（机械工程专业论文）长寿命高炉布料溜槽设计及其cad系统开发.pdf

摘要 炼铁是钢铁生产的第一个重要环节 高炉布料溜槽是无料钟炉顶 高炉的布料装置 也是高炉中的一个重要部件 本文针对目前高炉布 料溜槽因磨损与烧损而导致其使用寿命达不到用户要求的实际情况 对溜槽的结构 尺寸参数 制造工艺以及材质进行了研究 并在此基 础上研制出了高炉布料溜槽c a d 系统 本论文主要完成了以下工作 1 对影响高炉无料钟炉顶布料溜槽使用寿命的主要因素 布 料规律 溜槽结构与溜槽材料进行了分析探讨 2 分析了炉料在高炉布料溜槽中的运动学和力学行为机理 建立 了溜槽结构尺寸主参数设计计算的数学模型 为提高高炉布料效果和 溜槽的使用寿命提供了理论依据 3 研究了溜槽多环布料倾角控制分档方法 并建立了溜槽倾角控 制分挡值的计算数学模型 为溜槽多环布料实际操作和进一步理论研 究提供参考依据 4 从结构设计与材料选择两方面 研究了抗磨损 高温抗烧长寿 命布料溜槽的设计方法与关键技术 在此基础上研制出了长寿命大高 炉布料溜槽 5 基于s o l i de d g e 环境 探讨了参数化 变量化设计的基本思想 并对s o l i de d g e 中的变量表技术及其实现方法进行了系统的研究 对 用二次开发方法实现用户c a d 系统的整个过程进行了详细的探讨 6 结合数据库中的a d o 技术 用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具 基于s o l i de d g e 的参数化与变量表技术 研制了一套实用的大高炉布 料溜槽c a d 系统 关键词 高炉 布料溜槽 抗磨损 c a d 系统 a b s t r a c t t h ei r o n m a k i n gi st h ef i r s t i m p o r t a n tp r o c e s si ni r o na n ds t e e l p r o d u c t i o n a n dt h ed i s t r i b u t o rc h u t ei sam a j o rc o m p o n e n to f n o n b e l lt o p b l a s tf u m a c e t h es e r v i c el i f eo ft h eb l a s tf u r n a c ed i s t r i b u t o rc h u t ec a n t s a r i s f yt h ec o n s u m e rb e c a u s eo fa b r a s i o na n db u r n i n g i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e m t h es t r u c t u r e m a jo r d i m e n s i o n p a r a m e t e r s m a n u f a c t u r e t e c h n i q u e s a n dt h em a t e r i a l q u a l i t y o ft h ec h u t ea r er e s e a r c h e d f u r t h e r m o r e ac a ds y s t e mo fb l a s tf u m a c ed i s t r i b u t o rc h u t ei sd e v e l o p e d t h i sp a p e ri sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 t h ep r i m a r yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es e r v i c el i f eo fn o n b e l l d i s t r i b u t o rc h u t e s u c ha sd i s t r i b u t i o nr u l e t h ec h u t es t r u c t u r ea n dt h ec h u t e m a t e r i a l a r ed i s c u s s e d 2 t h ek i n e m a t i ca n dm e c h a n i ca c t i o nm e c h a n i s mo fc h a r g i n gi nt h e b l a s tf u m a c ed i s t r i b u t o rc h u t ea r ea n a l y s e d a n dac a l c u l a t i o nm a t h e m a t i c m o d e lf o rt h em a jo rs t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h ec h u t ei se s t a b l i s h e d i t p r o v i d e s at h e o r e t i c a lb a s i sf o re n h a n c i n gt h ed i s t i l