第1章 緒 論1200m3無料鐘布料器結(jié)構(gòu)設(shè)計第1章 緒論1.1 高爐無鐘爐頂布料器1.1.1 高爐煉鐵在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位鋼鐵是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展和國防建設(shè)重要的基礎(chǔ)原材料，是工業(yè)發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)材料和功能材料，沒有鋼鐵就沒有工業(yè)化據(jù)總部位于布魯塞爾的國際鋼鐵協(xié)會公布：2008年中國生鐵產(chǎn)量5.02億噸，占全球產(chǎn)量的37.8％，我國自1996年成為世界第一產(chǎn)鐵大國后，一直都保持較快的增長率高爐生產(chǎn)是目前獲得大量生鐵的主要手段目前高爐生產(chǎn)的生鐵占世界生鐵產(chǎn)量的95%左右[1]，在煉鐵生產(chǎn)中占統(tǒng)治地位1.1.2 高爐爐頂?shù)陌l(fā)展歷程爐頂裝料設(shè)備是用來裝料入爐并使爐料在爐內(nèi)合理分布，同時要起爐頂密封作用的設(shè)備現(xiàn)代大型高爐每天要把上萬噸的爐料裝入爐內(nèi)，設(shè)備的起制動頻繁，受載大，機械零件表面不斷受到爐料的沖擊和磨損，此外裝料設(shè)備長期處于高溫、高壓的狀態(tài)，工作環(huán)境繁重而且惡劣，這使得爐頂裝料設(shè)備壽命顯著縮短因此，爐頂裝料設(shè)備應(yīng)該滿足下列要求[2]：(1)能夠滿足爐喉的合理布料，并能按生產(chǎn)需要進行上部調(diào)劑；(2)保證爐頂?shù)目煽棵芊?，使高壓操作能夠順利進行；(3)在滿足上面的要求下，設(shè)備結(jié)構(gòu)力求簡單，制造、運輸、安裝方便；(4)零件的壽命長，維護修理方便，能實現(xiàn)自動化操作。

布料器作為高爐爐頂裝料設(shè)備的一個重要的組成部分，直接關(guān)系到高爐能否正常生產(chǎn)，它的研制和開發(fā)一直受到世界的關(guān)注隨著技術(shù)不斷進步，布料器的形式也在發(fā)生重大的改變，由敞開式爐頂、鐘式爐頂布料器逐漸向無鐘式爐頂布料器發(fā)展20世紀70年代，在高爐煉鐵行業(yè)，盧森堡PAUL WURTH公司（即PW公司）首先推出了無料鐘爐頂布料器，并獲得專利該布料器與鐘式爐頂布料器相比，具有布料工藝性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、操作穩(wěn)定、維修簡便等特點，為采用現(xiàn)代煉鐵工藝，提高爐頂壓力，改善爐料結(jié)構(gòu)，減少維修成本創(chuàng)造了條件，在技術(shù)上是一次大的飛躍圖1-1 PW布料器三十多年來，高爐無料鐘爐頂在世界各國得到了迅速推廣，目前世界上300m3至4000m3各種高爐的新建和改造性大修上，均采用無料鐘爐頂新技術(shù)，無料鐘爐頂成為普遍受歡迎的爐頂設(shè)備[3]無料鐘爐頂布料器以其布料方式靈活多樣，布料均勻的優(yōu)勢，很快在高爐上得到廣泛使用但是隨著無鐘爐頂布料器的廣泛應(yīng)用，其缺點也日益暴露出來：(1)設(shè)備重量大、結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)復(fù)雜(見圖1-2)、傳動效率低，布料器故障停機率高；圖1-2 PW布料器傳動系統(tǒng) (2)無鐘爐頂布料裝置的通病是密封性能不夠理想，氮氣消耗量大，生產(chǎn)成本高，能源浪費大。

