钢包回转台毕业论文.doc

唐山科技职业技术学院（成）毕业设计（论文）1 概述钢包运载设备的任务是将钢包运送到浇注位置，供给中间包所必需的钢水。生产上原来主要使用铸锭天车吊着钢水包进行浇注。这种方式在连铸技术发展初期曾经广泛使用，因为那时连铸机多装在铸锭跨内，只进行单炉浇注，利用已有的铸锭天车，可以节省建设投资。但连铸的时间一般比模铸长，在吊浇时会妨碍其他天车的运行。为了解决这一问题，采用了在浇注平台上设置固定的钢包支座进行浇钢，但这种浇钢形势不利于实现全连铸，生产效率低。经过不断的研究设计，为多炉连浇创造条件，现在普遍采用钢包回转台。钢水在浇铸过程中需要包括钢包和钢包回转台、中间包和中间包车等设备。钢包盛着从炼钢炉里炼好的钢水，经过精炼炉的精炼运到连铸平台上的钢包回转台上。在这个过程中，承载着钢水包的就是钢包回转台。钢包回转台（即我们所说的大包旋转台）是现在连铸中使用最普遍和最常见的承载钢水包进行浇钢的关键机械设备。经常把它放在车间的钢水接收跨和浇钢跨衔接的地方。对于钢包的旋转半径的设计就是在浇钢时钢水包的水口正好对准中间包上接钢水的规定位置。这时用钢水接收跨一侧的天车将钢水包放在钢包回转台上，经过钢包回转台的回转，让钢水包停在中间包上方供给其钢水。并经中间被注入结晶，然后由垃矫机拉出所需的铸坯。交完钢的空包再通过回转台的回转，再运回钢水的接收跨。钢包回转台的旋转是定向的，占用连铸浇钢平台的面积较小，容易定位，更易于远距离的操作。回转台的电器控制线路以及液压管线都可以装设在旋转台内，这样比较可靠安全。但它的缺点是旋转半径有限，一个钢包回转台只能为一台连铸机服务。由于钢水包不在铸锭天车中作范围内，除了回转台没有其他吊运设备代替。钢包回转台的回转是由回转电机通过拨动转轮机构带动回转臂来实现的，所以要求回转台的运转有很高的可靠性，即使在停电的情况下也能借助于备用电源、液压以及气动设备进行正常工作。我所在的二钢轧厂目前所用的钢包回转台由于随着市场需求的不断扩大和唐钢产品结构的多元化，生产规模的扩大势在必行为此，需对部分炼钢设备进行扩容改造，为了使设备配套，以减少备品备件的品种数量，必须对钢包回转台进行扩容改造，将160t钢包回转台改成180t。在位置不变的情况下，在确保安全可靠的前提下，对原回转台驱动装置进行改造设计。为了提高钢的质量与合理的控制制造成本，适时监控连铸时钢包内不断下降的钢水液位情况，适时对流量进行控制，原钢包回转台缺少此项功能，所以要在原钢包回转台上设置称重系统，以满足现代生产的需要。2 钢包回转台的现状及结构2.1 回转台的现状唐钢二钢轧厂5#、6#连铸机钢包回转台是二钢轧厂连铸的关键设备，随着市场需求的不断扩大和唐钢产品结构的多元化，生产规模的扩大势在必行为此，需对部分炼钢设备进行扩容改造。为了使设备配套，以减少备品备件的品种数量，必须对钢包回转台进行扩容改造。由于现场环境温度高、冲击载荷大、座包过程中甚至有钢水飞溅，因此多年来一直缺少经久耐用的钢包称重系统。现场仅凭操作员经验判断浇铸过程钢包中钢水的剩余量。包台若实行保护浇注以提高铸坯质量，操作员便无法目测判断钢水的剩余量以及流速。为方便现场操作员工艺上的操作，满足现代化生产的要求，在原基础上对称重系统进行了新的改造。2.2 回转台的构造钢包回转台（如图1）主要是由转臂推力轴承、基座、回转装置、升降装置、称重装置、润滑装置以及事故驱动装置等组成。2.1.1 回转台的转臂我所在的二钢轧厂所用的钢包回转台的转臂是直臂式的，它是直臂整体旋转整体升降式（如图1）。转臂是一个叉形的悬臂梁结构，由钢板焊接而成，用来承载钢包，这就要求要有足够的刚度和强度。在回转臂两端的上部有升降框架和升降装置以及钢水的称重装置。