第1章 绪 论1200m3无料钟布料器结构设计第1章 绪论1.1 高炉无钟炉顶布料器1.1.1 高炉炼铁在国民经济中占据重要地位钢铁是国民经济、社会发展和国防建设重要的基础原材料，是工业发展中最重要的基础性结构材料和功能材料，没有钢铁就没有工业化。据总部位于布鲁塞尔的国际钢铁协会公布：2008年中国生铁产量5.02亿吨，占全球产量的37.8，我国自1996年成为世界第一产铁大国后，一直都保持较快的增长率。高炉生产是目前获得大量生铁的主要手段。目前高炉生产的生铁占世界生铁产量的95%左右1，在炼铁生产中占统治地位。1.1.2 高炉炉顶的发展历程炉顶装料设备是用来装料入炉并使炉料在炉内合理分布，同时要起炉顶密封作用的设备。现代大型高炉每天要把上万吨的炉料装入炉内，设备的起制动频繁，受载大，机械零件表面不断受到炉料的冲击和磨损，此外装料设备长期处于高温、高压的状态，工作环境繁重而且恶劣，这使得炉顶装料设备寿命显著缩短。因此，炉顶装料设备应该满足下列要求2：(1)能够满足炉喉的合理布料，并能按生产需要进行上部调剂；(2)保证炉顶的可靠密封，使高压操作能够顺利进行；(3)在满足上面的要求下，设备结构力求简单，制造、运输、安装方便；(4)零件的寿命长，维护修理方便，能实现自动化操作。布料器作为高炉炉顶装料设备的一个重要的组成部分，直接关系到高炉能否正常生产，它的研制和开发一直受到世界的关注。随着技术不断进步，布料器的形式也在发生重大的改变，由敞开式炉顶、钟式炉顶布料器逐渐向无钟式炉顶布料器发展。20世纪70年代，在高炉炼铁行业，卢森堡PAUL WURTH公司（即PW公司）首先推出了无料钟炉顶布料器，并获得专利。该布料器与钟式炉顶布料器相比，具有布料工艺性能好、结构紧凑、操作稳定、维修简便等特点，为采用现代炼铁工艺，提高炉顶压力，改善炉料结构，减少维修成本创造了条件，在技术上是一次大的飞跃。图1-1 PW布料器三十多年来，高炉无料钟炉顶在世界各国得到了迅速推广，目前世界上300m3至4000m3各种高炉的新建和改造性大修上，均采用无料钟炉顶新技术，无料钟炉顶成为普遍受欢迎的炉顶设备3。无料钟炉顶布料器以其布料方式灵活多样，布料均匀的优势，很快在高炉上得到广泛使用。但是随着无钟炉顶布料器的广泛应用，其缺点也日益暴露出来：(1)设备重量大、结构和传动系统复杂(见图1-2)、传动效率低，布料器故障停机率高；图1-2 PW布料器传动系统 (2)无钟炉顶布料装置的通病是密封性能不够理想，氮气消耗量大，生产成本高，能源浪费大。(3)布料器内部依靠氮气冷却，箱体内的有些部件或某些部位得不到充分的冷却，零件长时间处于高温下工作，容易损坏，设备更换频繁。(4)布料器传动系统太复杂，溜槽虽然很灵活，但自动控制很复杂，工艺操作上不易掌握。1.1.3 新型无钟炉顶布料器的研制自从PW无料钟炉顶布料器诞生以来，人们就没有停止对布料器及布料理论的研究，用以满足冶炼技术更新换代的需要，促进企业改革发展、提高经济效益。在PW式无钟布料器的基础上，国内外各钢铁公司及炼铁设备制造厂家竞相研究新型无钟炉顶布料器，克服现有布料器的缺点，使得高炉设备水平不断提高。下面介绍几种新型的无钟布料器: (1)万向节无钟炉顶布料器 西门子奥钢联(Siemens VAI)于2006年研究出一种最新的万向节无钟炉顶布料器4(见图1-3)。它具备与PW无料钟炉顶布料器相同的功能，即旋转和倾动。但是其驱动机构和执行机构不再采用齿轮、行星轮、差动减速器、蜗轮蜗杆等机构，完全由液压驱动机构和曲柄连杆机构实现，而其溜槽则通过环形万向节悬吊。当用单个液压缸进行驱动时，可以实现溜槽的倾动，当用两个液压缸进行驱动时，其合成运动则能实现溜槽的旋转运动。这种布料器的传动机构都布置在箱体之外，故不会受炉内高温高压气体的作用，也优化了传动部件的工作条件。