b u t i o ne f f e c ta n d p r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f eo ft h en o n b e l ld i s t r i b u t o rc h u t e 3 t h ec o n t r o lm e t h o do fi n c l i n a t i o na n g l ef o rm u l t i r i n gc h a r g i n g c h u t ei s i n v e s t i g a t e d a n dt h em a t h e m a t i cm o d e lf o rc a l c u l a t i n gc h u t e i n c l i n a t i o na n g l ev a l u ei sd e v e l o p e d i tp r o v i d e sar e f e r e n c e df o u n d a t i o nf o r e f f e c t i v eo p e r a t i o no ft h em u l t i r i n gc h a r g i n ga n df u r t h e rt h e o r e t i c a l r e s e a r c h 4 t h ed e s i g n i n gm e t h o d sa n dk e yt e c h n o l o g i e so ft h ec h u t e w h i c h a r er e s i s t a n tt oa b r a s i o na n dh i g h t e m p e r a t u r e a r er e s e a r c h e da c c o r d i n gt o b o t ht h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a l 5 b a s e do ns o l i de d g ee n v i r o n m e n t t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e p a r a m e t r i c a la n dt h ev a r i a b l ed e s i g ni sd i s c u s s e d a tt h es a m et i m e t h e s o l i de d g ev a r i a b l e t a b l et e c h n o l o g ya n di t sr e a l i z a t i o nm e t h o da r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y a n dt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gu s e r sc a ds y s t e mw h i c h b a s e do ns e c o n d d e v e l o p m e n tm e t h o d si sd i s c u s s e dd e t a i l e d l y 6 b a s e do ns o l i de d g ep a r a m e t r i c a la n dv a r i a b l e t a b l et e c h n o l o g y t h ep r a c t i c a l l a r g e c h u t ec a ds y s t e m w h i c hi sc o m b i n e dw i t ha d o i i t e c h n o l o g yo ft h ed a t a b a s e i sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c6 0 k e yw o r d s b l a s tf u r n a c e d i s t r i b u t o rc h u t e a b r a s i o nr e s i s t a n c e c a ds y s t e m i i i 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本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 除了论文中特另 j 3 n 以标注和致谢的 地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明 作者签名 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有 权保留学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论 文的全部或部分内容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 作者签名妒师签名 期 2 0 0 7 