（机械工程专业论文）计算机在高炉炉壳开孔中的应用研究.pdf

童! ! 查童堡圭兰篁丝查 。塑叁 摘要 本文的目的是针对本钢5 号高炉炉壳钢板工厂预开孔的孔型理论分析，计算机 辅助计算，孔型数控切割及编程，钢板开孑l 后的预成型，预装配工艺，焊接进行 些研究工作。 高炉炉壳钢板预开孔展开孑l 型计算是此项工作的关键部分，它是本次炉壳预开 孔的工作前提和基础，要求数据1 0 0 的正确率。大型现代化高炉炉壳结构复杂， 壳体钢板厚，规格多，表面各类型开孔数量多，形状复杂，展开计算量大，传统的 制作工艺已不能承担此任务。从德国引进一套计算机辅助设计及编程等软件系统， 编程工作是集计算机知识，钢结构知识，与数控切割知识于一体的一项工作，应用 计算机计算，c a d 展开放样制图，计算机自动编程。钢板在平板状态下，采用数控 切割，一次性完成炉壳及表面一系列定位开孔，开孔位置精确，切割面切割精度提 高，加工成本低。 钢板开孔后，在卷板机上卷制圆弧时，钢板受力面积随开孔多少、大小和有无 开孔在不断变化，出现曲率不一致的现象，甚至会出现死弯，无孔的区域发直，针 对这些现象在炉壳预成形与预装配过程中，采用加热后，用胎具压成型，并且采用 分区卷制法，把板料分成若干个分区，使其素线基本保持与辊压线重合，这样成型 率较好，为预装配过程而建造的混凝土平台上铺设厚板平面，其水平度和坚实度可 完全胜任此项工程，在平台上画好要预装带下的圆形底样，这样可保证预装精度， 预装检验合格后，在带与带、块与块之间打上预装连接标记，按顺序进行安装。 高炉炉壳的焊接是很复杂的，高炉风口区是冶炼的核心地带。因此，风口法兰 的焊接是很关键的，此项焊接，采用焊前预热，层间锤击，对焊缝进行除氢处理， 消除残余焊接应力措施，采用振动时效处理。 关键词计算机炉壳开孔应用 a b s t r a c t t h em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r ei na c c o r d a n c ew i t ht h er e s e a r c h e so n t h es h e l l o fb l a s tf u r n a c en o 5f o rb e n x is t e e l ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so fp r e p r o c e s s e dh o l e s ， c o m p u t e r - a i d e do p e r a t i o n , d i g i t a l c o n t r o l l e dh o l e c u t t i n g a n d p r o g r a n a m i n g ， p e r f o r a t i o n o fh o l e s p r o c e s s e dp l a t e ，a s w e l la s p r e a s s e m b l i n g a n d w e l d i n g t e c h n o l o g i e s t h eh o l ep r e c u t t i n gp r o c e s si st h ec m c i a lt e c h n o l o g y , a n di st h ep r e m i s eo ft h e e n g i n e e r i n g ，a n dr e q u i r e st h ev a l i d i t yt ob e1 0 0 m o d e m s h e l lo f l a r g ef u r n a c e h a sa s e r i e so f p e r f o r m a n c e ，s u c h a s c o m p l e xs t r u c t u r e ，t h i c kp l a c e ，m u c h m o r e s p e c i f i c a t i o n s ，a n dl a r g ec o m p u t i n go p e r a t i o n ，s o t h a ti ti s n e a r l yi m p o s s i b l e t o u n d e r t a k et h et a s kw i t l lt r a d i t i o n a l t e c h n o l o g y p r o g r a m m i n g s o f t w a r eh a sb e e n i n t r o d u c e df r o m g e r m a n y i t i sa n i n t e g r a lp r o c e s s t oc o m b i n e k n o w l e d g e o f c o m p u t e r c a d l o f t i n ga n da u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m i n g 。