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遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計 第39頁
高爐無料鐘爐頂下密封閥
和下節(jié)流閥的設計
摘 要
煉鐵是鋼鐵生產中的一個重要環(huán)節(jié)，生產出產品（主要是生鐵）的質量和產量直接影響到煉鋼生產。高爐生產是獲得大量生鐵的主要手段。然而隨著高爐冶煉技術的發(fā)展，傳統(tǒng)爐頂仍然存在著設備復雜、密封性能差和氮氣使用量高等缺點。本文介紹了高爐無料鐘爐頂裝料布料裝置的概況，在高爐頂部，爐頂裝料設備是用來裝料入爐并使爐料在爐內合理分布，同時起到爐頂密封作用的設備。而高爐無料鐘爐頂中的密封閥、料流調節(jié)閥關鍵設備的結構特點并對所存在的問題進行研究與探討。本次設計的主要內容有：傳動方案的比較及方案的確定,電機和液壓缸的選擇與驗算，減速機、軸、鍵的選擇與校核和潤滑等內容。本裝置的設計簡化了爐頂結構，提高了爐頂布料裝置的可靠性、密封性，降低了經濟成本，對于今后高爐爐頂設備的研究，提供了新的思路。
關鍵詞：無料鐘爐頂，裝料布料裝置，密封閥，節(jié)流閥
Abstrct
Iron-smelting iron and steel production is an important aspect of producing products (mainly iron) the quality and yield a direct impact on steel production. Blast furnace pig iron production is heavily the primary means. In the blast furnace at the top, top loading equipment is used to loading into the furnace and the furnace charge a reasonable distribution, and to play a top role in sealing the equipment. However, with blast furnace smelting technology development, there are still top of traditional complex equipment, poor performance sealed and nitrogen use of the Higher shortcomings. This paper describes the blast furnace of bell-less top fabric loading device profile, in blast furnace at the top, top loading equipment into the furnace is used for loading and charge a reasonable distribution in the furnace, while a top role in sealing Equipment. The blast furnace of bell-less top of the valve seals, material flow control valve