15MN电极挤压机本体结构设计-开题报告

上海上海电电机机学学院院 毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 课题名称课题名称15MN15MN 电极挤压机本体结构设计电极挤压机本体结构设计 学学院院机械学院机械学院 专专业业机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班班级级 学学号号 姓姓名名 指导教师指导教师 定稿日期：定稿日期： 20152015 年年 3 3 月月 1010 日日 2 15MN15MN电极挤压机本体结构设计电极挤压机本体结构设计 1 选题背景及其意义选题背景及其意义 本课题来源于企业的委托，通过校外企业的委托任务，使我们能够将大学 4 年学习 和企业工作联系起来。 电炉炼钢的迅速发展使优质电极的需求量与日剧增。电极是电炉的重要组成部分, 它将电能输入到炉内并与炉料间产生高温电弧(温度可达 300 一 600 )。制造电极， 是把含有少量灰分和硫磺的优质石油焦炭粉碎，煤沥青作为粘结剂与之搅拌，使其成型 后烧结，在进行石墨化处理。对于搅拌物的成型方法有多种，炼钢用的电极是采用挤压 方法。 电极在高温下工作受到炉气的氧化及塌料的撞击。 冶炼过程 要求电极具有良好的 导电性,耐高温不易氧化与烧损,有足够的强度,不易折断及破碎,含磷、硫等杂质少。电 炉用电极有石墨化电极和炭素电极两种。石墨化电极的各项技术指标均比炭素电极好, 导电率约大 34 倍,故生产中多用石墨化电极。 电炉炼钢时用的电极的制造相当复杂，从石油焦炭的选定开始，需要粉碎、搅拌、 成型、烧结和石墨化等工序，电极成型用的挤压机，根据成型技术及要求不同，也有很 大的不同。电极挤压液压机，大致分为卧式和立式两种，考虑到成品细长和成品处理难 易以及挤压机的设备条件，近年来大部分都是用的是卧式挤压机。又因为要求在长的挤 压筒内挤压原料的力量要求大致一样， 主柱塞必须有长的行程， 因而使用了油压机。 15MN 电极挤压机是专供炭素工业将从热状态下混捏后的原料糊经凉料后按所需小规格挤压 成型的专用设备。 15MN 电极挤压机本体结构简单，有卧式预压、卧式挤压的特点。15MN 电极挤压机 本体结构由前梁、后梁和水平方向张力柱组成一个水平的封闭受力框架。后横梁上装有 一个挤压缸和二个侧工作缸，三只缸均与活动梁相连。先卧式预压，再卧式挤压成型小 电极。电极挤压机是炭素厂最重要的设备，它的吨位和性能决定企业在行业中的地位。 3 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 目前，世界上有 20 几个国家能生产石墨电极，主要有英、日、美、法、德等国。 美国是世界上碳素工业最发达的国家，她所拥有的挤压设备无论在技术上，还是能力上 都比较先进。早在 1913 年，美国便开始使用挤压机来生产 1200200 毫米的电极。 随着冶金、化工、国防等工业部门的发展,石墨电极的产量逐年增长。当今,世界上 石墨电极年产量为130万吨,我国1990年产量估计达24万吨,主要应用于电炉炼钢工业。 近 10 年来,美国、日本、英国、德国、法国、原苏联、奥地利、瑞士、意大利等国家都 对电极挤压成型工艺和设备进行了不断研究与开发。综合起来,国内外电极挤压机技术 发展主要有三个方面: 2.1 设备吨位越来越合理化 早在 50 年代,为满足大型电弧炉的发展需要,国外 电极挤压机就朝大型化( 超过 10MN)方向发展。