w h e n t h es t e e lp l a t e sa r ei nc o n d i t i o n o ff i a t ，t h ew h o l eo p e r a t i o no fh o l eo r i e n t a t i o na n dc u t t i n gc a nb ec o m p l e t e di no n e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s t h ep r e c i s i o n i si m p r o v e da n dc o s tr e d u c e d w h e nt h ec u t t e dp l a t ei so p e r a t e d0 nc r i m p e d ，s t r e s s e dr e g l e no fc r i m p e dp l a t e v a r i e sc o n t i n u a l l ya sr e s u l t ，l e a d st od i f f e r e n tc u r v a t u r ee v e nl e a d st od e a dc u r v ea n d a r e a sw i t h o u th o l e st o os t r a i g h t as h a p e a b l em o d eh a sb e e nu s e dt om o d i f y o p e r a t i o n ， a n dc a r r yo u ts u br e g i o no p e r a t i n gp r o c e s s w h i c hm a k e ss i m p l el i n e sc o i n c i d ew i t h r o l l i n gl i n e ，a n dr e s u l t sb e s ts h a p e a b l er a t e t h ep r e a s s e m b l i n go p e r a t i o nw i l lb e c a r r i e do u to nt h ec o n c r e t ep l a t f o r mw i t hb e s tl e v e l n e s sa n dm g g e d n e s st h a tp r o v i d e n e c e s s a r ya s s e m b l i n gp r e c i s i o n i ts h o u l db en o t e d ，t h a tw e h a v et om a k e l i n i n gm a r k s b e t w e e na r e a sa n db l o c k sa f t e rc h e e k t e s t , s oa st oa s s e m b l ei ns e q u e n c e i ti sa k e yt e c h n o l o g yt ow e l d t h e t u y e r eb r e a s t ，w h i c h i st h ek e r n e lp a r to ff u r n a c e w ei n t r o d u c eas e r i e so ft r e a t m e n tt e c h n i q u e ss u c ha sp r e h e a t i n g ，h a m m e r i n ga m o n g l a y e r s ，d e h y d r a t e t r e a t m e n to nw e l d i n gs e a r a ，r e m o v i n gt h er e s i d u a ls t l s s e s ，a n d a g i n g 廿e a t m e n t w i t hv i b r a t i o n k e y w o r d s c o m p u t e r f u l t l a c es h e l l c u t t i n gh o l ea p p l i c a t i o n - i i 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和致谢的地方外，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：列、涛 日期：2 0 0 3 年7 月 垒! ! 苎兰堡圭兰堡垒兰 董! 童竺垒 第1 章绪论 1 1 炼铁高炉结构介绍 高炉是一个竖式的圆桶形炉子。高炉本体包括炉基，炉壳，炉衬及其冷却设备和高 炉框架或支柱。高炉炉型即高炉内部工作空间的形状，一般可分五段，炉喉、炉身、炉 腰、炉腹、炉缸。炉缸设有风口、铁口和渣口。炉壳是用钢板焊接成的，它起着承受荷 重，密封炉体的作用。炉衬用耐火砖砌成，它是在高温条件下工作的。为了延长炉衬寿 命，通常对其进行冷却，冷却质多采用水。冷却设备种类很多，如光面冷面壁，镶砖冷 却壁，铸钢水平冷却板，支梁式冷却水箱，铜冷却壁等。它们都是内有通水管子的金属 铸件。