key equipment and the structural characteristics of the problems existing research and study. The design elements include: Drive for comparison and for sure, the electrical and hydraulic cylinders and the choice of checking, reducer, reel, and the choice of key check and lubrication, and other content. This device simplifies the design of the top structure, improve the reliability of the device fabric top, seal and reduce the economic costs, the future of blast furnace top equipment, providing a new way of thinking.
Key words: bell-less top，fabric loading device，ealing valve，aterial flow valve
目 錄
摘 要 I
Abstrct II
1緒論 1
1.1選題的背景和目的 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 選題的目的 1
1.2 現(xiàn)代高爐的發(fā)展和發(fā)展前景 1
1.3 無料鐘爐頂設備的優(yōu)越性 2
1.4 高爐爐頂工作原理和操作 3
1.4.1 無料鐘高爐爐頂的組成 3
1.4.2 無料鐘高爐爐頂的布料過程 3
1.4.3 無料鐘高爐爐頂的研究意義及發(fā)展方向 6
1.5 高爐爐頂密封閥與節(jié)流閥的概述 6
1.5.1 密封閥結構特征和用途 6
1.5.2 下節(jié)流閥與下密封閥作用 7
1.6 本課題設計的主要內容 8
2 總體方案設計 9
2.1 高爐的主要結構和作用 9
2.2 高爐主要設備的設計特點 10
2.2.1 布料器 10
2.2.2 料罐 11
2.2.3料流調節(jié)閥 11
2.2.4下密封閥 12
2.2.5 無料鐘爐頂在技術上的優(yōu)、缺點 12
2.3 具體方案的確定 15
2.3.1 下節(jié)流閥運動方案的確定 15
2.3.2 下節(jié)流閥傳動方案的確定 15
2.3.3 下密封閥運動方案的確定 15
2.3.4 下密封閥傳動方案的確定 15
2.2.5 下密封閥的性能 15
2.4無料鐘爐頂特點 16
3 下節(jié)流閥的設計計算 17
3.1 下節(jié)流閥驅動行程的計算 17
3.2 軸的校核 18
3.2 精確校核軸的疲勞強度 21
3.3 鍵的選擇和校核 24
3.3.1 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸 24
3.3.2 校核鍵聯(lián)接的強度 24
3.4 花鍵的校核 24
3.5 滾筒電機的選擇 26
4 下密封閥的設計計算 27
4.1 下密封閥中液壓缸的設計選取 27
4.2 下密軸的強度校核 29
4.3 平鍵校核 32
5 潤滑方法的選擇 33
