电弧炉渣门机构设计【12张CAD图纸和说明书】
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电弧
炉渣
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摘 要
本次设计，主要是针对电弧炉可升降的渣门的结构设计、冷却系统的设计、以及炉渣门的提升机构的设计。其中，炉渣门的结构设计包括：炉门材料的选择，炉门外形结构设计。冷却系统的设计包括：冷却方式的选择，材料的选择，以及设计炉门的计算。炉渣门的提升机构设计包括：提升的方式，传动方式，传动系统的布置，动力源装置，以及传动系统各部件的校核。电弧炉渣门提升机构在保证电弧炉安全稳定工作的情况下，炉门可以平稳提升降落，而且反应迅速。
关键词：电弧炉；电弧炉渣门；炉门提升
Electric arc furnace slag door mechanism design
Abstract
The design, design for the the slag door electric arc furnace can lift structural design, the design of the cooling system, and the slag door lifting mechanism. Among them, the structural design of the slag door comprising: a door the choice of materials, the door shape structural design. The design of the cooling system comprising: a cooling mode selection, material selection, as well as the design of the oven door calculation. The slag door lifting mechanism design includes: an elevated manner, the transmission mode, the arrangement of the transmission system, the power source means, and the transmission system of each member checked. Electric arc furnace slag door lifting mechanism in the case to ensure the security and stability of the electric arc furnace, the door can enhance the smooth landing and quick response.
Key Words: Electric arc furnace; slag door; Door upgrade
主要符号表
A 截面面积
K 安全系数
Dm 外径
d 内径
对无缝钢管系数取
C 管壁厚度附加值
[] 工作温度下管材许用应力
缸底材料抗拉强度（Pa）
S 为管壁厚度
P 为管内介质压力
Ps 缸内额定压强
V 体积
M 重量
α 齿距角
H 链轮中心至链窝底面垂直距离
Mv 垂直方向上弯矩
MH 水平方向上弯矩
P 液压缸的供油压力
目录
1 绪论 1
1.1题目背景 1
1.2 国内外发展的概况及研究意义 1
1.2.1国内外发展的概况 1
1.2.2研究意义 2
1.3论文的提出与本文的组织 3
1.3.1论文的提出及本人的主要工作 3
1.3.2方案设计 3
1.3.3论文主要内容 3
2 炉渣门冷却系统设计 4
2.1 冷却的方式 4
2.2 冷却系统的布置 5
2.3 管的材料的选择 6
2.4 冷却水量的计算 7
3 电弧炉渣门结构设计 8
3.1电炉渣门结构设计 8
3.2电炉渣门的材料选型及经济性分析 9
4 炉渣门提升机构设计 11
4.1 提升负载的计算 11
4.1.1炉门的质量计算及分析 11
4.1.2 冷却水重量的计算 11
4.1.3炉门总重量的计算 11
4.2炉渣门提升机构设计 12
4.2.1提升机构的基本要求 12
4.2.2提升方案比较及选择 12
4.2.3提升机构链轮设计 13
4.2.4提升机构链条设计 17
4.2.5 提升机构传动轴设计 17
4.2.6 提升机构液压系统设计 20
5 结论 27
参考文献 28
致 谢 30
毕业设计（论文）知识产权声明 31
毕业设计（论文）独创性声明 32
附录1 33
附录2 34
附录3 36
1 绪论
1.1题目背景
众所周知，以电弧炉炼钢为核心的短流程炼钢工艺，在工程投资、占地面积、吨钢的资源消耗、能源消耗和二氧化碳等污染物排放量比长流程炼钢工艺大幅减少，同时以废钢为原料也直接体现了金属材料的循环利用，更符合钢铁行业可持续发展、科学发展和低碳经济发展的要求。全球电弧炉钢产量呈不断上升的趋势很大一部分也是得益于电弧炉炼钢技术和装备技术的不断创新和进步。现代工业化炼钢方法以高的生产率、优良的质量和低廉的成本,帮助钢铁产品成为社会最广泛使用的金属材料。本题目来自工程实际，具有很高的实用价值，涉及到机械、流体力学、热学和液压设计方面的知识，学生通过本毕业设计，能够将大学中学到的机械、电子、液压设计方面的知识很好的用到实际工程中，培养学生进行实际工程设计的技能。
- 内容简介：
-
电弧炉脱碳和造渣模型的发展克里斯托弗P.曼宁，松浦浩之，1）2）FORTES3 雷蒙 AFO）和 Richard J. FRUEHAN4的）1）以前炼铁和炼钢的研究中心，材料科学与工程学院，卡耐基 - 梅隆大学。现在，在部高级材料科学的前沿科学，大学，研究生院 5-1-5 柏叶，柏市，千叶 277-8561日本东京。 2）材料处理解决方案的公司，邮政信箱 1203，伊斯顿，MA02334 USA。3）技术部和工业过程中，盖尔道 ACOS Longos的巴西 SA，AV。若昂XXIII，6777 DISTRITO 工业圣克鲁斯，RJ23560-900 巴西里约热内卢。4）炼铁和炼钢研究中心，卡耐基-梅隆大学材料科学与工程学院，5000 福布斯大街，匹兹堡，PA 15213 U.S.A.摘 要电弧炉甲脱碳和炉渣地层模型的开发，其中包括脱碳速率现象和炉渣中的碳质材料和铁的氧化物之间的反应，每个种类的金属，炉渣和气相的质量平衡，和熔化生铁，废钢和通量的行为。该模型被施加到两个铲斗充电动作电弧炉和动态的金属和炉渣组合物作为时间的函数的计算。融化模式为原料，碳 FeO的反应速率，和二次燃烧比的影响进行了研究。关键的参数，其中最强烈地影响着化学的发展，进行了鉴定。这些参数被运用到一些工业的情况下，例如，该模型可以准确地预测炉渣和金属化学的发展。该模型可以被用来优化的操作，提高产率、能源效率，并增加金属和炉渣的化学物质从热对热的一致性。关键词：电弧炉；脱碳；渣形成；质量平衡；模型的开发。1介绍电弧炉（EAF）生产的钢材已经在过去的几十年中显着增长。这条生产大部分是在国家的最先进的工厂生产价值较高的高附加值产品如连续投扁平材钢。这些炉子使用大量的生铁，注入氧，碳和注入泡沫渣 1和电能。注入以形成铁的氧化物，碳溶解在铁或固体碳形成 CO，氧气可以直接与铁反应，或在气相中的形式的燃烧后产生 CO2与 CO。如何分布在这些反应中的氧是炉的性能至关重要。在本研究中，脱碳和炉渣地层模型已经开发基于质量平衡脱碳动能方程，和炉渣中的碳质材料和铁的氧化物的还原反应之间。废钢和生铁的各种熔点的模式进行了检查，金属和炉渣中的铁氧化物的含量中的碳含量的变化被计算出。这里开发的模型可以被用来优化氧气喷射，磁通量增加，碳注入和产量以及泡沫渣，这是未来的主题。几个成功的模型已经开发了用于氧气炼钢（OSM） 2. OSM是一个真正的批处理过程，在该过程中的所有的铁水，废钢和通量在吹氧开始之前加入，和所有的金属和炉渣被监视的过程结束。的主要部分的一个的OSM的容器电荷，液体热金属，是均匀的温度，物理性质和化学。许多现代电弧炉运用于之前液态的的热的金属和炉渣，通量和碳连续喷射过程中各阶段的过程中，和炉渣被冲出来的。此外，注入的碳减少了整个热炉渣中 FeO的溶解。而且，在整个充电的电炉废钢、化学、容重等物理参数，就极不均匀。在电炉中，脱碳液相传质控制在较低的碳含量，本文将证明是正确的电炉冶炼周期。这些考虑的电弧炉的模型要复杂得多的 OSM过程中。一些以前的模型已经被开发，如能源和原材料结余的充电控制和 FeO的形成 2。但不存在全面的模型，考虑到许多动态效果和反应速率。2.模型的开发本脱碳渣形成模型为基础的金属和炉渣阶段，脱碳速率方程和图中的每个组件的质量平衡。