3)布料器內(nèi)部依靠氮氣冷卻，箱體內(nèi)的有些部件或某些部位得不到充分的冷卻，零件長時間處于高溫下工作，容易損壞，設(shè)備更換頻繁4)布料器傳動系統(tǒng)太復(fù)雜，溜槽雖然很靈活，但自動控制很復(fù)雜，工藝操作上不易掌握1.1.3 新型無鐘爐頂布料器的研制自從PW無料鐘爐頂布料器誕生以來，人們就沒有停止對布料器及布料理論的研究，用以滿足冶煉技術(shù)更新?lián)Q代的需要，促進企業(yè)改革發(fā)展、提高經(jīng)濟效益在PW式無鐘布料器的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外各鋼鐵公司及煉鐵設(shè)備制造廠家競相研究新型無鐘爐頂布料器，克服現(xiàn)有布料器的缺點，使得高爐設(shè)備水平不斷提高下面介紹幾種新型的無鐘布料器: (1)萬向節(jié)無鐘爐頂布料器 西門子奧鋼聯(lián)(Siemens VAI)于2006年研究出一種最新的萬向節(jié)無鐘爐頂布料器[4](見圖1-3)它具備與PW無料鐘爐頂布料器相同的功能，即旋轉(zhuǎn)和傾動但是其驅(qū)動機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)不再采用齒輪、行星輪、差動減速器、蝸輪蝸桿等機構(gòu)，完全由液壓驅(qū)動機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)，而其溜槽則通過環(huán)形萬向節(jié)懸吊當(dāng)用單個液壓缸進行驅(qū)動時，可以實現(xiàn)溜槽的傾動，當(dāng)用兩個液壓缸進行驅(qū)動時，其合成運動則能實現(xiàn)溜槽的旋轉(zhuǎn)運動這種布料器的傳動機構(gòu)都布置在箱體之外，故不會受爐內(nèi)高溫高壓氣體的作用，也優(yōu)化了傳動部件的工作條件。

該布料器另外一些重大的改進是改變了溜槽的結(jié)夠，并且延長了溜槽的壽命，采用封閉的水冷系統(tǒng)等等其優(yōu)點也很明顯雖然該布料器采用計算機自動控制系統(tǒng)，但是由于利用萬向節(jié)懸掛溜槽，而萬向節(jié)傳動的運動規(guī)律本身就很復(fù)雜，可以肯定的是，該布料器溜槽運動的數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，必導(dǎo)致對溜槽運動的控制變得非常困難，甚至難以實現(xiàn)螺旋布料圖1-3 萬向節(jié)布料器(2)PW改進型布料器 針對PW無料鐘爐頂布料器存在行星傳動的復(fù)雜性，中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司對PW無鐘爐頂布料器的傳動系統(tǒng)做了如下改進：取消了行星輪系[5](見圖1-4)；對旋轉(zhuǎn)圓筒的支撐采用回轉(zhuǎn)支承，而不利用滾動軸承支撐，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈固定在布料器箱體上，外圈與旋轉(zhuǎn)圓筒連接，外圈上的齒圈與旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的輸出齒輪嚙合；再在旋轉(zhuǎn)圓筒上裝另一帶有雙聯(lián)齒圈的回轉(zhuǎn)支承，一個齒圈與傾動驅(qū)動裝置的輸出齒輪嚙合，另一齒圈與渦輪減速箱上的輸入齒輪嚙合溜槽的傾動仍需要通過差動機構(gòu)來實現(xiàn)，故在螺旋布料時，溜槽的控制比較復(fù)雜這種布料器的主要優(yōu)點就是簡化了PW布料器的傳動系統(tǒng)但是蝸輪減速箱笨重，復(fù)雜的缺點卻沒有得到改善圖1-4 PW改進型布料器除了上述幾種無鐘爐頂布料器之外，國內(nèi)外還存在一些其他類型的無鐘爐頂布料器，例如外傳動布料器[6]，攀鋼SS型無鐘爐頂布料器[7]，該布料器的主要特點是采用鋼絲繩傳動；液壓傳動的BG型無鐘爐頂布料器；中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司開發(fā)的齒輪齒條傳動布料器等[8]。

