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氧枪升降机构

  转炉氧枪提升装置设计摘要 在炼钢生产中,氧枪提升机构是转炉炼钢过程中非常重要的组成部分,提升机构是 利用卷筒来控制小车进而来控制氧枪升降的装置。本文在结合生产需要,参考了鞍山热 工仪表厂的氧枪提升设备的基础上,设计出转炉氧枪提升装置。设计中对氧枪提升机构 的各组成部分进行了参数计算,从而选定了三相异步电机、联轴器、钢丝绳、减速器、 卷筒等设备,并且对电动机卷筒等进行校核。文中阐述了系统整体构成和设计思路,重 点讲述了卷扬装置的相关设计。并且为了确保生产的安全进行,本次设计增加了防坠落 装置。最后对整个氧枪升降系统的润滑部分进行描述,保证系统的正常运行以及对整个 系统的可靠性和安全性进行分析。本次设计出的提升装置结构合理、成本低廉、且便于 安装和维护。 关键词:氧枪提升机构;升降小车;防坠落装置 辽宁科技大学本科生毕业设计 第II PromotingEquipment oxygenlance Abstract steelproduction, oxygenlance lifting mechanism veryimportant part BOFsteelmaking process, liftingmechanism oxygenlance device. paper,combined productionneeds, AnshanThermal Meter Factory oxygenlance upgrade converteroxygen lance lifting devices. Design variouscomponents liftingmechanism oxygenlance parameter calculation, which selected three-phaseasynchronous motors, couplings, wire rope, speed reducer, roll otherequipment, motorreel check. paperdescribes overallcomposition designideas focus winchdevice. designincreases anti-falldevice. Finally, lubricationpart liftingsystem oxygenlance description, normaloperation wholesystem reliability securityanalysis. liftingdevice structure design, low cost maintain.Key word: oxygengun promoting organization; scendedsmall car; sink.辽宁科技大学本科生毕业设计 第III 1.1选题背景和目的......................................................................................................1 1.2 转炉氧枪系统介绍 1.2.1我国氧气转炉炼钢的现状............................................................................1 1.2.2 氧气转炉炼钢技术展望 1.2.3氧气系统的简介 1.3氧枪系统存在的问题及改造方案和措施 1.4氧枪系统的优化......................................................................................................5 1.5 总结 2.1系统方案比较 2.2主传动系统 2.2.1电动机 2.2.2联轴器 103.1 原始数据 103.2 提升拉力的计算.................................................................................................... 