高炉框藻瞰雠是支持高炉设备的。 l - 1 1 高炉内型 高炉是竖炉的种，它的工作空间的内部形状称为高炉内型。高炉内型由炉缸、炉 腹、炉腰、炉身、炉喉五段组成，见图1 1 ，高炉有效容积指五段容积之和。 图中 图1 1 高炉内型 f i g 1 1 t h ei n s i d ef o r mo ft h eb l a s tf t 曲日 l 死铁层高度 h ，炉缸高度 k 炉竣高度h r 炉腰高度 h 炉腰高度 h 广_ 炉身高度 h f 嘈喉高度d - 妒缸直径 d _ 妒鼢 d r 书喉直径 a 妒腹角 8 炉身角 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 高炉内型对冶炼过程有重要影响，所谓合理炉型的概念，是指炉型曲线应能很好地 适应炉内料和煤气两大流体的运动过程，既利于上升煤气流的能量利用，又利用渣铁液 的形成。 1 1 2 本钢高炉的内型参数 高炉内型参数随着炼铁技术的进步，不断调整完善。本钢五座高炉利用高炉大中修 的机会逐步调整高炉内型参数，在目前冶炼条件下，基本上适合高炉炉况长期稳赳顷行 的要求，五座高炉内型参数见表i 1 。 表1 1 本钢高炉内型r 寸 t a b l e1 1n 培i n s i d ed i m e n s i , mo fb e n x is t e e lb l a s tf u r n a c e 炉号 r 2 8 3 8 4 #酽 炉容 m3 9 8 3 8 0 i 0 7 01 0 7 02 6 0 0 炉缸直径5 0 5 04 8 5 07 8 0 0 7 8 0 0 i i 0 0 0 炉腰直径 删5 9 5 0 5 8 0 08 8 0 08 8 0 01 2 5 0 0 炉喉直径m 4 1 0 04 1 0 06 0 0 06 0 0 08 2 0 0 大钟直径 m2 7 0 02 7 0 04 4 0 0删 歹b 翡艘 8 8 84 3 21 4 0 01 6 0 01 9 0 0 炉缸高度 咖2 9 0 0 2 9 0 0 3 1 0 03 1 0 04 3 0 0 炉腹高度 i 珊2 8 0 02 7 0 03 2 0 0 3 2 0 03 6 0 0 炉腰高度 1 8 0 01 8 0 02 2 5 02 2 5 02 0 0 0 炉身高度m 9 8 0 09 9 0 0 1 3 3 0 0 1 3 3 0 01 7 0 0 0 炉腹角踟。3 4 ，1 6 ” 8 0 叭2 0 ”8 1 。7 1 0 ” 8 1 7 1 0 ” 7 8 1 3 5 4 ” 炉身角 8 4 。3 1 1 6 ”8 5 0 5 3 3 ”8 3 5 9 2 8 ”8 3 。5 9 2 8 ”8 2 4 7 3 r 风口个数 1 41 41 61 62 8 渣口个数 2222 流槽长度m 3 8 0 0 铁口个数1 1 ll3 1 1 3 炼铁生产的工艺流程 工艺流程有以下几个系统。 ( 1 址料系统：有贮槽、焦仓、( 焦碳导短车) 、称量漏斗、称量车料车( 料罐) 、斜 桥、卷扬机。皮带上料还有运矿、运焦皮带、上料主皮带。 ( 2 墩料系统：有受料漏斗、旋转布料器、大小钟料斗、大小钟、大小钟平衡杠、探 料尺、均压阀、均压放散阀。无料钟炉项有旋转料罐、上料阀、称量料罐、上密封阀、 垒! ! 奎童堡圭塞堡垒圭。，。，；：。，。二塞三耋：。! ! 垒 下密封阀、布料溜槽及炉顶排压等。 ( 3 避i 风系统：主要有鼓风机，冷风管及放风阀，热风炉、热风总管、热风i 习管等。 ( 4 煤气除尘系统：有煤气上升管，煤气下降管，重力除尘器，洗涤塔，文氏管，脱 水器，高压阀组。 ( 5 魑铁处理系统：有出铁场、电动泥炮( 液压炮) 、靠口机、炉前吊车、铁水罐、 堵渣机、渣罐、水渣、铸铁机。 ( 6 ) 喷吹系统：焰黼捕临，煤粉i b c 集罐、贮噪罐，混合器，喷枪。 ( 7 ) 喷吹系统：煤粉制各，煤粉收集罐、贮煤罐，混合器，喷枪。 图1 2 高炉生产工艺流程圈 f i 霉1 。2 1 h en 孵e h a r to ft h o6 1 a s t 如皿a p r o d u c t i o nt e d 如1 0 1 0 盯 1 硭矿槽；2 焦仓：3 称量车； 7 高炉本体；8 铁水罐； 渣罐； 4 _ 勖滚筛；5 料车；6 一斜桥： l o - - - 放散阀：1 1 切断阀；1 2 _ 球尘器； 1 3 洗涤塔；1 4 文氏管i1 5 高压调压阀组；1 铲- - 廖妮捕集器；1 7 煤气总管； 1 8 热风炉( 兰座) ；1 9 炉基基墩； 2 0 炉基基座；2 1 热冈舻地下烟道： 2 2 烟囱；2 3 - - ；2 4 鼓风机；2 5 放风阀；2 6 冷风调节阀； 2 7 磺风大闸：2 8 啦：集罐( 煤粉) ；3 0 _ 嘲吮罐； 自然界的铁大多数是以铁的氧化物状态在于矿石中，如赤铁f e n ，磁铁矿f e 籼。高 炉炼铁就是将铁矿石还原，熔化成铁水。还原铁矿还需要还原剂，熔剂( 石灰石) ，使 铁矿石中的脉石生成低熔点的熔融炉渣而分离。在高炉冶炼中，还原荆和热量都是由燃 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 料供给的，目前利用的燃料重要是焦碳，为了阿氐成本，高炉炼铁还从风口向高炉喷吹 煤粉。 