高炉无料钟炉顶技术的研究.docx

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高炉无料钟炉顶技术的研究

目录

一、摘要…………………………………………………………2

二、布料器的传动系统…………………………………………3

三、布料器气密箱的结构………………………………………5

四、无料钟炉顶气密箱运………………………………………8

五、无钟炉顶布料气密箱改造与维护实践…………………11

六、结论……………………………………………………………13

七、参考文献………………………………………………………14

高炉无料钟炉顶技术的研究

——气密箱

一、摘要

气密箱是无料钟高炉炉顶装料设备的核心部件,其功能是驱动并控制布料溜槽绕高炉中心线的旋转和倾动,以完成高炉不同的布料运动要求。

气密箱零部件加工工艺复杂、装配精度高,并且在重载、高温、高压、多粉尘的炉内环境下工作,其运行状态的好坏直接影响到整座高炉的正常工作。

对于无料钟高炉炉顶气密箱来说,如果溜槽倾动末段减速器故障,将其重新更换,高炉只需保温8小时;如果是支撑其大齿圈的轴承故障,高炉则需要保温3天。

对高炉的故障部位和产生原因判断错误,将会带来重大损失。

因此,对气密箱的运动故障诊断技术的研究,已经成为有效缩短炼铁设备检修时间,保证炼铁设备正常运行的重要研究课题。

二、布料器的传动系统

图4—47是国内设计的无料钟炉顶布料器的传动系统。

溜槽倾角的调整也采用蜗轮箱传动，但有两点和国外的方案有所不同：

1）行星减速箱内少了一对齿轮，旋转圆筒的旋转由大太阳轮

和齿轮

和

带动，使行星箱的结构得到了简化，少一层齿轮可以少一个分箱面，使安装和调整比较方便。

2）不再采用旋转屏风，采用了固定屏风，它可以通水冷却，炉喉的辐射热不易传入气密箱内，这样可以减少冷却气的用量。

现以图4—47的传动系统为例，对传动系统的运动学关系进行计算。

（1）行星传动的速比公式

当中心小太阳轮a固定，大太阳轮b（内齿）主动，动力由内齿轮b传递到系杆H时的速比

为

=1+

（4—2）

当大太阳轮b固定，中心太阳轮a主动，动力由中心太阳轮传递到系杆H时的速比

为

＝1十

（4—3）

当大、小两个太阳轮都主动时，系杆的转速可以根据差动机构的迭加原理将上述单独

传动算得的转速相加或相减（即代数和）求出。

不过，在这里可以不计算这种迭加速度，因为布料器的转速（即溜槽线高炉中心线回转的速度）只和主电机的驱动有关，和副电机是否转动无关。

而溜槽倾角调整的转速只和副电机的驱动有关，和主电机是否转动无关。

不论两个电机单独驱动或同时驱动都是如此。

（2）布料器的转速公式

为了圆周均匀布料，布料器榴楷要有一定的转速。

该转速由主电机

传递，与副电机无关。

设溜档的转速为

，则

=

（4—4）

设计时，布料器的转速

由前述的“基本参数的计算”确定，然后选择足够功率的

交流或直流电动机，再根据式4—4分配速比。

经过计算表明，电动机的功率很小，国外第一个无料钟炉顶的主电机是10kw（1445

的高炉）。

因为扇形布料时需要溜槽在一定的角度范因内来回转动，为了减小正反转的惯性力，布料器应该采用较低的转速。

例如正常布料时的转速为8r／min，扇形布料时的转速可采用3r／min左右。

因此，电动机可以考虑选用双速交流电机或者用直流电动机。