图 1为本模型中的计算算法。渣中氧化铁由注入的碳质材料中的减少。图 1所示为该模型的计算算法的图。的计算算法的主要成分是（A）的熔化废钢和生铁和废料，如灰尘，以及磁通与杂质的溶解， （B）的碳和其他元素包括铁的喷入的氧气的氧化， （C）的还原的氧化铁由注入的碳质材料中， （D）的炉渣排放或冲洗，和（E）的质量平衡计算。步骤（A）至（E）被重复执行，直到由 Dt的时间步长结束。 （A）废钢和生铁熔炼，杂质和助焊剂溶解的废料，生铁和附带的杂质，熔化或溶解成渣，并包括在金属和炉渣阶段的基础上定义的（假定）熔化或溶解率。如果磁通注入在精炼过程中，这也被考虑到。金属和炉渣阶段都被假定为均匀的，然后计算组合物中的每个元素的金属和炉渣阶段。 （B）氧化注入氧气由氧，碳和其它元素的第一个氧化元素更容易被氧化，碳和铁。在本模型中，作为废钢熔化的硅，铝和锰是氧化的，直到它们的组合物达到的每个元素的设定点。在本计算中，假定，在熔融的硅和铝的完全氧化，和锰被氧化锰含量，直到达到 0.05的质量。Si +O2(g)=(SiO2) .(1)Al +3/4 O2(g)=1/2 (Al) .(2)Mn+1/2 O2(g)=(MnO) .(3)SiO2，Al 2O3和MnO产生的，进入炉渣相。第二，脱碳由方程所得。 （4）如在OSM 3。它被广为接受，首先使该反应进行由氧与铁形成炉渣中的FeO的。然后碳不同熔断器在金属还原成金属铁中的FeO和生产的CO，如下列反应所指示。C+1/2 O2 (g)=CO (g) .(4)Fe+1/2 O2 (g)=(FeO) .(5)(FeO)+ C=Fe+CO (g) .(6)CO可以进一步被氧化成 CO2，燃烧后。如果碳含量是高的，碳的传质的驱动力是足够的，以减少所有形成的 FeO。作为结果，脱碳速度的氧的质量流率的限制。在低的碳含量，传质速率的减少，而不是所有的，FeO 的重新引入，从而渣增加的 FeO含量。因此，脱碳速度控制在较低的碳含量，如由式表示，通过液相的传质的碳（7），或在较高的碳含量由方程描述为：氧气流量（8）。其中，m是碳的液相的传质系数，A是其中发生脱碳的界面面积，r是熔体的密度，重量熔融金属相的重量在时间为t时，Vt的富氧是氧的气体喷射率在时间为t时，和RPC是二次燃烧比。由于平衡碳含量C e是小到可以忽略com-削减到熔体中的碳含量，C e的假定为零。处的点的速率机制的变化被称为临界碳含量C C“毫安”的值通常是通过以下方式获得测量的速率中的脱碳炉和回计算的参数利用方程（7） 。然而，由于在EAF中在熔化过程中的固体和液体的异构分布，它是几乎不可能获得有代表性的液体金属试样在氧气喷射时期上半年。其结果，不进行测量可用于电弧炉。在目前的工作中， “mA”的价值是外推的从OSM业务假设参数是成比例的氧流量。此假设是有效的OSM，在浴的搅拌能量通常是成比例的氧气喷射率。由于毫安/ V富氧的值取决于许多因素，如炉的尺寸，形状，O2注入法等，本征值应该是众所周知的计算脱碳速率准确的特定炉中。在本计算中，本研究中所用的值的毫安/ V富氧为0.050的值报告300吨容器。4）基于上述假设，等同方程计算临界碳含量。 （7）和（8） ，并为约0.3 34，当碳含量降低到低于临界值时，铁的氧化反应变得占主导地位，和铁的氧化物产生，这是所吸收的熔渣相。脱碳和铁氧化书之间的反应，根据有竞争力的和这两种反应之间的比例来确定的碳含量由方程描述。 （7）和（8） 。在炉渣中的FeO的量来确定从减去在废钢的碳燃烧，燃烧后的合金元素的氧化（铝，硅，锰）用于任何氧气注入氧气。在EAF中，氧气的一部分直接与反应在固体废钢生产FeO的，如废钢熔化，FeO的上废钢转口端口炉渣相。然而，计算出的FeO在模型中形成的基础上，在氧的质量平衡没有用于碳，CO或元素，在金属氧化铁。因此，形成的FeO由氧气与废料反应占，虽然没有明确计算。 （C）的减少注入的碳素材料在电弧炉炼钢氧化铁，含碳材料，如焦炭和煤被注入到所说的熔渣中，以减少铁炉渣中相的氧化物，使熔渣泡沫状。炉渣发泡是关键耐火材料的保护和水从电弧冷却和侧壁，屋顶，以及最小化的热损失。然而，经常观察到的一些注入的碳残留在炉渣中，作为未反应的颗粒被排出。有人假设，由碳粒子的氧化铁的还原率被表示为式。 （9） 。该公式假定质量转移的FeO在炉渣或化学动力学和碳的表面积是它的重量成正比的炉渣中的速率被控制。其中，k红色是碳和炉渣中的铁氧化物之间的反应速率常数，和重量CM是渣在时间中存在的碳的重量为t。在这个模型中，还原铁返回的金属相。在本计算中，Kred被认为是那些Kred整个精炼时间的恒定值。另一方面，Kred显然是在操作过程中的金属和炉渣的温度和温度曲线的函数的应被认为来确定k红色更准确地。然而，没有在这个模型中计算和其他计算（估计）模型应当被用来估计在以后的步骤中的温度，温度变化。此外，在本应用程序中计算优化的K红0.57 min -1的，如在下面的部分中讨论。虽然增加K红的情况下，从1 8231 923 K的温度变化为1.5 min -1的（相应的活化能为282 kJ / mol的）研究的案例研究，汽车RKW TT T红色的红色CM（FeO）的个人档案中金属的碳含量没有变化，在不同的FeO含量分布通过使用两个k红色值是在2.5（质量） 。因此，在本计算中的温度变化的效果是有限的。 （D）在电炉炼钢的炉渣排放，炉渣排出或冲洗的过程中。假设的熔渣相是均质的，所说的熔渣的一部分被排出根据解罚款排渣率。炉渣中剩余的未反应的碳也与炉渣排出。 （E）质量平衡计算的物质平衡由下面的公式计算金属和炉渣phasesare中表示。在本模型中，没有被的耐火材料解散，包括对的渣质量平衡计算。将被纳入模型在进一步的发展。在不同的电弧炉操作的耐火材料的消耗变化很大，可以介于0.22.0公斤/吨金属 5在本，该模型假设炉渣中MgO的含量在折痕预期是次要的。 一些其他因素是重要的，并主要取决于具体的操作。例如灰尘损失将不予考虑。正如讨论后者高达10千克/吨或更多的铁废料离开炉如灰尘。燃烧后依赖于实际的操作。在此模型中它是一个输入，并通常被认为是10。如上所述，重新耐火材料溶解还将影响的化学和渣量。3.模型的应用在本研究中，开发的模型被施加到两个铲斗充电动作炉。选项卡乐1显示了典型的操作条件，这种皮毛炉的原料。在此模型中，将计算出的结果是D t的时间间隔，将计算出的值与通过以下方式获得。 EF-D T的影响对计算结果的初步考试独立非执行董事的：t1/60分钟（1.0秒）足够小的值被选定为计算条件。该炉是120吨容量的一个105吨自来水weight.Scrap和生铁的收费是两桶水。白云石，石灰的收费是废钢和生铁的第一桶中。在后一阶段的精炼，焦炭被注入用于发泡和FeO还原，并从炉中排出的炉渣。3.1。材料的熔化图形的生铁的效果和废料熔化率的影响进行了检查的炉。氧喷射率随时间变化，在实际过程中的反射氧气喷射。由于炉与两个铲斗电荷的操作中，有一个所述第二桶电荷的操作开始后的5分钟和13分钟之间的空闲时间。期间的空闲时间的氧流率是非常低的。有两种类型的氧气喷射器;用于精炼的熔融的主要喷枪，和二次燃烧后的喷射器。在本计算中，燃烧后的熔体和炉渣阶段以上发生不考虑，因为这并不影响熔体和炉渣的化学。因此，它被假定主喷枪氧，100和20的后燃氧与熔体反应和炉渣的基础上与炉操作的讨论。还假定，废钢杂质和带电磁通在第一桶溶于渣在最初的30分钟以恒定的溶解速率。FeO和炉渣中K红碳粒子和后燃烧比率R PC之间的反应速率常数是固定的，为1.0 min -1和0.1，分别。四生铁熔化模式和三个废钢熔融模式定义（假定的） ，如示于图。 2基于与炉操作的基本考虑。在计算中，最终的金属和炉渣的化学被用作下一个计算的金属和炉渣鞋跟的初始条件，并重复此过程数次，直到稳定状态下的结果得到。图3示出了熔化熔点为每个图案作为时间的函数的，连同收集的熔融样品的分析结果中的碳含量的变化。该炉具有只有15000千克初始鞋跟相比，115 600公斤的带电材料。因此，熔体中的碳含量的改变相当具有不同的熔融生铁和废钢模式。假设在操作的早期阶段快速的生铁熔化速率，上升的碳含量为0.7质量。对于所有的熔化模式约30分钟后，被视为稳定的碳含量分布。但是，这些都是约0.10.25质量，这是在约0.06质量的炉中，比所观察到的碳含量高。图4示出了炉渣中的FeO含量的变化作为时间的函数的收集炉渣样品的分析结果为每个熔融图案。的最小的FeO的浓度10吨计算发生在10和20分钟之间。中的FeO含量增加，或几乎保持不变。更快的熔融生铁中的早期阶段，如图案W和X为生铁熔化，导致渣中FeO含量的下降幅度大。这是因为熔体的增加，和所有的氧气注入中的碳含量是所消耗的脱碳反应，没有的FeO，而产生的废料杂质和通量溶解连续造成的FeO稀释。