1 2高炉炉壳钢板开孔的工艺过程 炉壳钢板开孔由原来的施工现场开孔改为工厂制作开孔，这样，就要打破常规，开 孔制作精度要符合图纸要求，为了保证炉壳工厂化开孔的顺利完成，制定了工艺过程如 下。 审图计算柳辅助展开计售h a d 制图锦程数控切害蝴型矫正预装配i 一 检测涂漆一出厂 1 ) 审图。炉壳设计图纸包括图纸目录、设计图总说明、各段分块图、各段设计图、 炉壳热吲禺开孔设计图、灌浆孔开孔设计图、开孔精度检查图、环梁设计图等计3 0 张 设计图，另有1 # i 疆知单4 张设计变更图，总计3 4 张图纸。首先按设计总说明的技术要 求及炼铁厂和有关主管部门的要求，对炉壳的设计结构形式、结构尺寸，材料的材质、 规格等各项，结合本单位的人员及设备等技术状况逐一核对审查，对于无法达到的设计 结构形式提出改进方案( 如铁口部位的结构形式及钢板立面有倾斜度的开孔形式等) 。 对于冷却壁开孔尺寸要和冷却壁制造设计图进行核对，确保开孔尺寸及位置的准确陛。 2 ) 计算机展开计算。根据板金展开原理，将炉壳及表面各种开孔通过计算，依次摊 平在个平面内，它包括炉壳展开轮廓线，冷却壁开孔位置及形状轮廓线等，尤其开孔 位置及形状的计算，其计算复杂、计算量大，如人工计算需占用几个月时间，况目人工 计算难免有误，还要几个人同时计算，将结果进行核滞塞是制作时间所不允许的。用计 算机e x c e l 件，编制相应的展开计算公式，存入e x c e l 电算表格中，e x c e l 具有函数计 算功能，其自变量与变量在表格中按其所在位置来表示，即各位置的数值是按存入表格 的相应公式计算而得的结果，并以表格形式输出，简捷明了，计算速度快而准确。 3 ) c a d 制图。根据计算展开数据，采用a u t o c a d 工程制图软件，绘带0 各段展开图， a u t o c a d 其制图功能强大，各种技巧灵活陕捷。此种展开制图是精确制图，它不同于一 般设计图及般施工图，般设计图的图形只是示意，不要求准确，只要标注尺寸正确 即可，而这种展开制图是堂啦切割程序编制的依据，是展开几何数据与几何图形的等量 形式转换。制图时，各种开孔及安装定位线等一并画出，采用“d i d ”格式保存或输出。 4 ) 编程。所谓数控程序是将需切割的零件形状尺寸及切割机的各种动作，用数字的 形式来表示，并按一定的程序编排好并存入磁盘或计算机内。对于a u t o c a d 绘制的展开 图，采用“d ) ( f ”格式，用磁盘输入到编程软件d i g i c a d 中进行编程编辑，即对图形的 切割线，定位用的中心线、方位线则采用喷粉画线或冲印标记，在编程编辑中不同的功 能采用不同的线形颜色对a u t o c a d 的线形颜色进行修改编辑，然后进入排料编程模块进 行计算机自动编程。编程时要定义好引入引出线的形式及尺寸，图形间的间隔间隙等各 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 项参数。 5 ) 数控切割。数控切割机是数字程序控制的自动化切割设备，也是现代自动切割机 中切割精度，切割效率与自动化程度最高的一种设备。它将计算机编好的切割程序，用 软盘输入到数控计算机内，经过计算机计算和变换后发出相应的信息和指令来控帛悯割 装置的运动，从而割出一定形状的零件。切割前先设置好氧乙炔压力、切割速度、切割 数量、旋转角度、切割比例、预热时间等各项参数，将钢板摆放到切割机能切割到的范 围内，选择合适的割嘴，然后开始切割，切割中对于易变形产生钢板移位的部位采取每 1 5 0 0 m m 连接5 0 砌的方法及涮出角料每隔1 5 0 0 m n 左右随割随清理，以防止钢板受热变形 产生位移，导致图形割坏。 6 ) 成型。对于锥型或是简型展开料则送到卷板机内滚制成型，对于双曲线对过渡段， 则采用压力机将要成型的展开料放到压制胎具内热压成型。 7 ) 矫正。对滚制或压制成型的展开料，用成型样板和钢尺进行检查，对于曲率不合 适的部位进行火焰矫正，到曲率附合要求即可。 8 ) 预装。将制作成形的炉壳分段分块壳体，按图纸设计要求，在坚实的预装平台上 进行预装装配，预装时，可对其椭圆、标高、间隙缝等进行调整，对在工厂焊接的部位 实旌防变形的加固措施，并作预装检测记录及预装标记。 9 ) 检测。预装时，对每一带炉壳的上口水平度、直径、外口周长、椭圆度标高、带 与带块与块的间隙缝、坡口角度、冷却壁两孔中心线间距上下两排冷却壁孔电心间距 等逐项用水平仪钢尺等进行检测，对于工厂焊接的焊缝进行一级超声波探伤检测，所有 煳0 匀出具检测报告。 l o ) 涂漆。经预装检溯怡湍后的炉壳，按设计要求进行防腐除锈和防腐涂漆。 1 1 ) 出厂。经检测合格后的炉壳，按带、按块，从上至下，有序装运出厂，并作好 运途中的加固工作，以防运输过：程中的变形，出厂时要出据各项检测报告及出厂合格证。 这次本钢五号高炉改造日：大修，炉容由2 0 0 0 立方米扩建为2 6 0 0 立方米，采用计算 机控制，无料钟上料，炉腹冷却壁改用进口铜冷却壁，软化水冷却，十字测温等多项技 改项目。