下： ( 1 ) 料仓 上料系统中料仓为高料位排仓，排仓由四个仓组成，总容积约1 8 0 m 3 ，仓顶高 1 3 米，采用长皮带将原料从堆场运至料仓内，仓顶配有可逆配仓皮带，可将不同的 原料输送到不同的仓内，高料位排仓料仓约能存储5 - 6 天生产用的原料。 ( 2 ) 称量系统 称量系统由四台喂料电磁振动给料器，十六个称重传感器，四台称量用电磁振 动给料器组成，其中喂料电磁振动给料器同料仓下料口相连。当熔炉内缺料时，喂 料电磁振动给料器将料仓内原料以一定振幅输送到连有称重传感器的称量用电磁 振动给料器内，物料称量到设定值后，喂料电磁振动给料器停止动作，称量用电磁 振动给料器( 具有快振，慢振功能) 顺序启动，将物料输送给配合系统。 ( 3 ) 配合系统 配合系统由配合皮带机、箕斗构成。由于箕斗高于地面一段距离，为了避免同 华中科技大学硕士学位论文 箕斗发生干涉，配合皮带机为倾角1 7 度的斜皮带输送机。在称量用电磁振动给料 器启动前某段时间配合皮带机开始启动，直到称量用电磁振动给料器将其内部原料 全部排放干净后，配合皮带机停止运转。此后，箕斗被提升上去。 ( 4 ) 提升系统 提升系统由卷扬机、箕斗行走轨道、滑轮组构成。卷扬机在配合皮带机停止运 转后通过滑轮组将箕斗延行走轨道提升到熔炉上方，在熔炉上方箕斗在行走轨道的 弯曲段( 如图2 2 所示) 被翻转，箕斗在被翻转后，将所载的原料倾倒在熔炉内， 完成提升系统的动作。 此岩棉生产线的熔炉无炉盏开闭系统，熔炉上部只有一个活动挡板，原料靠自 重撞开活动斜挡板进入熔炉内，以后活动挡板靠自重返回，以防烟气从熔炉内大量 溢出，但此种方法效果不很好。 2 2 日本上料系统的组成结构与分析 日本是一个能源较少的国家，所有能源节约至为重要。日本在建筑产品节能方 面做的很好，矿棉产品也被广泛应用于建筑中。日东纺公司( n t b ) 是日本最大的 矿棉生产厂家，其产品的产量、质量均居日本同行业前列。日东纺公司共有四条矿 棉生产线，其上料系统均大同小异，其中d 3 生产线最具有代表性，根据日东纺公 司提供的技术资料及在日东纺公司的考察，其d 3 生产线上料系统工艺流程如图2 3 所示。 其上料系统的组成如下： 其上料系统分为料仓，称量配合系统，提升系统，炉盖开闭系统五个部分。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 日本上料系统工艺流程图 1 料仓2 称量系统3 配合系统4 提升系统5 炉门开闭系统 图2 4 日本上料系统组成示意图 华中科技大学硕士学位论文 = = = = ，| _ ii - _ _ - - 口_ - _ 目；= = e = = = = = e ；= = = = = ；t = = = e = = _ 口= _ _ _ - - _ - _ - - _ _ = e _ - _ - _ _ - _ _ - _ - 一 ( 1 ) 料仓 日东纺公司d b 生产线上料系统的料仓为矮料仓，由六个仓组成，成六边形排 列，其中装有同一种原料的仓为成对对角排列( 共有三种原料) ，如图2 5 所示。采 用对角放置同一种原料的原因是：这样可以在排料的时候，物料不至于只分布在料 罐的一角。此种料仓容积约能满足生产4 。5 小时的使用，即每4 。5 个小时就需上 次科。采用铲车上料。 圈2 5e l 东纺原料仓布置示意图 ( 2 ) 称垂系统 d 3 生产线上料系统的称量系统与配合系统被整合在一起，较为简单，由六台喂 料电磁振动给料器、三个称重传感器、料罐构成。其中六台喂料电磁振动给料器分 别安装在六个料仓的底部，称重传感器和位于其上的料罐安装在料仓所围成六边形 中心地坑内，这样做是为了在配合原料的时候原料能够在料罐中分布较为均匀。