5.1 潤滑 33
5.1.1 減速器的潤滑 33
5.1.2 下密封閥潤滑方式選擇 34
5.1.3 下節(jié)流閥潤滑方式選擇 34
6 設備可靠性與經濟性分析 35
6.1 設備的可靠性 35
6.2 設備的經濟可行性分析 35
結 束 語 36
致 謝 38
參考文獻 39
1緒論
1.1選題的背景和目的
1.1.1 選題背景
在國民經濟快速發(fā)展的拉動下，中國鋼鐵工業(yè)進入快速發(fā)展階段，這也帶動了高爐煉鐵的快速發(fā)展。伴隨著中國生鐵產量的高速增長，中國高爐煉鐵技術水平也取得了一定進展。南京博物院1959年6月在徐州利國驛峒山北400米處微山湖的南岸，清理漢代煉鐵爐的遺跡。1970年8月，九四二四廠(后易名為上海梅山冶金公司)一座1060立方米高爐 出鐵。翌年5月18日第二座同容積高爐建成投產。1976年6—11月，南鋼一號高爐(300立方米)大修期間對槽下上料設備徹底改造 取消小行車 、稱量車，代之以鏈板機、皮帶機、電動翻板、電子秤稱量斗，實現(xiàn)上料系統(tǒng)遠距離集中控制操作。1985、1986年，上海梅山冶金公司兩座高爐進行大修改造。二號高爐爐容擴大 到1250立方米，成為江蘇之最。大修后的熱風爐為改進內燃型，采用集中送風，并有煙氣預熱回收系統(tǒng)。一號高爐用熱管式換熱器預熱助燃空氣，二號高爐用分離式 熱管預熱助燃空氣和煤氣。1987年全廠平均風溫達到1083℃，創(chuàng)歷史水平。其中一號高爐年平均風溫達到1111℃，為國內最好水平。泥炮和堵渣機亦由電動改為液壓 傳動，堵口時推力增大，從而增加了可靠性。目前，我國高爐煉鐵也由原來的鐘式爐頂逐漸被無料鐘爐頂所代替[1]。
1.1.2 選題的目的
高爐煉鐵一直是重要的煉鐵工藝，也是技術進步和創(chuàng)新的重要領域。近年來，隨著高爐設備的水平不斷提高，中型、小型高爐逐漸被大型、巨型高爐代替。這就要求高爐煉鐵技術在高爐裝備提高噴煤比、延長高爐壽命、提高高爐原燃料質量、改進高爐操作等方面要有明顯的進步。中國高爐煉鐵在高效、低耗、長壽、優(yōu)化操作技術等方面取得了進步。但是，精料技術、噴吹煤粉、熱風溫度等方面是呈下降態(tài)勢。近年來，大型高爐生產技術水平，取得了明顯進步，寶鋼、馬鋼、上鋼一廠、鞍鋼、首鋼等企業(yè)大高爐利用系數和燃料比等指標已達到先進水平。今后要進一步改善原燃料質量和提高熱風溫度[2]。
1.2 現(xiàn)代高爐的發(fā)展和發(fā)展前景
高爐大型化、現(xiàn)代化要求，促使世界各國對高爐爐頂裝料布料裝置進行了各種探討和開發(fā)。早在20世紀70年代初期，先后由盧森堡、西德、蘇聯(lián)等國對爐頂實現(xiàn)無料鐘布料，作出了種種設想和嘗試。無料鐘爐頂與有料鐘爐頂裝料設備相比，具有布料靈活、重量輕、維修方便，而且密封性能好等特點，給高壓爐頂提供了優(yōu)秀的條件。因此在新建、改建的高爐上都選用了無料鐘布料裝置[3]。
隨著高爐大型化和冶煉強度的提高, 爐頂裝料設備的性能也要求相應提高。設備結構的合理性、裝備的選進性直接影響著高爐的產量和產品質量?，F(xiàn)有高爐設備的結構及零部件有些已不能滿足這種要求, 迫切需要改進。目前世界上大型高爐爐頂裝料設備形式多樣,有并罐無料鐘、串罐無料鐘、三罐無料鐘及雙鐘四閥型等,這幾種形式的無料鐘各有其特點,都能滿足高爐正常生產要求。其中串罐無料鐘占主導地位。目前新建或改擴建的大型高爐上,基本上采用串罐無料鐘爐頂。隨著高爐操作穩(wěn)定及長壽,無料鐘爐頂的布料控制優(yōu)越性充分顯露出來。