10 134.1 钢丝绳的选择 134.2 确定滑轮主要尺寸 134.3 电动机的选择与校核 144.3.1 电机选择 144.3.2 电动机发热校核 155.1 计算总传动比 155.2 标准减速器的选择 155.2.1 选用减速器的额定功率 155.2.2 校核热平衡许用应力 165.3 卷筒的设计 165.3.1 卷筒参数计算 165.3.2 卷筒强度计算 185.4 选择键连接的类型和尺寸 195-5 联轴器的选择 205.5.1 联轴器载荷计算 205.5.2 联轴器型号选择 20辽宁科技大学本科生毕业设计 第IV 5.6制动器的选择 钢绳拉力传感装置和防坠落装置..................................错误!未定义书签。23 6.1 拉力传感装置 错误!未定义书签。236.2 防坠落装置 错误!未定义书签。297.1 润滑方法 错误!未定义书签。297.2 润滑系统的选择原则 错误!未定义书签。307.3 润滑方式的选择................................................................. 错误!未定义书签。31 7.3.1 减速器的润滑 错误!未定义书签。317.3.2 轴承的润滑 错误!未定义书签。348.1 设备的经济性分析 错误!未定义书签。348.2 设备的可靠性 错误!未定义书签。348.3 设备的有效度 错误!未定义书签。37参考文献 错误!未定义书签。38辽宁科技大学本科生毕业设计 1.绪论1.1 选题背景和目的 近年来,随着国民经济的发展,各行业对钢铁的需求量不断加大,对于钢铁质量的 要求也越来越高,制造新型的高炉生产设备是必须的。为了保证钢材质量,国内外对高 炉炼钢设备做了的量的研究工作。 氧枪提升机构是转炉吹氧的重要设备,有卷扬平台上的卷筒、电机、主令控制器及 升降小车、防坠落装置等设备组成。氧枪提升机构通过对氧气喷流量的及升降速度的控 制来对炼钢过程进行控制。随着经济技术水平的不断提高,提升技术在广度和深度方面 都有很大的提高,这也要求相应理论也能进一步完善,以便解决一些疑难问题,从而推 动开发新技术和研制新设备的能力。在现有提升设备中还存在一些技术问题,如刮渣设 备通常不能够有效刮渣等。 随着我国综合国力的增强,不断推进时代的进步,钢铁冶炼在国民生产中占有不 可估量的地位,作为一个机械专业的准本科毕业生而言,我对氧枪提升机构的理论及研 究成果有着浓厚的兴趣,更希望能够通过努力在相关设计方法上提出新的观点,为相关 研究贡献自己的一点力量。 毕业设计是培养学生综合运用本科理论、专业知识和基本技能,提高分析和解决实 际问题的能力,这些都是科学研究工作和专业工程技术工作的基础训练。由于我本次设 计的题目是氧枪提升机构的设计,因此和同组同学多次随老师去到鞍山热工仪表厂进行 学习和研究,同时对相关资料参考和数据的计算都对我的设计有很大的帮助。 通过毕业设计可以巩固我这四年来所学的专业知识,学习设计一般专业设备的方法 和步骤,并熟练掌握设计的基本技能,如计算、计算机绘图和学习使用设计资料、手册、 标和规范等。 1.2 转炉氧枪系统介绍 1.2.1 我国氧气转炉炼钢的现状 钢铁工业是整个工业发展的基础,钢铁生产对于国民经济各个部门都有重大意义。 随着工业的迅猛发展和现代科学技术的进步,对高质量钢的需求量日益增长,炼钢新技 术和新工艺的不断涌现,与此相适应的炼钢设备也得到了很大的发展。过去很长的时期 内,以平炉炼钢为主,六十年代初期,平炉钢在世界钢产量中占72%。