美国国家炭素公司下属的尼阿加镶、哥伦比亚和克拉克斯泊尔工厂首 先装 127MN 挤压机来生产1125 x2750mm 的炭 素、或石墨电极。60 年代,日本东海电极 公司安装了由美国华生一斯蒂尔受公司设计、日本小松枷作所和佐世 堡重工业株式会 社生产制造的60MN电极挤压机,日本神户制钢所为昭和电工公司大盯电极厂修改设计并 制造了一台 100MN 的炭素电极挤压机。苏联新西泊利亚叶夫列莫夫制造厂设计制造了 63MN 电机挤压机。 我国上海重型机器厂和第一重型机器厂分别研制了 25MN 和 50MN 级的 电极挤压机。随着超高功率电极的开发与应用，国内外电极挤压机的挤压能力和生产规 格都远远不及先前,不再追求超大型挤压机来生产超大规格的电极,而是注重研究与开 发新技术和新工艺来生产大型优质电极。 70 年代末和 80 年代初,国内外电极挤压机逐渐 趋于 30MN60MN,挤压生产直径 1000mm 左右的电极。 80 年代中后期,挤压机基本上稳定 在 30 MN左右， 生产直径为 700mm 左右的电极。 国内外大型电极挤压机技术参数见表 2-1. 4 表表2-12-18080年代后国内外大型电极挤压机比较年代后国内外大型电极挤压机比较 2.2 效率越来越高 随着电极品种、数量与质量要求日益增加与提高,国内外电极挤压机生产制造厂商 都致力于挤压设备和辅助装置的高效性的研究。 2.2.1 传动型式： 自 60 年代初日本首先将油泵直接传动应用于 30MN 级电极挤压机以来,国内外除超 大型(50MN 以上)电极挤压机仍保持蓄势器传动之外,基本上都采 用油 泵直接传动型 式。该传动型式具有工作稳定、耐腐蚀、维护方便及效率高的特点。在设备液压系统中, 国外采用电液伺服控制、组合集阀。为了降低噪声,甚至有的挤压机将传动泵浸没在油 箱内的油液中。 2.2.2 加热方法： 目前,国外电极挤压机的料空和型咀加热三种方法:蒸气、电气和热油加热。由于蒸 气加热费时,且易腐蚀管道及漏损,电气加热和热油加热较为普遍应用。其中,电气加热 可实现料室和型咀温度分区段单独调节,并可借助热电偶进行 自动精确控制温度。 2.2.3 料室结构： 电极挤压机的料室结构来分,有固定式单料室、 旋转式单料室和替换式双料室之别。 60 年代前,国内外电极挤压机基本上都采用固定式单料室。为了提高电极制品的致密度 5 与提高电极生产率,在 6070 年代中相继出现了替换式双料室和旋转式单料室。 进入 80 年代,则以旋转式单料室应用最广泛。鉴于料室结构的差异,在应用过程各有利弊。如表 2-2 表表2-22-2 三种不同型式料室结构的特点比较三种不同型式料室结构的特点比较 2.3 设备更加完善化 国内外电极挤压机生产制造厂商在满足炭素工业生产工艺要求、不断采用新技术、 提高挤压设备和辅助装置工作效率、实现挤压过程自动化的同时,乃致力于研究以提高 电极制品致密度、实现整个生产过程的飞续化与自动化。 2.3.1 真空脱气处理 由焙烧石油焦和焦油沥青搅拌混合的电极糊料， 虽然经过混捏后输送、 凉料与排气， 但加入料室时仍残留着气体，会使电极制品产生气孔而影响电极的密度。为此，美国、 日本、德国、奥地利、英国、原苏联和中国的电极挤压机生产制造商在 80 年代先后研 究与采用真空脱气处理工艺，对电极糊料的预压过程与挤压过程进行抽真空，以提高电 极制品的致密度。 2.3.2 改进咀型结构 在电极生产过程中，电极挤压成型的质量影响着电极制品的质量，而电极挤压成型 质量又取决于咀型的形状。