年堕月2 日 下程硕十学位论文 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论弟一早三百y 匕 随着国民经济的飞速发展 中国钢铁工业进入快速发展阶段 这也带动了高 炉炼铁技术的快速发展 随着高炉技术的发展及冶炼强度的提高 无料钟式炉顶 设备自1 9 7 2 年由卢森堡保尔沃特 p w 公司研制在德国汉堡4 号高炉上应用以 来 迅速在各国高炉上推广应用 已在全世界数百座高炉上安装使用 和以前的 钟式或钟阀式加活动炉喉的装料设备相比 无料钟炉顶具有很大的优越性 第一 是布料灵活 有利于改善布料 提高煤气利用率 第二是密封性好 有利于提高 炉顶压力 第三是维修方便 有利于提高高炉作业率 在我国 1 9 7 9 年无钟炉顶首先在首钢二号高炉上应用 接着其它1 0 0 0 m 3 以上 的大型高炉相继采用 当时除首钢外 设备多是从国外引进的 大型高炉推广应 用无料钟式炉顶的进展很快 效果很明显 然而中型高炉却一度裹足不前 究其 原因 一是中型高炉的炉喉直径小 且当时多为常压操作 采用无钟炉顶的必要 性不如大高炉迫切 二是当时无钟炉顶价格很贵 很多厂用不起 近些年来 随 着中型高炉不断强化并且纷纷采用高压操作 利用系数从2 0 左右提高到3 o 以上 原来的钟式炉顶磨损加快 寿命大大缩短 因此也大都转向于采用无钟炉顶 2 1 稚料溜槽是无料钟式炉顶高炉中的一个重要部件 无料钟式炉顶高炉的优势 就是通过炉顶的机械传动带动布料溜槽旋转和摆动 将炉料根据冶炼工艺的需要 在高炉炉膛内准确地实现螺旋 多环 单环 扇形和定点布料 与钟式炉顶高炉相比 无料钟式炉顶高炉具有的优点之一是 炉吼布料由一 个重量较轻的旋转溜槽来进行 由于该溜槽既可作圆周方向的旋转运动 又能改 变倾斜角度 能够实现炉吼最理想的布料 并且操作灵活 能够满足高炉布料和 炉顶调剂的要求 具体而言 钟式炉顶大钟角度固定 大钟打开一次 一斗料沿 大钟表面自然落到炉内 无钟炉顶布料 布料溜槽旋转8 1 0 圈撤到炉内 此外 溜槽可在一定范围内倾动 一罐料通过 大钟布料主要是通过装料顺序 正装 倒 装 分装 同装等 和批重来调解炉内煤气流分布 无钟炉顶布料可以调整节流阀 开度和溜槽倾角大小 通过改变布料圈数多少来改善炉料在炉内分布的合理性 l 5 同时 上述优点也带来了新的问题 布料溜槽虽然很灵活 但自动控制很复 杂 工艺操作不易掌握 更重要的是 正因为溜槽是无料钟炉顶高炉的一种布料 机构 所有的炼铁原料 铁矿石 烧结矿 焦炭和石灰熔剂等 就都要经过溜槽 而进入高护 炉顶温度一般为3 0 0 4 0 0 有时可达6 0 0 8 0 0 在这种恶劣的 工程硕士学位论文第一章绪论 环境下 高炉布料溜槽往往磨损非常严重 使用寿命短 这样就会直接影响着生 铁的产量 使生产效率降低 成本提高 造成经济上的严重损失 1 2 1 2 高炉布料溜槽工作原理与布料要求 溜槽是用于布料的装置 在输送 分配物料方面 起着设备联接 调节工艺 流程的作用 尤其在矿山 采石厂 水泥行业 钢铁行业 耐火材料厂 港口码 头等物料运输 中转 贮存中得到广泛应用 高炉布料溜槽的工作位置是在高炉炉腔 内的顶部 如图1 1 所示 此处温度高 环 境恶劣 炉况不顺时最高温度可达7 0 0 以 上 高炉各批次的炉料源源不断地从料流调 节阀经过若干米高的落差冲向布料溜槽 而 外面却无法观察其工作状况和损坏情况 因 此 要求溜槽可靠性高和寿命长 一般布料 溜槽的内表面铺设耐磨衬板 高炉炉料磨衬 板上 再通过耐磨衬板的工作表面滑从料流 调节阀下落到布料溜槽鹅头端部的耐向炉内 进行布料 可见镶嵌在布料溜槽内的耐磨衬 板的使用寿命对布料溜槽的使用寿命起着至 关重要的作用 引 如图1 2 所示为高炉布料器传动简图 从图 中可以看出 布料溜槽由行星差速机构传动 使布料溜槽既能绕高炉中心线旋转 旋转角称 又能绕布料溜槽吊挂轴摆动 布料溜槽与 高炉中心线形成不同的夹角 称口 口与 的 灵活组合构成各种布料方式 单环 多环 螺 旋 定点 扇形布料等 以满足高炉冶炼工艺 的要求 因此 溜槽在布料的过程中包括两个 运动 溜槽的旋转和溜槽的倾动 溜槽的旋转 运动是由装在布料装置箱体外的电机驱动减速 1 溜槽拆装门 2 炉项大法兰 3 气密箱 4 料罐支柱 5 布料溜槽 6 带密封阀和料 闸的下阀箱 7 料罐和上阀箱 8 受料斗及支柱 9 柱塞阀装置 图1 1 无料钟炉顶设备的组成 图1 2 高炉布料器传动简图 箱带动布料装置的差动齿轮系工作来实现的 布料溜槽的倾动是由3 个呈1 2 0 均 布在布料装置箱体外的液压油缸通过过渡连杆带动托圈上下运动 托圈通过导辊 支架带动溜槽托架摆动来实现的 3 1 溜槽布料的基本要求是 周向布料应力求均匀 径向靠料应使炉子中心及靠 r t 程硕士学位论文第一章绪论 近炉墙的部分具有较好的透气性 并根据冶炼情况能够进行径向调节 能不对称 布料 当高炉产生管道或料面倾斜时 能定点布料和扇形布料 9 1 1 3 高炉布料溜槽现状 世界粗钢产能在不断增长 自1 9 9 5 年至今 2 0 0 0m 3 以上的高炉已经增加到 1 6 9 座 其中中国大陆增加2 6 座 总数达到3 6 座 在日本以外的地区 5 0 0 0m 3 高炉只有2 座 4 0 0 0m 3 高炉7 座 许多国家使用的是2 0 0 0m 3 高炉 这部分高炉有 1 0 