其中炉壳冷却壁开孔，要打破以往常规，由原来的安装现场开孔改为工厂自动 化数控开孔，原因是以往高炉大修炉壳由工厂制作，但所有的开孔均为安装现场开孔， 由于冷却壁的铸造精度有的超差及炉壳安装现场开孔位置不准确，手工作业误差大等多 种原因，常出现冷却壁安装时还需要用割炬修正开孔位置的现象，尽管怎样小心还是常 出现损坏进出水管的现象，由于几千个进出水管，哪些水管损坏一时很难查清，这样就 造成大修后很长时间不能正常生产；也有的水管已损坏，但当时没有漏，然而使用段 时间后，就出现漏水情况，这样就得停产抢修，同时也使高炉使用寿命缩短；在结构制 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 作方面，以往的传统生产工艺，设备陈旧，工艺落后，大部分是多道工序手工作业，构 件制作工期长，尺寸误差大，切割与制作质量差，显然已不能适应这次大修的技术要求。 为了保证炉壳开孔制作精度及冷却壁铸i 管制作精度都要符合图纸设计的技术要求，抛弃 旧的传统工艺，采用先进的设备与技术势在必行。因此，必须采用工厂化开孔，才能保 证开i l 的精度和质量，提高安装的焊接精度，延长高炉的使用寿命。 从九十年代中期，随计算机技术的发展，结合计算机辅助设计c a d 的开发，数控切 割技术也飞速发展。目前，国内宝钢、鞍钢等大型钢铁企业高炉的检修，大都采用高炉 炉壳工厂化开孔已成高炉检查的一个趋势。例如：武冶为宝钢制作炉壳，0 8 0 以下的孔 采用钻孔，0 8 0 以上采用切割方式，鞍钢在高炉炉壳制作中，也都采用了炉壳工厂化开 孔的技术，但它们都局限于开制圆孔。 本次本钢5 号高炉大修，采用了高炉炉壳工厂化开孔，也是在这一个大趋势下进行 的，不同之处在于我单位的设备都是目前国内乃至国际上先进的设备和软件。1 9 9 5 年以 德国伊考克公司引进的6 5 m 宽，2 0 m 轨长，e x a 6 5 0 0 数控切割机；1 9 9 6 年购置的可卷 l o o r n n 厚，3 5 0 0 眦n 宽数显式液压卷板机；数十台美国引进的林肯焊机及各种自动焊机检 测设备；2 0 0 0 年从德国引进的计算机辅助设计软件。此次炉壳钢板开孔的数量多5 5 9 2 个，品种多，方形的、圆形的、椭圆形的等等，这在国内是罕见的。因此，我们无论从 人培训到设备引进，做了大量的细致的工作。 在国际上，高炉检修，大多先进的国家也都采用了炉壳钢板工厂预开孔的技术。 i 4课题工作目的、内容和意义 本课题的研究目的在于高炉炉壳往常都是在炉壳安装过程中，现场开孔，这样做由 于工期紧，误差大，在整个检修过程中占用主线检修工期，影响总体施工进度和检修质 量，进而影响高炉的生产。本次5 号高炉扩容从2 0 0 0 立方米扩至2 6 0 0 立方米，采用计 算机控制，无料钟上料，炉腹冷却壁改用进口铜冷却壁，软化水冷却，十字测温等多项 技改项目。需要占用很多工期，提前完工天将为本钢多产铁多创效益。因此，本钢集 团公司一再压缩工期，从正常检修的1 0 0 多天，压缩至9 0 天，这就要求我们从多方面 提高效益，炉壳工厂预开孔就是蝴形势下促成的。另外，炉壳工厂预开孔除了提高 检修效率外，它能够大大提高水管及冷却壁的安装精度和质量，延长高炉的寿命，为本 钢的生产任务的完成做出更大的贡献。 本课题的内容主要是对本钢5 号高炉炉壳钢板工厂预开孔的孔型理论分溉计算机 辅助计算，孔型数控切割及编程，钢板开孔后的预成型，预装配工艺，焊接等问题的研 究与实践。 本课题的研究葸义在于开刨本钢高炉检修的一个新的局面，它不但把需要在检修期 要求完成的项目提前到工厂制作，而且提高了检修安装的质量，这在本钢尚属首次，为 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 今后本钢高炉的新建和检修提供了好的经验。 东北大学硕士学位论文第2 章本钢5 号高炉炉壳预开孔工艺方案设计 第2 章本钢5 号高炉炉壳预开孔 工艺方案设计 2 1 本钢5 号高炉改造性大修要求及关键技术 本钢5 号高炉改造性的大修，要把此高炉建成具有国内领先水平的现代化炼铁 高炉，5 号高炉自建成以来，历经了几次改造，本钢领导想通过此次改造性大修， 彻底改变以前的布料不均匀，温度控制不好，炉料配比不合理，自动控制不连续， 冷却壁不耐用，冷却效率不好，排渣污染大等弊端。 本次改造性大修炉容由2 0 0 0 立方米扩建为2 6 0 0 立方米。采用计算机控制( 美 国专家系统) ，无料钟上料，炉腹区采用进口的铜冷却壁，软化水冷却系统，及新 英巴法水渣系统等一系列的技术改造项目，同等规模的高炉大修时间为1 3 0 天一 1 5 0 天，而本钢给修建公司的大修时间为9 0 天，这是一个不可想象的时间，要求 修建公司要打破以往的常规，想尽一切办法保证施工质量，保证工期。以下将几个 关键的改造项目简介一下。 应用计算机控制( 美国专家系统) 目的为提高高炉生产的自动化程度，自动调 温，自动开炉，停炉等，保证高炉生产的连续性。 无料钟上料，采用皮带通廊直接供料。缩短了供料时间，使高炉的布料更加均 匀，生产的铁水质量更高。 软化水系统的应用使冷却水软化，减少对冷却壁的腐蚀程度，提高冷却壁的使 用寿命，延长了高炉炉龄， 新英巴法水渣系统，可以使炉渣更加清洁，直接可以应用它制成建筑材料。 