为此，国内外碳素行业和挤压设备制造厂商都将型咀形状作 6 为提高大型电极密度的主要课题进行研究。 2.3.3 计算机的应用 80 年代中后期，随着国内外电极挤压技术的发展，挤压设备不断完善，进而采用计 算机实现单机控制及整个挤压机生产过程自动化控制。 2.4 生产过程连续化 自 70 年代以来,国外电极生产实现了连续化,整个生产过程包括电极糊料连续混 捏机、圆筒凉料机、挤压机、剪切装置、升降倾翻机构、自动打印机和电极制品矫直辊。 8 0 年代中期,电极连续成形、焙烧、石墨化新工艺巳成为国外炭素下业发展的新动向。 美国大湖炭素公司将这一技木作为一项突破性大项目,目前正在尼阿加拉厂进行工业性 试验。 3 研究内容研究内容 3.1 电极挤压机的基本工作原理 通过外部动力传递压力进行凉料的压实，按所需规格挤压成型、剪切、冷却。挤压 机的工作是由高压液进入主缸推动主柱塞，主柱塞推挤料室中的糊料，料室中的糊料在 主柱塞的推挤作用下，经型咀而从型咀口被挤出，再切断为规定的长度。 电极的生产过程大致如下： 凉料 将制造电极的原料经初温较高，需凉冷到合适的温度。 压实 原料分多次加入盛料室，每加入一次，压实一次，以便从原料中除去混料 时渗入的空气。 预压 预压 3min 左右，以保证成品的密实度。 挤压成型 将原料从嘴中挤出，到预定的长度时剪断。更换不同的嘴型，就可以 得到不同断面的产品。在整个压制过程中，应对电极原料进行加热和保温，以保证其可 塑性。加热的温度应比粘结剂软化温度稍高。 冷却 将成品投入冷却水槽中，使其降至常温。 3.2 电极挤压液压机 电弧炉冶炼用的碳质电极是消耗性材料，需求量很大，规格很多，大小、长短不一， 7 断面有圆形、方形、矩形及异形多种。电极挤压液压机是生产电极的专用设备。电极挤 压液压机的本体有卧式和立式两种， 为三梁四柱式结构。 在主工作缸进行压实及预压时， 用挡板将料缸封闭。预压完毕后，挡板打开，柱塞将电极挤出。在挡板架上装有对剪， 用于剪切圆形电极，挡板上装有立剪，用以剪切出电极。 3.2.1 料室 在预压和挤压时,料室通过承受半径方向的内压。 原料是复合颗粒,由于其含有粘结 剂,达到某一定程度之上时,加压状态下流动性能很好。因而,这时的侧压力比相当大。 料室内表面由于原料在高压下滑动所以在长期使用中就磨损。 尤其是料室与压型咀直接 连接形式的,料室结构复杂,材质费用高,因此采取用衬套装嵌到料室里的方式。 3.2.2 主柱塞和主柱塞液压缸主缸 液压缸是液压机的主要执行原件，主要完成直线往复运动，并将高压液的压力能转 换成使工件变形或成形的机械功。 卧式电极挤压机的工作是由高压液进入主缸推动主柱 塞，主柱塞推挤料室中的糊料，料室中的糊料在主柱塞的推挤作用下，经型咀而从型咀 口中被挤出，再切断为规定长度。 图图 3-13-1 主缸主缸图图 3-23-2 活塞杆活塞杆 3.2.3 不同直径的压型咀 压型咀按照成型电极的直径不同，需要相应的更换，不同的咀型可以加工出不同形 状和直径大小的电极，视加工需要而定。 8 3.2.4 前后横梁及活动横梁 三个横梁是电极挤压机本体十分重要的部件，它的外形轮廓尺寸很大，重量也大， 占液压机本体重量的绝大部分。主缸水平卧在后横梁中，四根横柱把前后横梁以及挡架 联结成一个整体，料室与前横梁相连，咀型在前横梁与挡板中间，并有型咀接头与料室 连成一体，下有油缸支柱支撑。 