（机械设计及理论专业论文）新型高炉无料钟炉顶装料装置的研制与分析.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 炼铁是钢铁生产中的一个重要环节，生产出产品( 主要是生铁) 的质量和产 量直接影响到炼钢生产。高炉生产是获得大量生铁的主要手段。在高炉顶部，炉 顶装料设备是用来装料入炉并使炉料在炉内合理分布，同时要起到炉顶密封作用 的设备。然而随着高炉冶炼技术的发展，传统炉顶仍然存在着设备复杂、密封性 能差和氮气使用量高等缺点。本文研制一种新型的无料钟炉顶装料装置。这种炉 顶装料装置具有设备结构简单、传动效率高、设备重量轻、布料灵活、密封性能 好等特点，能够满足高炉大型化和超高压操作的要求。本论文研究内容主要包括 炉顶装料装置中布料器倾动机构与旋转机构的设计；气密箱冷却密封机构的设计； 受料漏斗、料罐、截料阀、料流调节阀、上下密封阀机构的设计。在设计时，对 炉顶装料装置的关键部分布料器进行了虚拟装配和运动仿真，并与设计要求 进行比较分析，经过反复修改使其最终满足设计要求。应用a n s y s 软件对工作环 境最为恶劣的零部件耳轴进行强度、刚度和疲劳强度分析。最后在理论设计、 分析的基础之上，进行了样机的加工、安装和调试，并进行了运转实验。本装置 的设计简化了炉顶结构，提高了炉顶布料装置的可靠性、密封性，降低了经济成 本，对于今后高炉炉顶设备的研究，提供了新的思路。 关键词：高炉，无料钟炉顶，布料器，密封，溜槽 辽宁科技大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t i r o n m a k i n gi sa ni m p o r t a n tl i n ki ns t e e li n d u s t r y , a n dt h eq u a l i t ya n dt h eo u t p u to f t h ep r o d u c t sq i gi r o nm a i n l y ) a f f e c tt h es t e e l m a k i n gp r o d u c t i o nd i r e c t l y t h eb l a s t f u r n a c ep r o d u c t i o ni st h em a i nm e t h o dt oo b t a i nam a s so fp i gi r o n s t h ec h a r g i n g e q u i p m e n to ff u r n a c et o pi su s e dt ol o a dt h es t u f ft oas t o v ea n dm a k e sf u r n a c ec h a r g e s c a r e rr a t i o n a l l yw i t h i nt h es t o v e ，a n dt h ee q u i p m e n tm u s tp l a yap a r ti nt h ef u r n a c et o p h e r m e t i cs e a l i n ga tt h es a m et i m e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fb l a s tf u r n a c es m e l t t e c h n o l o g y ，t r a d i t i o n a lf u r n a c et o pe q u i p m e n th a sm a n ys h o r t c o m i n g s ，s u c ha s c o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，b a dc a p a b i l i t yo fp r e s s u r i z a t i o na n dh j 曲w a s t eo fn i t r o g e ng a s t h e r e f o r e ，an e wt y p ec h a r g i n ge q u i p m e n to fb e l l - l e s sb ft o pi ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h e r ea r es e v e r a la d v a n t a g e si nt h i sn e wt y p ee q u i p m e n t ，i th a st h es i m p l e rs t r u c t u r e ， l l i g hd r i v ee f f i c i e n c y , l i g h t e rw e i g h t ，f l e x i b l ed i s t r i b u t i n gc h a r g e ，s t a n d o u th e r m e t i c c a p a b i l i t ya n ds oo n ，a n da l lt h ec h a r a c t e r i s t i c sc a ns a t i s f yt h er e q u e s