炉腹区采用进口铜冷却壁，可以使冷却壁的寿命延长一倍，而且冷却效果较好， 但是采用铜冷却壁安装要求质量高，但是以前炉壳开孔都是在安装现场进行的，质 量差，精度低，速度慢。这就要求炉壳开孔必须在工厂预开孔，才能保证施工时间， 和安装精度。 由原来的安装现场开孔，改为炉壳工厂化预开孔。原因是以往高炉大修，炉壳 由工厂制作，但所有的开孔均为安装现场开孔，由于冷却壁的铸造精度有的超差及 炉壳安装现场开孔位置不精确，手工作业误差大等多种原因，出现冷却壁安装时还 需要用割炬修正开孔位置的现象，尽管怎样小心还是常出现损坏进出水管的现象， 由于几千个进出水管，哪些水管损坏一时很难去查清，这样就造成大修后很长时间 不能正常生产。也有的水管已损坏，但当时没有漏，然而使用一段时间后，就出现 东北大学硕士学位论文 第2 章本钢5 号高炉炉壳预开孔工艺方案设计 漏水情况，这样就得停产抢修，同时也使高炉使用寿命缩短，在结构制作方面，以 往的传统生产工艺，设备陈旧，工艺落后，大部分是多道工序，手动生产，构件制 作工期长，尺寸误差大，切割与制作质量差，虽然已不能适应这次大修的技术要求， 为了保证炉壳开孔制作精度及冷却壁铸造制作精度都要符合图纸设计的技术要求， 抛弃旧的传统工艺，采用先进的设备与技术，势在必行。 2 2 本钢5 号高炉炉壳预开孔的技术问题及对策 1 ) 设备配套方面存在的问题。我公司在近几年中先后购置了数台先进设备：一 台一九九五年从德国伊萨汉考克公司引进的6 5 m 宽、2 2 m 轨长、e ) 【a 6 5 0 0 型数控切 割机；一台一九九四年购置的可卷l o o m 厚、3 5 0 0 n n 宽数显式液压卷板机；一台 1 0 0 0 吨两缸液压压力机，数十台从美国引进的林肯自动焊机，另外还有各种自动 焊及半自动切割机及检测设备等一应俱全。这些设备虽然先进，但在2 0 0 0 年前， 依然采用传统的制作工艺，钢结构制作的先头工序一一计算、放样、制作号料样板， 号料下料等都是手工操作，使这些先进的设备没有发挥其应有的作用，尤其是数控 切割机，我单位当时从德国伊莎汉考公司引进时，由于资金短缺，所以与其相配套 的计算机辅助设计系统及编程系统没有引进，在2 0 0 0 年前，只能切割一些较为简 单图形，即手工编一些编程量不大的图形。炉壳冷却壁等所有开孔采用工厂开孔后， 其图形复杂，编程量大，手工编程己无法胜任，所以必须引进一套与数控切割机相 配套的计算机辅助设计系统与编程软件系统，这些需要资金1 8 万元。 2 ) 人员培训及软件中缺陷问题。修建公司金属结构厂钢结构的各类工程技术人 员3 0 余人，中高级技术工人3 0 0 余人，编程设备引进后，谁来操作这些设备，怎 样操纵这些设备等问题摆在面前，编程工作是集计算机知识，钢结构知识与数控切 割知识于一体的一项工作。况且我们所引进的软件功能之多，国内仅我一家，到哪 里培训，这些问题需和设备引进同时进行。这些问题需和设备引进同时进行。在熟 悉软件中，发现d i g i c a d 制图不精确，即键入的数据与屏幕显示的数据有误差，这 是高炉炉壳开孔制图所不能接受的，因为制图数据的不精确，会导致整个开孔工作 的失败。 3 ) 高炉炉壳预开孔的展开计算。这次高炉炉壳开孔5 5 9 2 个，而它的展开计算 则是上万组数据，任何一处的计算错误，将导致开孔的失败，所以如何保证计算的 正确性，也是摆在编程者面前的首要问题。 4 ) 成型。钢板开孔后，在卷板机上卷制圆弧时，钢板受力面积随着开孔的多少、 大小和有无开孔在不断变化，一定会出现曲率不一致的现象，甚至有孔的位置会出 现死弯，无孔的区域则发直的现象，这些都有待解决。 查! ! 垄兰堡圭兰竺竺塞 董! 童垒! ! 兰童些竺耋堡垄兰三堇主塞兰苎 以上4 个方面的技术方面的问题，我厂通过与公司沟通，设备配套问题由机 动部门引进德国的计算机辅助设计模块d i g i c a d 。人员培训问题由公司安排到外 地学习，并且自己进行培训。开孔计算采用计算机辅助计算，成型采用加热后，用 胎具滚压成型，采用分区卷制法，减少曲率的变化，保证成型质量。 2 3 本钢5 号高炉炉壳预开孔工艺方案 本钢5 号高炉炉壳预开孔的合理的工艺方案的确定，需要有以下几个方面的前 期技术准备。1 ) 炉壳工厂预开孔前对所需用的设备要提前引进，2 ) 人员要提前进行 技术培训i ，3 ) 根据图纸的设计要求，编制工程所需的材料计划，制定相应的规定及 措施，以便开孔工作顺利展开。 首先，是设备的引进，通过上海伊萨技术服务中心负责办理编程软件系统的引 进并负责安装，计算机等硬件设备在国内购买，计算机辅助设计及编程等软件系统 从德国引进，这项工作由我们机动部门办理，结构厂提供技术资料。2 0 0 0 年9 月 订货，2 0 0 0 年1 1 月下旬到货。 其次，人员培训与软件不足的解决，为了短时间内掌握软件知识并用于实际工 程中，结构厂领导决定由原数控编程操作人员担任这些工作，并组织有关人员到鞍 钢修建部，鞍钢永葆、葫芦岛勃海造船厂、江苏南通造船厂及上海等地考察，所到 之处，有的没有编程设备，有的没有这种软件，因此一无所获，所以希望寄托于 安装此设备的上海伊莎考克技术服务中心人员的现场请教。但后来的实际情况是： 购买编程软件功能之多，国内就我一家，有的功能上海伊莎服务中心的技术人员 也没有接触过，而随机说明书是德国的，找人翻译时间来不及，在这种情况下，我 们与上海两方人员共同商讨摸索，来掌握软件的各项功能。