图1 钢包回转台1保温盖行走装置；2钢包；3回转台2.2.2 回转台的推力轴承在钢包回转台上设有强大的推力轴承（如图2）。用于承受钢水包以及转臂自重所产生的压力，同时也要承受转臂两端负荷不平衡所产生的倾翻力矩。它对回转台的旋转运动起定心及轴向的约束作用。它是由内圈、外圈、以及辊子构成，内圈用高强度螺栓固定在基座上，外圈经高轻度螺栓与转臂相连。在推力轴承内圈，还有一圈径向定心辊子，安装检修时，测量推力轴承的轴向、径向间隙，调整内外圈的直线度水平度，使其在允许范围内。推力轴承的间隙 一般为0.30.5mm。 2.2.3 回转台的基座钢包回转台的基座通常采用的是双层同心圆并用筋板连接的结构组成，外层的筒壁较厚，用以承受大部分的负荷，内层筒壁主要其稳定的作用。两层筒壁的上下端部都用法兰连接。下法兰通过高强度地脚螺栓固定在基座上。图2 回转推力轴承1转臂；2推力轴承外圈；3推力轴承辊子；4径向定心轴承辊子；5推力轴承内圈；6基座2.2.4 回转装置回转台的回转装置用来驱动转臂旋转，回转装置固定在回转台的基座上。如图3所示。通过电动机5、减速箱3、小齿轮2驱动柱销齿轮，使转臂转动。在发生事故停电时通过备用电源或气动马达使转臂转到事故包上方。事故时，转臂只能做一次180的转动。图3 回转驱动装置1柱销齿轮；2小齿轮；3大速比减速箱；4联轴器；5电动机；6气动离合器；7空气马达2.2.5 钢包升降和称重装置为了防止钢水二次氧化，实现保护浇铸，须在钢包和中间包之间安装长水口，要求钢包能在回转台上做升降运动。如图4。为了控制浇注速度，掌握浇注时钢包内的钢水量，在回转臂的升降框架下设置了四个称重传感器。称重传感器应受到保护，为避免接受钢包是受到冲击，一般框架在上升位置时接受钢包，然后慢慢下降座落在称重传感器上。另外，当钢水包打不开时利用升降装置将钢水包升起，便于操作工用氧气烧开水口。除此之外，为了确保回转台准确的停在浇注或受钢位置，还设有主令控制器和锁定装置，把回转臂锁定在浇注位置上。另外，润滑装置采用集中自动润滑方式，将润滑油注入轴承和柱销齿轮等部件润滑。图4 升降装置及称重系统（a）侧视图；（b）俯视图 1称重传感器；2涡轮千斤顶；3电动机；4减速箱；5保温盖移动行走轨道；6升降框架；7称重传感器2.2.6 工作特点及主要参数a工作特点（1）重载。钢包回转台承载几十吨到几百吨的钢包，当两个转臂都承托着盛满钢水的钢包时，所受的载荷最大。（2）偏载。钢包回转台承载的工况有三种，即两边满载，一满一空，一满一无。最大偏载出现在一满一空的工况，此时钢包回转台会承受最大的倾翻力矩。（3）冲击。由于钢包的安放、移去都使用天车的吊运完成的，因此在安放移动钢包时产生冲击，这种冲击使回转台的零部件承受动载荷。（4）高温。钢包中的高温钢水会对回转台产生热辐射，从而使钢包回转台承受附加的热应力，另外飞溅的钢水也会给回转台带来火灾隐患。b主要参数（1）承载能力。钢包回转台的承载能力是按转臂两端承载满包钢水的工况进行确定，另外，还应考虑承接钢包的一侧在加载时的垂直冲击引起的动载荷系数。（2）回转速度。钢包回转台的回转速度不宜过快，否则会造成钢包内的钢水液面波动，严重时会溢出钢包外，引发事故。回转台转速一般为1r/min。（3）回转半径。钢包回转台的回转半径是指回转台中心到钢包中心之间的距离。回转半径一般根据钢包的起吊条件确定。（4）钢包升降行程。钢包在回转台转臂上的升降行程，是为进行钢包长水口的装卸与浇注操作所需空间服务的，一般钢包都是在升降行程的低位进行浇注，在高位进行旋转或受包、吊包。钢包在低位浇注可以降低钢水对中间包的冲击，但不能与中间包装置相碰撞。通常钢包升降行程为600800mm。