4 座 约占大高炉总量的6 1 由于高炉溜槽为炼铁厂给料冲刷易磨损件 磨损情况相当严重 溜槽衬板是 高炉布料的重要耐磨零件 一旦溜槽被磨穿 烧结矿及小粒度的焦炭最先从漏洞 直接入炉 从而造成中心堆积 炉况顺行遭到破坏 渣铁分离差 上渣带铁多 渣口大量损坏 因此 溜槽使用寿命的长短直接影响生铁的产量 l 吲 就国内情况来看 因为炼铁产业集中度低 高炉座数多 约有9 0 0 多座 大 于1 0 0 0m 3 以上高炉约有1 1 0 座 因此布料溜槽的使用数量很可观 使用状况却不 容乐观 目前 提高溜槽的使用寿命成为各大 小钢铁企业所亟待解决的问题 据调查 国内钢铁企业目前小溜槽的使用寿命一般在6 8 个月 大溜槽的使用寿 命一般在8 1 2 个月左右 以华菱涟钢为例 5 座小高炉中 1 6 米小溜槽的使用寿 命长的为8 个月 短的仅3 个月 2 米小溜槽的使用寿命为1 2 个月左右 六号大 高炉布料溜槽的使用寿命一般为1 0 个月 进口的国外溜槽相对国产溜槽使用寿命 稍微长一些 卢森堡p w 型大溜槽寿命为1 2 1 5 个月 法奥迪溜槽寿命在1 8 2 4 个月左右 8 9 5 8 虽然 溜槽的成本小的为几万元 大的上百万元 对此钢铁企业还是可以接 受的 问题是由于溜槽失效后 维修或者更换一个溜槽时 高炉就必须休风 这 就必然降低炼铁的生产效率 由此引起的经济损失就远远不是一个溜槽的成本了 从无料钟式炉顶高炉在炼铁行业应用之同起 布料溜槽的使用寿命就引起了 国内外学者的高度关注 各钢铁企业也非常重视 研究人员一直在致力研制新型 的 长寿命的高炉布料溜槽 文献 4 8 9 1 l 在研究了现有溜槽基础上 从溜槽的整 体结构 衬板结构与材料选用等方面进行改进 可在一定程度上提高溜槽的使用 寿命 文献 5 7 1 3 1 5 2 0 n 从布料规律出发 研究了溜槽的合理结构尺寸参数的确 定 从而从理论方面探讨了延长溜槽使用寿命的可能 文献 2 5 2 6 2 7 从优化设计 的角度出发 研究了溜槽一些关键参数对溜槽的布料影h 向 文献 2 8 2 9 贝j j 探讨了布 料溜槽的操作工艺与溜槽设计的一些基本原则 北京青冶冶金研究所则针对p w 布 料器传动复杂的缺点 研制开发了一种s s 型高炉布料器 该布料器具有传动链短 溜槽倾动精度高 结构设计简单 维护检修方便 制造成本低 在布料器中设计 工程硕士学位论文第一章绪论 水幕式的冷却 可靠性较高等优点 这种布料器溜槽更换装置更是操作简便 快 速 据报道更换一个溜槽的时间仅为1 0 分钟 经攀钢炼铁l 号高炉使用 各项技 术指标均达到或超过卢森堡p w 型高炉布料器 l 踟 综上所述 目前国内高炉布料溜槽普遍存在使用寿命偏低的现象 因此提高 溜槽的使用寿命 对降低生产损失 降低高炉休风率以及充分发挥无料钟炉顶高 炉的优势具有十分重要的意义 对原有溜槽的结构 在保证外形尺寸 内空尺寸 和安装尺寸的条件下 必须对其制造工艺进行改进和研究 提高其工作性能 延 长其使用寿命 这样 既可以节约配件数量成本 又可以提高生产效率 同时也 可以大大减少安全隐患 1 4 计算机辅助设计 计算机辅助设计 即c a d 技术 已经成为企业提高创新能力 提高产品开发能 力 增强企业竞争能力的一项关键技术 1 9 9 2 年 经国务院批准 原国家科委等 1 8 个部委开始协同开展 c a d 应用工程 九五 期间 2 9 个省 市 和3 个行业 的6 0 0 个示范企业实施了c a d 应用工程 带动了3 0 0 0 个重点应用单位 有1 0 万 家企业和设计院甩掉了图板 应用c a d 的行业类型覆盖了机械 机床 航空 航 天 兵器 汽车 仪表 化工等 取得了巨大的经济效益1 3 1 4 1三维c a d 软件的优势 c a d 技术是从2 0 世纪5 0 年代丌始的 随着计算机及其外围设备的发展而形 成的一门新技术 c a d 技术为设计师们提供了准确方便的几何造型 修改 工程 制图和图形显示工具 很大程度上提高了设计的速度和质量 降低了设计难度和 工作强度f 3 6 3 7 机械行业中应用c a d 技术的优势主要表现在以下几个方面 3 4 机械c a d 的 各类数据库可为机械设计和工艺的制定提供科学依据 加上计算机与人的交互作 用 可发挥人机各自的特长 使机械设计和制造工艺更为合理 设计计算和图样 绘制的自动化可大大地缩短设计的时间 c a d 与c a m 的一体化可显著缩短从设 计n n 造的周期 计算机的高速运算和绘图机的自动工作大大节省了劳动力 同 时 优化设计带来了原材料的节约 另外可对传统方法耗时费工仍难以完成的复 杂型面进行完善的加工 从而使制造成本大大地降低 c a d 技术可以将设计人员 从繁重的计算和绘图解放出来 使其可以从事更多的创造性的工作 以及有更充 裕的时间来进行新产品的开发和研究 从而大大地增强了企业在激烈的市场竞争 中的优势 对于大多数企业组织而言 长期的成功是直接与新产品的研制流程密切联系 4 工程硕十学位论文第一苹绪论 的 三维c a d 软件在这方面有着得天独厚的优势 主要表现在m j 全面的产品研制开发环境 把产品与过程属性的结果直接融入产品研制开发 流程 这样产品研制开发流程就实现了与拟定生产质量限制的对接 为了能有效 地满足这些要求 就需合理的产品研制开发流程 以支持范围更广的工程 实体 模型与可行的生产流程 