钢坯喷号机毕业设计Word格式文档下载.docx

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5结束语21

6参考文献22

7致谢24

1.绪论

在钢铁制造业中，为了实现质量管理和质量跟踪，要求对连铸车间生产的钢坯进行编号，把钢坯对应的连铸机号、炉座号、炉号、流序号以及表示钢坯生产时间的时间编号共同组成每块钢坯的唯一编号，适时的写在钢坯的表面。

在钢铁厂后续的检测过程或在客户使用过程中，若发现钢坯的质量问题，就可以根据其编号追踪到生产此钢坯的连铸机、炉座、炉号、流序号及时间等重要信息，及早发现并解决生产设备中存在的问题。

在国外，如日本、美国等发达国家已经有对钢坯实行自动打印号码的产品，日本研制了一种由电脑控制，机械手写号码的数控设备，其辅助设备很多，价格高昂，每台设备大约一百万美元，使用费用也很高。

如日本川崎千叶板厂板坯采用的打印，存在打印字迹不清楚的问题；

日本神户Kakogawa厂板坯则采用喷号机；

美国专利USA4623561也报道了采用计算机控制板坯喷号机，设计中还考虑了去氧化铁皮等问题；

荷兰In-terstahl公司用昂贵的喷焊铝丝。

但这些同类产品的价格也是异常高昂，目前国内只有少数的几家钢铁企业（如宝钢、鞍钢等）配备了进口的标号机，而大部分钢铁企业无力投资。

目前国内的研制情况，仅有的研制产品有：

北京钢铁设计研究院在80年代研制的“小方坯高温自动喷号机”、上海第三钢铁厂在80年代研制的“接触式高温自动喷号机”、浙江省临安市魏云虎分别于90年代研制的“热钢坯喷号机”和2004年研制的“自动在线热钢坯喷号机”、2000年浙江大学研制的“热轧钢坯喷号机”和2003年武汉钢铁厂研制的“连铸方坯自动喷号装置”等。

只有浙江大学的“热轧钢坯喷号机”和武汉钢铁厂研制的“连铸方坯自动喷号装置”还在使用，效果也较好，其他产品已基本退出了市场。

可见，国内在这方面还是非常薄弱的。

而且从推广情况来看，产品的性能并不能严格满足要求、技术含量不高，不能真正地为钢厂解决实际问题。

实现钢坯喷号的机械化自动化是提高生产效率和降低生产成本的重要途径之一，钢坯喷号机无论在国内还是在国外都会有很到的市场。

一方面因为人工的工艺流程不但浪费了大量的能量，而且打断了生产的自动化进程，从而致使生产效率降低，生产成本增加。

另一方面由于生产钢坯的车间温度很高，有强烈的热辐射，同时还有大量的水蒸气和粉尘，其中进行人工编号的工人劳动强度非常大，而且对身体也是一种摧残，容易得职业病。

所以，研制更加合理的钢坯喷号机，对我国的钢铁产业而言已经势在必行了。

图1钢坯排列方式

本课题的研究内容是如何实现喷号机各个方向的行走动作，如何实现喷号、换号、清洗等功能。

经连轧出来的钢坯的规格为200*200mm的方形钢坯，用切割机切割成定长之后堆成排列，每排两层，每层中间有一定间距（具体排列方式如上图1所示）。

所以钢坯喷号机要沿着排列的方向移动到一块的钢坯侧面，然后使喷号部件向靠近钢坯表面的方向移动使号码牌靠上钢坯，喷号完成退回之后，喷号部件向上移动到第二层钢坯处再次喷号。