（5）钢包升降速度。钢包回转台转臂的升降速度一般为1.21.8m/min。3 钢包回转台的改进随着市场需求的不断扩大和唐钢产品结构的多元化，生产规模的扩大势在必行为此，需对部分炼钢设备进行扩容改造，其钢包容量由90t改为110t。为了使设备配套，以减少备品备件的品种数量，必须对钢包回转台进行扩容改造，将160t钢包回转台改成180t。在位置不变的情况下，对原回转台的驱动装置、回转轴承和地脚螺栓等受力部件进行计算，在确保安全可靠的前提下，降低改造成本。3.1 改造后的相关数据（1）改造后的有关参数如下：钢包满包重（钢包自重+钢水重+加盖装置重），G=18010N,其中钢水重11010N；钢包自重G=6010N;加盖装置重G=8=10N，加盖装置在转臂上沿轨道移动，其重心极限位置L=1.75m。钢包外径d=3.35m，钢包内径d=2.9m；转臂重G=5610N，转臂总长L=12.32m，总宽B=4.5m；中间座重G=910N,中间座外径d=3.68m，内径d=2.9m，钢包回转半径R=4.5m；地脚螺栓M80，细部直径d=60mm。回转台速度n=1r/min。（2）利旧部分：电机型号YZP200L-6,功率P=18.5Kw,速度n=962r/min；减速机型号GTTR430-109/168(改良型)；联轴器型号HLL4。3.2 驱动装置的有关计算3.2.1 驱动电机的计算钢包回转台的工况分三种形式：第种一端满包，另一端不放钢包取得最大倾翻力矩和最小垂直受力；第种，一端满包，另一端空包，取得中等倾翻力矩和中等垂直受力；第种，两端都是满包，取得最大垂直受力和最小倾翻力矩。要求的电机功率，首先必须求出回转台各转动部件的转动惯量，进而求出回转台在各种工况下的动力矩和静力矩，最后由电机功率应满足两个条件的公式求得电机功率。3.2.2 转动惯量的计算转动惯量的公式为：J=（mr）上式表示刚体上各质点的质量与质点到转轴距离平方的成积之和。为简化计算，假定刚体上各质点连续均匀分布。（1）满包转动惯量J=Gd/8gGR/g =180103.35/89.8180104.5/9.8 =397.710(kgm)（2）空包转动惯量 J= G(dd)/8gGR/g =6010(3.352.9)/89.86010 4.5/9.8 =13910(kgm)（3）转臂转动惯量 J= G(LB)/12g =5610(12.324.5)/129.8 =81.9210(kgm)（4）中间座转动惯量 J= G(dd)/8g =910(3.72.9)/89.8=2.5410(kgm)（5）加盖装置转动惯量J= GL/2g=8101.75/29.8=1.2510(kgm)把各种工况的转动惯量换算为作用在电机上的总飞轮矩，换算公式为：GD =GDGD（n/ n） =GD（n/ n）(4gJ/1000)式中GD为电机轴上的总飞轮矩，GD为电机、减速机和联轴器飞轮矩之和。电机飞轮矩等于26Nm，减速机飞轮矩等于17.4 Nm，联轴器飞轮矩等于16.6 Nm，则总飞轮矩为2617.416.6=60 Nm，GD为回转台飞轮矩，J为回转台各种工况下的转动惯量之和。3.2.3 电机所受力矩的计算电机动力矩为：M=GD/4gn/30t=0.6413GD(kNm)电机静力矩为：M=3n(4.4MdV)/4n(kNm)式中n为电机速度，t为启动制动时间为4s，为回转轴承摩擦系数（0.004），为总传动效率（0.85），n为回转台速度，d为回转轴承平均直径（3.15m）,M为倾翻力矩（第种工况M=GRGL=8240 kNm,第种工况M=（GG）RGL=5540 kNm，第种工况M= GL=140 kNm），V为垂直载荷（第种工况V= GGGG =2530kN,第种工况GGGGG=3130kN，第种工况V=2GGGG=4330kN）。