to fe x t r a - h i g h p r e s s u r ea n dt h em a i n f r a m ef u r n a c e t h ec o n t e n ti nt h i sp a p e rm a i ni n c l u d e sd i s t r i b u t o r i n n e rs t r u c t u r ed e s i g no f t h ef u r n a c et o p ，t h ed e s i g no f t h ec h a r g i n ge q u i p m e n t ，s e a lb o x c o o ld o w nh e r m e t i cs e a l i n g ，p h y s i c a ld e s i g no f t h er e c e i v em a t e r i a lf u n n e l ，m a t e r i a lj a r , c h e c km a t e r i a lv a l v e ，f l o wc o n t r o lv a l v e ，a b o u ts e a l e dv a l v ea n ds oo n d u m m y a s s e m b l i n ga n dm o t i o ne m u l a t i o nh a v eb e e nd o n et ot h ed r i v eg e a rb o xd e s i g n i n gt h a ti s t h ek e yp a r to ft h ed i s t r i b u t o r c o m p a r i n gw i t ht h ed e s i g ns t a n d a r d ，m a k es u r ei tc a n s a r i s f yt h ed e s i g nd e m a n da f t e rs e v e r a la m e n d i n g t n m n l o nt h a tw o r k si nt h ew o r s t e n v i r o n m e n ti sa n a l y s e db yu s i n ga n s y si ni n t e n s i t y , r i g i d i t ya n dw o r k i n gl i f e f i n a l l y , b a s e do nt h ed e s i g na n da n a l y z eo ft h e o r y , t h es a m p l em a n u f a c t u r e ，f i x t u r e ，d e b u g g i n g a n dr u n n i n ge x p e r i m e n th a v ec a r d e do n e n t i r ee q u i p m e n td e s i g na n dr e s e a r c hh a v e f a c i l i t a t e df h r n a c et o ps t r u c t u r e ，a n dh a v ei m p r o v e de n t i r ef u r n a c et o pd i s t r i b u t i n g c h a r g eb o t hd e v i c er e l i a b i l i t ya n dh e r m e t i cs e a l i n g ，b e s i d e s ，h a v er e d u c e de c o n o m yc o s t t o o ，p r o v i d i n gag r e a tv a l u a b l et h o u g h t t ot h es t u d yo nt h eb l a s tf u r n a c et o pe q u i p m e n t i nt h ef u t u r e k e y w o r d b l a s tf u r n a c e , b e h l e s st o p ，d i s t r i b u t o r , s e a l ，c h u t e 豆宁科技大学硕士论文第一章课题综述 第一章课题综述 1 1 引言 钢铁是国民经济、社会发展和国防建设重要的基础原材料，是工业发展中最 重要的基础性结构材料和功能材料，没有钢铁就没有工业化【l 】。高炉生产是目前获 得大量生铁的主要手段。目前高炉生产的铁占世界生铁产量的9 5 左右，在炼铁 生产中占统治地位。中国国民经济的快速发展，也促进了中国炼铁技术的进步。 2 0 0 1 年我国生铁产量已占世界生铁总产量的2 6 0 2 ( 当前世界生铁总产量为5 7 2 亿吨) ，成为世界第一产铁大国。全国重点钢铁企业高炉炼铁技术经济指标不断创 出历史最好水平，以宝钢、鞍钢、梅山、新兴铸管、三明等一批企业的高炉为代 表，部分技术经济指标达到了国际先进水平。中国冶炼技术与国际先进水平相比 较差距还是很大，不过和中国的炼钢、轧钢等主要工序相比较，中国炼铁技术水 平与国际先进水平相比较，差距是最小的 2 11 3 。 