2.钢坯喷号机总体设计

2.1号码牌的设计

任务书上要求一行8个字符（0-9或A-Z）。

本次设计中，我们选择（0-9）十个阿拉伯数字为钢坯的编号。

每个字符的大小为高35mm，宽15mm，所以号码牌的大小为高55mm，宽25mm。

如图2所示。

图2号码牌样式

2.2标号方式设计

国内现有的大部分钢铁企业仍然采用人工书写的方式，所写的号码很不规范，号码的辨认程度低下，编号不严格，给质量管理带来困难，而且工作环境极差，效率低下。

为实现标号的机械化和自动化可以采用一下几种方式：

（1）机械击打式：

其基本原理是采用机械击打的方式在钢坯表面形成凹痕。

优点在于字迹清楚，不用担心号码脱落的问题。

有点阵式和字模式。

点阵式与针式打印机原理一样，也就是按照数字或字母对应的点阵编码，控制对应的钢针动作。

这种方式有很大的灵活性，可以按照点阵灵活编码，打出所有数字和字母。

其缺点是每一根针都要独立的驱动机构，在较小的空间内产生能够在钢坯表面形成凹痕的力量，对驱动机构要求很高。

字模式是预先做好数字或字母的模子，把所需号码的模子调到击打头上，击打一次钢坯直接形成号码。

其缺点是要频繁更换模子，对机械调整机构要求较高，而且打号速度较低，对钢坯材料有一定的影响。

（2）高压涂料喷射式：

其原理是利用高压涂料喷射在钢坯表面形成的痕迹组成号码。

喷出的号码颜色鲜明，易于辨认。

但对系统要求较高。

具体有两种方式:

点阵式和轨迹式。

点阵式与上述的针式打印机原理相似，不同的只是上述的针式打印采用打的方法，而这里采用的是喷射的方法。

其优点是能喷出多种多样的数字和字母，喷号速度高。

轨迹式类似于人工书写的动作，在喷头喷射耐高温涂料的同时使喷头在X和Y两个方向上运动“写”出号码。

其明显的缺点是喷号速度低，同时对运动轨迹的控制要求高。

（3）压缩空气与涂料混合喷射式：

与上述高压涂料喷射相比，这种方法的涂料管压力低的多，因为涂料的喷出不是依靠涂料本身的高压，而是依靠压缩空气在喷射时形成的低压和涂料本身的压力共同作用，使涂料和压缩空气充分混合而形成喷雾。