料 罐还同提升系统相连接。喂料电磁振动给料器顺序将料仓中的不同原料排入辩罐 内，同时，称熏传感器进行称量。称量到设定数值后，料罐被提升系统提走。 ( 3 ) 提升系统 提升系统主要由可水平行走的电动葫芦及其轨道构成。在称量结束后电动葫芦 将同其相连的料罐提升，并沿轨道横向行走至熔炉上方，待炉盖打开后，电动葫芦 带动料罐下降至熔炉顶部，原料从料罐下部排出。而后电葫芦带动料罐返回等待位 华中科技大学硕士学位论文 置，以进行下一次配料。 ( 4 ) 炉盖开闭系统 炉盖由气缸带动打开。原料从料罐中排出，并且料罐被提走后，由气缸带动炉 盖关闭。使烟气不能从熔炉内溢出。 2 3 两种上料系统的性能比较 上述瑞典上料系统在向炉内装料时，配合料的运动轨迹是抛物线形式，由于各 种物料的块度大小不同、密度不同，因而在抛洒进熔炉后远近不一，分布很不均匀， 造成熔化不均衡，以至单位产品燃耗上升，成纤率下降，而且渣球大幅度增加。另 外，在配合料从皮带输送机送到箕斗内的时候，也是采用向一处抛洒的方式，也存 在物料抛射轨迹为抛物线的问题，从而影响物料相互间的均布。而且上料皮带输送 机的结构很不紧凑，占地面积很大。 上述日本上料系统在向炉内装料时，由于是料罐卸料，配合料的运动轨迹是延 圆周洒落到熔炉内，相比起瑞典上料系统分布要均匀一些。另外，日本上料系统具 有炉盖开闭系统，比瑞典上料系统( 活动挡板不能完全挡住熔炉内部的烟气外溢) 要好。然而，在配合料时，由喂料电磁振动给料器向料罐排料时，配合料的运动轨 迹也是抛物线形式，对产品质量还是有一定的影响。而且称量方式采用的是累计称 量，不同原料不是同时落入料罐内，这样会使原料在料罐内分层，从而，在向炉内 装料时，落入熔炉内的原料也可能是分层的，从另一方面影响了物料分布的均匀性。 2 4 工艺流程的确定 通过上述综合比较，发现瑞典及日本上料系统均有其各自的优缺点，将二者取 长补短，对上述两种系统的某些设备系统经过优化组合，并新设计一些设备，形成 一种新的矿棉上料系统，是可以满足高产量、高质量矿棉生产对上料系统的要求的。 二者各自的特点简述如下： 瑞典上料系统 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 配合皮带抛在箕斗内的物料分布不均匀 ( 2 ) 箕斗向熔炉内投料运动轨迹为抛物线方式 ( 3 ) 无炉盖开闭系统，有部分烟气从熔炉内溢出 ( 4 ) 称量系统较为合理，使物料能在配合皮带机上形成均匀物料流 日本上料系统 ( 1 ) 采用料罐向熔炉卸料，物料分布比瑞典方式均匀。 ( 2 ) 称量系统存在不合理之处。 经过对瑞典及日本上料系统的分析，可以认为瑞典上料系统中的称量系统是比 较合理的，在本课题所研究的上料系统中保留。而对于日本上料系统中的提升系统 要明显好于瑞典的提升系统，在本课题所研究的上料系统中保留大部分，同时还保 留了日本上料系统中的炉盖开闭系统。对料仓、提升系统( 局部) 、配合系统作出 重新设计。 上料系统的工艺漉程筒述如下，如图2 6 所示： 原料卜叫料仓 排料电 磁振动 给料器 到黧妻睦 称量电 磁振动 给料器 打开熔 炉顶盖 l 料罐转 i 盘旋转 i - - - - - - - - - - - - - 一 烈 横向输 送料罐 料 罐 提升 料罐 图2 6 上料系统工艺流程图 将原料装满料仓，开始生产时，启动各料仓出料口的电磁振动给科器，使原料 进入相应的电子称中，完成称量，依照输送方向，从后到前顺序启动各电子称出料 华中科技大学硕士学位论文 口上的振动给料器，使各原料落在皮带输送机的输送带上进行配合，在皮带输送机 的输送下，配合料落入预先安置在转盘上的料罐中，同时，料罐随着转盘一起旋转， 在料罐装完料后，电葫芦将料罐提升至一定高度，沿着输送轨道移动到熔炉顶盖的 上方，打开熔炉顶盖，电葫芦将料罐下放，使其坐到炉口上，电葫芦的吊钩继续下 降，使料罐的活动底板向下滑落，均匀地进入熔炉内，完成一次卸料后，电葫芦将 料罐提起、移动并向下放置刭转盘上。 