在操作的早期阶段，一些FeO的应被生产和供给到所说的熔渣相增强的磁通的溶解和保持FeO的水平。另一方面，在生铁熔化图案Y和Z的情况下，FeO的含量几乎恒定的操作期间。考虑到碳和FeO的含量随时间的变化，速度较慢的熔融生铁在模式Y和Z，在早期阶段，例如将现实此炉。然而，计算出的FeO含量高于由约5-10质量的分析结果如图4。高估的FeO含量将是由于（i）该高估从燃烧后喷射器喷入氧气的反应和（ii）被低估二次燃烧比的贡献。为每个熔化的生铁和废钢模式计算的FeO和碳的损失由排渣标签如表2所示。 FeO和碳的损失生铁熔融图案的变化，而废料熔化图案的效果是小的。炉渣排放的碳损失为0.6。生铁熔化模式z考虑到模式生铁熔化金属和渣中的FeO含量的碳含量的档案，似乎是最现实的。运算优化，生铁熔炼模式应同时进行其他操作变量重现的经营业绩。在下面的计算，生铁熔化模式z作为一个最可以想象模式的时间来检查其他参数。在另一方面， “理想的熔融模式”生铁为一个特定的炉操作炉中在最佳状态可以从该模型得到与其他调谐参数。3.3.二次燃烧率的影响 FeO含量的效果，二次燃烧比与固定生铁和废料熔化模式（Z和3，分别）和碳 - FeO的反应速率常数（0.5分钟-1）进行了检查。图6示出在稳定状态下与三个后燃烧率在炉渣中的FeO含量的档案。当二次燃烧比提高到RPC0.3，炉渣中的FeO含量降低或保持恒定30 min后再现炉渣化学分析。大型的折痕45分钟后的FeO含量是由于生铁熔化终止，产生的炉渣中的FeO的含量在40-45质量的热端。二次燃烧比的正上方的熔体是约0.16） ，并计算出优化的二次燃烧比为0.3被认为以被高估。正如前面提到的，它被假定20的通过燃烧后喷射器喷入氧气的参与进行脱碳和氧化反应发生在熔体和炉渣。当燃烧后喷射器氧的贡献下降，的FeO的量也减少，导致减少在炉渣中的FeO。4。讨论开发的模型依赖于一些投入，包括熔化率和减少的速率常数。优化的参数，密切配合的经营业绩选项卡LE 4。生铁熔化图案是一个重要因素，而废料熔化是不太重要的。在此表中的参数，得到从上面的讨论，其中一个参数是与固定其他参数优化。完整的参数优化需要大量的热数据，连同适当的优化工具，如序列二次规划（SQP）算法。比如，SQP进行优化的目标函数，表示为式。 （25） ，以尽量减少由模型和预测值的运算结果之间的差异。Mg, etc.)上标“模型”和“数据”代表模型和运算结果的预测值，分别。 1 是物种 i在不同的优先级的参数优化的权重。在一般情况下，以上的模型预测相比，测得的由大约 0.1的碳含量。假定的脱碳速度常数可能是大于从 OSM推断。这是假设的速率下降，由于较低的氧气流率。在金属中的碳含量脱碳速度的效果示于图中。 7。在熔体中和最终在炉渣中的 FeO含量的最终碳含量从 0.037减小至 0.018质量，和从 47.5%到 48.0。可以得到适当的脱碳速度常数每炉从许多加热的运算结果。该模型可以被用来优化的过程中的几个方面。将在本文的下一部分，泡沫渣可以被优化通过控制的 FeO的内容，炉渣碱度和 CO的生成。脱氮也可以提高通过改变操作。该模型可用于优化产率。通过减少炉渣中的 FeO的量，可提高产量。这可以通过使用碳注入更有效。使用更多的反应形式的碳会降低在炉渣中的 FeO。也可以降低 FeO含量的融化周期期间在适当的时间通过减少氧的流量。模拟的情况下，已经进行了研究，通过改变运行参数，这表明潜在的产量增加。减少 5的氧气流率（情况 1） ，增加 5的碳注入（情况 2）的量，或增加的碳 - FeO 的反应速率常数为 1.5 min-1的，模拟更多的反应的形式碳（情况 3） ，应用是固定的，而其它操作参数。选项卡文件 5示出了施加的参数和计算结果的摘要。在本文中，产率的计算方法的基础上的炉而不是总的废钢和生铁的铁（Fe）的投入。图 8示出了为每个情况下，随着时间的推移在炉渣中的金属和 FeO的含量中的碳含量的变化。在金属中的最终的碳含量增加与减少的氧气流率（情况 1）的 0.005质量，而碳含量不发生大的变化，在其他情况下。另一方面，最终的 FeO含量在所说的熔渣和 FeO的渣dis-充电损失大大减少，从而提高了约 0.12至 0.76的产率。在这个模型中，如灰尘的铁损被忽略。在 9和 18之间产生的粉尘是千克/吨的废料，并包含约50质量的铁 oxide.57，因此，铁损被认为是超过在本模型中计算出的，但不同的是小。因此，实际产量将略低（0.2-0.5） ，比计算值。产量是连同适当的物理和化学渣性能所需的金属精炼以除去图像的纯度和进行有效的炉渣发泡行为的操作，应考虑的一个方面。这些额外考虑的重点，将是未来的论文题目。还应当考虑在炉中的热平衡。比如，FeO 的损失和收率多大改善，案例1中。然而，从铁的氧化所产生的热量必须被补偿额外的电输入端或在整体生产率的损失将导致。将被用来在本工作开发的模型来优化这些输入和输出，包括的产率和总的生产成本。5.结论 在本研究中，电弧炉脱碳和炉渣地层模型被开发了。该模型考虑了用于脱碳和碳的FeO在炉渣，质量平衡的金属，炉渣和气相中的每个元素，以及生铁，废钢和通量的熔融行为的反应速率现象。开发的模型被施加到两个铲斗充电动作炉和熔体的变化和矿渣组合物是基于操作条件计算和比较的操作结果。该模型可用于预测铁产量和碳的损失与排放的炉渣。它被确定的生铁熔化图案在确定熔体中的碳含量是非常重要的。炉渣中的FeO含量的变化是由生铁熔化图案，以及碳-FeO的反应速率常数和二次燃烧比的影响。准确的输入的操作参数，如带电的原材料和鞋跟的初始量和组合物，需要进行模拟操作。此外，应通过比较计算结果与真实数据的许多加热进行熔化生铁，废钢和通量，碳FeO的反应速率常数，二次燃烧比的模式的优化。 致 谢从炼铁和炼钢在卡内基 - 梅隆大学研究中心的成员公司的财政支持和技术投入感谢。盖尔道使得发展和商业电弧炉模型与实际业务数据的验证，可以通过直接参与这个项目。该作者还欣赏IL孙博士在美国钢铁公司的研究和技术中心的模式发展的讨论。参考文献：1RJ Fruehan（主编）：钢，第11版的制作，塑造和治疗，AISE钢基金会，匹兹堡，宾夕法尼亚州（1998） ，525。2RJ Fruehan（主编）：钢，第11版的制作，塑造和治疗，AISE钢基金会，匹兹堡，宾夕法尼亚州（1998） ，475。3RJ Fruehan（主编）：钢，第11版的制作，塑造和治疗，AISE钢基金会，匹兹堡，宾夕法尼亚州（1998） ，124。4B.迪奥和R.繁荣：炼钢冶金基础，Prentice Hall出版社，赫默尔亨普斯特德，英国（1993） ，194。5R.特长：私人通信。6RJ Fruehan（主编）：钢，第11版的制作，塑造和治疗，AISE钢基金会，匹兹堡，宾夕法尼亚州（1998） ，611。7RJ Fruehan（主编）：钢，第11版的制作，塑造和治疗，AISE钢基金会，匹兹堡，宾夕法尼亚州（1998） ，590。毕业设计（论文）中期报告题目：电弧炉渣门机构设计 系 别 机电信息系 专 业 机械设计造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2013 年 3 月 12 日1.设计（论文）进展状况在开题答辩之前，主要进行了电弧炉渣门提升机构方案的筛选和确定，以及三维图、二维图的绘制和液压回路的确定。在中期答辩之前，我对之前绘制的三维图进行了修改和完善，之后在完成提升机构的装配（如图 1） ，最后应用 UG 对电弧炉门的提升机构进行了运动仿真，录制了运动过程的动画，主要模拟了炉门提升过程中炉门、主动轮、从动轮、小轮和链条的运动情况。图 1之后，我完成了外文文献的翻译，这其中包括查找文献和查阅词典以及翻译后文章格式的修改。接着，我对电弧炉炉门冷却系统的各个参数进行了计算包括水量、炉门冷却管的各个参数，以确定电弧炉冷却管的设计。计算过程简述如下：已给要求和已知条件：水压为 0.6Mpa， 冷却水进水口 35， 出水口水的温度为 55。1.1 根据：标准 GB3087-中国国家标准 用途：用于低中压锅炉(工作压力一般不大于 5.88MPa，工作温度在 450以下)的受热面管子、集箱及蒸气管道。常用钢管牌号：10、20。根据：标准 GB5310-中国国家标准 用途：用于高压锅炉(工作压力一般在9.8MPa 以上，工作温度在 450650之间)的受热面管子、集箱、省煤器、过热器再热器等，常用钢牌号：20G、20MnG、15MoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12Cr1MoV 等。所以选取冷却管材料为 20g，改材料特性：抗拉强度(Mpa) 410550 ， 屈服强度(Mpa) 245， 炉门材料选择 Q235。1.2 根据炼钢电弧炉管式水冷系统的设计与应用 冷却水流量是指每个水冷块单位面积所需冷却水量。