3.2.4 电机功率的计算为确保电机安全可靠的运行，电机功率应同时满足以下两个条件：功率P（MM）n/9.55K（1）式中K为电机过载系数，K=2。功率PMn/9.55 （2）总结以上计算，其结果见表1。表1 计算结果项目转动惯量J10 kgm483.43622.43881.13总飞轮矩GD/kNm0.26480.32360.4332动力矩M/ kNm0.16980.20750.2778倾翻力矩M/kNm82405540140垂直载荷V/kN253031304330静力矩M/kNm0.16220.12560.0523根据表1和公式（1）、（2）可以求得回转台实际功率：P=P（，）=16.78kW。所选电机额定功率P=18.5kW,大于实际功率，因此得出以下结论，电机可以利旧。3.2.5 减速机的计算钢包回转台工作环境比较恶劣，且驱动部分的位置在转臂下，拆卸与安装很不方便，根据钢包回转台的生产特点，需要大速比大扭矩的减速机相匹配。因此，对减速机进行相关计算，以便选择高效率、高寿命、高可靠性的优质产品是非常必要的。减速机必须同时满足机械强度和热平衡许用功率要求，即：（1）减速机额定功率P必须满足P=PKKP，式中P为计算功率，P为回转台实际功率，K为使用系数（1.5），K为可靠系数（1.5）。代入其中得：P=16.781.51.5=37.8kW。由资料查得P=30kW，PP。由此得出结论，所选减速机不能满足机械强度要求。（2）减速机热平衡许用功率P必须满足P= PKKKP，式中P为计算热功率，P为回转台实际功率，K为环境温度系数（1.6），K为运转周期系数（1），K为功率利用系数（1.1）。代入其中得：P=16.781.611.1=29.53kW。由资料查得P=6178kW，PP。由此得出结论，所选减速机能满足热平衡许用功率要求。因原减速机不能满足机械强度要求，有必要进行减速机加大更新。但考虑到原减速机为一种高性能的新型产品，其瞬时尖峰转矩允许为额定转矩的2.7倍，现计算功率只为额定功率的（37.8/30）1.26倍，在新减速机到场之前暂时代用。3.3 回转轴承的有关计算在钢包回转台上，装有强大的推力轴承回转轴承，用以承受钢包及转臂等所产生的压力，同时还承受因转臂负荷不平衡所产生的倾翻力矩，在接受钢包时还要承受冲击力。从安全的角度来考虑，它必须有足够的强度。因此要对回转轴承的强度进行校验。3.3.1 回转轴承当量轴向负荷的计算因钢包回转台的工况分三种，故对回转轴承负荷的计算也需分三种工况进行计算。钢包回转台在接受钢包时，要对回转轴承产生冲击力，其冲击系数为1.25。F=Ff式中：F轴承所受的当量周详负荷；F轴承所受的总轴向负荷；f静负荷安全系数，为1.75。对第种工况：F=1.25GGGG=29810N；对第种工况：F=1.25GGGGG=35810N；对第种工况：F=1.25GGGGG=47810N。3.3.2 回转轴承当量倾翻力矩的计算分三种工况进行计算，其冲击系数取1.25。M=Mf式中: M轴承所受的当量倾翻力矩； M 轴承所受的总倾翻力矩。对第种工况：M=1.25 GRGL=102610Nm;对第种工况：M=（1.25GG）RGL=75610Nm;对第种工况：M=（1.25GG）RGL=5910Nm。将各项汇总，结果如表2所示。表2 三种工况的汇总结果项目轴向总负荷F/10N298358478当量轴向负荷F/10N522627837总倾翻力矩M/10Nm102675659当量倾翻力矩M/10N此得出以下结论，本回转轴承能够满足符合要求。