在熟悉软件知识的过程 中，发现了此软件的缺陷与不足：计算机辅助设计模块一一d i g i c a d 其制图功能 不够精确，即键入的数据与屏幕的显示数据有误差，针对这一情况，为了使开孔制 图工作万无一失，质量精益求精，经探索实验，我们提出了改进意见，在展开制图 阶段不用d i g i c a d 而采用a u t o c a d 制图【2 】，采用“d x f ”格式保存或输出，然后荐 通过d i g i c a d 对a u t o c g d 制图的线型颜色进行修改( 这是d i g i c a d 的编程功能，因 为不同的线型颜色在编程中代表不同的操作功能1 3 】，如有的线型颜色是切割指令， 有的线型颜色为喷粉画线指令，有的线型颜色是打标记指令等) ，之后进入计算机 编程阶段，从而解决了d i g i c a d 制图不精确的缺陷，达到了理想的效果。 最后，就是选择合适的材料，高炉炉壳对材料的要求是非常严格的，尤其是现 代大型高炉，它对材料的机械性能，化学成分都提出了严格的要求。机械性能，要 求钢材具有抗拉强度，伸长率，屈服强度，冷弯，常温冲击韧性的合格保证。抗拉 东北大学硕士学位论文第2 章本钢5 号高炉炉壳预开孔工艺方案设计 强度表示钢材断裂前能承受的最大压力；伸长率是钢材标准试件拉断后原标距间的 塑性变型后原标距的比值( 百分数) ，是表明钢材塑性性能的指标；屈服强度是确定 钢材强度设计值的主要指标；冷弯性能是指钢材在冷却加工产生塑性变形时，对出 现裂缝的抵抗能力，是判别钢材塑性变形能力和显示钢材内部缺陷的综合指标；冲 击韧性是将标准试件( 梅氏u 型缺口试件) 在摆锤式冲击试验机上冲断时单位面积 所消耗的冲击力，它反映钢材在冲击荷载和三轴应力作用下抵抗脆性破坏的能力， 现在冲击试验规定采用更接近于构件断裂性能的v 形缺口试件。 化学成分方面，由于炉壳是焊接结构，所以应具有含碳量的合格保证和对硫、 磷极限含量的合格保证。含碳量的增加会降低钢材的塑性，韧性，冷弯性能，恶化 钢材的可焊性，因此其含碳量不宜过高，这是因为随着含碳量的增高，虽然钢的强 度增大，但其可焊性则显著下降，而含碳量小于0 1 的碳素钢在焊接时易产生重 结晶，使钢内晶粒不均，而且施焊时容易吸收气体，影响焊接质量，因此我国规定 焊接结构其含碳量宜控制在0 1 2 0 2 0 之间，即碳的含量变化幅度小，其可焊性 更能得以保证。另外在焊接过程中，会产生焊接变形，焊接应力以及其它焊接缺陷， 如咬内，气孔，裂纹，夹渣等，有导致结构产生裂纹或脆性断裂的危险，因此，焊 接结构对材质的要求应更严格一些，在化学成份方面，必须严格控制碳、磷、硫的 极限含量，而非焊接结构对含碳量可不作要求。硫在钢中会降低钢材的塑性、韧性、 抗锈性能等，特别在高温时会使钢材变脆，不利于钢材的焊接，铆接和热加工。磷 在钢中会严重降低钢材的塑性、韧性，冷弯性能和可焊性，特别在低温时会使钢材 变脆。 这次大修炉壳所用的钢板厚度规格最薄4 0 珊i l ，最厚7 0 m m ，且7 0 m 占大多数， 厚钢板轧制压缩比小，其强度较小，而且塑性，冲击韧性和焊接性能等均较差，因 此厚度大的焊接结构应利用材质较好的钢材，这次炉壳所用的材料为宝钢生产的牌 号为b b 5 0 3 的钢板，正常状态供货，其机械性能和化学成分见下表：( 表中列1 6 m n r 钢用以对照) 表2 1 机械性能 t a b l e2 1 m a c h i n u e r yf u n c t i o n 题目钢板厚度抗拉强度 屈服强度v 型0 。c0 。c 冷弯 钢争 ( i i l i )f u ( n r n 2 ) f u ( n r a m 2 ) 延伸率 冲击功1 8 0 0 1 63 2 51 7 ( 纵向试 b b 5 0 31 7 4 04 9 0 6 1 0 3 1 52 l 样) 4 7 d = 3 a 4 02 9 52 3 1 63 4 52 lv 型常温 1 6 m r1 7 6 0 5 1 0 6 5 5 3 0 51 9冲击功d = 3 a 6 0 1 0 0 2 6 51 82 7 ( 横) 东北大学硕士学位论文第2 章本钢5 号高炉炉壳预开孔工艺方案设计 表2 2化学成份 t 8 b l e2 2c h e m i cc o m p o n e n t s 纪笋 、元素 cs im nps n bt i a l env 锕号 n 1 2 -旺1 舀0 0 1 咖o d l o - b 】3 螂蝴啦锄昕 n 1 8嘶 1 劢峭嘣0 n 5 0 噼1 2 - l 国血rn 2 0b 仍5- o ( b 5 n 6 d1 舶 从以上两表可以看出，b b s 0 3 钢的机械优于1 6 m n r 钢，硫、磷的极限含量则更 少，碳的含量变化幅度也更小，这样其可焊性得以保证，力学性能亦越稳定。在保 证机械性能与化学成份的同时，还要对钢板的规格作出必要规定，即钢板的厚度、 宽度和长度的订货尺寸，不但要符合炉壳结构设计技术要求，还要符合炉壳制作的 工艺要求，即订货的钢板尺寸数据和总的数量数据依据是展开后的几何尺寸。