该布料器另外一些重大的改进是改变了溜槽的结够，并且延长了溜槽的寿命，采用封闭的水冷系统等等。其优点也很明显。虽然该布料器采用计算机自动控制系统，但是由于利用万向节悬挂溜槽，而万向节传动的运动规律本身就很复杂，可以肯定的是，该布料器溜槽运动的数学模型非常复杂，必导致对溜槽运动的控制变得非常困难，甚至难以实现螺旋布料。图1-3 万向节布料器(2)PW改进型布料器 针对PW无料钟炉顶布料器存在行星传动的复杂性，中冶赛迪工程技术股份有限公司对PW无钟炉顶布料器的传动系统做了如下改进：取消了行星轮系5(见图1-4)；对旋转圆筒的支撑采用回转支承，而不利用滚动轴承支撑，回转支承的内圈固定在布料器箱体上，外圈与旋转圆筒连接，外圈上的齿圈与旋转驱动装置的输出齿轮啮合；再在旋转圆筒上装另一带有双联齿圈的回转支承，一个齿圈与倾动驱动装置的输出齿轮啮合，另一齿圈与涡轮减速箱上的输入齿轮啮合。溜槽的倾动仍需要通过差动机构来实现，故在螺旋布料时，溜槽的控制比较复杂。这种布料器的主要优点就是简化了PW布料器的传动系统。但是蜗轮减速箱笨重，复杂的缺点却没有得到改善。图1-4 PW改进型布料器除了上述几种无钟炉顶布料器之外，国内外还存在一些其他类型的无钟炉顶布料器，例如外传动布料器6，攀钢SS型无钟炉顶布料器7，该布料器的主要特点是采用钢丝绳传动；液压传动的BG型无钟炉顶布料器；中冶赛迪工程技术股份有限公司开发的齿轮齿条传动布料器等8。由于篇幅有限，在此不一一介绍。这些布料器有的还只停留在设计阶段，没有进入投产或广泛的应用阶段，有的存在很大的缺陷，不能满足高炉生产的需要。1.2 无钟炉顶布料器的布料1.2.1 无钟炉顶布料器布料的特点布料是高炉重要的操作控制内容之一9,利用装料制度的改变来控制炉料分布被称为上部调剂。其基本原理是利用炉顶装料装置的功能和炉料特性,控制炉料装入炉内时的落点位置、堆积厚度、径向剖面形状、粒度及品种等的径向和圆周分布,来满足高炉冶炼过程的基本需要,即达到既能控制煤气流分布合理,使其热能化学能得到最大限度利用,又能保证炉料的顺利下降,维持高炉冶炼过程的稳定进行。以上几种无钟炉顶布料器都可以将炉料均匀地布在高炉炉喉的料面上，并可以根据炉内的情况进行上部调剂。与钟式炉顶布料器相比，无钟炉顶布料器布料有如下特点：(1)布料理想，调剂灵活。旋转溜槽既可作圆周方向的旋转，又能改变倾角，可以把料布到炉喉的整个料面。(2)围绕高炉中心钱可以实现任何宽度的环形布料，每次布料的料层厚度可以很薄。(3)可以减少原料的偏析和滚动，各处的透气性比较均匀。(4)由于原料由一股小料流装入炉内，不影响炉喉煤气的通道，因此由煤气带出的炉尘比较少。(5)有利于整个高炉截面的化学反应。采用“之”字形装料，即把环形装料和螺旋布料结合起来，使高炉煤气在炉内上升时，走曲折的道路，延长煤气和炉料的接触时间，有利于煤气能量的利用。(6)可以实现非对称性的布抖，如定点布料或定弧段的扇形布料。当高炉料柱发生偏行或“管道”时，可以及时采取有效的补救措施。1.2.2 无钟炉顶典型的布料方式布料操作是高炉基本操作中经常变动的操作。虽然无钟炉顶布料器可以进行灵活多样的布料，但是从目前的情况看，主要有以下四种典型的布料方式10：(1)环形布料 倾角固定的旋转布料称为环形布料，如图1-5(a)所示。这种布料方式与料钟布料相似，改变旋转溜槽的倾角相当于改变料钟直径。由于旋转溜槽的倾角可任意调节，所以可在炉喉的任一半径做单环、双环和多环布料，将焦炭和矿石布在不同半径上以调整煤气分布。(2)螺旋布料 倾角变化的旋转布料称为螺旋布料，如图1-5(b)所示。布料时溜槽做等速的旋转运动，倾角连续递增或递减，这种布料方法能把炉料布到炉喉截面任一部位，并且可以根据生产要求调整料层厚度，也能获得较平坦的料面。