（3）布料器两个大齿轮同步的计算

环形布料时，溜槽只作旋转运动，不调倾角。

这时，必须使布料器两个大齿轮的转速相等，使布料器内的所有运动件都处在同一转速下绕高炉中心线旋转，这时溜福的倾角固定不变。

为了实现上述条件，必须计算两个大齿轮的同步关系，有关的齿轮齿数必须进行正确的计算。

设齿轮

和

的转速为

和

，则

=

（4—5）

=

（4—6）

令

=

，则得

=

（4—7）

将4—2代入4—7，得

=

（4—8）

式4—8是两个大齿轮的同步关系，再设计布料器的传动系统时，有关齿轮的齿数必须符合式4—8的关系。

此外，齿轮

和

，

和

同在两根轴上，必须使两队齿轮的中心距相等。

（4）溜槽倾角调整的转速公式

调整溜榴顾角与主电机无关，完全决定于副电机的转速

和由副电机至溜槽驱动轴之间的传动比。

以

表示溜槽倾角调整的转速，则（图4—47）

三、布料器气密箱的结构

布料器由行星减速箱、气密箱、布料溜槽和控制系统等组成。

气密箱安装在炉顶钢圈上，受炉喉热煤气的威胁。

布料溜槽位于炉喉料面之上，完全处在热煤气的环境中工作。

行星减速箱只有两相同心出轴伸入气密箱内需要“转轴密封”，其余都处在大气环境中工作。

控制减速箱由行星减速箱引出，也在大气环境中工作。

这里着重分析工作条件最恶劣的气密箱及其布料溜槽的悬挂结构。

气密箱是布料器的主体部件，也是无料钟炉顶的关键部分，设计寿命应尽可能达到一代炉龄。

为了保证气密箱内零件正常工作，必须采用冷却气（氮气或净煤气）冷却和密封。

因此设有进气口7（图4—48）和两条排气缝8。

为了使两条排气缝的宽度在运动中保持稳定，气密箱内零件的定心必须准确，运转必须平稳。

必须采用结构紧凑，支持劳靠，并且在长期运转中能维持较高精确度的支承结构。

图4—48的气密箱是把所有的远动零件都安装在旋转圆筒1上，然后通过大轴承支持在中心固定圆筒3上。

中心固定圆筒拴在固定法兰2上。

图4—48的旋转圆筒是通过两个大轴承文承的。

下面的轴承是推力向心轴承，主要是为了承受轴向力，同时也可以承受径向力。

上面的轴承是纯径向轴承，可以承受齿轮传动的径向力，也可以和推力向心轴承—起抵抗溜槽的倾翻力矩。

浮动大齿轮也是采用两个相向类型的轴承支承在旋转圆筒上。

采用这种批承的优点除了可以承受轴向和径向力外，主要是安装时不必调整。

使用过程中也不必调整轴承间隙，能保持长期运转精度。

采用这种结构的缺点是要采用四个完全不同的轴承，使产品制造的工作量加重。

图4—49无料钟炉顶布料器气密箱的结构

为了保证布料器正常工作，必须使布引路的最高温度不超过70℃，正常温度为40℃左右。

布料器底部有水冷却的固定屏风，可以防止炉喉热煤气的辐射热传人气密箱内。

此外，必须对箱体内不断地通人冷却气（氮气或净煤气）。

对于冷却气的用量和要求如下：

1）进气温度一般在30℃左右，对于南方高炉最高也不要超过40℃。

2）冷却气的含尘星（指煤气）小于5mg／

，条件差的不得超过lomg／

。

3）冷却气的用显可以根据排气口的面积和心口速度的乘积近行计算。

排气口有两条

大玄汗的缝隙（在旋转圆筒的内外）和两条小度径的缝隙（在佃槽3K动轴处）。

缝隙宽度

为2—5mm。

通过缝隙的诽气速度可以充6—l2m／s的范围内选用。

4）箱体内冷却气的压力比炉喉煤气压力高0.1kg／

。

当炉喉压力变化时，冷却气的压力也应跟着自动调整。