这适用于任何一个支持产品研制开发流程的工具 当今 能够并行支持这些产品与流程属性的大多数成套解决方案在三维c a d 软件中可以 得到具体体现 软件中包含有最灵活而丰富的产品建模定义能力 并与先进的计 算机辅助工程分析和计算机辅助制造能力结合 集成为完整的产品研制开发环境 统一的产品研制开发环境 由于这些定义 测量标准 分析和验证面向用户 的特定产品属性 就出现了对这些属性实现可视化 进行筛分与验证的要求 把 这些属性融入一个环境 就可能对这些属性各异的目标进行对比和优化 三维c a d 软件把大量的产品定义 性能与生产能力 灵活地融入统一的环境 这个独特的 环境成为直接把性能和生产定位与设计理念联系的基础 只采用该统一的环境就 可以对比 平衡和优化各不相同的产品要求 一旦确定了这些联系 就有可能提 供验证关键设计点的工具 通过平衡各设计目标 满足特定的产品与性能目标验 证这些作用 同时兼顾生产变更 数字化管理 当今产品研制挑战的复杂性不断表明 力求满足客户要求而创 建的数据量过于庞大 不同的应用 不同数据形式 不同数据形式中的不同数据 迸一步加剧了这一事实 因此 必须跟踪任何一个特定产品研制开发项目所有相 关数据 并通过生产某一产品优先对这些流程实现高效管理 是至关重要的 当对设计提出或执行更改时 集成系统的优越性是最显著的 使用三维c a d 软件可以使后期更改工作推进到产品研制开发环境的各个方面成为可能 这远比 非集成系统快捷得多 例如 几何模型规划的更改 可以立即升级扩展到仿真与 生产制造模型中 通过把这些能力集成到一个单一的全相关系统 并结合尖端的产品建模环境 三维c a d 软件保证正确地理解和优化产品设计 产品性能与生产制造多样性之间 的关系 灵活的几何体 性能与建模流程 一旦找到客户的关键需求并经过对产品确 认 定义 仿真和估算后 就可以形成基于满足这些需求的设计内容 这样提供 了一个设计可重复利用的途径与通用产品平台 就能以最小的改动工作量保证未 来的产品改型可以满足客户的要求 三维c a d 软件中的s o l i de d g e 提供了机械装配设计 制图性能 实体造型能 力 其实体建模系统具有易学 易用性 并可按照设计师和工程师的思路工作 其参数化 基于特征的实体建模操作依据定义清晰 直观一致的工作步骤 可提 高工作效率 s o l i de d g e 全面应用了s t r e a m 技术 其强大的造型工具能帮助用 s 工程硕士学位论文第一章绪论 户更快地将高质量的产品推入市场 同时 s o l i de d g e 拥有独特的内置p d m 产 品数据管理 系统 i n s i g h t 这是其它c a d 软件都不具备的 i n s i g h t 使s o l i de d g e 超越了传统的p d m 功能 提供了能随时查看三维零件 装配体 二维工程图以及产 品结构的独特解决方案 1 4 2c a d 的二次开发 任何通用的c a d 软件 甚至面向某一类对象的专用的 商品化的c a d 软件 都难以满足形形色色具体产品设计的需要 所以 一个公司欲全面开展c a d 并 取得积极效果 应以引入的c a d 系统为基础 根据本公司的实情 进行程度不同 的用户化 本地化的二次开发 建立应用绘图系统和数据库 形成具有本公司特 色的产品设计c a d 系统 通过二次开发 使引入的通用c a d 系统的效能得到充 分地发挥 取得良好的效益 c a d 软件二次开发的特点为 3 3 3 6 1 1 内容广 情况复杂 c a d 二次开发需面向本企业的多种具体产品 涉及 到各种产品的构成特点 设计过程特点 涉及到各种规范与标准 技术与方法 工具与环境 管理等方面 2 工作量大 具体产品设计本身比较复杂 内容繁多 其中数据种类多 数 据量大 计算公式千变万化 表格众多 并且产品还要不断更新 3 需面向工程人员 二次开发系统是面向具体工程设计人员进行开发的 是 他们进行设计的工具 二次开发系统的设计符合工程标准 满足工程人员的设计 习惯和要求 二次开发系统的运行过程是对具体产品设计过程的模拟 二次开发的主要任务是 运用通用c a d 软件建立面向产品的图形数据库 并 与数据库管理系统集成为面向产品的工程数据库 3 7 二次丌发基本上可概括为 系统分析 系统设计 系统程序编写 系统测试四个阶段 1 系统分析 主要任务是分析 理解整个系统设计的基本要求 在系统分解 的基础上确定整个系统的基本框架 再在此基础上 形成表达系统基本要求及框 架的系统说明书 2 系统设计 包括系统总体设计 完成模块说明书 和建立图形数据库与数 据库管理系统 3 系统程序编写 将模块说明书转换成用某种c a d 软件编写的程序 4 系统测试 可分为三步进行 模块测试 综合测试 验收测试 1 2 二次开发不同于一般的软件开发 主要在于它不是从底层开始的软件设计 而是在己有的软件基础上进行的开发 所以二次开发最大的特点是继承性 二次 开发后的软件功能和性能在很大程度上取决于支撑软件的功能和开放程度 因此 二次开发的首要任务是选择合适的支撑软件 3 8 1 支撑软件必须功能齐全 性能优良 6 工程硕十学位论文第一章绪论 2 二次开发的功能和性能 从两方面考虑 一方面 开发功能是否齐全 接 口是否简单 另一方面 开发语言是否用通用的高级语言 编译环境是否优良 3 支撑软件的版本是否与自身的实际相符 4 