高炉炼铁一直是重要的炼铁工艺，也是技术进步与创新的重要领域。近年来， 随着高炉设备水平的不断提高，中、小高炉逐渐被大型、巨型高炉所代替。这就 要求高炉炼铁技术在高炉装备、提高喷煤比、延长高炉寿命、提高高炉原燃料质 量、改进高炉操作等方面都要有明显的进步。同时由于生铁产量的逐年高速增长 也造成了全国铁矿石、焦碳供应紧张，价位攀升，质量下降，成分不稳定等等不 良情况，更加导致了部分高炉经济指标下滑，表现在入炉品位提高，入炉焦比升 高，喷煤比下降等不良现象。因此对于炼铁行业如何进一步提高技术装备水平， 如何进一步优化工艺，实现高产、低耗、环保的指标，对整个钢铁工业乃至全球 经济的发展都具有重要而现实的意义 4 1 5 1 6 1 。 今后发展方向主要集中在继续提高炉顶设备使用率、合理利用资源、实现超 高喷煤，进一步延长炉役寿命和环境保护等几个领域，进而不断提高高炉生产效 率和设备使用率，降低能耗，有效保护环境，实现可持续发展【7 。 1 2 无料钟炉顶装料装置研究的意义 进行炉顶布料装置的研究，不仅能够满足设备更新换代的需要，而且能够促 进企业改革发展、提高经济效益。研究无钟炉顶布料设备对于高炉设计者来说是 极为重要的峭j 。 从古至今，炼铁工艺的研究与开发就从未停止过。单从装料装置看，从最初 的敞开式炉顶到密封式炉顶，再到钟式炉顶，一直到今天的无料钟式炉顶，工艺 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 同趋完善，密封愈加严密，布料方式更加合理，效率越来越高，成本越来越低。 特别是无料钟炉顶布料器以其布料方式灵活多样，布料均匀的优势，很快在高炉 上得到广泛使用。然而无料钟炉顶也存在如下缺点：设备笨重、结构复杂、传动 效率低。炉顶布料装置的通病是密封性能差，氮气消耗量大，生产成本高p 】【1 0 】，而 且布料传动齿轮箱内部直接与炉顶高温接触，内部零件长时间处于高温下工作， 容易损坏，设备更换频繁，这些都是生产者不愿意看到的。本文研制了一种新型 的炉顶装料设备，对国内外炉顶情况进行了分析对比的同时，进行了设备改进， 使新型装置的设计在结构上大大简化，设备重量减轻，特别是密封性和布料灵活 性都大大增强。 1 3 高炉炉顶装料设备发展进程 1 3 1 高炉炉顶装料设备概况 在高炉顶部，炉顶装料设备是用来装料入炉并使炉料在炉内合理分布，同时 要起到炉顶密封作用的设备。它与铁产量的高低、能源的消耗和企业的效益等等 都有直接密切的关系。炉顶装料设备应该满足下列要求： ( 1 ) 能够满足炉喉的合理布料，并能按生产需要进行炉顶调剂； ( 2 ) 保证炉顶的可靠密封，使高压操作顺利进行； ( 3 ) 在满足上面的要求下，设备结构力求简单，制造、运输、安装方便； ( 4 ) 零件的寿命长，维护修理方便； ( 5 ) 能实现操作自动化。 布料器作为高炉炉顶装料设备的一个重要部分，是关系到高炉能否正常生产 的关键环节之一。自研制生产以来主要经历了从钟式巴利式布料器、布朗式布料 器、马基式布料器到双钟式炉顶、钟阀式炉顶和无料钟炉顶布料器等几个重要发 展阶段。无料钟布料器的产生被称为高炉布料设备完成的一次新的革命。它一出 现就受到广泛的欢迎。目前，世界各国现代化大型高炉均采用无料钟炉顶装置。 我国各个大小钢厂在其新建的高炉上也都采用了无料钟炉顶这一先进技术及其设 备【1 ”。 1 3 2 初期高炉布料器 高炉在中国出现，已有2 7 0 0 年的历史。2 0 0 0 年前( 西汉末年) 已有5 0 m 3 的 巨型高炉，由于古代生产设备差，技术水平低，不懂布料，煤气利用极差，燃料 消耗高，每炼1 吨铁要用7 8 吨木炭。炉顶是敞开式的，煤气直接放散到大气里， 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 致使高炉附近黑烟蔽日。炉料靠人工装入炉内，不但生产不安全，而且装料速度 比较慢，生产效率低下。炉项变为封闭式之后，才有了所谓的“炉顶装料设备”。 但是，起初的“炉顶装料设备”仅能把炉料装入炉内，而不能担负起合理布料的 任务。其后，随着生产技术的发展，炉顶装料设备不断得到完善。1 8 5 0 年在英国 出现了巴利式布料装置，它用手工操作。炉料放进料斗后，开大钟，炉料沿大钟 斜面布到炉内，使炉内料面呈漏斗形：边缘料面高，中心料面低。不仅改善了炉 顶劳动条件，还能完成简单的装料和布料任务，初步实现了高炉生产的上部调剂。 巴利式布料器的结构如图1 1 所示。 2 图1 1 钟式炉项最初结构一巴利式布料器 1 、高炉炉喉2 、炉料3 、固定料斗4 、圆锥形料钟5 、驱动装置 巴利式布料器是单钟的，使用过程中密封性不佳的缺陷也是很明显的。加料 时，大钟开启，炉内煤气大量从炉顶放出来。尤其是随着高炉容积的护大，炉喉 和料钟尺寸随之增加之后，煤气外泄现象更加严重。此外，布料器旋转的歪嘴放 料口很大，料流时间短，不能克服大料斗内炉料的不均匀性【1 2 t 1 3 1 。 1 3 3 钟式炉顶布料器 为了切断煤气外逸，确保安全，人们在料钟的上面再增加一个盖子，其开闭 与料钟形成反连锁( 料钟开，盖子就关；料钟关，盖子就开) ，这就是双钟式炉顶 的雏形。针对起初的双钟式炉顶炉料偏析严重的问题而设计的一种细长型的盖涅 特布料器，曾流行一时。随后，1 9 0 7 年美国马基公司首次设计的马基式布料器( 图 2 1 ) ，逐渐取代了盖涅特布料器，马基式布料器继承了巴利式大钟、大斗的优点， 并且用双钟、双斗克服加料时煤气漏出的缺陷。