3.3.3 联接回转轴承的螺栓负荷计算联接回转轴承的螺栓负荷计算方法与下述地脚螺栓的计算相同。事实上，按地脚螺栓强度等级10.9级，很容易得出联接螺栓能可靠的工作的结论。3.4 地脚螺栓的计算钢包回转台的地脚螺栓也是很重要的受力零件，因此要对它的安全系数进行校验。地脚螺栓均匀分布在直径为3500mm的圆上，回转台工作时，施加于其上的负荷使回转轴承同时受到压力和倾翻力矩的作用，当它转动时，由倾翻力矩产生的拉力对每个螺栓来说是周期性变化的。图5所示是回转台负荷状态，其中G代表钢包的重心位置，D代表的是地脚螺栓分布的中心直径（3500mm）。图5 回转台负荷情况图6 螺栓拉力变化图6所示是回转台转动时，螺栓的拉力P随着转角的变化而变化的情况。因倾翻力矩的作用使地脚螺栓产生的拉力P与转角的余弦成正比，最大拉力产生在180处。计算倾翻力矩时，假定回转台只放一个满包的钢包，因为在这种情况下，不平衡状态最严重，离钢包最远的螺栓所受拉里最大。按已知条件，螺栓M80，细部直径d=60mm，螺栓强度等级10.9级，根据GB3089.1，螺栓的保证应力为S=830MPa,=900MPa。（1）a螺栓应力面积F=r=3.14(0.0755/2)=0.004477m;b螺栓的最小断面面积F =r=3.14(0.06/2)=0.002827 m。（2）螺栓位置夹角 =360/40=9。（3）算出回转台自重及钢包满包重对于基础上每个螺栓处的压力为： A=（8956180）10/40=63250N。（4）因倾翻力矩使地脚螺栓产生的拉力随着回转台的转动而呈周期性变化，如图5和图6，螺栓所受拉力的大小和力臂都与转角的余弦有关，则地脚螺栓所受的最大拉力为： B=GR12（coscos2cos9）D/2 =180104.5(103.5/2) =462860N。（5）地脚螺栓所受的最大静拉力为：P=BA=46286063250=399610N。（6）计算工作拉力时，须把冲击力考虑在内。冲击力一般为静拉力的1.25倍，则螺栓最大冲击负荷为：P =1.25 P=1.25399610=499513N。（7）各个螺栓在坚固时都要有一定的预紧力，以防止在承受倾翻力矩是产生松动，预紧力一般取工作拉力的1.5倍。螺栓的预紧力为：P=1.5P=1.5499513=749270N。（8）根据静力平衡条件，相对刚度系数取0.2，可以求得螺栓的总拉力为;P= P0.2 P=7492700.2499513=849173N。（9）螺栓的拉应力为：= P/F=849173/0.002827=300.4MPa。（10）螺栓的安全系数为：=S/=830/300.4=2.76，螺栓的最小安全系数一般取1.5，现求得安全系数为2.76，此系数大于1.5，可以保证螺栓安全。3.5 称重系统的设计近年来，随着连铸生产工艺技术的不断发展，以及企业内部管理的不断提高，连铸称重系统的作用越来越重要了。回转台的称重传感器是用来监控连铸时钢包内不断下降的钢水液位情况，适时对流量进行控制，当钢水液位接近钢渣时，及时关闭出钢口。对回转台称重传感器的威胁，主要来自钢水包的高温辐射及吊运时对称体的垂直冲击力。主要表现为：a、连铸设备的回转台壁与钢包的间隔一般在150mm左右，称重传感器位置的温度很高，可达200C左右。b、在吊运过程中，由于行车操作室离地面较高，降落时凭经验操作，有时会造成较高的落差，对称重传感器冲击很大。c、浇注过程中，由于钢水温度较高和钢水的飞溅，会对传感器的传输质量造成一定的影响。采用圆柱式称重传感器作为称重支点设计改造钢包回转台电子秤（外形见图7）。1、当成百顿的钢包落下时，产生的垂直冲击力的峰值是巨大的，其垂直冲击力对传感器有致命的影响。