冷却水流量的确定与每块水冷块的面积、热流值、冷却水温升、水的比热等因素有关。每台炉子的炉壳内径、功率水平不尽相同,其水冷块的面积、热流值也不一定相同,但是冷却水温升一般取 20（本设计为 20）水的比热容一般为 4.186 skJ/(kg)。因此单位面积冷却水流量一般取每平方米 5 一8m3/h 本设计取 5m3/h，冷却水的流速一般小于 3m/s，取 3m/s。1.3.根据机械工程手册无缝钢管的推荐通径，根据 D=1.1* ，W 为体V/积流量，V 为流速：得 D=1.1* =84.7 取 85.3/60*5管厚的计算：S=PD/（2 * ）+CS为管壁厚度 P为管内介质压力 D,管子外径 一工作温度下管材许用应力 -对无缝钢管沙取 1C管壁厚度附加值S=0.6*82.5/（2*22*1）+8 9mm得内径 d=85-9*2=67mm1.4 布满整个炉门，钢管排布间距 20mm。质量计算，通过 UG 软件，测得电弧炉炉门（包括冷却管）的体积为 34591324.6mm ，20g 钢材料密度 =7.85g/cm3 。 3质量 M =34591324*10-3*7.85=271.54kg1冷却管质量计算（通过 UG 测得冷却管长度为 18670mm）：体积 V= *（85 2-672）*18670=3.14*2476*18670=160394716.8mm3=160394.716cm3M =160394.716*7.85=1259098.5g=1251kg。2水的质量：水的体积 v=3.14*672*18670/1000=263162.2cm3M =v* 1=263162.2g=263.162kg3则炉门总质量为： M1+M2+M3=271.54+1251+263.16=1785.7kg2.存在问题及解决措施在运动仿真过程中遇到的问题主要是对软件的掌握程度不够深，常会遇到一些问题或错误，大部分问题通过查阅书籍或网络后解决。在翻译外文文献过程中遇到的问题主要是对机械专业词汇的认识量不多，以导致翻译过程中句子翻译的不完整；其次是英语水平的有限性，于是，翻译过程中会有句子翻译不通，或翻译错误的情况，为解决这种情况，我主要通过向同学询问和讨论，以及通过网络查询。在中期答辩前整个工作中最难的部分是关于电弧炉炉门冷却管的计算，需要查阅大量资料。3.后期工作安排后期的主要工作是完善冷却系统的计算，之后，主要的工作集中在各部分零件的详细设计及各部分强度校核上，包括：链轮、链条的设计；根据之前的计算，确定液压缸的型号；链条形状及型号的选择；链条的应力分析，检验链条的强度。之后主要是电弧炉炉门机构设计的说明书即毕业论文的准备。指导教师签字： 年 月 日毕业设计(论文)开题报告题目：电弧炉渣门机构设计系 别 机电信息系 专 业 机械设计造及其自动化 班 级 姓 名 学 号 导 师 2012 年 12 月 26 日11. 毕业设计（论文）综述（题目背景、研究意义及国内外相关研究情况）(1) 题目背景本题目来自工程实际，具有很高的实用价值，涉及到机械、流体力学、热学和液压设计方面的知识，学生通过本毕业设计，能够将大学中学到的机械、电子、液压设计方面的知识很好的用到实际工程中，培养学生进行实际工程设计的技能。(2) 研究意义电弧炉的排渣门，包括诸如被冷却的、可垂直滑动地装在所述 炉的排渣口前面的板，其特征在于门包括用于形成朝向门槛，并大致在门的整个宽度上延伸的气帘，以在门关闭或部分打开期间密封门的底部的装置 。对电弧炉渣门进行深1入研究，了解其发展过程，掌握电弧炉渣门在发展过程中所积累的经验和技术，从而进一步改进电弧炉渣门的结构，提高电弧炉在工作时的稳定性、安全性以提高电弧炉炼钢的生产效率和经济意义。(3) 国内外相关研究情况1) 国内研究情况我国电弧炉以冶炼合金钢为主,多集中于特殊钢厂,一般容量小于 50t。从 20世纪 90 年代起,我国相继建设了多座大容量超高功率电弧炉。据统计 ,为了提高2钢的质量,电弧炉钢厂还建有钢包精炼装置(LF 炉)并采取全连铸生产。有些钢厂,如上海宝钢、天津钢管公司等还拥有 VD 真空精炼装置 。电弧炉门的发展，主要3是在冷却方式和提升机构的改进。早期的的冷却方式主要是使用耐高温材料，我国中小型电炉、炉顶使用高铝烧成砖和不烧砖。局部使用高铝质或刚玉质不定形耐火材料；炉墙一般使用焦油镁砂砖,焦油白云石砖,油浸镁砖和镁碳砖 。由于4炉门主要是排放钢渣、吹氧、添加各种辅助材料,观察、检测炉内状态和钢水温度的地方。钢渣物理渗透和化学侵蚀、氧化、热震是造成损毁的主要原因 。因此，5对炉门的维护有很大不便，而且维修费事费力，造成很多经济损失。于是，随着科技的发展，炉门也在一步步发展，现在的电弧炉炉门发展为用一套液体冷系统来冷却炉门，这样不仅更方便，而且提高电弧炉的效率。2) 国外研究情况电弧炉（电炉）钢产量增长在过去几十年。许多这样的生产在国家艺术生产更高价值加上产品如连铸扁平轧制钢。这些大量使用生铁，注入氧和碳，注入泡沫和电能源。注入的氧可以直接与铁形成铁氧化物，碳在铁或固体碳形成公司，7或公司在气相形式的后燃生产二氧化碳。如何氧分布在这些反应是至关重要的性能 。现代交流电弧炉高效的工作模块，开始与基本氧炉。然而，应用高功率电6弧炉引起的问题导致的电流引线与有害影响供电网络。这限制了应用直流电弧炉。应用直流导致解决电特性的炉和方式的改进弧，要求在不同时期制定弧。在其研究的基础上，结合当前概念开发 ，炉门的研究总是随着电弧炉的发展而深入，7同时随科技的发展而发展。 2. 本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施(1) 主要内容电弧炉的渣门作用有出渣、观察、捣料、补炉等。渣门要求能开启和闭合，渣门机构由渣门本体、提升机构组成，渣门本体要求通水冷却，本论文主要为电弧炉渣门的本体和提升机构的设计，及其冷却水量的相关计算等内容。(2) 研究方案电弧炉的渣门在冶炼的过程中有着重要的作用，首先在整个冶炼过程中要通过炉门进行观察、捣料、补炉等，而后在冶炼完成后要从炉门出渣、清理。对炉门的保护、提高炉门的寿命对整个冶炼过程的效率起到至关重要的作用。1) 冷却系统设计方案常用的对炉门的保护有两种方式，使用耐火材料和管式水冷。传统的方式是使用耐火材料，而这种方式存在很多不足，其最大的问题就是炉门经常运动，会受到损毁，因此会造成很多不便，甚至造成重大损失，这会严重影响电弧炉的工作效率。管式水冷是通过循环液、水泵、管道和水箱组成一个冷却系统，通过水泵使冷却液再管道里流动，同时和水箱构成一个循环系统，从而带走热量达到循环冷却的8图 1 炉门冷却回路目的。采用水冷可以大大提高冷却效率，缩短冷却时间，提高生产效率。因此本论文设计中采用水冷方式。为节约成本，冷却液选择水，冷却管选择耐热钢材料。根据要求水压为0.6Mpa，计算出管壁内径为 ，壁厚为 6.75mm。校核管壁所m5.8260外 径 为承受的压力，排布方式为中间间隔 20mm，冷却管排布形状如图 1。2）电弧炉渣门结构提升机构方案电弧炉渣门的提升结构可分为电动式和液压式。电动式提升机构中包括：炉门、支承架、电动卷扬机、提升轮、支承座及传动轴和牵引钢丝绳等组成。炉门与提升轮及卷扬机分别用钢丝绳链接，是一个简化了二卷筒结构 。是由异步电8机提供动力，以钢丝绳提升轮方式。这种结构形式其使用性、通用性和经济性较好，结构稳定,被广泛使用 。 9液压提升式中液压缸或气压缸为动力，拉动链条，链条绕过链轮，连接到炉门，链轮与轴连接，并带动轴转动，轴另一端也是一个链轮，链轮带动链条运动，实现两侧同时拉动炉门，达到平稳的上升，完成炉门提升。炉门是电弧炉在冶炼过程中扒渣、吹氧、取样、测温及加少量原料的窗口。正常炉门热损失占全部输人功率的0.17-0.35%，炉门打开时则更大。所以，炉门与炉门框间能否压紧、保证良好的密封是很重要的, 这就要求炉门装置传动可靠,操作迅速, 并保证炉门口密封 。10综合分析以上两种方案本设计选用第二种方案，即液压提升机构。而液压提升又分为气压缸机构和液压缸。气压缸机构主要通过压缩空气使气缸中的活塞动作。在炉门机构中由活塞杆通过拉动定滑轮上的炉门链子使炉门升降 。1液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。由于气压传动介质的流动性、可压缩性、粘性、易受污染等特性以及易受温度、压力等环境的影响等原因，使得气压缸往复运动动态性能表现得比机械传动复杂得多，极易出现振动、噪声、冲击和爬行等不正常工作状态，而且故障原因不易确定， 9图2 液压缸影响设备的稳定运行 。相比之下，液压缸与气压缸存在明显的区别。气压缸12易出现气压缸内部涩滞、润滑不良或气压缸孔径加工超差、气压泵或气压缸进入空气、密封件质量与滑移或爬行，而这些问题都会气压缸活塞滑移或爬行将使气压缸工作不稳定。综合比较，液压缸有更稳定的工作性能。