为了简化控制，可以采用定容鼓风机。

只要选用的定容鼓风机的额定压力超过炉喉最高压力，就可以保证鼓风机鼓入一定量的冷却气。

四、无料钟炉顶气密箱运动

气密箱是无料钟高炉炉顶装料设备的核心部件,其功能是驱动并控制布料溜槽绕高炉中心线的旋转和倾动,以完成高炉不同的布料运动要求。

气密箱零部件加工工艺复杂、装配精度高,并且在重载、高温、高压、多粉尘的炉内环境下工作,其运行状态的好坏直接影响到整座高炉的正常工作。

对于无料钟高炉炉顶气密箱来说,如果溜槽倾动末段减速器故障,将其重新更换,高炉只需保温8小时;如果是支撑其大齿圈的轴承故障,高炉则需要保温3天。

对高炉的故障部位和产生原因判断错误,将会带来重大损失。

因此,对气密箱的运动故障诊断技术的研究,已经成为有效缩短炼铁设备检修时间,保证炼铁设备正常运行的重要研究课题。

故障诊断技术是近些年来在迅速发展起来的一门新兴的综合性边缘学科,它是改变设备维修体制、实现预知维修的重要技术支柱,是减少设备故障点的判断时间、降低维修费用的现代化手段。

目前,对于连续生产系统或与产品质量有直接关系的关键设备,主要采用在线监测诊断技术[1],对气密箱的运动故障诊断,也主要采用这一方法。

文献[2]利用频谱分析法和小波分析的方法对气密箱工作中的各种故障现象进行了故障诊断;文献[3]利用振动分析对气密箱的故障进行了有效甄别。

运用虚拟样机技术对气密箱进行故障仿真与故障诊断分析,可以有效地减少设备故障点的判断时间,提高工作效率,降低生产成本。

我们应用三维实体建模软件Pro/E和机械系统动力学仿真软件ADAMS,建立了某钢铁股份公司炼铁厂无料钟高炉炉顶气密箱的虚拟样机模型,并对其进行运动学仿真分析,得到在不同布料要求下系统的仿真结果,为下一步的动力学仿真和故障诊断奠定了基础。

1　气密箱传动系统的工作原理

无料钟高炉炉顶气密箱主要由旋转电机、倾动电机、行星差动减速器（参见图1,由齿轮3、4、5及系杆H组成）、溜槽倾动末端减速器（参见图1,由齿轮9、蜗杆10和蜗轮11组成,共有左右两个）、布料溜槽等组成。

高炉工作时,电机按照设定程序驱动溜槽机构,使得溜槽既可绕高炉中心线作圆周运动又能进行倾动,同时也可使两种运动联合运转。

从而满足了螺旋、环形、扇形和定点4种基本布料方式的要求。

系统工作原理如图1所示。

图1　无料钟高炉炉顶气密箱系统原理

1、10、12.蜗杆　2、11、13.蜗轮　H.系杆　其余均为齿轮

1.1　溜槽旋转运动当旋转电机工作而倾动电机不工作时,旋转电机驱

动蜗杆蜗轮12和13、齿轮14和15转动,使得与齿轮15固定在一起的旋转圆筒

绕高炉中心线旋转,从而带动鹅头及与固定在鹅头上的布料溜槽等也一起转动。

另

一方面,旋转电机通过蜗杆蜗轮12和13、行星轮系5和4及系杆H、齿轮6、双联齿轮7和8、齿轮9、蜗杆蜗轮10和11的传动,使得溜槽绕高炉中心线旋转。

由于齿圈15和7由同一电机带动,且两个转动的总传动比完全相同,即齿圈15和7作同步运动,此时溜槽只有旋转运动而无倾动。

此时对于由齿轮3、4、5及系杆H组成的2K-H型行星轮系,齿轮3不转动,由太阳轮5到系杆H的传动比i5H为

（1）

1.2　溜槽倾动运动

当旋转电机不工作而倾动电机工作时,倾动电机驱动蜗杆蜗轮1和2、行星轮系3、4和系杆H、齿轮6、双联齿轮7和8、齿轮9、蜗杆蜗轮10和11,使得与蜗轮连接的鹅头旋转,从而驱动固定在鹅头上的布料溜槽绕鹅头中心线倾动。