1.3 無料鐘爐頂設備的優(yōu)越性
無料鐘爐頂裝置與以前的鐘式爐頂或鐘閥式加活動爐喉板的裝料設備相比具有很大的優(yōu)越性，一是布料靈活，有利于改善布料，提高煤氣利用率；二是密封性好，有利于爐頂壓力；三是維護方便，有利于提高高爐作業(yè)率。因此，自無料鐘爐頂設備問世以來，迅速在各國高爐上推廣應用，我國各大鋼鐵廠高爐也相繼采用，先后由首鋼、梅山、重鋼、攀鋼、唐鋼、寶鋼、鞍鋼、武鋼、馬鋼、等廠裝備了無料鐘爐頂裝料裝置。我國高爐設備，通過多年的引進、研制、開發(fā)，完全可用國內技術設計、制造。
無料鐘高爐爐頂技術從70年代發(fā)展到現(xiàn)在已日益完善,目前世界上大型高爐爐頂裝料設備形式多樣,有并罐無料鐘、串罐無料鐘型等,這幾種形式的無料鐘各有其特點,都能滿足高爐正常生產要求。其中串罐無料鐘占主導地位。目前新建或改擴建的大型高爐上,基本上采用串罐無料鐘爐頂。隨著高爐操作穩(wěn)定及長壽,無料鐘爐頂的布料控制優(yōu)越性充分顯露出來。串罐顧名是思義是罐上下串通的，而且并罐是兩個罐并列放置的形式。由于形式不同，串罐形式要少一套上、下密封閥和一個下料流閥、更重要的是串罐形式的冶煉工藝上，具有布料偏析小，稱量正確的優(yōu)點。正因為這樣，對于現(xiàn)代高爐冶煉來說，實現(xiàn)正確下料控制的計算機功能易于實施，也是串罐無料鐘爐頂，在世界各地紛紛采用的主要原因。我國寶鋼二號高爐、一號高爐易地大修的高爐、鞍鋼、馬鋼的大型高爐也先后引進一部分盧森堡技術和裝備。在國內首批實現(xiàn)高度自動化的串罐式無料鐘爐頂[4]。
1.4 高爐爐頂工作原理和操作
1.4.1 無料鐘高爐爐頂的組成
高爐無料鐘爐頂主要由受料漏斗、上節(jié)流閥、上密封閥及料罐、下節(jié)流閥、下密封閥、布料器等六部分構成。為了能夠交替地往兩個料罐裝料，受料漏斗做成可以移動的。每個密封罐的容積約為半批料（相當于料車上料時兩車料）。在料罐的頂部和下部設有密封閥起爐頂密封作用。每個料罐獨有均壓設備。在下密封閥的上面設有料流調節(jié)閘門，可以控制原料流量。布料器的溜槽可以繞高爐中心線進行轉動，溜槽的傾角可以調節(jié)。完成高爐圓周布料和徑向布料，結構總圖如圖1.1所示[5]。
1.4.2 無料鐘高爐爐頂的布料過程
開上密封閥→料車上料一批→料罐料滿→關上密閥→均壓煤氣壓力、開下密閥下料→下料完成→下密閥關→排壓閥開→排空料罐煤氣→開上密封閥→循環(huán)往復
圖1.1 高爐無料鐘爐頂裝料裝置總圖
無料鐘爐頂布料的具體操作過程如下：當稱量料罐需要裝料時，料車移動到爐頂受料漏斗上，由料車卷揚機的主令控制器釋放相應的觸點，使料罐的放散閥打開，然后打開上密封閥，此時下密封是關閉的。當第一車料裝入稱量料罐后，關閉上密封和放散閥。為了減小下密封閥的壓力差，打開均壓閥使料罐內充入均壓煤氣。此時第二車料已到爐頂，然后把料罐內的煤氣放散掉，打開上密封。同樣的方式進行裝料入罐。關閉上密封，再次進行均壓，等待往爐內裝料。裝料順序一般是一次礦石、一次焦炭，形成一批料，當料線到需要裝料的位置時，發(fā)出裝料入爐的信號，探尺自動提升到最高位置，同時布料器啟動旋轉，在料罐均壓 正常的情況下打開下密封閥。當旋轉溜槽轉到預定的開始布料位置時，布料器控制系統(tǒng)使一個觸點動作，使料流調節(jié)閥的閘口打開到規(guī)定的開口度，原料按預定的卸料方式、時間往爐內布料。