所以本设计选择液压缸，如图2。3）液压缸的布置方案液压缸的布置方式有两种方式。第一种，环形超重链加链轮提升方式 。即13使用单液压缸，在炉门一边使用液压缸，通过链条，再带动轴一端的链轮，同时带动链轮所在的轴转动，而另一端也也为一链轮，和链条机构，这样，在液压缸工作时能同时带动两边同时上升，达到平稳上升的过程。第二种是两边都有液压缸，即双液压缸工作，同时带动链条和链轮转动，从而提升电弧炉渣门，这样做可以提供较大的上升动力。比较两种方式，由于液压缸的能承载较大的负载，而且价格较高，维护修理较为不便，综合比较经济性能，在满足要求的同时兼顾经济效益，所以选择单液压缸工作。装配结果如图3。图3 装配图4）液压回路的设计方案8液压回路是控制液压缸的伸缩，从而使电弧炉渣门提升、下降，并且能使炉门在打开后能停留，所以此液压回路必须在满足要求的同时必备自锁功能，才能满足工作需要。控制主阀台由电磁换向阀、液压锁和单向节流阀等元件构成，实现炉门升降调速和位置锁紧的功能。其中平衡阀起到平衡炉门重力使得下降速度可控的作用，不会出现超速现象。溢流阀的作用是构成一个缓冲回路，使得炉门惯性得以缓冲，且缓冲力大小能够实现无级调节 。为达到这种自锁要求，也可14以使用“自锁式液压缸”，这种液压缸解决了液压元件的数量多、维护不便、系统占用空间大的不足 。但是这种液压缸价格高，精度高，一般适用于航空方面，15不经济。而电弧炉门提升机构不需要太高精度，因此选择由液压元件组成的带自锁的回路即可，如图4。图4 液压回路3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作（1）研究的重点本论文主要为电弧炉渣门的本体、提升机构设计及其冷却水量的相关计算等内容。（2）研究难点突破前人的经典设计，创新改善电弧炉渣门的炉门、提升机构设计及相关水量的计算。8（3）前期已开展工作认真阅读任务书，查找资料，了解电弧炉门的基本工作方式，及其在设计时应该满足的要求。查阅相关参数，了解电弧炉渣门所处的工作环境。电弧炉在工作时，炉内辐射温度为 1200 C，根据冷却水进水口温度 350C，出水口不大于 550C，计算出冷却水管的内径为 60mm，外径为 82.5mm。壁厚为6.25mm，并校核压力。比较水冷与非水冷的性能异同，确定水冷的冷却方式。查阅机械设计手册液压部分确定液压回路。4. 完成本课题的工作方案及进度计划第 一 二周与导师见面，接受任务书；第三四周了解熟悉自己所设计的内容，查阅资料，完成开题报告，准备开题答辩；第五到八周，进行论文写作，起草自己的论文，画出所需要的三维及二维图，并完善自己的中期报告，准备中期答辩。第九至十三周 修改论文，交论文初稿，交给指导老师审阅；第十五周论文定稿，准备论文答辩。85 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见）指导教师： 年 月 日 8参考文献1 西耶利贝尔纳 ，雅克布拉姆 ，雅克勒高夫 ，丹尼尔贝尔纳，多米尼克罗齐，克劳德苏格尔.电弧炉的排渣门P.法国专利：CN93117515.1 1993.1-2.2 中国金属学会.2001 年全国钢铁企业焦化、炼铁、炼钢技术经济指标览J.2002.4-4.3 李峰，刘润藻，李士琦.炉炼钢技术的国内外现状及发展趋势J.2003,9.(6)85-864 邢守渭.炼钢电炉用耐火材料.冶金部洛阳衬火材料研究院J.工业加热1997,(3):6 所在系审查意见：系主管领导： 年 月 日82-35 电弧炉用耐火材料同步寿命技术开发J. 李纯.辽宁科技大学材料学院. 高东善. 鞍山申嘉新技术开发有限公司.任利华，李宝生，宋恩余.鞍钢重型机械有限责任公司:1-16 Development of a Decarburization and Slag Formation Model for the Electric Arc FurnaceJ.Hiroyuki MATSUURA,1 Christopher P. MANNING,2 Raimundo A. F. O. FORTES3 and Richard J.FRUEHAN4 ISIJ International, Vol. 48 (2008), No. 9, pp. 11971205,2-27 Comparative analysis of application of different kinds of current at electric arc steelmaking furnacesJ. Mironova, A.N.Mironov,Yu.M. Nov 1996.3-48 陈东平.工业炉升降式炉门机构 CAD 系统研制J.广东工业大学李瑜煌英牛美软件有限公司林绍南海市汽车修追厂.1998.46-47 9 一机部第一设计院.工业炉设计手册S.机械工业出版社，1981.287-28810 丁玉良.电炉炉门传动装置改造J.上海重型机械厂 1991.43-4411 巴玉华.工业加热J.中国一重集公司.1995.(5):44-4512 王林鸿，吴波，杜润生，杨叔子.华中科技大学机械科学与工程学院.武汉.南阳理工学院机电工程系. 液压缸运动的非线性动态特征J.南阳.2007.43-4413 李瑜煜.广东工业大学.陈东平.广东南海市汽车修造厂.冶金设备.炉门电动提升机构CAD 软件设计M.1999,(4):48-4914 刘雅俊.中冶东方工程技术有限公司.秦皇岛研究设计院.王海芳.秦皇岛分校 控制工程学院.王昕煜.燕山大学.机械工程学院.一种大型炉门升降驱动平衡缓冲新型液压回路的设计与应用J.液压与气动.2012,(8):119-12015 吴榕.厦门大学机电工程系.李红.福建厦门大学海滨.自锁式液压缸D.液压与气动.2000,(5):9-10本科毕业设计(论文)题目：电弧炉渣门机构设计 系 别： 机电信息系 专 业：机械设计制造及其自动化班 级： 学 生： 学 号： 指导教师： 2013 年 5 月电弧炉渣门机构设计摘 要本次设计，主要是针对电弧炉可升降的渣门的结构设计、冷却系统的设计、以及炉渣门的提升机构的设计。其中，炉渣门的结构设计包括：炉门材料的选择，炉门外形结构设计。冷却系统的设计包括：冷却方式的选择，材料的选择，以及设计炉门的计算。炉渣门的提升机构设计包括：提升的方式，传动方式，传动系统的布置，动力源装置，以及传动系统各部件的校核。电弧炉渣门提升机构在保证电弧炉安全稳定工作的情况下，炉门可以平稳提升降落，而且反应迅速。关键词：电弧炉；电弧炉渣门；炉门提升IIElectric arc furnace slag door mechanism designAbstractThe design, design for the the slag door electric arc furnace can lift structural design, the design of the cooling system, and the slag door lifting mechanism. Among them, the structural design of the slag door comprising: a door the choice of materials, the door shape structural design. The design of the cooling system comprising: a cooling mode selection, material selection, as well as the design of the oven door calculation. The slag door lifting mechanism design includes: an elevated manner, the transmission mode, the arrangement of the transmission system, the power source means, and the transmission system of each member checked. Electric arc furnace slag door lifting mechanism in the case to ensure the security and stability of the electric arc furnace, the door can enhance the smooth landing and quick response. Key Words: Electric arc furnace; slag door; Door upgradeIII主要符号表A 截面面积K 安全系数Dm 