软件的性能价格比是否最优 1 5 选题背景与研究内容 炼铁是钢铁生产的第一个重要环节 因为炼铁工业中环境温度高 物料流通 量大以及物料剧烈的冲击等原因 炼铁高炉设备及其许多辅助设备都不可避免地 存在磨损严重的问题 高炉稚料溜槽在无料钟炉顶高炉中的作用极为重要 它是布料的主要装置 所有的炼铁原料 铁矿石 烧结矿 焦炭和石灰熔剂等 都要经过溜槽而进入高炉 溜槽的作用不容忽视 因此对溜槽的结构 尺寸参数 制造工艺以及材质进行改 进和研究 提高其工作性能 延长其使用寿命 对降低生产损失 降低高炉休风 率以及充分发挥无料钟炉顶高炉的优势具有十分重要的现实意义 高炉布料溜槽结构设计中各零部件之间的尺寸关联性比较复杂 计算量很大 更重要的是尺寸参数变化会引起零部件的协同变化 如果一个个单独去修改则效 率非常低 而且容易出错 以三维c a d 软件为平台 研制高炉布料溜槽c a d 系 统 不仅可以提高溜槽设计的效率 缩短溜槽开发的周期 同时还可以使原来由 专业设计人员担当的工作 转化为由一般辅助员工去完成 使更多的设计人员从 重复劳动力中解放出来 投入到新产品的开发中去 本论文以长寿命高炉布料溜槽的结构研究为切入点 从现有高炉布料溜槽的 结构与选用材料出发 首先探讨了溜槽结构参数对布料规律的影响 然后研究了 长寿命高炉布料溜槽结构设计与材质选用的一般原则 在此基础上 研制出了一 种抗磨损 抗烧 防脱落 防变形应力和同步寿命的大高炉布料溜槽 最后 重 点以三维c a d 软件s o l i de d g e 为平台 对其进行了二次开发 研究了大高炉布料 溜槽c a d 系统的基本实现原理与方法 并用v i s u a lb a s i c6 0 作为开发工具 利用 s o l i de d g e 的参数化与变量表技术 结合数据库技术 研究了一套实用的大高炉命 料溜槽c a d 系统 7 l 样硕 学何论文 第二章现有高炉布料 溜槽及使川特点 第二章现有高炉布料溜槽及使用特点 2 1 现有溜槽结构分析 由于炼铁高炉有效容积火小不一 高炉布料溜槽的结构型式也千差力 别 但 从总体上来说 布料溜槽大多是由基体 衬板与安装部件等零部件组成 基体部 分形状为近似半圆形 有的采用整体高温不锈钢铸件 有的采用高温不锈钢板卷 制 大部分基体为双层甚至多层结构 一些小溜槽基体为节省成本采用单层结构 溜槽的衬板铺设在皋体内表而h 衬板一般不做成整体 而是分成几段 目的是 为了方便安装与更换 为了提高衬板的使用寿命 衬板材料采用耐磨材料 结构 上一般也采用 料磨料 结构 对料磨料结构耐磨衬板 小溜槽多采用整体铸件 而 大溜槽更多地采用焊件结构 溜槽的安装方式多种多样 归纳起来主要分直挂式 与臂挂式两种类型 直挂式安装结构卞要用在中 小溜槽上 即在溜槽基体的外 壳上焊接一吊钩 安装时直接将吊钩挂在高炉炉腔的吊挂环卜 臂挂式安装结构 手要在中型与大型溜槽巾使用 一般需要专门设计安装结构 典型的有鹅头与挑 梁结构 安装结构的材料 般采用不锈钢 以保证强度与抗腐蚀性能 根据幽内普遍使用的高炉情况米霜 归纳起来主要分为巾小蕾 高炉和大型高 炉布料溜槽两大类 其中小高炉布料溜槽应用最多的是直挂式与臂挂式两种结构 大高炉布料溜槽则主要采用臂挂式结构 2 1 1 直挂式小溜槽 以华菱涟钢厂7 5 0 m 3 以下小高炉使用的直挂式小溜槽为例 如图2 1 所示 溜 槽长1 6 m 外径0 7 2 2 m 为内 外两层铸件结构 外层铸件为整体 用作小溜槽 的外壳基体 内层铸件由4 块衬板组成 内壁为环形沟槽的 料打料 料磨料 结构 外壳i 二焊接一挂钩 用于将溜槽直挂在高炉的吊挂环卜 外壳与挂钩材料 图2 1 直挂式小溜槽 t 程硕十学位论文第二章现有高炉布料溜槽及使用特点 一般采用高温不锈钢 以防止外壳烧损或腐蚀 同时也防止挂钩脱落 以免溜槽 整体掉入高炉中 衬板材料一般采用高铬或高锰铸钢 也有采用特种铸铁的 主 要是为了提高衬板的抗冲击与耐磨性能 直挂式小溜槽的使用寿命主要取决于衬板的材料及其料磨料结构的合理性 对图2 1 所示结构 采用高铬或高锰铸钢衬板的使用寿命为5 5 万吨左右的过料量 折合时问为8 l o 个月左右 2 1 2 臂挂式小溜槽 臂挂式小布料溜槽一般采用梯形结构 以华菱涟钢厂7 5 0 m 3 以下小高炉使用 的臂挂式小溜槽为例 如图2 2 所示 其长度 为2 0 0 0 m m 高6 5 0 m m 上口宽8 0 0 m m 下口 宽5 2 0 m m 分为内 外两层焊接件结构 外层 为不锈钢板 用作小溜槽的基体 内层为锰钢 板组成 内壁与底板均设置料磨料结构 一般 在料磨料结构的挡板上堆焊耐磨材料以提高使 用寿命 在溜槽头部对称设置两根挑梁 安装 时直接将挑梁悬挂在高炉气密箱的销轴中 臂挂式溜槽相对于直挂式溜槽来说 拆 装过程可以由机械手协助 不必象直挂式一样 必须由维修工人进入高炉内施工 因此更加安 全 i 司时也减少了j r 人的劳动强度 而且臂挂 式溜槽的料磨料结构r t i 挡板高度更人 同时在 图2 2 臂挂式小溜槽 挡板上堆焊了一层耐磨性能好的材料 其抗磨损能力比直挂式溜槽强 使用寿命 相对要长一些 一般使用寿命为8 5 万吨左右的过料量 折合时间为1 2 个月左右 2 1 3 臂挂式大溜槽 和以自订的钟式或钟阀式加活动炉喉的装料设备相比 无料钟炉顶具有很人的 优越性 第一是斫j 料灵活 有利于改善布料 