2 5 小结 本章分别介绍了瑞典和日本矿棉上料系统的组成结构，分析了二者的结构、工 艺技术特点，并对其性能进行了比较，指出了二者存在的优缺点。确定了北新年产 3 万吨矿棉上料系统的工艺流程。 华中科技大学硕士学位论文 _ _ t - = ：j = t _ _ c ；墨j 一i i i i i 3 上料系统工艺性能研究与设计 3 1 上料系统工艺性能研究 3 1 1 工艺技术要求 在矿棉生产中，矿棉生产的原料为矿渣、硅石，燃料为焦炭。将矿渣、硅石、 焦炭按一定配比计量并混合，组成一批料，一次投入到熔炉中。物料在熔炉内的均 匀分布是非常重要的，特别是硅石的分布一定要均匀，因为硅石的粒度小，容易分 布在局部，雨硅石的主要作用是调整熔炉内熔体的粘度，如分悫不均，熔体的睾占度 忽大忽小，对产品的质量影响很大；而焦炭如分布不均匀，会使矿渣和硅石燃烧不 充分，并影响炉内温度，使炉况不稳定。所以向熔炉内上料的方法及其上科系统是 非常重要的环，对产品的质量，产量有着重要的影响a 因此通过对上料系统主要设备的优化组合及可靠性设计，可以达到原料准确配 比，并能使输送到熔炉内的各种原料均匀分布，以利于原料在熔炉内熔化，从而使 产品的质量，产量得到提高。因为料仓和熔炉设备是固定的，对上料无影响，所以 上料系统主要包括原料称量系统、配合系统、提升系统。 3 1 2 工艺参数的确定 1 、原料用量 生产要求矿棉的年产量为3 万吨，生产的工作制按每年3 0 0 天，每天2 4 小时计 算。由此，可计算出所要求的矿棉每小时产量为： t = 0 0 0 0 0 3 0 0 ) 2 4 = 4 2t h ( 吨，j 、时) 一般情况下，矿棉的成棉率( 即每单位成品与每单位原料用量的比值) 为0 8 ， 则可计算出每小时所需原料置t 1 为： t l = t 0 8 - - 4 2 ，0 8 - - 5 2 5 t h ( d 屯小时) 2 、上料时间 矿棉生产的原料为矿渣、硅石，燃料为焦炭。将矿渣、硅石、焦炭按一定配比 计量并混合，组成一批料，次投入到熔炉中。每批科中的焦炭作为燃料被消耗掉， 华中科技大学硕士学位论文 与产量有关的是每批料中矿渣和硅石的重量，每批料的总重为8 3 0 k g ，其中矿渣和 硅石重量为7 4 0 k g 。根据上文所计算矿棉每小时产量t 。和每批料中矿渣和硅石总重 g ，确定上料系统每小时的上料次数n 如下； n - - t g = 5 2 5 0 7 4 0 = 7 1 次 取整后n = 8 次 可计算出每次上料最多用时t 不能超过： t = 6 0 8 = 7 5 m i n 综合考虑到生产中放铁时间( 由于矿渣中含有铁的成分，在熔炉中被熔化后形成 铁水，必须把铁水从炉底放出，否则会使炉内料位升高1 和生产中的炉况不稳定因素， 确定每次上料时间为6 分钟。 因此，提出矿棉生产工艺对上料系统的总体要求是： ( 1 ) 确定上料系统所需的各种机械设备，保证在一小时内能够上料7 - 8 次，每 次用时6 分钟以内。其中各系统对阃分配为：配合系统1 2 分钟( 称量系统在提升 过程中进行称量，因此称量时间不计入系统总时间) ，提升系统4 8 分钟； ( 2 ) 保证投入到熔炉内的原科分布均匀，从而达到降低单位产品燃耗，增大成 纤率，大幅度减少渣球的目的； ( 3 ) 系统运转稳定可靠，能够连续运转一个炉期。 