外径d 内径对无缝钢管系数取C 管壁厚度附加值 工作温度下管材许用应力缸底材料抗拉强度（Pa）bS 为管壁厚度P 为管内介质压力Ps 缸内额定压强V 体积M 重量 齿距角H 链轮中心至链窝底面垂直距离Mv 垂直方向上弯矩MH 水平方向上弯矩P 液压缸的供油压力IV目录1 绪论 .11.1 题目背景 .11.2 国内外发展的概况及研究意义 .11.2.1 国内外发展的概况 .11.2.2 研究意义 .21.3 论文的提出与本文的组织 .31.3.1 论文的提出及本人的主要工作 .31.3.2 方案设计 .31.3.3 论文主要内容 .32 炉渣门冷却系统设计 .42.1 冷却的方式 .42.2 冷却系统的布置 .52.3 管的材料的选择 .62.4 冷却水量的计算 .73 电弧炉渣门结构设计 .83.1 电炉渣门结构设计 .83.2 电炉渣门的材料选型及经济性分析 .94 炉渣门提升机构设计 .114.1 提升负载的计算 .114.1.1 炉门的质量计算及分析 .114.1.2 冷却水重量的计算 .114.1.3 炉门总重量的计算 .114.2 炉渣门提升机构设计 .124.2.1 提升机构的基本要求 .124.2.2 提升方案比较及选择 .124.2.3 提升机构链轮设计 .134.2.4 提升机构链条设计 .174.2.5 提升机构传动轴设计 .17V4.2.6 提升机构液压系统设计 .205 结论 .27参考文献 .28致 谢 .30毕业设计（论文）知识产权声明 .31毕业设计（论文）独创性声明 .32附录 1.33附录 2.34附录 3.361 绪论11 绪论1.1 题目背景众所周知，以电弧炉炼钢为核心的短流程炼钢工艺，在工程投资、占地面积、吨钢的资源消耗、能源消耗和二氧化碳等污染物排放量比长流程炼钢工艺大幅减少，同时以废钢为原料也直接体现了金属材料的循环利用，更符合钢铁行业可持续发展、科学发展和低碳经济发展的要求。全球电弧炉钢产量呈不断上升的趋势很大一部分也是得益于电弧炉炼钢技术和装备技术的不断创新和进步。现代工业化炼钢方法以高的生产率、优良的质量和低廉的成本,帮助钢铁产品成为社会最广泛使用的金属材料。本题目来自工程实际，具有很高的实用价值，涉及到机械、流体力学、热学和液压设计方面的知识，学生通过本毕业设计，能够将大学中学到的机械、电子、液压设计方面的知识很好的用到实际工程中，培养学生进行实际工程设计的技能。1.2 国内外发展的概况及研究意义1.2.1 国内外发展的概况电弧炉的渣门作用有出渣、观察、捣料、补炉等。渣门要求能开启和闭合，渣门机构由渣门本体、提升机构组成，渣门本体要求通水冷却，是电弧炉的重要组成部分。我国对于电弧炉的研究起步较晚 20 世纪 60 年代以前,我国只能仿照 5 吨以下的电弧炉,电炉钢产量极低。70 年代,经过科研工作者的努力,自主设计并制造了我国第一台全液压传动炉盖旋开式顶装料 30t 电弧炉，结束了仿制的历史。80 年代，随着国民经济的快速发展,我国电弧炉数量增加极快,但大多数是技术经济指标落后的小炉子。1992 年，平均电弧炉容量 4.6t/台。我国电弧炉以冶炼合金钢为主,多集中于特殊钢厂,一般容量小于 50t。从 20 世纪 90 年代起,我国相继建设了多座大容量超高功率电弧炉。经过几十年,特别是改革开放后三十年的发展,我国在自主创新开发具有中国特色的现代电弧炉炼钢技术方面取得了丰富的成果。据统计 1,为了提高钢的质量,电弧炉钢厂还建有钢包精炼装置(LF 炉 )并采取全连铸生产。有些钢厂,如上海宝钢、天津钢管公司等还拥有 VD 真空精炼装置 2。电弧炉门的发展，主要是在冷却方式和提升机构的改进。早期的的冷却方式主要是使用耐高温材料，我国中小型电炉、炉顶使用高铝烧成砖和不烧砖。局部使用高铝质或刚玉质不定形耐火材料；炉墙一般使用焦油镁砂砖,焦油白云石砖,油浸镁砖和镁碳砖 3。由于炉门主要是排放（论文）2钢渣、吹氧、添加各种辅助材料,观察、检测炉内状态和钢水温度的地方。钢渣物理渗透和化学侵蚀、氧化、热震是造成损毁的主要原因 4。因此，对炉门的维护有很大不便，而且维修费事费力，造成很多经济损失。于是，随着科技的发展，炉门也在一步步发展，现在的电弧炉炉门发展为用一套液体冷系统来冷却炉门，这样不仅更方便，而且提高电弧炉的效率。1900 年 PaulHerouh 在法国建立了第一座工业用电弧炉。1909 年在美国建成了一座 15 吨三相电弧炉炉壳为圆形，用三相交流电供电，三个电极穿过炉顶孔伸入炉中，这是世界上第一座圆形炉壳的电弧炉。1926 年，在德国制造成功了炉盖移动式电弧炉，首次实现电弧炉炉顶加料。1964 年,美国 Schwabe 等首次提出了超高功率电弧炉的概念电弧炉（电炉）钢产量增长在过去几十年不断增长。许多国家投入到生产更高价值的产品如：连铸扁平轧制钢。这些大量使用生铁，注入氧和碳，注入泡沫和电能源。注入的氧可以直接与铁形成铁氧化物，碳在铁或固体碳形成一氧化碳，或一氧化碳在气相形式的后燃生产二氧化碳。如何氧分布在这些反应是至关重要的性能 5。现代交流电弧炉高效的工作模块，开始与基本氧炉。然而，应用高功率电弧炉引起的问题导致的电流引线与有害影响供电网络。这限制了应用直流电弧炉，应用直流导致解决电特性的炉和方式的改进弧，要求在不同时期制定弧。在其研究基础上，结合当前概念开发 6。1.2.2 研究意义电弧炉是利用石墨电极和炉料之间产生的电弧来冶炼金属的设备，所以电弧是电弧炉的主要热源在一定的电压档位下。由于电弧功率与电弧长度有着直接的关系。而电弧弧长在冶炼过程中又经常发生变化。所以必须对电弧弧长进行控制,以保证电弧功率的稳定，从而达到缩短冶炼时间，降低吨钢电耗的目的。所以，电弧炉渣门就需要不定时开启闭合。所以电弧炉渣门是电弧炉不可缺少的一部分，电弧炉渣门机构设计关系着电弧炉的工作效率，和电弧炉的能耗。电弧炉的排渣门，包括诸如被冷却的、可垂直滑动地装在所述 炉的排渣口前面的板，其特征在于门包括用于形成朝向门槛并 大致在门的整个宽度上延伸的气帘以在门关闭或部分打开期间 密封门的底部的装置，所述用于形成气帘的装置包括一个连到 压缩气源装置和设在门的下部的至少一根水平冷却管的空气管 ，所述空气管包括朝向门槛的孔 7。对电弧炉渣门进行深入研究，了解其发展过程，掌握电弧炉渣门在发展过程中所积累的经验和技术，从而进一步改进电弧炉渣门的结构，提高电弧炉在工作时的稳定性、安全性以提高电弧炉炼钢的生产效率和经济意义。（论文）31.3 论文的提出与本文的组织1.3.1 论文的提出及本人的主要工作电弧炉（electric arc furnace）利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在 3000以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。而电弧炉渣门是电弧炉的重要组成部分，通过渣门观察、捣料、补料、出渣等，每一步都影响着电弧炉的生产效率。因此，电弧炉渣门的设计合理性，对电弧炉的生产有着至关重要的影响。因此，提出电弧炉渣门机构设计是十分必要的。本论文是电弧炉渣门机构设计，主要工作内容包括:电弧炉渣门的本体和提升机构的设计；冷却系统的设计及其冷却水量的相关计算；以及电弧炉炉渣门机构各部件的校核等内容。1.3.2 方案设计本设计主要分为四部分，现各部分方案有：冷却系统的方案有两种，构提升机构方案有两种，液压缸的布置方案有两种，液压回路的设计方案两种。对于电弧炉门综合分析，可得方案有 2 2 2 2=16 种，经过总体分析，选出最优方案。1.3.3 论文主要内容随着科技的发展，电弧炉炼钢技术不断提高，电弧炉的设计在不断改进，电弧炉门的设计也在不断改善。所以要总结前人的设计经验来完成自己的设计。论文主要内容包括以下几个方面。第一，电弧炉的本体设计，包括炉门的结构及材料的选择。电弧炉渣门的结构和材料的选择关系到电弧炉渣门的使用寿命及操作的灵敏程度，提升机构的设计决定了电弧炉渣门升降操作的方便程度。第二，冷却系统的设计与电弧炉渣门的操作息息相关，合理的冷却效率才能满足对炉门的操作，而冷却水量的计算又影响着炉门的冷却效率。第三，零部件校核，为满足电弧炉渣门的实际工作需要，所以，要对电弧炉渣门的各部件进行校核。（论文）42 炉渣门冷却系统设计2.1 冷却的方式常用的对炉门的保护有两种方式，使用耐火材料和管式水冷。传统的方式是使用耐火材料，而这种方式存在很多不足，其最大的问题就是炉门经常运动，会受到损毁，因此会造成很多不便，甚至造成重大损失，这会严重影响电弧炉的工作效率。管式水冷是通过循环液、水泵、管道和水箱组成一个冷却系统，通过水泵使冷却液再管道里流动，同时和水箱构成一个循环系统，从而带走热量达到循环冷却的目的。采用水冷可以大大提高冷却效率，缩短冷却时间，提高生产效率。因此再本次设计中采用水冷。