由于篇幅有限，在此不一一介紹這些布料器有的還只停留在設(shè)計階段，沒有進入投產(chǎn)或廣泛的應(yīng)用階段，有的存在很大的缺陷，不能滿足高爐生產(chǎn)的需要1.2 無鐘爐頂布料器的布料1.2.1 無鐘爐頂布料器布料的特點布料是高爐重要的操作控制內(nèi)容之一[9],利用裝料制度的改變來控制爐料分布被稱為上部調(diào)劑其基本原理是利用爐頂裝料裝置的功能和爐料特性,控制爐料裝入爐內(nèi)時的落點位置、堆積厚度、徑向剖面形狀、粒度及品種等的徑向和圓周分布,來滿足高爐冶煉過程的基本需要,即達到既能控制煤氣流分布合理,使其熱能化學(xué)能得到最大限度利用,又能保證爐料的順利下降,維持高爐冶煉過程的穩(wěn)定進行以上幾種無鐘爐頂布料器都可以將爐料均勻地布在高爐爐喉的料面上，并可以根據(jù)爐內(nèi)的情況進行上部調(diào)劑與鐘式爐頂布料器相比，無鐘爐頂布料器布料有如下特點：(1)布料理想，調(diào)劑靈活旋轉(zhuǎn)溜槽既可作圓周方向的旋轉(zhuǎn)，又能改變傾角，可以把料布到爐喉的整個料面2)圍繞高爐中心錢可以實現(xiàn)任何寬度的環(huán)形布料，每次布料的料層厚度可以很薄3)可以減少原料的偏析和滾動，各處的透氣性比較均勻4)由于原料由一股小料流裝入爐內(nèi)，不影響爐喉煤氣的通道，因此由煤氣帶出的爐塵比較少。

5)有利于整個高爐截面的化學(xué)反應(yīng)采用“之”字形裝料，即把環(huán)形裝料和螺旋布料結(jié)合起來，使高爐煤氣在爐內(nèi)上升時，走曲折的道路，延長煤氣和爐料的接觸時間，有利于煤氣能量的利用6)可以實現(xiàn)非對稱性的布抖，如定點布料或定弧段的扇形布料當(dāng)高爐料柱發(fā)生偏行或“管道”時，可以及時采取有效的補救措施1.2.2 無鐘爐頂?shù)湫偷牟剂戏绞讲剂喜僮魇歉郀t基本操作中經(jīng)常變動的操作雖然無鐘爐頂布料器可以進行靈活多樣的布料，但是從目前的情況看，主要有以下四種典型的布料方式[10]：(1)環(huán)形布料 傾角固定的旋轉(zhuǎn)布料稱為環(huán)形布料，如圖1-5(a)所示這種布料方式與料鐘布料相似，改變旋轉(zhuǎn)溜槽的傾角相當(dāng)于改變料鐘直徑由于旋轉(zhuǎn)溜槽的傾角可任意調(diào)節(jié)，所以可在爐喉的任一半徑做單環(huán)、雙環(huán)和多環(huán)布料，將焦炭和礦石布在不同半徑上以調(diào)整煤氣分布2)螺旋布料 傾角變化的旋轉(zhuǎn)布料稱為螺旋布料，如圖1-5(b)所示布料時溜槽做等速的旋轉(zhuǎn)運動，傾角連續(xù)遞增或遞減，這種布料方法能把爐料布到爐喉截面任一部位，并且可以根據(jù)生產(chǎn)要求調(diào)整料層厚度，也能獲得較平坦的料面3)定點布料 方位角固定的布料形式稱為定點布料，如圖1-5(c)所示當(dāng)爐內(nèi)某部位發(fā)生“管道”或“過吹”時，需用定點布料。

4)扇形布料 方位角在規(guī)定范圍內(nèi)反復(fù)變化的布料形式稱為扇形布料，如圖1-5(d)所示當(dāng)爐內(nèi)產(chǎn)生偏析或局部崩料時，采用該布料方式布料時旋轉(zhuǎn)溜槽在指定的弧段內(nèi)慢速來回擺動a)(b)(c)(d)圖1-5 無鐘爐頂布料器典型的布料方式1.3 當(dāng)前無鐘爐頂布料器研究的熱點對布料器的研究主要表現(xiàn)為對布料器的重新設(shè)計和改進由于布料器的部分部件在高溫高壓的情況下工作，并且布料器的使用壽命要滿足一代爐齡的要求，大概十年左右，重要部件都不宜更換，也不方便更換所以不少專家學(xué)者對布料器都做過專門的研究，也取得了重要的研究成果傳統(tǒng)PW布料器溜槽的旋轉(zhuǎn)及其傾動系統(tǒng)非常復(fù)雜，并且不便維修所以設(shè)計結(jié)構(gòu)更簡單，方便維修且溜槽的旋轉(zhuǎn)及其傾動采用獨立的傳動系統(tǒng)顯得非常重要，因此人們嘗試了多鐘傳動方案，例如：鋼絲繩傳動，液壓傳動，曲柄滑塊傳動，差動關(guān)節(jié)傳動等等，不同傳動方案的布料器在實際生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用布料器的冷卻、潤滑、密封，這是任何一種布料器都不可回避的問題，采用氮氣冷卻雖然簡化了布料器的冷卻系統(tǒng)，但是氮氣消耗量大，并不是一種經(jīng)濟的冷卻方式，故有些公司開發(fā)的布料器采用水冷方式[11]，也有學(xué)者對水冷的效果進行了分析。