它吸收了布朗式布料器旋转的长 处，使小钟、小斗一起旋转，把炉料按六站( 每站6 0 4 ) 放到大斗内。这样就使炉 料堆尖较均匀地分布在大斗里。早在2 0 世纪4 0 年代初，就曾被公认为世界最好 的密封煤气和装料设备。在它出现的短短2 0 年内，美国1 5 0 座高炉几乎全部采用； 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 除美国之外，它在世界范围内也得到迅速推广1 4 】【1 5 】。 马基式布料器在常压高炉上使用，其密封性尚能满足要求；炉顶压力超过 1 4 7 k p a 以上，容易漏气，使大钟很快磨损，更换大钟，要费很多时间。因此，马 基式炉顶已不能适应现代高炉生产的需要。 图1 2 马基式布料器 1 、旋转小斗2 、大料斗3 、大钟 为解决这些缺点，双钟式炉项技术出现了，这项技术在世界范围内得到了广 泛采用。至今己有上百年历史，仍是中小型高炉的常用装料设备。它是由受料斗、 小钟料斗、小料钟、大钟料斗、大料钟、布料器等组成。 图1 3 为双钟式高炉装料设备。装料时，受料斗接受料车或皮带送入的炉料， 并进入小钟斗，然后打开小钟将炉料倒入大钟斗，关闭小钟，再打开大钟，将炉 料按要求布到炉内。大小钟的启闭必须交错进行，保证装料时煤气密封。大小钟 之间有效容积必须大于一个最大料批的总容积。料车上料的高炉其大小钟之间有 效容积常为料车容积的5 倍1 6 】【1 7 】。 图1 3 双钟式高炉装料设备 1 、大钟2 、大料斗3 、炉顶支圈4 、拉杆5 、煤气封盖 6 、保护钟7 、楔形连接键8 、加强钟 4 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 由于高炉冶炼技术的发展，高炉容积不断扩大，炉顶压力不断提高，双钟式 炉顶具有的体积笨重，密封性能差，维护工作量大，不能实现高压操作等缺点， 已不能满足生产的要求。大钟和大料斗的寿命随着炉顶压力的提高而显著的缩短， 通常只有一年，这样大大的降低了冶炼的质量。 此后随着高炉大型化和炉顶压力的提高，许多国家竟相研制新型炉顶装料设 备，出现了以双室密封的三钟、四钟型装料设备和使用盘式阀减小密封面积的钟 阀式装料设备。三钟、四钟型装料设备由于其结构复杂，高度增加，均压繁琐， 不但制造安装要求严格且不便于维修和管理，故未得到普遍采用。 钟阀式炉顶装料设备是2 0 世纪6 0 年代初由日本石川岛播磨厂开发出来的， 它博采了三钟炉顶的长处，将最上部的料钟改为蝶型密封阀进行密封，满足了高 炉的高压甚至超高压操作。同时，采用了可调炉喉挡料板来解决传统的钟式炉顶 径向布料能力的不足。这种装料设备即保留了具有布料作用的大小料钟，又加设 了软质填料的密封阀门，这样便解决了炉顶高压煤气的密封问题。钟阀式炉顶有 多种，用的最多的是双钟双阀炉顶。这种设计的主要目的是为了使煤气不泄漏、 设备少磨损，并解决了炉料在圆周及径向分布的均匀性和合理性问题，但结果是 炉顶越来越高，设备越来越重，构造越来越复杂，建造维修费用越来越增加【1 。 1 3 4 无料钟妒顶技术 1 9 7 0 年卢森堡威尔斯厂和保罗伍尔斯( p a u l w u r t h ) 公司所发明制造的无 料钟布料器，即p w 式无料钟炉顶设备，它克服了马基式布料器的基本缺陷，在技 术上是一次大的飞跃【1 9 1 。世界上第一套无料钟炉顶设备安装于德国h a m b o r g 厂4 号高炉( 1 4 4 5 m 3 ) ，该高炉于1 9 7 2 年1 月开炉：1 9 7 6 月，德国蒂森钢铁公司的 s c h w e l g e r n 厂( 施魏尔根厂) l 号炉( 4 6 3 0 所3 ) 大修时也改成了无料钟炉顶设备， 成为世界上第一座装有无料钟炉顶设备的大型高炉。二十多年来，高炉无料钟炉 顶在世界各国得到了迅速推广，尤其是特大型高炉使用无料钟炉顶设备己成为一 种趋势。我国的宝钢、鞍钢、首钢、武钢、马钢、攀钢等钢铁集团新建和改扩建 的大高炉均采用了无料钟炉顶技术。炉顶构造大大简化，设备重量大大减轻，而 且，密封性和布料灵活性都大大增强，使用寿命也大大提高，完全满足了高炉大 型化和超高压操作的要求，是高炉炉顶装料设备的一次质的飞跃。p w 无料钟炉顶 设备问世以后风行全球，从1 9 7 2 年正式在高炉上应用到现在，全世界已有几百余 座高炉使用了这种无料钟炉顶，形成了p w 公司的垄断局面i ”j 。 高炉无料钟炉顶装置是现代发展的趋势，它的特点是： ( 1 ) 可以把原料布到整个料面上，包括炉喉节面，而料钟只能进行环形布料 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 ( 单环) ； ( 2 ) 围绕高炉中心线可以实现炉喉任何宽度的环形布料，且每次布料的料层 可以很薄； ( 3 ) 可以减少原料的偏析和滚动，各处透气性较均匀； ( 4 ) 由于原料由一股小流进入炉内，不影响炉喉的煤气通道，因此，在炉料 粒度相同的情况下由煤气带出的炉尘比料钟装料的少，而大钟装料时，原料猛然 从大钟上一起落下，减少了煤气的通道，增加了煤气的速度，从而增加了炉尘的 吹出量； ( 5 ) 无料钟炉顶可使高炉煤气曲线上升，延长炉料和煤气的接触时间，有利 于煤气能量的利用和整个截面的化学反应，可实现定点布料和定弧段的扇形布料 等非对称布料，当炉内料柱发生偏行或“管道”时可以及时采取有效的补救措施。 