水冷炉渣门的发展经历了从局部水冷护渣门，(护墙热点区)到全水冷炉门的过程。结构型式也由早期的铸铁箱式水冷块、后来的钢板焊接箱式到最新的密排管式水冷块。整个炉壁由若干块水冷块组成。水冷块的尺寸大小不一,具体视各自所在的位置而定。炉壳由钢管焊成的环形框架和加强筋所组成。此环管既作为进、出水的干线管道，又起到护壳框架的结构件作用。护壳与炉底之间为螺栓活接。水冷的优点：(1)增加电弧炉的有效容积；(2) 减少装炉次数；(3)提高熔化速率，缩短冶炼时间；(4)大大减少耐材消耗；(5) 大大减少热停工时间；(6)采用最佳弧长操作提高功率因素；(7)利用冷却水温度信号协助过程控制缺点；(1)需要进行专门的加工制作；(2) 增加功率消耗一般约为 10 度电每吨钢。焊接箱式水冷炉壁系统，它主要由三个部分组成:控制系统，冷却水管线，水冷块。冷却水主水管为上下两路。每块水冷块都与上、下水管相连。上面进水、下面出水。每块水冷块的出水管上都装有溢流阀，以防水压过高产生事故。水冷块由 2025 毫米厚的优质钢板采用埋弧焊焊接。焊接后进行超声波探伤和13 个大气压的高压水压力试验。密排管式水冷块比焊接箱式水冷块的优点：(1)水的流动状况好，不会产生“死角” ；(2) 不容易产生气泡 ,因此无局部过热；(3)耐高压，结构较轻巧，并为用热水冷却提供条件；(4) 耐热应力性能好因此，结论是密排管式水冷块优于焊接箱式。（论文）52.2 冷却系统的布置为节约成本，考虑实际工作中的经济性，冷却液选择水，加酸及阻垢剂处理后循环使用。循环冷却水是工业用水中的用水大项,在石油化工、电力、钢铁、冶金等行业，循环冷却水的用量占企业用水总量的 50-90%。由于原水中有不同的含盐量，循环冷却水浓缩到一定倍数必须排出一定的浓水，并补充新水。一台 30 万 KW 冷凝机组，循环冷却水量要达到 3.3 万吨/时左右，假定原水中含盐量为 1000mg/L，浓缩倍数为 3 倍，那么循环冷却水的浓水排放约在 68左右，即 198264m /h，同时需补充的新水等于排水及蒸发损失等，补充水量3大约为循环水量的 22.6%，将为 660860m /h 左右，水资源消耗与污水排放3的数量是很大的。循环冷却水由于受浓缩倍数的制约，在运行中必须要排出一定量的浓水和补充一定量的新水，使冷却水中的含盐量、PH 值、有机物浓度、悬浮物含量控制在一个合理的允许范围。冷却水在系统中不断循环重复使用，由于各种无机离子、有机物质、水不溶物等，不断随补充水及冷却塔洗涤进入，随水温的升高（冷却），水份不断蒸发浓缩，以及设备结构和材料等多种因素的综合作用，使循环水系统在短时间内会出现：严重的沉积物（水垢）附着、设备腐蚀（锈垢）和微生物的大量滋生（生物粘泥、软垢附着），以及由此形成的粘泥污垢堵塞管道等问题。它们会威胁和破坏工厂设备长周期地安全生产，甚至造成较大的经济损失。主要表现为：（1）水冷换热器传热效率快速降低（换热管壁结水垢）；（2）换热管内循环水流量减少（甚至逐渐堵塞换热管）；（3）设备加速腐蚀设备加（主要表现为垢下腐蚀）；（4）设备的使用寿命成倍缩短；（5）增加生产运行成本。循环冷却水的处理可以归结为以下四个方面：增设旁滤装置，旁滤流量一般为循环水量的 1%-5%，过滤去除悬浮物质，以去除悬浮物；软化除盐或投加阻垢剂控制结垢；投加阻垢剂，使金属表面形成一层薄膜将金属覆盖起来，从而与腐蚀介质隔绝，防止金属腐蚀，控制腐蚀；投加杀生剂控制微生物。使用循环冷却的意义：随着工业的高度发展，人类生存环境的恶化，社会的可持续发展及其涉及的生态、环境、资源、经济等方面都成为国际和社会关注的焦点，被提高到发展战略的高度。人类已认识到在促进经济发展的同时，必须充分考虑自然资源的长期供给能力和生态环境的长期承受能力，因此广泛应用环境无害技术和清洁生产方式，实现高效益、节约资源和能源，减少废物排放等可持续发展战略措施，从而减少对环境的污染，实现绿色环保。这一结构形式的水冷块是用无缝钢管相互并列、焊接而成。每块水冷块中间位置上有（论文）6一根与其它管子成 90 度的进水管和一块衬板(起加强件作用)。密排管式水冷炉具有冷却水循环阻力小、冷却均匀、冷却效果好、内部无焊缝等优点。冷却管选择耐热钢材料。根据要求水压为 0.6Mpa，计算出管壁内径为，壁厚为 8mm。校核管壁所承受的压力，排布方式为m5.8267外 径 为中间间隔 20mm，采用密排管式水冷块，冷却管排布形式如图 2.1。图 2.1 冷却管排布图2.3 管的材料的选择已给要求和已知条件：水压为 0.6Mpa， 冷却水进水口 35， 出水口水的温度为 55。根据：标准 GB3087-中国国家标准 用途：用于低中压锅炉(工作压力一般不大于 5.88MPa，工作温度在 450以下)的受热面管子、集箱及蒸气管道。常用钢管牌号：10、20。根据：标准 GB5310-中国国家标准 用途：用于高压锅炉(工作压力一般在9.8MPa 以上，工作温度在 450650 之间)的受热面管子、集箱、省煤器、过热器再热器等，常用钢牌号：20G、20MnG、15MoG、15CrMoG、12Cr2MoG、 12Cr1MoV 等。水冷壁管是电电炉的主设备之一，20G 以其良好的力学性能和耐腐蚀等特点而广泛用于制造的水冷壁管 8。所以选取冷却管材料为 20G，改材料特性：抗拉强度 (Mpa) 410550 ， 屈服强度(Mpa) 245。 炉门材料选择 Q235B，Q235B 有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。主要用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件，材质是 Q235B 的钢材的机械性能要远远优于材质是 Q235A 的钢材。（论文）7冷却管经过焊接，成为密排结构，焊条选择 E4303，J422 焊条是普通叫法，对应国际标准牌号 E4303。它是一种酸性焊条，药皮钛钙型， J 表示结构钢焊条，42 是 42kg/mm 焊缝金属的抗拉强度，熔金抗拉强度不低于 420MPa。主要用途: 用2于焊接较重要的低碳钢结构和强度等级低的低合金钢，一般用于焊接钢结构和普通碳钢管道的焊接焊缝质量等级级，参见附录 2。2.4 冷却水量的计算根据炼钢电弧炉管式水冷系统的设计与应用 冷却水流量是指每个水冷块单位面积所需冷却水量。冷却水流量的确定与每块水冷块的面积、热流值、冷却水温升、水的比热等因素有关。每台炉子的炉壳内径、功率水平不尽相同,其水冷块的面积、热流值也不一定相同,但是冷却水温升一般取 20（本设计为 20）水的比热容一般为 4.186 skJ/(kg)。因此单位面积冷却水流量一般取每平方米 5-8m3/h, 本设计取 20m3/h，冷却水的流速一般小于 3m/s，取1m/s。根据 机械工程手册无缝钢管的推荐通径：根据：D=1.1 W/V（2.1）W 为体积流量，V 为流速：得 D= 0.08248m82.48mm，取 82.5mm.6012.管厚的计算：S = + C 2PD（2.2）S为管壁厚度 ；P为管内介质压力； D管子外径； 一工作温度下管材许用应力； -对无缝钢管系数取 1；C管壁厚度附加值；把数值带入公式 2.2 得：S= +6 8mm；125.860得内径 d=82.5-8 2=66.5mm，圆整后取 67mm。西安工业大学北方信息工程学院（论文）73 电弧炉渣门结构设计83 电弧炉渣门结构设计3.1 电炉渣门结构设计炉渣门的结构分为两部分，即冷却系统部分和支撑部分。冷却系统部分为密排水冷块，包括无缝冷却水回路的钢管和管与之间拐角处的连接件。支撑部分为一块衬板，及炉门固定及提升接头部分。根据冷却管的长度和排布，确定炉门支撑衬板尺寸为 1400mm 1005mm；如图 3.2。图 3.1 炉门主视图图 3.2 炉门左视图（论文）9冷却管外径为 85mm，确定侧面支撑板尺寸为 975mm 92.5mm 如图 3.3 为满足炉门升降平稳，设计炉门与电弧炉主体之间的相对运动为滑动，电弧炉炉体设计滑动轨道即滑动槽，而电弧炉渣门两侧设计滑动板，构成滑动副。电弧炉渣门两侧的滑动板尺寸为 975mm 62mm。3.2 电炉渣门的材料选型及经济性分析炉门材料的选择要满足的需要有：在工作温度下，应有足够的强度、合理的强韧性配合及组织性质稳定性，可使构件的壁厚不致太大以易于加工并不致显著地影响传热效果，从钢材性能上保证长期安全运行；良好的冷、热加工性能，其中特别是良好的焊接性能；高压锅炉钢应是优质钢或特殊质量钢，为电炉或纯权顶吹转炉冶炼，镇静钢，在冶炼时除用优质原料外一般要求加以炉外精炼和真空脱气等工艺以使有害杂质，如 硫、确、锡、锑、砷等及气体含量降到最低程度，使钢纯净化，以避免脆性断裂事故发生。炉门支撑结构为钢板件焊接而成。因此对材料的焊接性能、强度都有较高的要求，所以对材料的综合性能有较高的要求。