3 2 上料系统总体设计 根据上料系统的工艺流程和基本设备组成，进行上料系统设计，如图3 1 所示 的上料系统设备总体组成图，将矿棉上料系统分为料仓，称量系统，配合系统提 升系统，熔炉五大部分组成。图3 2 所示为上料系统现场设备图。其工作原理是原 料矿渣、硅石、焦炭等通过料仓1 下面的振动给料器，进入称量系统2 ，称量后均 匀地进入配合系统3 ，经过配合系统输送，进入提升系统的料罐中，料罐由水平行 走的电动葫芦提起，沿轨道横向行走至熔炉上方，待炉盖打开后，电动葫芦带动料 罐下降至熔炉顶部，原料从料罐下部排出进入熔炉内。 华中科技大学硕士学位论文 1 料仓2 称量系统3 配合系统4 提升系统5 熔炉 图3 1 新设计上料系统设备总体组成图 图3 2 上料系统现场图 华中科技大学硕士学位论文 3 2 1 料仓 1 、料仓主要功能和设计要求 ( 1 ) 储存物料，容量保证生产中3 4 小时的用量； ( 2 ) 高度应保证铲车能将物科送入仓内； ( 3 ) 料仓底部排料，排料时，不能有“膨料”的现象发生。 2 、料仓的设计 根据工艺要求，将料仓为排仓方式，用铲车上料，不用可逆配仓皮带。为配合 铲车上料方式，此排仓设计为矮料仓，每仓容积4 m 3 ，总容积1 6 m 3 。为保证仓的 有效容积并且避免“髟料”现象( ”，仓底部锥面角度设计为4 5 度，此角度大于所 装物料的堆积角，物料可以被排出的，不会堆积。同时在仓底部锥面上安装仓壁振 动器，可进一步防止“膨料”现象。 3 2 ，2 称量系统 称量系统是原料配比精度保证的关键设备，原料配比的稳定性和准确性是保证 产品质量的重要前提，因此系统的设计很关键。称量系统的主要功能和设计要求为： ( 1 ) 原料进行准确称量，每批料为8 3 0 k g ，偏差不超过i 堍。 ( 2 ) 子称的容量能满足配方中各原料组分所占的容积。 称量系统由四套电子称装置组成，每套电子称装置由喂科用振动给科器、电子 称本体、传感器、称重用振动给料器构成。在料仓底郝安有喂料用电磁振动给料器， 电磁振动给料器具有快振、慢振的功能，当需要称重时，振动给料器根据称重的情 况进行快振、慢振，即在称重初期，需要物料快速进入电子称本体中，此时，振动 给料器快振，当称重快接近设定值时，需要物料慢速进入电子称本体中此时，振 动给料器慢振【1 8 1 。电子称本体和称量用电磁振动给料器通过传感器被吊挂在固定支 架上，传感器为拉力传感器，当物料进入电子称本体中时，物料重量压迫本体和称 羹用电磁振动给料器，使传感器发生拉体形交魏形变值授转换成数字信号显示到 称重仪表上。 华中科技大学硕士学位论文 电子称装置的设备组成示意图3 3 如下： 1 料仓2 传感器3 称重用电磁振动给料器4 电子称本体5 喂料用电磁振动给料器 图3 3 称量系统设备组成简图 所设计的称量系统采用类似于瑞典上料系统中的称量方式。根据称量系统的组 成，设计中具体设备选型及参数确定如下： ( 1 ) 电磁振动给料器 型号：g z 5 。 输送能力：1 0 0t h ( 按处理泥沙量) 。 厂家：河北峰峰红星机械厂。 ( 2 ) 传感器：c z l 0 0 0 承载能力：0 1 0 0 0 k g ； 精度：o 1 k g ； 厂家：常州托利多衡器有限公司。 ( 3 ) 电子称本体 设计时用四台电子称对三种物料进行称量，其中对用量较多的矿渣用两台电子 称，由于矿渣容重较小，故电子称的容积主要以能容下矿渣为准，每批料用矿渣约 华中科技大学硕士学位论文 口= _ - l _ i _ - _ l e ；= = 目_ _ 目_ = = = = = ；= = = = - i i i 目j = = = = l _ j l - _ - - l _ _ j e _ i i i _ _ - _ _ _ _ i - l _ _ _ 7 0 0 k g ，矿渣容重0 9 t m 3 ，则每个电子称容积为： v = ( 7 0 0 9 0 0 ) 2 = 0 3 9 m 3 3 2 3 配合系统 在配合系统中，要解决的问题是在原料配合过程中，保证原料的分布均匀性。 