自1952 年氧气顶 辽宁科技大学本科生毕业设计 吹转炉问世以后,使炼钢工业发生了变革。使得世界钢产量得到了迅速的增长,氧气顶吹转炉钢占世界钢产量的比例逐年增加,六十年代是一个转折点,转炉钢又一次超过平 炉钢到1974 年转炉钢占世界产量的60%左右,1985 年已达70%左右。中国的经济发展, 由于工业化、城镇化进程加快和社会消费结构升级,拉动了房地产、汽车、机械、通讯 产品等行业和城镇基础设施的高速增长,这种增长的重要特点是全社会对金属材料的持 续的旺盛需求,为中国钢铁工业发展提供了有利的外部条件。而中国钢铁工业的价格竞 争优势主要来源于以下几个方面: 首先,是一定的原料自给率.近三年来,中国的自产矿 石保持在消费量的 48%左右,由于自产矿石生产成本远低于进口矿石价格,这使中国比完 全依赖进口的某些产钢国具有一定优势.由于中国是煤炭生产大国,与欧洲、日本、韩国 相比,优势也很明显. 二,是人力要素方面,中国钢铁(tag:激光雕刻机)业劳动生产率虽 然较低,但单位劳动力成本比发达国家低得更多,因此,单位产品中的劳动力成本明显低 于发达国家,其他生产费用也相对较低. 三,是由于业务量快速增加,固定费用明显下 降.2007 年与2001 年相比,大中型企业实现销售收入增长3 倍左右,而同期管理费用增长 只有1倍,百元销售收入负担的管理费用由2000年的8.9元降低到2007年的4.1元. 是环保内部成本的外部化.中国钢铁工业的环保投入不足,确实在一定程度上降低了企业的成本.但是,出口钢材较多的大型钢铁企业环保基本上是达标的,因此这不是中国压 低出口成本的决定因素。 1.2.2 氧气转炉炼钢技术展望 钢水的洁净化为提高刚才质量,扩大优质钢生产,钢水的真空处理和后期炉外精练得到开发利用。 世界现在投产使用的精练方法有:真空提升除气法(DH 法)、真空循环除气法(RH 真空吹氧脱碳法(VOD法)、钢包精练法(ASEA-SKF 法)、真空电弧加热法(VAD 设备大型化及自动化由于钢产量的增长,炼钢设备日趋大型化,练钢厂的规模也越来越大。练钢生产过 程是在高温下连续进行的,因此实现全自动化是非常必要的,这就使目前状况下发展很 快的我国科技和钢铁行业带来很好的发展条件。今天,全世界大约有600 台转炉在从事 生产活动,粗钢产量 4.5 t,约占全球粗钢总产量60%。以奥钢联投产世界第—台 转炉为起点,现代高效碱性氧气转炉是 50 余年不断发展的产物,在炉体寿命、增大装 人量和降低维护等方面取得了显著的进步。这种设备暴露在高温环境中,遭受机械冲击 辽宁科技大学本科生毕业设计 和热应力的作用,其工程设计是一个巨大的挑战。悬挂系统在实现转炉长寿方面是高度重要的。为了生产优质钢,改进工艺的经济性,开发 发诸如副抢.炉底搅拌装置和高 度精密而复杂的自动化系统。转炉技术继续深入开发的目标是改进工艺的经济性,即优 化物流和设备操作,优化工艺技术。工艺技术的优化不是简单的局限于目标分析、目标 温度的确定和添加材料的选择,他还包括生产操作,如氧枪的枪位吹炼模式、副枪的浸 没时间与深度、添加系统的添加模式、炉底搅拌系统的搅拌模式等。所有这些都必须在 设备投产前标准化,在试车调试中针对所生产的钢种进行优化。 控制模型化中国钢铁产品的质量稳定性不够,其原因有很多,但转炉靠人工操作引起波动大是 其主要原因。随着计算机技术的迅猛发展,炼钢模型的开发和利用不断进步。目前,中 国大部分转炉实现了模型控制。转炉模型主要有转炉静态和动态模型、转炉自动吹炼模 型、转炉合金模型等。模型的应用对生产操作的稳定、提高劳动生产率、减少质量波动 等起着促进作用。因此,有必要继续优化、完善冶金模型,进一步提高模型控制精度, 全面推进大、中型转炉的全自动不倒炉炼钢技术,进行智能型转炉炼钢。 资源综合利用化改变原有炼钢过程产生大量废弃物的概念,将炼钢过程产生的液态、固态和气态的 物质定义为炼钢过程副产品加以利用。 