由于 Q235 含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛，经济性较好。所以，炉门的支撑结构的材料选择 Q235。炉门支撑结构加工工艺为焊接，所以在焊接后存在焊接残余应力，所以要对炉门进行热处理，以消除焊接残余应力。在较高的温度下进行退火热处理时，材料的屈服强度随着温度的升高而降低， 而材料内部的焊接残余拉应力一个重要的特点是与材料本身屈服强度存在着一个平衡， 因此屈服强度的降低导致与残余拉应力的平衡被打破， 此时材料内部的焊接残余应力随之下降， 下降程度取决于屈服强度的变化， 理论上是加热温度越高，残余应力降低的越多。且在高温下残余应力下降速度较快。当焊缝的应力峰值已降到材料在给定温度下的屈服强度水平后，应力下降速度减缓，随后是蠕变引起应力松弛过程。蠕变在高温时也起作用，但在本试验条件下由于时间较短其作用远小于高温引起的材料屈服强度的降低，即较高温度退火消除焊接残余应力时，材料屈服强度随温度升高而降低 9。在完成电弧炉渣门基本结构设计，及冷却管的设计后，要对炉门整体包括炉门支撑结构和冷却管进行检测。因为冷却管是通过焊接而成，冷却管里内通过循环冷却液，承受一定压力，而且工作在高温环境下。所以，炉渣门表面及（论文）10金属内部的缺陷，会对炉门造成很大的影响。若处理不好这些缺陷，将会造成电弧炉渣门的寿命大大减少，甚至会引发安全事故。对金属进行无损探伤，是解决这一问题的有效方法。无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。无损探伤检测是利用物质的声、光、磁和电等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象中是否存在缺陷或不均匀性，给出缺陷大小，位置，性质和数量等信息。常用的无损探伤方法有：X 光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、 射线探伤、萤光探伤、着色探伤等。无损探伤可以改进制造工艺；降低制造成本；提高产品的可靠性；保证设备的安全运行。探伤的范围：焊缝表面缺陷检查。检查焊缝表面裂纹、未焊透及焊漏等焊接质量；内腔检查。检查表面裂纹、起皮、拉线、划痕、凹坑、凸起、斑点、腐蚀等缺陷；状态检查。当某些产品(如蜗轮泵、发动机等)工作后，按技术要求规定的项目进行内窥检测；装配检查，装配或某一工序完成后，检查各零部组件装配位置是否符合图样或技术条件的要求;是否存在装配缺陷；多余物检查。检查产品内腔残余内屑，外来物等多余物。磁粉探伤是目前工厂常用的无损探伤，渗透探伤的优点：操作简单,不需要复杂设备,费用低廉，缺陷显示直观；具有相当高的灵敏度,能发现宽度 1 微米以下的缺陷。这种方法由于检验对象不受材料组织结构和化学成分的限制；渗透探伤广泛应用于黑色和有色金属锻件、铸件、焊接件、机加工件以及陶瓷、玻璃、塑料等表面缺陷的检查；它能检查出裂纹、冷隔、夹杂、疏松、折叠、气孔等缺陷。所以，考虑到电弧炉门的工作要求，及经济性要求选择磁粉无损探伤。磁粉探伤是用来检测铁磁性材料表面和近表面缺陷的一种检测方法。当工件磁化时，若工件表面或近表面有缺陷存在，由于缺陷处的磁阻增大而产生漏磁，形成局部磁场，磁粉便在此处显示缺陷的形状和位置，从而判断缺陷的存在。4 炉渣门提升机构设计114 炉渣门提升机构设计4.1 提升负载的计算4.1.1 炉门的质量计算及分析布满整个炉门，钢管排布间距 20mm。质量计算，通过 UG 软件，测得电弧炉炉渣门（不包括冷却管）的体积为 V =24239157mm ，1320g 钢材料密度 =7.85g/cm 。 3质量 M =24239157 10- 7.85=190276.15g=190.28kg。1冷却管质量计算（通过 UG 测得冷却管长度为 18670 mm）：体积计算：V 2= （ D -d ） L 2(4.1)V2= （85 -67 ） 186702=3.14 2476 18670=160394.716cm 3M =160394.716 7.85=1259098.5g=1251kg。24.1.2 冷却水重量的计算炉门冷却水的质量，是指炉门冷却系统在正常工作时，即满足冷却要求时炉门冷却管内充满水时，水的总重量。充满水时水的质量计算：冷却管内径为 67mm，通过软件 UG 测得冷却管长度为 18670mm；充满水时水的体积 V =3.14 672 18670 0.001=263162.2cm ；33充满水时水的质量 M = V =263162.2g=263.162kg。314.1.3 炉门总重量的计算炉渣门（不包括冷却管）的质量 M =190.28kg；1冷却管的质量：M =1251kg；2水的质量：M =263.162kg；3则炉门总质量为：M1+M2+M3=190.28+1251+263.16=1704.4kg （论文）124.2 炉渣门提升机构设计4.2.1 提升机构的基本要求炉渣门的提升机构不仅要满足结构上的合理性，还要满足实际工作中的安全可靠，加热炉炉门提升机构除应保证炉门能平稳地升降而且要反应迅速满足操作的方便灵敏性，还要适应高温的工作环境，而且还要满足经济性的要求炉门提升速度为 3m/min。炉门的提升速度由压力油路中的节流阀控制。炉门下降靠其自重，当油缸回油时，炉门便在自重作用下自动下降。下降速度由回油路上的节流阀控制。4.2.2 提升方案比较及选择电弧炉渣门的提升动力结构可分为电动式和液压式。电动式提升机构是由异步电机提供动力，以钢丝绳提升轮方式。经综合分析本文选用第二种方案，即整个炉门机构由炉门、支承架、电动卷扬机、提升轮、支承座及传动轴和牵引钢丝绳等组成，炉门与提升轮及卷扬机分别用钢丝绳链接，是一个简化了二卷筒结构 10。这种结构形式其使用性、通用性和经济性较好，结构稳定,被广泛使用 11。 液压提升机构，使用液压缸或气压缸为动力，拉动链条，链条绕过链轮，连接到炉门；链轮与轴连接，并带动轴转动，轴另一端也是一个链轮，链轮带动链条运动，实现两侧同时拉动炉门，达到平稳的上升，完成炉门提升。炉门是电弧炉在冶炼过程中扒渣、吹氧、取样、测温及加少量原料的窗口。正常炉门热损失占全部输人功率的0.17-0.35%，所以炉门打开时则更大。所以，炉门与炉门框间能否压紧、保证良好的密封是很重要的, 这就要求炉门装置传动可靠,操作迅速, 并保证炉门口密封 12。而液压提升又分为气压缸机构和液压缸。气压缸机构主要通过压缩空气使气缸中的活塞动作,再由活塞杆通过拉动定滑轮上的炉门链子使炉门升降 13。液压缸是将液压能转变为机械能的、做直线往复运动（或摆动运动）的液压执行元件。它结构简单、工作可靠。用它来实现往复运动时，可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，液压缸是液压传动系统中实现往复运动和小于360回摆运动的液压执行元件。具有结构简单，工作可靠，制造容易以及使用维护方便、低速稳定性好等优点。因此在各（论文）12种机械的液压系统中得到广泛应用。由于液压传动介质的流动性、可压缩性、粘性、易受污染等特性以及易受温度、压力等环境的影响等原因，使得液压缸往复运动动态性能表现得比机械传动复杂得多，极易出现振动、噪声、冲击和爬行等不正常工作状态，而且故障原因不易确定，影响设备的稳定运行 14。相比之下，液压缸与气压缸存在明显的区别。气压缸易出现气压缸内部涩滞、润滑不良或气压缸孔径加工超差、气压泵或气压缸进入空气、密封件质量与滑移或爬行，而这些问题都会气压缸活塞滑移或爬行将使气压缸工作不稳定。综合比较，液压缸有更稳定的工作性能。所以本设计选择液压缸，如图4.1。图4.1液压缸布置图4.2.3 提升机构链轮设计电弧炉渣门提升过程中对传动装置的要求：（1）要有较高的承载能力；（2）在具有较大的破断负荷同时, 要有较大的延伸率；（3）在最大承载力的作用下要有较小的变形,以保证良好的啮合；（4）有较高的疲劳强度；（5）有较高的耐磨性；（6）有较高的韧性和较大的吸收冲击负荷的能力。综合各方面（论文）13考虑，尤其是工作环境干燥高温，而且对传动的精度要求不严格，再考虑经济性，所以（论文）14选择圆环链条配合链轮传动,如图4.2。圆环链的服役条件是：(1)承受拉力；(2)由脉动负荷产生的疲劳；(3)链环与链环之间、链环与链轮之间、链环与中板和槽帮之间产生摩擦和磨损；(4)由煤粉、岩粉及潮湿空气作用产生腐蚀。图4.2链轮链条传动链链轮的设计：根据机械传动设计手册表 7-3-3 圆环链静力拉伸试验负荷和破断负荷，已知炉门充满水后总重量为约为 1.7 吨，所以，链条的规格选择 d t=10 40，材料为 Q235
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