至于潤滑密封，鞍山科技大學(xué)的付麗華、宋華對PW布料器作過專門的論述[12]，在一些關(guān)于新型無鐘爐頂布料器開發(fā)的專利文獻中，大多都涉及到了布料器的潤滑和密封問題對布料的研究主要表現(xiàn)對無鐘爐頂布料器布料的數(shù)學(xué)模型、影響因素及料面的預(yù)測模型的研究主要的研究成果如：文獻[13]建立了理想條件下的爐料運動方程任廷志、金昕等考慮了溜槽參數(shù)，潛體阻力對爐料運動的影響[14] [15]，使爐料運動的數(shù)學(xué)模型進一步接近爐料運動的真實情況；鞍鋼進行了料面測試并根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整布料時溜槽的始末位置，本鋼做了布料參數(shù)測定試驗；張建良等開發(fā)了預(yù)測料面的數(shù)學(xué)模型等這些研究結(jié)果都對無鐘爐頂布料器的布料有積極的指導(dǎo)意義此外，針對無料鐘爐頂布料器的研究還表現(xiàn)在以下幾個方面：長壽命溜槽的研制；無料鐘爐頂?shù)目刂萍夹g(shù)；高爐布料器齒輪箱回轉(zhuǎn)支承故障診斷；基于有限元技術(shù)的高爐無料鐘爐頂稱量系統(tǒng)閥箱問題的分析等隨著計算機技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的計算機技術(shù)和有限元理論的有機結(jié)合，對無料鐘爐頂?shù)母郀t無料鐘爐頂布料器整體力學(xué)性能研究等復(fù)雜的技術(shù)研究已經(jīng)有了一定的進步，從而提高了布料器設(shè)計的可靠性，縮短從設(shè)計到生產(chǎn)的開發(fā)周期，節(jié)省設(shè)計開發(fā)成本[16]。

1.4 本文研究內(nèi)容及意義綜上所述，隨著煉鐵裝備向大型化、自動化、高效化、長壽化、綠色化、節(jié)能降耗的方向發(fā)展，無鐘爐頂布料器必將得到更大范圍的應(yīng)用針對上述布料器的缺陷，本文對無鐘爐頂布料器做了如下研究： (1)提出新的無鐘爐頂布料器的設(shè)計方案，包括溜槽的懸掛，旋轉(zhuǎn)，傾動傳動系統(tǒng)的設(shè)計，使得布料器的結(jié)構(gòu)進一步得到簡化，并對重要的傳動部件進行受力和強度分析2)對布料器需要密封的關(guān)鍵部位進行研究，改善布料器的密封性能，使得傳動部件在更加潔凈的環(huán)境下工作，延長傳動部件的壽命設(shè)計布料器的冷卻系統(tǒng)，采用循環(huán)水冷方式對布料器進行冷卻3)利用三維建模軟件SolidWorks建立布料器的三維裝配模型，并進行運動仿真和干涉檢驗，以檢測布料器的工作情況4) 分析了爐料的運動，建立了爐料在溜槽上和在空區(qū)中的運動方程，并推導(dǎo)出爐料在料面上的落點半徑研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)和良好性價比及高服務(wù)質(zhì)量的國產(chǎn)布料器，解決布料設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及布料設(shè)備冷卻、潤滑、密封性能差的主要技術(shù)難題，使其結(jié)構(gòu)簡單、密封性能良好、制造容易、維修方便、工作可靠、成本降低的特點，最終實現(xiàn)高爐穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、低耗、長壽的目的具有重要的現(xiàn)實意義，對我國高爐無鐘爐頂。