提高煤气利用率 第二是密封性好 有利于提高炉顶压力 第三是维修方便 有利j 提高高炉作业率 因此 自1 9 7 2 年无料钟炉顶问世以来 迅速在各国高炉卜推广应用 幽内白1 9 7 9 年第一座无料 钟炉顶高炉在首钢投产之后 现在已有数十座大高炉采用了无料钟炉顶 在这些 火高炉中 又以容积2 0 0 0 3 0 0 0 m 3 使用最为广泛 幽内约有2 9 座 无钟布料溜槽可实现螺旋 多环 单环 定点和扇形多种方式布料 对高炉 容积在2 0 0 0 3 0 0 0 m 3 之问的大溜槽 其结构一般采用由鹅头 扁担梁 衬板与外 壳组成的臂挂式杠杆自锁型式 其典型结构如图2 3 图2 4 和图2 5 所示 图2 3 9 j 程硕十 位论文第二章现订高炉布料溜槽及使川特点 与图2 4 结构中 衬板采用叠装式结构 一般叠装衬板为3 层 它们的区别在于图 2 3 中结构采用空冷 而图2 4 结构采用水冷 因此其外壳设计成水道结构 图2 5 结构采用叠装衬板与料磨料结构结合 在落料点位置采用料磨料结构 在出料口 位置则采用两层衬板叠装结构 图2 3 空冷大溜槽结构 一般情况下 图2 3 与图2 4 结构中 的衬板是错移叠装的 其重叠衬板层数 为i 层 而图2 5 结构中则直接用两层 衬板叠装 没有错移 为了提高耐磨性 能 三种结构中衬板都是采用耐磨衬 板 为节省成本 耐磨衬板人多足用复 合板 即在普通钢板上堆焊5 1 0 m m 厚 耐磨层 图2 5 结构一 l 的料麽料结构 通常用普通钢板作为挡板骨架 再在其 上堆焊耐磨层 达到提高耐磨性能与节 图2 4 水冷大溜槽结构 幽2 5 大溜槽结构 省成本的目的 鹅头 扁担梁与外壳材料大多是采用l c r l 8 n i 9 t i 高温不锈钢 目 的是既可防止高炉内腐蚀性气体对溜槽本体的腐蚀 同时也可以防止炉况不川页时 炉顶高温对溜槽的烧损 大高炉布料溜槽相对中 小高炉斫j 料溜槽来说 山于工作环境更加恶劣 物 料流通量更大 尽管结构设计更加合理 使用材料性能更加优良 但目 j 仃使用的 大涮槽使用寿命仍然不能满足使用单位的要求 以涟铡6 人高炉为例 其有效容 积为2 2 0 0 m 3 实际使用时m 一般在8 个月 右 2 6 0 万吨过料量 2 2 溜槽失效分析 2 2 1 小溜槽失效分析 小溜槽失效形式手要是冲击磨损与滑移磨损 其典型磨损状况如图2 6 j 图 2 7 所示 从图中可以看出 其磨损沿轴向不均匀分析i 主要集中在中 下部 上 1 0 上程硕士学位论文 第二章现有高炉布料溜槽及使用特点 部磨损较小 特别是第一 二块衬板交接处磨损最为严重 局部已磨穿 引起小溜槽磨损的主要原因是 第一 小溜槽在高炉内使用 工况条件恶劣 图2 6 直挂式小溜槽图2 7 直挂式小溜槽磨损情况 温度高 炉况不顺瞬时温度超过7 0 0 料流速度大 矿料棱角锋利 硬度大 第 二 矿料通过中心喉管落到小溜槽衬板上 落差大 炉料受强力冲击 韧性差的 衬板使用后期丌裂 击碎 衬扳材料脱落 造成衬板失效 第一 二块衬板交接 处磨损最为严重 正是因为其处于落料点位置 受炉料冲击力最强所致 最后 由于小溜槽衬板在铸造和热处理过程中各种囚素的影响 质量不稳定 寿命相差 较大 不能满足高炉使用的要求i 旺 22 弱j 2 2 2 大溜槽失效分析 在i t i 产实践中 大溜槽的失效形式主要是料磨料结构的磨损 出料口耐磨衬 板的磨损 外壳的烧损 外壳的腐蚀 外壳丌裂以及横梁的弯曲等 通过对失效 溜槽清渣拆解后还发现 许多紧固蝶栓被剪断 料磨料结构巾的衬板上翘 如图 2 8 图2 9 图2 1 0 和图2 1 l 所示 从实际使用情况来看 在材质基本相同的条 件下 有料磨料结构的大溜槽使用寿命相对要长一些 图2 8 溜槽衬板磨损图2 9 溜槽本体热变形 产生上述现象的原因是 出料口耐磨衬板材料在高温下耐磨性能达不到大过 料量的要求 料磨料结构中使用的堆焊耐磨材料抗冲击性能与高温性能不理想 i 样硕十学位论文第二章现彳j 高炉布料溜槽及使川特点 外壳材料的高温性能达 f i 到要求 溜槽设计巾存在不合理结构 不能消除高温热 变7 髟情况f 产生的应力集中 致使外壳丌裂 料磨料结构中设计存在缺陷 无法 消除热变形引起的耐磨衬板伸k 导致紧固螺栓的剪断 j 衬板上翘 图2 10 溜槽料磨料结构磨损 图2 11 溜槽外壳烧损 2 3 衬板结构 在使用过程中 溜槽与物料接触碰掩 从而导致溜槽磨损严重 大大增加了 维修工作量 为了改变这种状沙l l 人们采用了存溜槽与物料的接触而k l t i 发利 板 的方法 通过此方法可以延长溜槽基体的使j t 寿命 f h 足衬扳存在着严重磨损 也需要周期性地进行更换 大大增加了j 人的劳动强度和危险忭 凶此 溜椭衬 板结构的合理性不容忽视 2 3 1 炉料受力分析 炉料在溜槽内的运动及受力分析是改进 衬板结构的理论依据 炉料质点在溜槽内的 运动受力情况如图2 1 2 所示 经分析 f 矢1 此时溜槽衬板上所受的力有 炉料重力c 衬板弧形槽面埘炉料的支反力r 摩擦力厂 离心力c 及哥氏惯性力e 图中末画山 此外炉料从中心喉管下落到溜槽上时 会产 生一个对衬板较大的冲击力f 图中未i i t i i 出 溜槽衬板在上述各力的综合作用卜 炉 料沿溜槽纵向加速运动 对会属表面j 髓牛强 烈的冲击与摩擦 使衬板失效 其中冲击力 f 与摩擦力 厂是导致溜槽衬板失效的主要 