最佳的办法是在称体下部安装液压装置，由液压装置承受垂直冲击力，然后再缓慢地落至回转臂上。但是，此结构在实际使用现场是难以实现的，特别是设备改造难度大。因此，在改造时，可利用传感器本身的结构特点，在满足仪表采样信号要求的前提下，发大传感器量程，以抵御垂直冲击。直接称重系统采用传统的四点称重法，在每侧回转臂上安装四个称重传感器，每个传感器量程为100t，灵敏度为2.0V/V的传感器。设桥压为10V，分度值为100kg，通过计算，每一分度值仍有2.5V信号输出，仪表足够采样。这样可大大提高称重传感器的总体抗冲击能力，延长传感器使用寿命。图7 TY2015G圆柱式传感器2、当钢包座落在称体上运动时，由于惯性作用，会产生巨大的水平力，如果传感器没有限位装置，必然会使传感器受到损伤，甚至会给生产带来安全隐患。从图中可见（如图8），称体内部加设三根导柱、导套来承担水平冲击力，同时又对承重梁保持水平状态。为安装方便，导柱导套之间留有1mm左右的间隙，为不影响称重精度，衬套内压入耐高温缓冲橡胶。这种结构设计，事实上是只允许回转臂做上下直线运动，限制水平位移。在此结构中，采用国产的TY2015G高温传感器。图8 称重台构造1接近导向架；2耐高温传感器；3高强度螺钉；4承重梁；5保护板；6最终导向架3、钢包从高空下降落在称重传感器上包耳支撑座与回转臂不可能整个平面同时接触，又由于导向柱与导向套有一定的间隙存在，这样势必使承重梁产生瞬间起翘及跳动现象，如不采取防翘限位装置，势必造成承重梁倾倒，给安全带来隐患。所以在改造设计时，在传感器左右增设防翘装置是十分必要的。设计时可在承重梁及称体底板上各焊接两套防翘板，保持在同一中心线上，在起翘板上加设限位孔，采用限位销进行限位。设计时限位孔与限位销保持一定间隙，一般限位间隙以不使传感器倾倒为宜。4、钢包回转台传感器的高温威胁，来自浇钢过程中钢水的外溅和钢包内高温钢水（约1600左右）的高温辐射，以及钢包包壁的自身温度对称体的传导。现场检测表明，称体温度可达200250左右，针对这种情况，在改造设计时，应选用耐高温200250的称重传感器，在称体周围曾设防钢水飞溅的隔热板，传感器的引线由称体中间引入到线管内，不从外部走线。外围由下流板与内衬板组成进行双重保护，这样即使出现钢水溢出也不会烧坏传感器。4 改造后的效果及维护4.1 改造后的效果（1）钢包回转台的改造是利用设备的检修时间进行的，基础不变，驱动电机和回转轴承利旧，对于减速机，虽然其机械强度有所不足，但是考虑到超出幅度不大，而减速机一般都有一个许用尖峰值，本减速机的许用尖峰值达到2.7倍，所以在新减速机到场之前暂时代用。事实上，按现场实际使用情况，也验证了上面的计算结果。钢包回转台的地脚螺栓不曾松动；电机工作正常，最大启动电流38.9A，正常工作电流24A，都在电机的允许参数范围之内；对于减速机，代用效果不是很理想，其剖分面的联结螺栓经常松动，低速轴的轴承磨损较快。对螺栓松动问题的处理是：增大螺栓尺寸；对轴承磨损问题的处理是：轴承型号改变，这样处理后，也能满足工作需要。（2）采用高温传感器设计改造钢包回转台的称重系统，对监控钢包内不断下降的钢水液位情况，适时控制，当钢水液位接近钢渣时，及时关闭出钢口和换包。它还能克服高温环境对称重系统的影响，对控制冶炼成本和提高连铸工艺质量，具有十分重要的作用。圆柱型TY2015G耐高温传感器的特性指标已能满足高温称重系统的使用环境，取得较好的应用效果。改造后的称重系统现场适应性好、性能稳定、维护方便。4.2 设备的维护（1）清洗和检查。清除移动件和设备底脚上的堆积物，目视检查设备，确认没有损坏、磨损和腐蚀，应即使修理