从设备方面来看： ( 1 ) 由于无料钟炉顶取消了大钟、大料斗和旧式布料器等笨重而要求精密加 工的零件，比较彻底地解决了制造、运输、安装和维护更换等问题。 ( 2 ) 炉顶有上、下两层密封阀不受炉料的磨损，寿命较长，阀和阀座的重量 及尺寸较小，可以整体更换，亦可单独更换某个零件，简化了炉顶结构，极大地 减轻了设备重量，降低了炉顶的高度，节省了设备的投资； ( 3 ) 无料钟炉顶把布料和密封分开，由不同的零件负担，由钟式炉顶的单层、 大面积、硬密封改为多层、小面积、软密封，有利于炉顶压力的提高和调整。莱 钢7 5 0 m 3 高炉无料钟炉顶工作压力可达0 1 5 m p a ，加速了炉内的化学反应，节省 能源。布料器在高压区工作不受炉顶充排压的影响，而钟式炉顶只能在常压下工 作； ( 4 ) 料流控制由体积、时间控制发展为重量控制，因而可实现理想的布料以 提高效率节省能源 ( 5 ) 溜槽工作虽然很灵活，但其传动和控制系统却非常复杂，因此高炉上料 系统和布料系统均采用计算机控制，炉顶凡有传动的单项设备都装有位置检测的 信号发生装置，实现控制集中以利于自动联锁。此外，并列无料钟炉顶气密箱不 用气冷气封，而是采用水冷水封：溜槽吊挂采用了u 型托架与溜槽分体式结构； 下密封阀增加了氮气吹扫结构；上密封阀采用了软、硬密封结构：a 、b 角的发 迅装置采用了密闭式结构等新技术，提高了炉顶的性能和使用寿命，方便了维修。 这些都是钟式炉顶设备所无法比拟的，因此炉顶装料设备的设计与开发具有十分 重要的意义【2 ”。 无料钟炉顶也有某些缺点。布料器密封性能差、氮气消耗大。而且布料传动 6 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 齿轮箱内部直接与炉顶高温接触，内部零件长时间处于高温下工作，容易损坏， 设备更换频繁，这些都是生产者不愿意看到的。无料钟炉顶的另一个缺点是布料 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。 目前国内外的经验表明，溜槽仍采用固定一两个角度的环形布料，没有充分发挥 灵活布料的作用【2 2 】 2 3 】。 1 4 炉顶布料设备研究现状 目前世界上3 0 0 m 3 至4 0 0 0 m 3 各种高炉的新建和改造性大修上，均采用无料钟 炉顶新技术，无料钟炉顶成为普遍受欢迎的炉顶设备 2 4 1 。布料设备作为无料钟炉 顶的核心部分，它的研制和开发一直受到世界的关注【2 5 1 。 国外研制的p w 布料器由行星减速箱和气密箱两大部分组成的，其气密箱通过 外壳支持在高炉上，行星减速箱直接处于炉喉顶部，为了确保轴承和传动零件的 工作温度不超过5 0 ，必须通冷却气，冷却气由两条环形缝隙排入炉内。行星减 速箱处于大气的环境中工作，不必通冷却气。带动气密箱内两齿轮的两根同心轴 伸入气密箱内，所以在转轴处需要密封。溜槽的倾角可以在布料器的转动时变动 也可以在布料器不转时变动，当需要调节倾角时，开动倾动电机，使中心的太阳 轮转动，从而使行星齿轮的转速增大或减小，起到调节溜槽倾角的作用。具体采 用蜗轮箱传动，通过蜗杆、小齿轮和扇形齿轮使溜槽驱动轴通过花键连接带动溜 槽旋转【2 6 1 【2 7 】。p w 传动如图1 4 、图1 5 所示： 旋转驱动装置 图1 4p 缈布料器传动系统立体图 7 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 图1 5p w 布料器传动系统运动学简图 1 、主电机2 、副电机3 、行星减速机4 、倾动箱( 左、右) 5 、溜槽6 、中心喉管7 、固定套筒8 、旋转套筒 通过在生产实践中的应用，p w 型炉顶技术虽然有很多优点，但也存在问题： ( 1 ) 布料器整体更换周期短。原因是传动件磨损损坏。新设备更新周期基本 在2 0 个月以上，以后逐年下降，平均只有1 8 个月，甚至1 2 个月； ( 2 ) 布料器易损件更换周期短。布料溜槽的易损件主要是旋转溜槽衬板和中 心喉管； ( 3 ) 布料器传动结构复杂，布料器故障停机率高； ( 4 ) 布料器氮气耗量大，造成能源浪费大【2 8 】。 我国从7 0 年代开始研制无料钟炉项，1 9 7 9 年第一座无科钟炉顶在首钢投产。 现在全国已有5 0 余座高炉采用无料钟炉顶，其中一部分是引进p w 公司的技术和 装备，一部分是国内自行研制开发的。例如b t 型、b g 型、船型炉顶装置等。国 内设计的炉顶布料器，其结构与国外设计的有些不同。初期只是为了安装和调整 方便以及减少冷却气和提高传动的效率，对国外的设计做了两处改动。( 1 ) 行星 减速箱内减少了一对齿轮，使减速箱的结构得到了简化，少一层齿轮可以少一层 分箱面，使安装和调整比较方便；( 2 ) 由旋转屏风改为固定屏风，把气冷改为水 冷，这样炉喉内的辐射热不易传入气密箱内，这样可以减少冷却气的用量。类似 的改动设计不断出现。 1 、占丁型高炉无料钟炉顶是包头钢铁设计研究总院开发的。1 9 8 0 年8 月，包 钢公司决定在l 号高炉大修时改用无料钟炉顶，包头钢铁设计研究院经过仔细研 究，设计了b t 一8 1 型全电动无料钟炉顶布料器，并进行了实物模拟。