料流調節(jié)閥開度的大小不同可獲得不同的料流速度，一般是卸球團礦時開度小些，卸燒結礦時開度大些，卸焦炭開度最大。規(guī)定的卸料時間是根據旋轉的轉速，料罐內原料的體積，使每次布料達到10 圈左右的料層數目。當料罐“卸空”信號由測力儀 （電子秤）或同位素探測發(fā)出后，先完全打開料流調節(jié)閥，以防卡料，而后料流控制閘門和下密封閥相繼關閉，放散罐內的壓力，準備接受下一批料。在此同時，旋轉溜槽轉到停機位置，躲開探料設備的工作。如此反復，其布料工藝流程如圖1.2[6]。
圖2.2 無料鐘爐頂裝料設備工藝流程圖
1.4.3 無料鐘高爐爐頂的研究意義及發(fā)展方向
今天的無料鐘式爐頂，工藝日趨完善，密封愈加嚴密，布料方式更加合理，效率越來越高，成本越來越低。然而無料鐘爐頂也存在如下缺點：設備笨重、結構復雜、傳動效率低。爐頂布料裝置的通病是密封性能差，氮氣消耗量大，生產成本高，所以通過對高爐爐頂結構和性能的分析進行設計并進一步的對其進行改進，使其更加適應當今大規(guī)模的生產，從而提高工作效率。研究方向主要集中在繼續(xù)提高爐頂設備使用率、合理利用資源、實現(xiàn)超高噴煤，進一步延長爐役壽命和環(huán)境保護等幾個領域，進而不斷提高高爐生產效率和設備使用率，降低能耗，有效保護環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[7] 。
1.5 高爐爐頂密封閥與節(jié)流閥的概述
隨著高爐生產獲得更大經濟效益的同時，對其爐頂的裝料設備的機械性能的要求也越來越嚴格，在均排壓系統(tǒng)能正常工作的條件下，上下密封閥密封效果的好壞直接影響高爐高壓操作工藝。
1.5.1密封閥結構特征和用途
密封閥的結構特征：
結構簡單:分為幾個單獨閥門，每個閥門為獨立液壓油缸控制開關,閥門為旋開閥,密封件、密封面不與料流接觸;
體積小、重量輕:單個閥體 1.5噸左右箱式結構、體積小。安裝、更換、維護方便,并且傳動結構均在外部,便于檢查、維修;
密封好、壽命長、頂壓提高,整體閥門密封性能良好,工作壓力為 150kPa、整體壽命為一代爐齡。
密封閥的用途：是安裝在料罐爐料進口處，下密封閥安裝在料罐下料口處用來對料罐進行煤氣密封，以保證高爐的帶壓操作。密封效果不好會引起煤氣泄露，漏出的煤氣不但會使維護爐頂人員中毒，而且夾帶著大量爐料、粉塵的煤氣對其他設備的接觸面都產生強烈的磨損，煤氣泄漏所造成的設備損壞是爐頂設備損壞的普遍現(xiàn)象，也是爐頂設備損壞的主要原因。爐頂設備造價很高，而且更換爐頂設備需要耗費大量人力物力財力。因此，保證密封性就能保證了高爐的順利生產。由于上、下密封閥長期在高溫、大負荷以及粉塵、爐料、煤氣的沖刷腐蝕等惡劣工況下工作，因此要求上、下密封閥具有相當高的密封閥[8]。
1.5.2 下節(jié)流閥與下密封閥作用
下節(jié)流閥的閥板和滾筒用兩個電機分別驅動的方法，控制合適的閥門開度，以達到控制料流的目的。該節(jié)流閥安裝于高壓儲料罐的排料口之下，它有一個外殼密封箱，上與高壓儲料罐相連，下與下密封閥箱相接。其內部是一個滾筒給料機，該滾筒給料機包括一個扇形閥、滾筒、閥芯過料管，以及位于閥箱外面的扇形閥驅動裝置和滾筒驅動裝置。通過調整扇形閥的開度和滾筒的轉速，達到控制高壓儲料罐的排料速度以調節(jié)料流的目的。節(jié)流閥具有以下特點：1、構造較簡單，便于制造和維修，成本低。2、調節(jié)精度不高，不能作調節(jié)使用。3、密封面易沖蝕，不能作切斷介質用。4、密封性好較差。如圖1.2