另外 为保证钢板质量，在钢材订货时，要求厂方对钢板板面全部超声波无损探伤检验， 合格后供货，这样钢板双向定尺，超声波检测虽然增加了材料的价格，但确保了钢 板的质量要求。 根据我单位的设备、人员以及材料和图纸的技术要求，编制了五号高炉炉 壳制作工程材料计划，制定了五号高炉炉壳工厂预开孔技术操作规则及五 号高炉炉壳制作工艺等工艺文件，来指导炉壳的制作工作。 炉壳的制作工艺过程如下： 审图一计算机辅助展开计算c a d 制图【4 1 一编程一数控切割一预成型一矫正 预装一检测一涂漆一出厂。 在开工制作前，做好准备工作，然后从展开计算到c a d 制图，图形程序编制 到数控切割，从成型到矫正，先试制一次，检验其整个过程的运行情况，确认每一 步都达到技术要求后，再进入正式的炉壳制作阶段。 查些垄竺翌主兰堡堕查堑! 主壹翌翌垂塑墼预开孔展开孔型的理论分析和计算机辅助计算 第3 章高炉炉壳钢板预开孔展开孔型 的理论分析和计算机辅助计算 3 1 传统的炉壳制作工艺 传统的炉壳制作工艺，在上世纪七十年前，即没有电子计算器前，炉壳的外形 展开计算是靠查表笔算完成的，开孔均在安装现场开，制造厂只负责壳体制作。 3 1 1 展开计算 过去旧式高炉都是由多节大口径圆管与锥管组装而成，圆管部分展开就是一矩 形，计算简单，这里不作介绍，只介绍下锥管部分的制作方法。见图3 1 所示。 由此例求出展开半径r 圈3 1 锥管部分的制作图 f i g 3 1t h ep a r to ft a p e rt u b e 东北大学硕士学位论文第3 章高炉炉壳钢板预开孔展开孔型的理论分析和计算机辅助计算 从图3 1 中我们知道三角形a b o 和三角形a o 0 是相似三角形( 两个三角形中 的三个对应角相等) ，所以就可以利用相似三角形各对应边成比例的原理列出比例 式，即： r ：三：一d ：d - d 22 ( 3 i ) ，d r = 去与= 考笔( 由比例的两个外项相乘积等于两个内项相乘乘积得) ( 3 2 ) 锥管的展开为一扇形，扇形大口半径为r ，小口径为r ，它的圆心角为a ，扇形 宽为l ，大口弧弦距为h ，小口弧弦距为h ，j 、，大口弦长为x ，小口弦长为x 小，见 图3 2 。 图3 2锥管的展开扇形图 f i g 3 2t h ee x p a n d e df a n - s h a p ed r a y i n go ft a p e rt u b e 求锥管展开扇形的圆心角a 2 r r r = r l k 、r 2 + c 孚2 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 东北大学硕士学位论文第3 章高炉炉壳钢板预开孔展开孔型的理论分析和计再机辅助计算 利用数学用表求出以下各值 + = 2 r s m 里 x 小= 2 ( r l ) 一i n 。，t = 2 s i n 等 ( 3 6 ) h t = r - - r c o s 要 ，、2 ( r l ) 一( r l ) c 。s 旦2 = r - r c o s 詈 在利用数学用表来计算时，有时会遇到在表中查不到要使用的数值，它往往处 在表内两个数值的中间，这时就要使用中间数的求法【”，才可以把准确的数值算出 来，这种方法实际上就是比例的应用。 在实际生产中，由于炉壳展开半径大，展开料也很大，需分成若干等分合拼而 成，其各项数据则要按每块的展开角来计算，这里不再提及。 扇形展开料号料样板的制作( 见图3 3 ) 。 n 打订蘅胁j 心q 产 f 。 厂 、 d 图3 3 号料样板圈 f i g 3 3 d r a w i n gm a t e r i a ls p l e 大圆弧近似法。作等腰梯形a b c d 使梯形上底c b 等于扇形大口弦长x ，下底 a d 等于扇形小口弦长。，j 、，梯形的高为m ，m = 矗c 。s 詈- - r c o $ 兰2 梯形两腰a b 和c d 等 于扇形宽。 东北大学硕士学位论文第3 章高炉炉壳钢板预开孔展开孔型的理论分析和计算机辅助计算 1 ) 以e 为圆心，以e n 为半径( 即大口弧弦距h ) 作圆，并将1 4 圆6 等分( 等分 越多越精确) 。 2 ) 将圆上各等分点与f 点相连，交弦b c 得1 、2 、3 6 线段长( 箭头所示) 。 3 ) 将1 2 弦长b e 分成同样等分( 6 等分) ，过等分点作弦的垂线：并在此垂线 上相应地截取圆上l 、2 、3 6 的长度。 4 ) 根据各线垂线长的端点用薄板尺弯曲连接成光滑的曲线b n c 。 同理画出小口的弧线a e d 。 以上方法是一种近似作法，当弧弦距h 值大于1 5 0 r a m 时，其误差较大，此时则 将展开角缩小2 倍制作，角度缩小2 倍后，弧弦距h 值则缩小4 倍。 从以上的展开计算到展开制图，其工艺费工、费时，且展开图形不精确。随着 电子计算器的使用，针对展开计算这一问题，有了一定进步，不用大圆弧近似作法， 而采用计算方法，具体作法如下： 求展开半径，弦长及张弦距公式同上所述，只是不用查三角函数表和系数修正， 因计算器已存储全部三角函数值，计算起来方便快捷。展开扇形的大口和小口的圆 弧可列方程式求得。 由平面解析几何二次曲线圆的方程( 两点间的距离公式) ，见图3 4 ，设圆心在 坐标( 0 ，b ) ，半径为r ，得方程。 c j l 丫 厂胁