1.2.3 氧气系统的简介 转炉的氧枪系统由机械设备和介质供应系统两部分组成。氧枪系统设备包括氧枪 升降小车、氧枪横移小车和氧枪横移小车锁定电液推杆。其中两台氧枪横移车和两台 氧枪升降小车(左右装配),正常生产时,一台工作(位于转炉中心上方),一台备用 (位于待机位),交替使用;介质供应系统包括氧枪冷却水、氧气、氮气阀门站及管道 横移车行走采用交流电机驱动,在工作位设有电液缸定位锁紧装置。升降小车采用交流变频电机驱动卷扬升降,氧枪升降过程中速度可控制变化。升降卷扬钢丝绳装 有测力传感器。 氧枪设备系统组成如下:1 升降卷扬装置 本体10 升降小车缓冲器 11 氧枪供氧供排水软管接头 12 事故驱动装置 辽宁科技大学本科生毕业设计 吹氧装置是氧气顶吹转炉车间的关键工艺设备之有一。它完成向转炉内吹送氧气的工作。吹炼时,与车间内供氧管路相连的氧枪由升降装置带动送入炉膛内,在距金属 熔池表面一定高度上将氧气喷向液态金属,以实现金属熔池的冶炼反应。停吹时,氧枪 由升降装置带动升起,至一定高度自动切断氧气,氧枪从炉内抽出后,转炉可进行其他 操作。为了减少由于氧枪烧坏或其他故障影响正常吹炼,通常的吹氧装置都带有两支氧 支工作,另一支备用。两支氧枪都借橡胶软管与车间的供氧、供水和排水固定管路相连。当工作枪需要更换时,由换枪装置的横移机构迅速将其移开,同时将备用枪 移至转炉上方的工作位置投入使用。 氧枪在炉内高温下工作,采用循环水冷却。它是由枪头、枪体和枪尾组成。水冷氧 枪的基本结构及与外部氧、水管路连接的接头,同时还有用以固着三个同心圆管。此外 还有与升降小车固定的装卡结构,在它的顶部有拆换氧枪时吊挂用的吊环。 三个同心管中的内管是氧气的通路。氧气流经内管由枪头吹入金属熔池,其上端被压紧 密封装置牢固地装在枪尾,下端被焊固在枪头上。外管牢固地固定在枪尾和枪头之间。 当外管承受炉内外显著的温差变化产生膨胀和收缩时,内管上的压紧密封装置允许内管 在其中自由竖直伸缩移动;中间管是分离流过氧枪的进、出水之间的隔板。冷却水由内 管和中间管之间的环状通路进入,下降至枪头后转180 度经中间管与外管形成的环状通 路上升至枪尾流出。为了保证中间管下端的水缝,其下端面在圆周上均布着三个凸爪, 借出将中间管支撑在枪头内腔底面上。同时为了使三层管同心,以保证进、出水的环状 通路在圆周上均匀,还在中间管和内管的外壁上焊有均布的三根限位短筋。枪头,在工 作时处于炉内最高温度区。因此具有良好的导热性并有充分的冷却。枪头决定着冲向金 属熔池的氧流特性,直接影响吹炼效果。枪头与管体的内管用螺纹或焊接连接,与外管 采用焊接方法连接。氧枪的这种结构特征,对完成工艺要求和延长氧枪寿命都是不可缺 1.3氧枪系统存在的问题及改造方案和措施 存在的问题:氧枪枪体的主要问题是粘钢、粘渣和烧枪现象严重, 潜在隐患大, 枪频繁。升降小车的主要问题是升降小车在运行后期,导轮会经常脱落, 主要原因是导 轮轴向限位设计不合理。原来的轴向限位是用一个弹簧钢卡子固定在轴端, 这样, 轮长期的运行过程中,弹簧钢卡子会因塑性变形而脱落, 导轮失去了轴向限位, 工作 时间过长后, 导轮就会脱落。升降小车上下运动的过程中,如果导轮脱落, 就会发生卡 辽宁科技大学本科生毕业设计 车事件,这样小车在轨道里的摩擦力增加, 钢丝绳的张力会突然加大, 导致钢丝绳断 出现坠枪和钢丝绳脱槽事故。解决措施: (1)采用多空喷枪,改变吹炼钢水的搅拌运动,减少喷溅,提高钢水收得率。 (2)在进行高废钢比吹炼时,由于自身的热量不够,需要补给热量熔化废钢,采用 氧—燃喷枪,即在供入氧气的同时,把固体颗粒燃料,液体燃料或气体燃料供入炉膛内, 从而解决氧气转炉多吃废钢的问题。高废钢比吹炼还可采用双流氧枪,提高 CO 的燃烧 比例,增加热量收入。 (3)在不改变炉子结构条件,可采用旋流式氧枪,通过火点围绕氧枪移动,改善熔 池内钢水的搅拌,提高脱磷效果,缩短吹炼时间。 (4)改顶吹氧为底吹氧,降低渣中氧化铁含量,提高钢水收得率;或者采用顶底复 合吹炼,顶部吹氧加底喷口吹入氧气或惰性气体。这些结构的改变可以使氧气转炉达到 较完美的程度,获得“高产、优质、低耗”的效果。 (5)针对以上设备缺陷进行改造和优化, 首先对氧枪小车进行矫正加固, 减小或消 除变形, 同时淘汰变形太严重的小车。其次, 在原有的基础上, 把钢卡子定位改成挡片 定位, 即用螺丝把直径大于轴的挡片固定在轴端起到轴向定位的作用; 还制定了严格 的设备维护制度, 坚持设备的巡、点检, 搞好润滑。 1.4 氧枪系统的优化 供氧是炼钢工艺中的一个重要环节,它是保证杂质去除速度与熔池升温速度、控制 喷溅与造渣、去除钢中气体的关键操作,关系到钢水的质量和炉衬的寿命。氧气射流的 性能取决于氧枪的特性,而射流特性是氧气炼钢的技术关键。 集束射流技术是近年开发出来的一种新型的吹氧技术,这种技术应用气体力学原 理,在传统氧枪上加上伴随流系统,使氧气射流衰减速度大大放慢,形成类似于激光束 的氧气射流。其技术特点是:为了使喷嘴中心的主氧气流保持聚合状态流吹向熔池,必 须在主氧流外加一层高温低密度的燃气流对主氧气流形成封套,使其难以吸卷周围的空 气,使喷射的主氧气流不会扩散,从而减缓氧气射流的衰减速度。这样,主氧气流就能 在较长的距离上聚合在一起,提高了氧气的利用率。吹射的氧气流以类似于激光集束的 方式吹入钢液中。集束射流氧枪的喷吹距离比传统超音速氧枪要更远离钢液面。集束喷 吹对熔池穿透深度比传统方法高出 80%,而喷溅却大大减少。集束射流技术作为一种已 辽宁科技大学本科生毕业设计 经在电炉炼钢工艺中成功应用的技术,在转炉中也得到了初步应用。试验效果表明:转炉采用这种高效吹氧技术可增加钢产量10%~20%,原料消耗也有所降低。现有工作已 经显示了转炉用集束氧枪的优势,它势必会成为今后转炉氧枪发展的一个重要方向,对 我国钢铁企业增产增效产生积极的推动作用。 1.5 总结 氧枪是转炉的核心设备之一,在整个炼钢过程中,氧枪枪位是一个非常重要的参数, 也是炼钢工艺控制的关键,因为它直接关系到炼钢过程中的脱碳、造渣、升温以及喷溅 的发生,但由于氧枪定位控制系统工艺复杂、操作繁琐、联锁保护较多,因此,氧枪运 行的安全性、稳定性、可靠性、操作简单以及定位的准确性都是顺利完成冶炼的先决条 件,控制必须体现上述特点,才能使得炼钢过程平稳进行。 辽宁科技大学本科生毕业设计 整体方案评述2.1 系统方案比较 氧枪升降设备是氧气转炉炼钢的关键设备,氧枪喷出的氧气流股的特性以及对熔池 的冲击效果与冶炼效果密切相关,满足冶炼工艺要求的氧枪是保证炼钢生产的重要条 当前国内外氧枪升降装置的基本形式都相同,即:采用起重卷扬机来升降氧枪。所不同的是,氧枪升降是直接由卷扬机带动,还是借重锤带动。借重锤带动的氧枪,工作 氧枪和备用氧枪公用一套卷扬装置。所以氧枪升降装置按有无重锤又可分为:重锤提升 式和无重锤提升式两种。按装置数量又可分为:单升降传动装置和双升降传动装置两种。 双升降传动装置与单升降传动装置相比,备用能力大,在一台卷扬设备损坏,离开 工作位置检修时,另一台立即可以投入工作,保证正常生产。但多一套设备,并且两套 设备都需装设在横移小车上,引起横移驱动机构负荷加大。同时,在传动中不适宜应用 平衡重锤,这样,传动电动机的工作负荷增大,在事故断电时,必须用风动马达将氧枪 提出炉外,因而又增加了一套压气机设备。 用单升降传动装置的主要优点是设备利用率提高。可以采用平衡重锤,减轻电动机 负荷,当发生停电事故时可借平衡锤自动提枪,因此设备费用较低。但需要一套吊挂氧 枪的吊具。生产中,曾发生过多次由于吊具失灵将氧枪掉入炉内的事故。所以,单升降 传动装置不如双升降传动装置安全可靠。 而放坠落装置是在与升降小车相连的钢绳一旦断裂,将发生掉枪事故。对于单卷扬 型吹氧装置,与升降小车相连的钢绳为平衡钢绳,为确保安全,该绳采用双绳,每根绳 的尺寸都按全负荷计算。