图图 3-33-3 活动横梁活动横梁 4 研究方案研究方案 主要技术参数： 1. 公称挤压力: 15MN； 2. 回程力： 2MN； 3. 工作介质: 液压油；常用工作压力: 25MPa； 4. 挤压行程: 2200mm； 5. 料室直径: 900mm； 料室长度：2000mm； 6. 嘴形规格：200mm-500mm。 9 电极挤压液压机本体有卧式及立式两种，为二梁四柱式结构。 4.1 卧式电极挤压液压机 卧式电极挤压液压机的本体结构简图如图 4-1 所示， 图图4-14-1 卧式电极挤压机本体结构卧式电极挤压机本体结构 1支撑架2主工作缸3主柱塞 4后梁5活动横梁 6支撑架 7挤压版8进料口9前横梁 10料室11咀型12挡板 因工作柱塞行程较长，除回程缸采用差动式外，在工作柱塞下尚设有支撑装置。咀 子与前梁通过咀形接头的上下卡箍相连接。将卡箍取走，即可更换新的咀型。前梁的料 缸、嘴子套及嘴子口都采用电加热，温度可调控。料缸及嘴子套采用工频感应加热，嘴 子口采用电阻丝加热。在料缸及嘴子套内，都装有电热偶温度计，自动调温的范围为 100-150。 在主工作缸进行压实及预压时，用挡板将料缸封闭。预压完毕后，挡板打开，柱塞 将电极挤出。在挡板架上装有对剪，用于剪切电极。 4.2 立式电极挤压机 立式电极挤压机的结构简图如图 42 所示。 10 图图4 42 2 立式电极挤压机结构简图立式电极挤压机结构简图 1咀型2压实真空罩3前梁与挡板 4料室5挤压头部分 6真空排气管7主缸部分8回程缸部分9旋转油缸10拖板缸 立式电极挤压机通过加料口可以进行一次加料然后压实， 通过旋转油缸把料室转到 水平位置，再通过主柱塞进行预压几分钟，然后将原料从嘴中挤出，到预定的长度时剪 断。更换不同的嘴型，就可以得到不同断面的产品。 在整个压制过程中，应对电极原料进行加热和保温，以保证其可塑性。加热的温度 应比粘结剂软化温度稍高。 4.3 方案比较 立式电极挤压机填料方便，可以利用重力对凉料进行压实，对提高电极强度、电极 质量均有很大的益处，保证了产品的成品率。但是缺点是结构比较复杂，先要通过垂直 预压机装置捣固、预压、抽真空等工作然后再通过水平方向主柱塞进行推挤，经型咀而 从型咀口中被挤出，再切断为规定长度。不仅成本较高，并且工作周期也较长。 而卧式电极挤压机则正好克服了这些缺点， 虽然每次填料后都需要进行预压处理但 是经过多次的预压处理后生产的电极质量也会大大提高， 并且设备没有了垂直方向的预 压装置也使得装置更加经济简单，更稳定，制造费用降低。设备运行时间大大缩短。 综上所述，本课题选择 15MN 卧式电极挤压机更加符合要求。 11 5 进度计划进度计划 2014.11查阅有关专业技术文献，了解挤压机国内外现状和发展趋势。 2014.112014.12主要技术参数确定及总体方案确定。 2015.012015.02主要零部件结构的初步确定及设计计算。 2015.032015.04完成总装图、部件图和零件图。 2015.052015.06撰写设计说明书，准备答辩。 12 参考文献参考文献 1、赵如. 国外碳素电极挤压机发展概况.上海重型机械厂 2、赵如. 国内外电极挤压机技术的发展.重型机械，1992. 3、赵三杰. 电极挤压机评述.炭素技术，2011 年第五期第 30 卷. 4、俞新陆. 液压机的设计与应用.机械工业出版社 5、成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，1993. 6、廖林清，等.