下密封閥是靠2個液壓缸來完成閥的開閉動作。閥的開啟和關閉均由2個動作來完成 ,即閥的傾動和旋轉。閥的傾動是由傾動液壓缸動作完成的它使閥板從閥座上脫開 ,以避免閥板密封面在轉動時產生滑動摩擦。閥的旋轉是由旋轉液壓缸動作完成的 ,它使閥板繞空心轉臂旋轉一定的角度 ,以避免閥板被料流沖刷。如圖1.3
圖1.2 下節(jié)流閥
圖1.3 下密封閥
1.6 本課題設計的主要內容
本畢業(yè)設計課題名稱為：高爐無料鐘爐頂下密封閥和下節(jié)流閥設計，基于這一課題，首先詳盡了解高爐無料鐘的爐頂設計，通過結構和性能的分析進一步完成本次課題，為滿足現(xiàn)在高爐煉鐵的大規(guī)模生產，并能滿足降低成本，提高效率和效益。本次課題設計的主要內容大致如下：
1. 大量收集與本課題相關的國內外資料，整理資料內容，分析各種高爐爐頂的結構設計方案，比較爐頂裝料設備的優(yōu)缺點。并了解高爐爐頂的裝料設備在國內外的應用情況及發(fā)展動態(tài)，掌握密封閥和節(jié)流閥的類型、特點、應用范圍，工作原理、傳動方式和結構特點。
2. 針對爐頂裝置的現(xiàn)存情況，對無料鐘爐頂裝置進行分析，設計高爐無料鐘爐頂下節(jié)流閥和下密封閥。目的延長設備的使用壽命，降低生產成本，提高工作效率，減小環(huán)境污染，增加效益。
3. 擬定下節(jié)流閥和下密封閥的設計方案并進行優(yōu)化設計，選擇最佳的設計方案，對下節(jié)流閥的電機和下密封閥的液壓缸進行設計選擇，并對其進行校核，確定所選擇的電機和液壓缸滿足所需要求。
4. 對下節(jié)流閥和下密封閥的零、部件進行設計計算。并對其中重要的零、部件進行校核計算。確保下節(jié)流閥和下密封閥在工作中安全、可靠。
5. 對所設計的下節(jié)流閥和下密封閥進行經濟性分析[9][10]。
2 總體方案設計
2.1 高爐的主要結構和作用
高爐用于冶煉液態(tài)鐵水的主要設備。其橫斷面為圓形的煉鐵豎爐，用鋼板作爐殼，里面砌耐火磚內襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸五部分。護喉之上設置裝料設備；爐缸上部沿圓周均勻設風口，熱風通過熱風圍管、支管和彎頭、直吹管，由風口鼓入爐內；風口平面之下有出渣口和出鐵口。近代巨型高爐由于渣量少，不設出渣口。
高爐的主要組成部分:
高爐爐殼：現(xiàn)代化高爐廣泛使用焊接的鋼板爐殼，只有極少數最小的土高爐才用鋼箍加固的磚殼。爐殼的作用是固定冷卻設備，保證高爐砌體牢固，密封爐體，有的還承受爐頂載荷。
爐喉：高爐本體的最上部分，呈圓筒形。爐喉既是爐料的加入口，也是煤氣的導出口。它對爐料和煤氣的上部分布起控制和調節(jié)作用。爐喉直徑應和爐缸直徑、爐腰直徑及大鐘直徑比例適當。
爐身：高爐鐵礦石間接還原的主要區(qū)域，呈圓錐臺簡稱圓臺形，由上向下逐漸擴大，用以使爐料在遇熱發(fā)生體積膨脹后不致形成料拱，并減小爐料下降阻找力。
爐腰：高爐直徑最大的部位。它使爐身和爐腹得以合理過渡。由于在爐腰部位有爐渣形成，并且粘稠的初成渣會使爐料透氣性惡化，為減小煤氣流的阻力，在渣量大時可適當擴大爐腰直徑。
爐腹：高爐熔化和造渣的主要區(qū)段，呈倒錐臺形。為適應爐料熔化后體積收縮的特點，其直徑自上而下逐漸縮小，形成一定的爐腹角。
爐缸：高爐燃料燃燒、渣鐵反應和貯存及排放區(qū)域，呈圓筒形。