其喷雾原理如图3所示。

图3喷雾原理

这种方法同样可以分为点阵式、轨迹式和字模式三种方式，前两种方式与上述高压涂料喷射方式一样，不再赘述。

第三种方式—字模式，其原理是：

在薄铁皮上挖出数字或字母的形状的通孔—字模，大面积的喷雾通过时即可形成对应的号码。

采用字模方式喷出的号码的清晰程度取决于涂料的雾化程度，只要涂料达到良好的雾化，喷出的号码就会比较清晰。

利用压缩空气使涂料雾化，涂料管内不是高压环境，对设备密封性要求不高，大大降低成本。

而所增加的压缩空气是工厂内原来就备有的必不可少的动力源，非常方便。

所以经过对比，我们选用压缩空气与涂料混合喷射字模的方式。

图4喷嘴结构示意图

依据工程热力学、液体力学的理论。

采用如图4所示的扩压管式高压雾化型喷嘴，由于喷嘴的轴线长度很短，内部的摩擦力可忽略不计，且喷嘴进出口的气体的温度没有多大的变化，可作为等温来考虑。

对于工业用压缩空气（压力小于20MPa）在管道里的流动，当管道轴线不变时，可作为一维定常流动进行计算，其伯努利方程式为：

（1）

式中，ν为流体平均速度，m/s；

ρ为流体的密度，kg/

；

P为压力，Pa。

喷嘴流量方程式为：

（2）

式中，q为喷嘴流量，

/h；

d为截面的直径；

P为截面的中心压力，Mpa；

μ为流量阻力系数，一般在0.35—0.43，在此μ取0.37。

由于是无摩擦的不可压缩定常流动，喷嘴内截面1-1和截面2-2的流量无变化，根据连续性方程式可得：

（3）

选取

=30mm，由公式

（2）得到截面1-1的流量

为：

=7.31

/s

则截面1-1的平均流速

=

由式（3）得截面2-2的平均流速

取

=3mm，代入上式德：

=1.034

对于截面1-1和截面2-2，由式

（1）得：

取空气密度ρ=1.2kg/

（

），则喷腔的压力为

：

所以，对于图4所示的喷嘴结构形式，通过上述计算可知：

（1）截面2-2的直径比截面1-1的直径小到10倍时，其上的平均流速却扩大到截面1-1的100倍，实现了距嘴喉直径处动能的突增，涂料得以雾化。

（2）动能的增加使喷腔形成了较大的负压，实现了涂料的上吸。

2.3换号方式设计

对于如何实现换号更能，主要有以下三种方式。

（1）直接插牌式：

根据连铸机、炉座、炉号、流序号等不同制作不同的字模板，直接插入喷号机前端的差排处，对于这种方式易于实现、设计简单、费用低廉，但是换牌操作部方便，必须制作大量的喷号牌。

而且直接插牌方式，换牌时还是人工操作，喷完一个钢坯之后需要人工更换，清洗，烘干等工作，就使得自动化程度不高，效率低下。

所以效果不好。

（2）PLC控制机械换牌式：

将用于喷号的字符刻在环形钢带上，用步进电机带动钢带旋转，以调整所需的字符到对应位置，由于要喷8个字符，所以需要8根钢带，每根钢带由一个步进电机带动，而步进电机由PLC控制。

计算出每个字符达到喷号位置所需要钢带的行程长度，换算成步进电机的旋转角度，再由PLC控制器发出信号到步进电机，电机接到信息旋转到指定角度后，该字符则刚好达到喷号位置，然后可以进行喷号。

此方式操作简单、可靠、自动化程度高。

（3）七段码式：

采用七段码，根据钢坯的信息不通，控制七段码显示不通的字符，以行程不通的字模，得到不同的喷涂结果。

此方式结构复杂，由于数码管不能耐高温，所以必须采用有效的隔热保护措施，但是难以取得很好的效果，所以寿命不长。

控制系统也会很复杂，可维修性差。

根据以上比较，方案

（2）比较适合，而方案

（1）和方案（3）都有明显的缺点。

所以我们最终选择了方案

（2）。

2.4总体结构框架图

根据总体设计的要求，钢坯喷号机系统的总体结构框架图与结构简图如图5、6所示。

图5喷号机系统总体框图

图6钢坯喷号机结构示意简图

3.钢坯喷号机行走部件设计

3.1左右行走方案设计

实际生产中钢坯与喷号机的运动关系有两种：

一种是钢坯不动，喷号机运动；

另一种是钢坯运动，喷号机不动。

第二种形式中喷号机是不动的，就不需要行走部件，所以本次设计是针对第一种情况。

主要有两种设计方案：

（1）自走自停：

采用步进电机作驱动，由RM3EA111MU7边缘检测继电器OMRONE6B2-CWZ6C旋转编码器配合PLC控制喷号机的自动行走。

可以精确的使喷号机停在钢坯的中心。

这种方案自动化程度高，效率高，但是结构设计复杂，费用贵。

（2）人工控制喷号机的走停：

采用步进电机驱动，人工操作控制喷号机字幕板正对着钢坯，。

这种方案设计简单，易于实现，费用低。

由于在钢坯上喷号并不需要非常精确的定位，只要不超出钢坯表面的范围就行，所以用第一种方案在经济上不合算，所以我们决定选用第二种方案。

3.1.1步进电机的选择及计算

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无积累误差等特点。

这就使得在速度和位置等控制领域内用步进电机来控制会比变的非常简单。

步进电机由步距角（涉及到相位）、静转矩及电流三大要素组成。

一旦三大要素确定，步进电机的型号便可以确定下来了。

（1）选择步距角：

电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。

电机的步距角应小于或等于此角度。

目前市场上步进电机的步距角有0.36°

/0.72°

（五相电机）、0.9°

/1.8°

（二、四相电机）、1.5°

/3°

（三相电机）等。

在此次设计中我们选择0.9°

的电机。

（2）选择静力矩：

步进电机的动态力矩很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。

静力矩选择的一句是电机工作的负载，而负载可以分为惯性负载和摩擦负载两种。

单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。

直接启动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速启动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。

一般情