为了达到目的，采用配合皮带机的设计和料罐转盘的设计。 1 、配合皮带机的设计 采用皮带机进行原料配合，由于对称量用电磁振动给料器排料顺序进行了设定， 即配料时，称量用电磁振动给料器按原料的不同依次启动，这样，在皮带机运转过 程中，可在皮带上形成均匀的原料流。另外，因为料罐要被上下垂直方向提升，如 果皮带机为固定不动形式，料罐在升降过程中会同皮带机发生干涉，因此，借鉴了 可逆配仓皮带的结构，将配合皮带加上车轮，变为可逆运行的方式，当料罐落在料 罐转盘上后，配合皮带开向料罐上方，配料过程开始。当配料过程结束后，配合皮 带退回原位。 配合皮带参数如下： t d 7 5 型通用皮带机的输送能力均在7 8 m 3 h i l 9 】( 以输送容重为l t m 3 物料为基准) 以上，本系统为每小时上料8 次，每批物料容积约为o 9 2 m 3 ( 见3 2 4 节) ，容重y 为0 9 k g m 3 ，只要输送能力满足8 , 2 m 3 h 即可，因此普通皮带机的输送能力都能满 足本系统的要求。 考虑到振动给料器距皮带的中心距离及物料的抛射角，选择皮带带宽为 8 0 0 r a m 。 由3 2 2 节，可知电子称排空物料时间： t l = 单个电子称所装物料( 矿渣) 量电子称输送能力 t l = 0 3 5x6 0 1 0 0 - 0 2 1 m i n 配合皮带的输送速度应与电子称排料速度相配合( 应稍大于电子称排料速度) ， 物料应在t 1 ( 0 2 1 m i n ) 时间内，走完图3 3 所示距离l ( 1 4 7 m ) 由此可知，配合 皮带输送速度为： 2 1 华中科技大学硕士学位论文 v = l t 1 = 1 4 7 0 2 1 = 7 0 r e r a i n 配合皮带行走行程较短，以料罐上升或下降时不碰到皮带为准，取行程为6 5 0 m m ，由于行程短，行走时间相应较短，只要保证行走平稳即可，所以确定行走速 度为8 m m i n 。 1 称重用电磁振动给料器2 喂料片j 电磁振动给料器3 料仓4 ，料罐5 配合皮带 图3 4 配合系统示意图 2 、料罐转盘的设计 在配合皮带将配合料装入料罐的同时，还要让料罐旋转，目的是使配合的原料 的落点分散到罐内各处。为此设计了如图3 5 所示的料罐转盘。转盘的转动机构为 链轮链条结构，是一种类似于齿轮啮合的形式，将大节距链条f p = 3 8 1 ) t 1 9 1 雷成 一圈，用销钉将链条固定在转盘侧壁上，用链轮同链条咬合。转盘的支撑结构为三个 互成1 2 0 度角的向心球轴承支撑转盘。转盘的传动结构为减速电机带动9 0 度角斜 齿轮减速器，减速器一端装上述链轮从而带动转盘旋转。 料罐转盘参数计算如下： 料罐转盘的转速也应与电子称排料速度相配合，其转速n o 确定如下： 华中科技大学硕士学位论文 n o = 电子称输送能力输送单种物料( 矿渣) 量 n o = ( 1 0 0 6 0 ) 0 3 5 = 4 8r r a i n 取整盾， n o = 5r m i n a ) 电机功率的确定 已知条件如下： 料罐萋7 8 0 k g ，每批物料重8 3 0 k g ，料罐底部直径7 5 1 ) r n m ，籽罐转盘转速5r r a i n 负载实际功率 p = f v ( 3 1 ) f = 料罐与转盘间摩擦力 f = f g ( 3 2 ) g = 料罐与物料重量之和，f 为静摩擦系数 v = n o d ( 3 3 ) n o = 料盅转盘转速