此过程为一定轴轮系。

此时对于2K-H型行星轮系,齿轮5不转动,由太阳轮3到系杆H的传动比i3H为

（2）

1.3　溜槽旋转和倾动联合运动

当两台电机同时工作时,由于由齿轮3、4、5及系杆H组成的2K-H型行星轮系的差动运动,使得齿轮15和8之间发生差动。

从而使齿轮8和9间产生相对运动,此时溜槽既有旋转运动又有倾动。

为了保持布料溜槽既可单独作旋转运动或倾动,又可两种运动同时进行,只有使其倾动速度nr=0,倾动电机转速n2≠0,通过行星齿轮减速箱的差动作用,使得齿轮15与7的速度相等。

则应满足下列条件

（3）

2　气密箱传动系统的运动分析

2.1　溜槽的传动比分析

溜槽的旋转速度传动比ic为

（4）

溜槽的倾动速度传动比ir为

（5）

经计算,ic为175,ir为3312。

2.2　溜槽的速度分析

溜槽的旋转速度只与旋转电机的转速有关,倾动速度只与倾动电机的转速有关。

无料钟高炉炉顶气密箱的性能参数见表1。

3　虚拟样机的建模

为了提高仿真计算的效率,应在保证所建立的模型尽可能准确的前提下,对模型进行合理的简化[5]。

对于无料钟高炉炉顶气密箱来说,其故障多发部位为行星差动减速器、溜槽倾动末段减速器、支撑齿轮7、8、15及系杆H的轴承,其余零部件发生故障的机率较

小。

因此,在建模时去掉了1和2、12和13两对蜗杆蜗轮传动和右溜槽倾动末段减速器。

3.1　实体建模与装配

在Pro/E中建立各零部件的实体模型并装配。

系统单位设置为mmks,以保证模型能顺利导入到ADAMS中。

气密箱大部分零部件为齿轮,可借助参数方程建构其精确的实体模型。

在装配时,要使齿轮副初始啮合的两齿面尽可能相切,以减小分析误差。

无料钟高炉炉顶气密箱模型如图2所示。

图2　无料钟高炉炉顶气密箱的模型

3.2　定义刚体和施加约束

3.2.1　定义刚体　　

使用专用接口菜单MECH/Pro>SetUpMechanism>RigidBodies,根据简化原则定义刚体。

对于同属于一个子装配件或是其他对象也要构成子装配件时,可将其定义为同一刚体。

3.2.2　施加约束　　

气密箱系统虚拟样机的约束多通过齿轮副来实现。

ADAMS中在定义齿轮副时要求它所

关联的两个转动副具有共同的载体,因此对于定轴轮系传动可选大地为其载体,而行星轮

系则应选择系杆为其载体。

对于齿轮副标记点,因齿轮副啮合时各齿轮的节圆只与实际中心距和齿数有关,则可由齿轮节圆的直径来确定,且要保证其Z轴方向与齿轮副啮合点的运动方向一致。

现以行星差动减速器（参见图1,由齿轮3、4、5及系杆H组成）为例,简要介绍对行星轮系的约束处理方法。

首先分别创建齿轮3、4、5以系杆H为载体的旋转副,再分别创建齿轮3和4及齿轮4和5的标记点,最后分别选择齿轮3和4的旋转副及齿轮3和4的标

记点即可完成齿轮3和4间齿轮副的创建。

用同样的方法可完成齿轮4和5间齿轮副的创建。

五、无钟炉顶布料气密箱改造与维护实践

作为炉顶设备主要组成部件的布料气密箱,其能否正常运转关系到整个高炉冶炼过程的稳定及高炉生产能力的提高。

布料气密箱的运转环境处于高温、高粉尘状态,这种环境直接影响着设备能否正常工作和使用寿命,通过对该设备运转中发现的问题进行完善改造,达到了提高设备使用寿命、减少故障发生的目的。