结果表明了 该设计原理正确，结构合理，运行平稳可靠，溜槽的旋转和摆动灵活，可以满足 高炉多种布料的要求。同时也暴露了不足：溜槽旋转到两摆角提升机构之间时稍 有波动，托圈在旋转时尚有摆动以及润滑问题等，必须加以改进。因此b t 一8 1 辽宁科技大学硕士论文 第一章课题综述 型布料器没有在高炉上使用。针对b r 一8 1 型布料器在实验中出现的问题，进一步 简化其结构，实现了单环、多环、定点布料集于一体的布料系统，即b 丁一8 3 型布 料装置。如图1 6 所示为b t 型布料器结构原理图。 图1 6b t 型布料器结构原理图 1 、布料溜槽2 、密封3 、旋转圆筒4 、托圈5 、大齿轮 6 、油缸7 、中心喉管8 、电机9 、减速器l o 、小齿轮 1 1 、耳轴1 2 、旋转框架1 3 、箱体1 4 、溜槽托架 布料溜槽1 的水平旋转运动是由一台交流变级调速电机8 驱动的。溜槽托架 1 4 的耳轴1 1 支承在旋转圆筒3 上，而旋转圆筒3 与大齿圈5 联为一体。布料溜槽 1 的上下摆动是由布置在箱体1 3 外面顶部的三个液压缸6 实现的。每个油缸的活 塞杆与可上下移动的托圈4 铰接。旋转框架1 2 可以绕高炉中心线在托圈4 内以与 旋转圆筒3 相同的角速度自由转动。和溜槽托架耳轴联为一体的曲柄一端自由地 支承在旋转框架1 2 上。当托圈4 上下移动时，就会带动曲柄绕耳轴1 1 旋转，由 此便实现了溜槽的摆动。由结构原理可看出，溜槽的两种运动是各自独立的，可 以单独工作，也可同时工作，以此来完成多种布料。密封箱采用普通工业水开式 循环冷却，采用氮气密封。此后，在总结b t 型布料器使用十几年经验教训的基础 上，针对高炉的具体情况，开发了适合中小型高炉使用的b t i 和b t i 爿型 布料器。这些布料器保留了b t 型布料器的主要设计思想，几乎继承了b t 型布料 器的全部优点，同时也克服了b t 型布料器的不足。新的b t i i i 型布料器中，溜 槽的摆动采用了三组滚珠丝杠及一套伺服电机侧置蜗杆减速机代替原来三支液压 缸及液压比例调速系统，单排滚动回转支承改为双联滚珠回转支承，实现了托圈 升降的机械同步，保证了升降运动的平稳性，彻底摆脱了b r 型布料器存在的三缸 同步问题。对于旋转圆筒上的两处旋转密封，在结构上将原来的5 道径向填料密 9 辽宁科技大学硕士论文 第一章课题综述 封改为2 道径向与4 道轴向填料复合密封：采用耐高温又有自润滑性的碳纤维或 陶瓷纤维作为密封填料，既减小了摩擦阻力，又能在满足要求的前提下延长使用 寿命，同时可以减少或取消密封氮气。b t 型系列已在国内中、小高炉上推广应用， 效果良好【2 。 2 、自8 0 年代初开始包钢炼铁厂与包头钢铁设计研究院等单位共同协作开发 研制了具有我国知识产权特色的b g 系列型无料钟炉顶布料器，1 9 8 5 年3 月，第 一台b g i 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采 用的p w 型无料钟炉顶布料器相比较，具有完全不同的传动机构。而b g i 型布 料器是采用交叉滚柱( 或球) 轴承将一个旋转圆筒吊在顶盖上，圆筒与轴承外圈 相连，轴承内圈与顶盖相连，圆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随之绕高炉中心线旋转，实现溜槽的旋转运动，达到沿圆周 均匀布料的目的。溜槽的倾角口角运动是通过液压系统操纵与溜槽用花键轴相连 的曲柄滑块机构实现的，该曲柄一端的滑块在一个带有水平旋转托辊并可在个 带有滚道的托圈内回转的浮动框架内滑动，当液压缸提升托圈时，通过托辊使浮 动框架上下移动并可带动曲柄绕花键轴旋转，从而达到溜槽上下摆动的目的。实 现口角的改变，通过控制系统对口角和角进行控制，使其实现不同的组合，即 可实现高炉生产工艺所需的各种布料方式，满足高炉布料需要。b g i 布料器初 次在包钢使用，即显出其独到的优点，受到有关方面的认可，但是也还存在口角 运动控制精度太低，其显示误差大于1 6 等缺陷，这些缺陷的存在严重地制约了布料 器的使用，提高口角控制精度成为布料器设计是否成功的关键环节口。 1 9 9 0 年又针对b g 型布料器存在的问题进行了改造，设计了b g i i 型布料 器。到目前为止，包钢1 号、3 号高炉的b g i i 型布料器已运行了7 年以上，除 正常计划检修外，没发生任何设备事故，这说明b g i i 型布料器已经成熟。 如图1 7 所示：布料溜槽旋转和摆动的传动过程： 主传动一溜槽的旋转：主电机1 一小齿轮1 0 一大齿圈1 l 一旋转圆筒3 一溜槽4 ； 副传动一溜槽的摆动：液压缸2 一托圈8 一浮动旋转框架7 一曲柄5 一溜槽4 。 由结构原理看出，主、副传动是相互独立的。可单独工作也可同时工作，以 此来完成多种布料p ”。 b g i i 型布料器的主要特点： ( 1 ) b g i i 型布料器机构设计合理、结构简单，各主要传动力与运动部分 受力明确，工作可靠，运动阻力小，驱动机构简单，整机使用寿命长，设备重量 轻，制造调整安装方便。 ( 2 ) b g i i 型布料器还具有良好的维修性。 1 0 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 ( 3 ) b g i i 型布料器采用了开式水冷系统，冷却更为可靠。 ( 4 ) b g i i 与p w 型布料器相比，润滑简单。 b g i i 型布料器内，氮气主要起正压密封作用，因为整个气密箱水冷效果很 好，使耗氮量减低吲。 图1 7b g i i 型结构、驱动原理图 1 、电机2 、液压缸3 、旋转圆筒4 、溜槽5 、曲柄6 、托盘 7 、浮动旋转框架8 、升降托圈9 、中心喉管 1 0 、小齿轮1 1 、大齿圈1 2 、轴承 3 、以僧全松为代表，中国钢铁工贸集团公司、包头钢铁公司和包头钢铁设计 研究院在b g 型基础上共同研制了第三代b g 型无料钟炉顶“钢丝绳传动的高炉炉 顶溜槽布料器”即嚣型布料器。这种无料钟炉顶在使用中经过多次改进，现已正 常应用于包钢1 号高炉( 1 5 1 3m 3 ) ，3 号高炉( 2 2 0 0 m 3 ) ，十多年的生产实践证明 它性能良好、运行稳定，完全满足大、中型高炉强化生产的需要。 图1 8s s 型结构、驱动原理简图 1 、针摆减速机2 、轴承3 、中心喉管 4 、旋转体5 、钢绳6 、溜槽托架7 、溜槽 1 1 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 豁型布料器结构如图所示。它由旋转减速机、旋转体、布料器箱体、槽托架、 溜槽、钢丝绳传动的溜槽倾动装置、检测及控制系统组成。 s s 型布料器的优点： ( 1 ) 结构简单、制造容易、投资省。豁型布料器采用通用减速机传动旋转体， 代替复杂的行星差动减速机传动旋转体；钢丝绳传动溜槽摆动，代替了行星差动 减速机传动、左右倾动减速机传动溜槽摆动，使得布料器内设备结构简单化，投 资降低。 ( 2 ) 运转性能好。s s 型布料器由于用一根钢丝传动，所以彻底解决了溜槽两 边耳轴同步、受力相等的问题。 ( 3 ) 控制精度高，布料性能好。控制精度主要在于倾动口角的控制，嚣型布 料器采用伺服电机控制，钢丝绳传动溜槽倾动。整个系统没有积累误差，倾角误 差在r 以下。 ( 4 ) 易维修，使用寿命长。 ( 5 ) s s 布料器采用了水冷气封技术。水冷气封是指主要采用水冷却，用氮气 密封，其耗氮量小。水冷气封技术有利于延长布料器的使用寿命。 s s 型布料器由于结构简单，其旋转减速机与倾动钢丝绳传动减速机均设置在 布料器外部，更换检修方便。实践证明，多年来腮型布料器在我国炼铁厂运行安 全可靠，这种布料器满足高炉生产工艺要求，可以替代p w 布料器，而它本身具有 的构造简单、维修方便、成本低廉、对炉顶温度限制不太严格等优点又是p w 布料 器所不如的。但是s s 型布料器与p w 型布料器相比，存在的缺点是：倾动角摆动 范r od , ，密封性能还不够优越口8 】【3 3 1 。 以上通过对高炉布料器发展进程的了解，并通过对p w 型、b t 型系列、b g 型 系列、鼹型布料器的工作原理、结构特点等进行的分析和比较，可以看出高炉炉 顶装料装置是在不断更新换代过程中的。新型的布料设备都是在借鉴其它布料器 的特点，进行进一步完善优化设计出来的。最终都是想使设备具有结构简单、密 封性能良好、制造容易、维修方便、工作可靠、成本降低的特点，最终实现高炉 稳产、高产、低耗、长寿的目的。从目前的发展现状来看，不同系列的布料器虽 然有其自身的优点，但还存在很多不足之处，如何取长补短，使设计更加完善， 并能在实际生产中更易于推广，将成为我们的设计目标。我国已经形成了具有自 主知识产权的专利产品。中国钢铁技术已经开始进入仿、创并举的新时期，今后 类似b t 型、b g 型、嬲型无料钟炉顶的发明将会不断出现。 辽宁科技大学硕士论文第一章课题综述 1 5 本课题研究的主要内容 本课题针对国内外高炉炉顶装料装置存在的问题，研制了一种新型的无料钟 炉顶装料装置。 本课题的关键点：找到现有炉顶布料设备缺陷性因素进行分析，并进行改进 设计。现有炉顶布料设备缺陷性因素：一是布料设备结构复杂，二是布料设备密 封性能差。 本课题研究具体内容如下： 1 、通过前期收集相关的国内外资料，仔细分析各种类型高炉无料钟炉项装料 设备的优缺点，根据国内的实际需求情况，具体进行研究与分析。 2 、进行新型无料钟炉顶布料装置模型的设计与研究。通过对布料溜槽齿轮箱 内部传动结构的分析，确定布料溜槽传动齿轮箱内部结构的最佳方案。 3 、对布料器气密箱的冷却密封结构进行分析，设计出新的密封方案。 4 、建立炉顶关键设备布料器的虚拟样机模型，对所设计的设备进行模拟运动 仿真，反复修改使其满足设计要求。从仿真结果中，分析布料溜槽的运动特点， 从而为布料器机械结构设计提供依据。 5 、应用a n s y s 软件对关键零件进行强度、刚度及寿命强度分析。 6 、制造高炉炉顶装料装置样机模型，并进行设备的运转实验。对实验结果与 设计结果进行比较分析，验证设计的可行性和计算结果的准确性。 1 6 本章小结 在这一章里主要是回顾了高炉炉顶装料装置的发展历史和研究现状，并详细 阐述了无料钟炉顶装料装置的特点。介绍了无料钟炉顶装料装置的研究价值和意 义。最后，提出了本文的主要研究内容。 辽宁科技大学硕士论文 第二章新型无科钟炉顶装粹装置的研制 第二章新型无料钟炉顶装料装置的研制 2 1 新型无料钟炉顶装料装置设计要求和基本参数 2 1 1 无料钟妒顶布料工艺 图2 1 无料钟炉顶装料装置 如图2 1 所示，是串罐式无料钟炉顶布料装置，主要由受料漏斗、上节流阀、 上密封阀及料罐、下节流阀、下密封阀、布料器等六部分构成。 