爐底：高爐爐底砌體不僅要承受爐料、渣液及鐵水的靜壓力，而且受到1400～4600℃的高溫、機械和化學侵蝕、其侵蝕程度決定著高爐的一代壽命。
爐基：它的作用是將所集中承擔的重量按照地層承載能力均勻地傳給地層，因而其形狀都是向下擴大的。高爐和爐基的總重量常為高爐容積的10～18倍（噸）。
爐襯：高爐爐襯組成高爐的工作空間，并起到減少高爐熱損失、保護爐殼和其它金屬結構免受熱應力和化學侵蝕的作用。爐襯是用能夠抵抗高溫作用的耐火材料砌筑而成的。
爐喉護板：爐喉在爐料頻繁撞擊和高溫的煤氣流沖刷下，工作條件十分惡劣，維護其圓筒形狀不被破壞是高爐上部調節(jié)的先決條件。為此，在爐喉設置保護板（鋼磚）[11]。
2.2 高爐主要設備的設計特點
2.2.1 布料器
布料器主要由氣密箱、布料溜槽、傳動裝置等組成。布料裝置是整個爐頂裝料設備的核心，其運動分為溜槽的軸向旋轉與徑向傾動，二者既可以單獨實現(xiàn)，又可以同時實現(xiàn)即為螺旋運動。布料器的旋轉漏斗由內外漏斗組成。外漏斗由鑄鋼ZG35制成，下部圓筒部分也可用厚鋼板卷成悍成。圓筒外表面需光滑加工，以減少填料密封的摩擦阻力和保證較好的密封效果。內漏斗由上下兩部分組成。上部是焊接件，其內表面用錳鋼板保護。
布料器的轉速公式 為了圓周均勻布料，布料器溜槽要有一定的轉速。該轉速由主電機n傳遞，與副電機無關。設溜槽的轉速為n,則
n=
設計時，布料器的轉速n由基本參數的計算確定，然后選擇足夠功率的交流或直流電動機，再根據上述公式分配速比[12]。
2.2.2 料罐
料罐，其作用是接受和貯存爐料。隨著無料鐘爐頂的廣泛使用和不斷改進，不僅設備結構有了很大變化，并且在總體布置上也出現(xiàn)了多種型式，概括起來大致可分為并罐式、串罐式和串并罐式三種。
并罐式無料鐘爐頂是由兩個并列的料罐布置在高爐中心線兩側，料批由帶式上料機輸送到爐頂，經過移動小車裝入料罐。
串罐式無料鐘爐頂是由布置在高爐中心線上的旋轉料罐和其下的密封料罐串聯(lián)形成。缺點是密封閥操縱機構的尺寸過于龐大。
串并罐式無料鐘爐頂是由至少兩個并列的受料罐和相應數量的上波紋管、上節(jié)流閥和上密封閥與一個中心料罐串聯(lián)形成上、下兩層貯料罐，組織料批進行裝料[13]。
2.2.3料流調節(jié)閥
料流調節(jié)閥是無料鐘爐頂中控制單位時間內料流量的關鍵設備，它與布料器溜槽進行合理配合達到各種布料的要求。該料流調節(jié)閥安裝于高壓儲料罐的排料口之下，下密封閥之上，它有一個外殼密封箱，上與高壓儲料罐相連，下與下密封閥箱相接。其內部是一個滾筒給料機，該滾筒給料機包括一個扇形閥、滾筒、閥芯過料管，以及位于閥箱外面的扇形閥驅動裝置和滾筒驅動裝置。通過調整扇形閥的開度和滾筒的轉速，達到控制高壓儲料罐的排料速度以調節(jié)料流的目的。料流調節(jié)閥（簡稱節(jié)流閥）的閥板和滾筒用兩個電機分別驅動的方法，控制合適的閥門開度，以達到控制料流的目的。如圖2.1
1.滾筒 2.扇形閥板3.箱體
圖2.1 下料流調節(jié)閥結構圖
2.2.4 下密封閥