气密箱采用的配套新技术及其特点

1.1　采用专用循环水冷却系统

气密箱循环水冷却系统如图1所示。

图1　气密箱循环水冷却系统

气密箱专用循环水冷却系统包括储水系统,补水系统,过滤排污系统,二冷水系统,气密箱冷却水系统,及检修氮气系统等组成。

除了整个系统的水流量调节采用手动调节之外,其他所有的参数及控制均在主操作画面中自动完成。

水流量冬天在8～10m3/h,二冷水系统不开;夏天一般控制在12～13m3/h,二冷水视气密箱温度调节为2～12m3/h不等。

反冲洗过滤器每8h自动反冲洗一次,污水直接排进高炉冲渣系统中。

自动补水系统设上下限水位,当达到下限水位时补水系统开始运行,一直补到水位达到储水罐上线水位,整个系统工作正常时一般在8h左右自动补水一次。

当蓄水罐水位因特殊情况超过上线水位时,自动启动排污系统;但当整个系统管道有泄漏时,补水频率增加,通过电脑画面监视24h补水频率可以确定系统是否有泄漏点。

另外,整个系统中气密箱还设有上下水槽水位等监视装置,可以监视水槽水位的具体情况。

整个系统中没有设化学除垢的措施。

但由于整个系统的水处于一个相对封闭的环境中,并配有反

冲洗过滤器,管道的结垢现象发展较缓慢。

以前使用高炉的中压水直接冷却,并且采用文氏洗涤塔后的高炉净煤气气封,气密箱中上下水槽之间的连接管结垢现象严重,每次定修时必须要拆管冲洗,所以后来这一段硬管就改成了一段软管连接,便于在定修中拆管冲洗。

由于新系统依然是软管连接,并保留了定修中拆管冲洗的模式,使用情况有了较大的改善。

1.2　采用干油自动润滑及手动润滑的润滑方式（图2）

图2　气密箱自动润滑系统示意图

整个自动润滑系统由加油泵,润滑泵,两位四通电磁换向阀,管道,分配器及压差开关构成。

以前直接将干油加进润滑泵中,在油中的杂质没有办法过滤,并且润滑泵的储油桶太小,往储油桶中加油比较频繁,油质中杂质含量没有办法得到保证。

通过采用加油泵系统加润滑泵系统的模式,并且两系统连接管路上设有干油过滤器,这完全能保证进入润滑泵系统的干油的油质达到使用要求。

气密箱的加油是采用A、B管路压力转换分配器实现加油的。

每次一个加油点的加油量为15ml,并且分配器可以通过一个监控开关进入中控室主操作系统来监视分配器的工作状态。

A、B管路的换向是通过系统末端的压差开关实现控制的。

整个系统的最高系统压力为5MPa,当系统压力达到5MPa时,由压差开关来控制系统换向及停泵。

整个自动润滑系统使用效果非常好,基本上克服了以前每2天需人工加油一次的弊端,并且很少使用预留的手动润滑系统。

六、结论

炼铁厂经过采取措施对布料气密箱进行改造和维护后，其使用寿命不断提高，但在配套行星减速器主轴密封上，仍存在着寿命短、与整体布料气密箱使用寿命不同步，气密箱的中心喉管料磨损寿命与整体气密箱不匹配等问题。

增加中心喉管耐磨性、减速机主轴密封材料的选择和结构需要继续摸索和研究，从而整体提高布料气密箱的使用寿命。

七、参考文献:

1.《炼铁机械》作者：

严允进1981年7月第一版

2.姜文革故障诊断技术在大型高炉布料设备中的应用【D】武汉2001.5——10

3.杨柳高炉炉顶布料溜槽传动齿轮箱故障诊断分析【D】武汉2005.1——2

4.谢江华高立新.高炉布料器齿轮箱回转支承故障诊断[J].湖北工学院学报,2004.19（4）:

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5.刘玉田.宝钢2号高炉无料钟水冷齿轮箱结构简介[J].冶金设备,1992（6）:

17-20.

6.杜秀菊,王兴贵.基于行驶仿真试验的行星减速机动力学仿真[J].机械传动,2006,30

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7.高秀华,李炎亮,邓洪超,等.机械三维动态设计仿真技术-Pro/ENGINEER和Pro/MECHANICA应用[M].北京:

化学工业出版社,2003:

230-251.

7.李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:

国防工业出版社,2006:

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