当氧枪在工作时,如果钢丝绳发生断裂,防坠落装置会立即进 入工作状态。其中弹簧会伸长加速弹簧压板的下降从而更快更有效的阻止氧枪的下坠。 最后主令控制器的工作原理就是通过凸轮盘的转动控制回路的开关。从而控制电机的开 关,执行预定动作和其保护作用。 2.2 主传动系统 氧枪提升机构卷扬装置由电动机、联轴器、减速器、主令控制器和卷筒组成,如图 2.1 所示。本方案由电机驱动,通过减速器带动卷筒装置转动,再由卷筒带动钢丝绳起 辽宁科技大学本科生毕业设计 减速器2卷筒3 联轴器4 电机5 主令控制器 图2.1 氧枪提升机构卷扬装置示意简图 2.2.1 电动机 电动机是本装置的动力来源,根据本机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动, 制动,反转,调速及工作环境要求来进行选取。直流电机的优点是响应快速、有较大的 起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能,能承受频繁的冲击性负载。 但直流电机也有其缺点,较交流电机相比结构复杂,制造成本高,维护工作量大,使用 场合也受到限制。 采用交流电机驱动,中间需要一个变速箱,一个齿轮座。采用这传动方式的优点 是:设备投资少,配套容易,使用和维护比用直流电机简便,缺点是:传动装置需要增 加专门的变速箱,交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子 相数的不同分为单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机 结构简单,运行可靠,成本低廉等。综合考虑,该运行机构采用交流电动机变频调速三 相异步电动机。 2.2.2 联轴器 辽宁科技大学本科生毕业设计 联轴器是机械传动中常用的部件。它主要用来连接轴与轴,以传递运动与转矩,本设计中的电动机与减速器之间的轴连接也需要使用联轴器。它可用来操纵机器传动系统 的断续,以便进行变换及换向等;有时也可用做安全装置。联轴器的种类很多,无弹性 元件的挠性联轴器,如十字滑块联轴器、滑块联轴器、齿式联轴器、滚子链联轴器;有 弹性元件的挠性联轴器,如弹性套柱销联轴器、弹性柱销联轴器、星形弹性联轴器、梅 花形弹性联轴器、轮胎式联轴器、膜片联轴器。 无弹性元件的挠性联轴器因具有挠性,故可补偿两轴的相对位移。但因无弹性元件, 故不能缓冲减振。有弹性元件的挠性联轴器因装有弹性元件,不仅可以补偿两轴间的相 对位移,而且具有缓冲减振的能力,制造弹性元件的材料有非金属和金属两种。非金属 有橡胶、塑料等,其特点为质量小,价格便宜,有良好的弹性滞后性能,因而减振能力 强。金属材料制成的弹性元件(主要为各种弹簧)则强度高、尺寸小而寿命较长。综上所 述本设计选用弹性注销联轴器。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第10 氧枪提升机构参数计算3.1 原始数据 由毕业设计指导书已知氧枪提升机构主要质量参数: (1)小车重量: M车=1450kg (2)氧枪重量:M枪=2200kg (3)氧气、水重量:M氧、水=500kg (4)渣重量:M渣=1500kg (5)金属软管重量:M软=350kg (6)氧枪提升速度:v=40m/min 3.2提升拉力的计算 小车在竖直导轨上运行,小车后导向轮与导轨接触产生相对作用力,如图3.1 所示: 导轨与升降小车各车轮的相互作用力:F1、F2、F3、F4 3.1升降小车后导向轮受力分析 如上图所示,由于金属软管作用,使得车轮与轨道间有水平方向的作用力,对D 辽宁科技大学本科生毕业设计第11 ——升降小车重心到2点的水平距离

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