无料钟炉项布料的具体操作过程如下：当称量料罐需要装料时，料车移动到 炉顶受料漏斗上，由料车卷扬机的主令控制器释放相应的触点，使料罐的放散阀 打开，然后打开上密封阀，此时下密封是关闭的。当第一车料装入称量料罐后， 关闭上密封和放散阀。为了减小下密封阀的压力差，打开均压阀使料罐内充入均 压煤气。此时第二车料已到炉顶，然后把料罐内的煤气放散掉，打开上密封。同 样的方式进行装料入罐。关闭上密封，再次进行均压，等待往炉内装料。装料顺 序一般是一次矿石、一次焦炭，形成批料，当料线到需要装料的位置时，发出 装料入炉的信号，探尺自动提升到最高位置，同时布料器启动旋转，在料罐均压 正常的情况下打开下密封阀。当旋转溜槽转到预定的开始布料位置时，布料器控 制系统使一个触点动作，使料流调节阀的闸口打开到规定的开口度，原料按预定 1 4 辽宁科技大学硕士论文第二章新型无料钟炉硬装辩装置的研制 的卸料方式、时间往炉内布料。料流调节阀开度的大小不同可获得不同的料流速 度，一般是卸球团矿时开度小些，卸烧结矿时开度大些，卸焦炭开度最大。规定 的卸料时间是根据旋转的转速，料罐内原料的体积，使每次布料达到1 0 圈左右的 料层数目。当料罐“卸空”信号由测力仪( 电子秤) 或同位素探测发出后，先完 全打开料流调节阀，以防卡料，而后料流控制闸门和下密封阀相继关闭，放散罐 内的压力，准备接受下一批料。在此同时，旋转溜槽转到停机位置，躲开探料设 备的工作。如此反复，其布料工艺流程如图2 2 。 图2 2 无料钟炉顶装料设备工艺流程图 整个无料钟炉顶由p l c 控制，可进行单罐工作和双罐交替工作，可实现以料 尺到位为启动信号的炉顶槽下全自动上料，也可根据示意图实现一批料自动或一 罐料自动等分步上料。为适应高压炉顶的需要，料罐均排压系统设有高压操作或 常压操作选择以及均压回收和排压放散等。操作方式分为“自动”、“手动”和“机 旁，三种操作方式3 4 1 【3 5 】。 2 1 2 炉顶结构设计内容、要求及性能指标 针对高炉炉顶装料装置的主要组成部分，设计主要包括：受料漏斗机构设计、 辽宁科技大学硕士论文第二章新型无料钟炉顶装料装置的研制 截流阀机构设计、上密封阀及料罐机构设计、料流调节阀机构设计、下密封阀机 构设计、布料器机构设计六个方面。其中布料器机构设计和密封机构是本文的重 点内容：包括倾动和旋转机构的设计及气密箱密封机构的设计。设计目标是使炉 顶装料装置具有良好的传动性能、密封性能，且结构简单、造价低、易于制造和 维修的特点。 无料钟炉顶的基本参数是：布料器转速、料罐容积、料流调节阀内径和中心 喉管内径等。设计目的是要保证足够的装料能力、布料灵活、达到圆周均匀布料。 布料器的转速( 即旋转溜槽的转速) 要能保证圆周均匀布料，般来说，每次布 料应该有l o 层左右的料( 环形布料) 或1 0 圈左右的料( 步进式同心圆布料时) ， 转速太高对设备不利。设计总图见附录图1 。 表2 1 高炉无料钟炉顶的设计目标的基本参数及主要技术性能指标 设备总高2 8 5 0 m 聊 设备最大直径 9 0 0 搬m 料罐容积0 5 m 3 上、下密封阀直径 4 2 0 埘m 料流调节阀滚筒转速 4 ，r a i n 料流调节阀扇形板倾动速度 4 r m i n 料流调节阀扇形板倾动角度 0 。4 0 。 布料溜槽长度 3 4 0 m ，” 溜槽旋转速度 1 0 r 朋拥 溜槽倾动角度范围 0 。5 0 。 溜槽倾动速度0 。1 0 9 r a i n 2 2 布料溜槽传动齿轮箱的设计 2 2 1 布料溜槽传动齿轮箱总体设计方案 溜槽布料器是高炉无料钟炉顶的关键设备，用来装料入炉并按冶炼要求使炉 料在炉喉内合理分布，即完成周向布料、径向布料、扇形布料或定点布制t 0 6 1 。布 料器主要由传动机构和气密箱组成。具体部件包括旋转体、布料溜槽、溜槽轴、 密封等。气密箱是布料器传动系统的主体部件之一，也是无料钟炉顶的关键部分。 传统的气密箱安装在炉顶钢圈上，位于炉喉料面之上，受炉喉热煤气的威胁，完 全处在热煤气的环境中工作，溜槽旋转和摆动的驱动机构设置在炉内，为了保证 轴承和传动零件的工作温度不超过5 0 ，必须通冷却气冷却。因而存在下列缺点： 辽宁科技大学硕士论文 第二章新型无料钟炉顶装料装置的研制 ( 1 ) 为保证溜槽驱动箱内传动部件的正常工作，必须采用气封，这就大大地 增加了设备的运行费和投资。 ( 2 ) 溜槽驱动机构设置在气密箱内部，平时无法检修，润滑困难。 ( 3 ) 溜槽驱动机构全部设置在炉内，因而安全性较差，一旦气封和水冷系统 出现故障，全部机构将受到炉内高温的毁灭性破坏。 ( 4 ) 由于溜槽旋转和摆动的驱动系统全部在气密箱内，因而溜槽的方位和倾 角无法直接测定和控制，只能间接地测定和控制。 为了克服上述缺点，开发一种外传动布料器及其密封装置方案，主要特征是 将溜槽旋转和摆动的全部驱动机构设置在炉外，最大程度的减少气密箱曝露在热 煤气环境中的部件，使设备运行安全。这种设计大大减少了氮气或净煤气的使用 量，最大程度的减小了对设备的影响，节约了经济成本，并给溜槽驱动系统的润 滑和维修带来极大的方便。 设计思想：使驱动机构和轴承全部设在炉外。把所有的运动零件都安装在旋 转圆筒上，然后通过大轴承支持在气密箱的固定支架上。旋转圆筒的上部通过轴 承与气密箱的上盖突出部分连接。此处轴承主要承受齿轮传动的径向力，也可以 和推力向心轴承一起承受起抵抗溜