图2 1 2 炉料运动受力分析 l 一t h f 硕士学位论文 第二章现有高炉布料溜槽及使用特点 因素 同时炉料在作用于溜槽侧面的哥氏力的作用下产生横向运动 使旋转溜槽 内的料流永远偏一1 二 1 5 7 8 1 2 3 2 衬板结构型式 通过受力分析可知 由于衬板受到炉料较大冲击力与摩擦力的作用 衬板的 结构对其耐磨性有很大的影响 将直接决定溜槽使用寿命的长短 目前国内外常 用的结构有 搭接鱼鳞型 平板型 搭接突台型与料磨料型耐磨结构等 常用的料磨料型耐磨结构如图2 1 3 所 示 是利用物料自然堆角的原理 布 料时物料冲击在自然堆积而成的料挚 上 而刁i 直接冲击溜槽衬板 减轻物 料对衬板的直接冲击磨损 同时物料 在下滑过程中也是物料之间的相对滑 动 减轻物料对衬板的直接滑移磨损 当然 除了以上措施外 也可以在衬 图2 13 衬板料磨料结构 板与壳体之间挚实一层厚5 1 0m m 的耐热弹性材料 以缓冲炉料对衬板的冲击力 和炉内辐射热不直接传到衬板上 使衬板温度不致过高而降低硬度 以提高溜槽 的使用寿命 2 4 溜槽的材质 目前国内的溜槽装置大多使用金属材料如高锰钢 钢轨和钢板等会属焊接的 组合衬板 如大中型矿仓采用钢轨拼焊于矿仓p j 壁 部分使用厚钢板 重型振动 筛壁及底部溜槽使用高锰钢衬板 冶炼厂高炉料车使用中厚型高锰钢衬板 矿用 自卸车f 包括大型电动轮自卸车 箱斗使用较厚型铡板衬板 这些衬板在使用中受到 物料的强烈冲击 磨损 冲刷 磨蚀破坏 很容易被磨穿 使 e j 寿命短 衬板在 修复或更换时劳动强度大 使用现场噪声大 而且衬板较重 更换时存在一定的 安全隐患 国外如瑞典 加拿大 美国 前苏联 同本等困大多采用耐磨橡胶衬 里替代金属衬里 很好地解决了衬里磨损问题 取得了良好的经济效益与社会效益 但是应用到高炉布料溜槽上存在着一定的问题 因为高炉的工作环境恶劣 温度 极高 对溜槽材质的要求非常苛刻 所以要对溜槽的材质进行深入研究 才能合 理地解决这个问题 6 j 在使用过程中 为了承受高炉炉腔内的高温与强腐蚀性气流 溜槽的基体材 料一般采用高温不锈钢材料 常用的材料包括zg 3 5 cr mo l c r l 8 n i 9 t i 3 1 0 s 工程硕士学位论文第二章现有高炉布料溜槽及使用特点 4 0 8 等 这些材料即可以承受8 0 01 1 0 0 的高温而基本不变形 同时也能抵抗炉 内强腐蚀性气流的冲蚀 由于小高炉的炉顶温度比大高炉低 腐蚀性气流的冲蚀 作用要弱 因此小溜槽的基体材料一般采用l c r l 8 n i 9 t i 而大溜槽的基体材料则 相应地要采用性能较好的材料 镶嵌在布料溜槽内的耐磨衬板的使用寿命直接影响布料溜槽的使用寿命 由 于溜槽在炉内作业 腐蚀性的气体 温度的波动对材料的硬度及其它性能影响很 大 而且溜槽也是无钟顶最易磨损的部件之一 在生产过程中无法直接观察 因 此对溜槽衬板要求既具有较好的抗腐蚀和抗回火软化的能力 又要有较好的冲击 韧性 抗弯强度和抗疲劳剥落能力 这样才能提高衬板的抗磨能力 溜槽耐磨衬板的使用寿命 目前国内外仍有很大的差距 据p w 公司介绍 该公司生产的耐磨衬板硬度h r c 5 0 5 5 在6 0 0 高温下仍能正常使用 耐磨性 能稳定 寿命可达到3 0 0 万吨生铁 德国法奥迪 v a u t i d 公司研制的高铬合金 耐磨堆焊复合板 具有高耐磨性能与高抗冲击性能 材料硬度可达6 3 6 8 h r c 在 7 5 0 以下具有较高的硬度和抗氧化性 寿命可达到4 0 0 万吨左右生铁 5 8 目前我国用于溜槽衬板的材料较多 常用的有 c r l 5m 0 2 c u l c r 2 6m o l n i 2 c r 2 6 n i l 等 一般寿命在3 5 5 0 万吨铁 另有一种高铬铸铁c r 2 0 m 0 1 c u l 经过良 好的热处理 淬火温度1 0 3 0 1 0 5 0 6 5 0 以前加热速度应小于3 0 h 6 5 0 8 5 0 之间应小于5 0 h 8 5 0 一1 0 3 0c 之间应小于7 0 c h 回火温度 4 5 0 5 0 0 c 4 5 0 一4 6 0 cx 2 h 的中温回火和18 0 x 3 h 的低温回火1 经过这种热处理该材料 的硬度可达h r c 6 3 抗弯强度6 b 为9 2 2 m p a 挠度 o o 为2 8 机械性能均高于其 它材料 其寿命可达7 5 9 0 力 吨铁 因此热处理工艺对高铬铸铁衬板寿命影响较 大 国内生产的溜槽衬板以高铬铸铁为例 其耐磨性能受铸铁成份 热处理工艺 铸造工艺及高炉炉顶温度波动等因素影响较大 其平均寿命一般只有4 0 6 0 万吨 生铁 8 1 近年来 国内不少高炉引进使用瓦片式多层重叠衬板和本钢 首钢研制的浸 润耐磨衬板 这类衬板是由几种材料组成的复合型衬板 能较好发挥各种组成材 料的特性和作用 硬质合金块复合衬板由若干块硬质合金块镶嵌在钢基体环形沟槽内 用铜锤 镍合金钎焊成一体 制成半圆环形式 硬质合金块的排列方向和间距的确定 要 适应炉料的冲击和料流的方向 合金块有横向环形排列 竖向垂直排列 横竖矩 形排列三种形式 经比较后 选用横向环形排列 主要是因为硬质合金块排列方 向与料流方向基本垂直 衬板经一段时问使用后 合金块的钢基体首先磨损 形 成锯齿状凹坑 环形硬质合金块露出表面 起到阻料和积料作用 减弱料流对衬 板的磨