(3)定点布料 方位角固定的布料形式称为定点布料，如图1-5(c)所示。当炉内某部位发生“管道”或“过吹”时，需用定点布料。(4)扇形布料 方位角在规定范围内反复变化的布料形式称为扇形布料，如图1-5(d)所示。当炉内产生偏析或局部崩料时，采用该布料方式。布料时旋转溜槽在指定的弧段内慢速来回摆动。(a)(b)(c)(d)图1-5 无钟炉顶布料器典型的布料方式1.3 当前无钟炉顶布料器研究的热点对布料器的研究主要表现为对布料器的重新设计和改进。由于布料器的部分部件在高温高压的情况下工作，并且布料器的使用寿命要满足一代炉龄的要求，大概十年左右，重要部件都不宜更换，也不方便更换。所以不少专家学者对布料器都做过专门的研究，也取得了重要的研究成果。传统PW布料器溜槽的旋转及其倾动系统非常复杂，并且不便维修。所以设计结构更简单，方便维修且溜槽的旋转及其倾动采用独立的传动系统显得非常重要，因此人们尝试了多钟传动方案，例如：钢丝绳传动，液压传动，曲柄滑块传动，差动关节传动等等，不同传动方案的布料器在实际生产中得到了一定的应用。布料器的冷却、润滑、密封，这是任何一种布料器都不可回避的问题，采用氮气冷却虽然简化了布料器的冷却系统，但是氮气消耗量大，并不是一种经济的冷却方式，故有些公司开发的布料器采用水冷方式11，也有学者对水冷的效果进行了分析。至于润滑密封，鞍山科技大学的付丽华、宋华对PW布料器作过专门的论述12，在一些关于新型无钟炉顶布料器开发的专利文献中，大多都涉及到了布料器的润滑和密封问题。对布料的研究主要表现对无钟炉顶布料器布料的数学模型、影响因素及料面的预测模型的研究。主要的研究成果如：文献13建立了理想条件下的炉料运动方程任廷志、金昕等考虑了溜槽参数，潜体阻力对炉料运动的影响14 15，使炉料运动的数学模型进一步接近炉料运动的真实情况；鞍钢进行了料面测试并根据测试结果调整布料时溜槽的始末位置，本钢做了布料参数测定试验；张建良等开发了预测料面的数学模型等。这些研究结果都对无钟炉顶布料器的布料有积极的指导意义。此外，针对无料钟炉顶布料器的研究还表现在以下几个方面：长寿命溜槽的研制；无料钟炉顶的控制技术；高炉布料器齿轮箱回转支承故障诊断；基于有限元技术的高炉无料钟炉顶称量系统阀箱问题的分析等。随着计算机技术和有限元技术的发展，现有的计算机技术和有限元理论的有机结合，对无料钟炉顶的高炉无料钟炉顶布料器整体力学性能研究等复杂的技术研究已经有了一定的进步，从而提高了布料器设计的可靠性，缩短从设计到生产的开发周期，节省设计开发成本16。1.4 本文研究内容及意义综上所述，随着炼铁装备向大型化、自动化、高效化、长寿化、绿色化、节能降耗的方向发展，无钟炉顶布料器必将得到更大范围的应用。针对上述布料器的缺陷，本文对无钟炉顶布料器做了如下研究： (1)提出新的无钟炉顶布料器的设计方案，包括溜槽的悬挂，旋转，倾动传动系统的设计，使得布料器的结构进一步得到简化，并对重要的传动部件进行受力和强度分析。(2)对布料器需要密封的关键部位进行研究，改善布料器的密封性能，使得传动部件在更加洁净的环境下工作，延长传动部件的寿命。设计布料器的冷却系统，采用循环水冷方式对布料器进行冷却。(3)利用三维建模软件SolidWorks建立布料器的三维装配模型，并进行运动仿真和干涉检验，以检测布料器的工作情况。(4) 分析了炉料的运动，建立了炉料在溜槽上和在空区中的运动方程，并推导出炉料在料面上的落点半径。研制具有自主知识产权和良好性价比及高服务质量的国产布料器，解决布料设备结构复杂，以及布料设备冷却、润滑、密封性能差的主要技术难题，使其结构简单、密封性能良好、制造容易、维修方便、工作可靠、成本降低的特点，最终实现高炉稳产、高产、低耗、长寿的目的具有重要的现实意义，对我国高炉无钟炉顶