下密封閥安裝于下閥箱內下料閘下面，它與上密封閥、均壓閥及均壓放散閥、料流調節(jié)閥共同配合完成爐內下料和保證高爐裝料裝置的高壓密封，是保證爐頂高壓的關鍵設備之一，它必須具有良好的高壓密封性能，實現(xiàn)爐頂高壓操作。溜槽布料器的上、下密封閥直徑很小，又嵌有彈性良好的橡膠密封圈，密封性能良好，能承受高壓操作。下密封閥上部有一個節(jié) 流閥承受罐內爐料重量，密封閥只管密封，不與爐料接觸，因此閥體壽命長，密封有保證。因此無鐘布料在國內外得到了廣泛的應用。上密封閥與下密封閥的工作原理基本上是相同的 ,均是靠2個液壓缸來完成閥的開閉動作。閥的開啟和關閉均由2個動作來完成 ,即閥的傾動和旋轉。閥的傾動是由傾動液壓缸動作完成的 ,它使閥板從閥座上脫開 ,以避免閥板密封面在轉動時產生滑動摩擦。閥的旋轉是由旋轉液壓缸動作完成的 ,它使閥板繞空心轉臂旋轉一定的角度 ,以避免閥板被料流沖刷。閥的關閉動作與閥的開啟動作相反進行。液壓缸的行程終點均設有接近開關 ,與其他相關設備進行自動聯(lián)鎖操作[14]。如圖2.2
1、下法蘭組件 2、下密封閥座 3、閥板組件 4、曲柄
圖2.2 密封閥結構圖
2.2.5 無料鐘爐頂在技術上的優(yōu)、缺點
無鐘爐頂自從70 年代初出現(xiàn)以來, 實踐證明有以下優(yōu)點：1 布料靈活；2 密封可靠, 有利于提高爐頂壓力；3 結構先進, 設備采用積木式和小型化, 規(guī)格系列化, 具有一定的互換性, 維修更換方便；4 壽命長, 自動化程度高。
這些優(yōu)點在大高爐上得到了充分的體現(xiàn), 使無料鐘爐頂在 1000m以上高爐上得到了迅速推廣。無料鐘爐頂按料罐的布置方式可分為并罐和串罐兩種, 其結構如圖2.3
圖 2.3 并罐無鐘爐頂示意圖
并罐和串罐無料鐘爐頂從膨脹節(jié)以下部位是相同的, 水冷傳動箱均采用水冷氣封, 設獨立的閉路循環(huán)水冷系統(tǒng)。并罐無鐘比串罐無鐘爐頂設備多了一個料罐, 并要多設一套均壓放散系統(tǒng), 因此其上料作業(yè)率要高于串罐無鐘爐頂,休風率低于串罐無鐘爐頂[15]。如圖2.4
圖2.4 串罐無鐘爐頂示意圖
無料鐘爐頂在大高爐上占絕對優(yōu)勢, 國內并罐與串罐并存, 并罐在布料上存在不可避免的偏析問題, 出現(xiàn)“蛇形”現(xiàn)象, 特別是特大型高爐使爐料在高爐圓周方向上分布不均勻, 產生偏析, 因而影響煤氣流的合理分布,并且“蛇形”現(xiàn)象對中心喉管磨損嚴重, 目前, 在并罐無料鐘爐頂上安裝了對中裝置后, 雖然對布料效果有所改善, 但仍然還存在著一定的問題。[25]最近有研究表明, 并罐無料鐘的布料偏析和“蛇形”布料, 造成小粒度料先行, 大粒度料后行, 布料中將小粒度布在靠爐壁一側, 大粒度料布在中心, 發(fā)展了中心氣流, 抑制邊緣氣流, 一方面保護了爐壁, 提高了高爐的壽命, 另一方面有利于高爐順行。但串罐無料鐘爐頂由于料罐中設有插入件, 出現(xiàn)了大料先行, 小料后行的現(xiàn)象, 發(fā)展了邊緣氣流, 抑制中心氣流, 不利于高爐順行和長壽。以料車上料為例, 無料鐘爐頂料罐有效容積一般按料車有效容積的 3 倍考慮, 串罐無料鐘爐頂上料罐的有效容積與密封料罐的有效容積相同。
在中小型高爐上, 由于受物料水力半徑的影響,“下料不暢或卡料”成為無鐘爐頂縮小尺寸的一個制約因素, 料流調節(jié)閥、中心喉管等部件的尺寸縮小受到限制, 以至于在小高爐上出現(xiàn)了布料圈數過少等現(xiàn)象, 小高爐裝燒結礦時, 布料圈數會更少, 布料時間更短, 布料的均勻性就差。因此小高爐設計中要加快布料溜槽回轉速度, 使溜槽吊掛機構的動負荷增加。布料速度加快, 還會出現(xiàn)在斷面為半圓的溜槽上料從溜槽側面溜出的現(xiàn)象, 這是很不利的[16]。
2.3 具體方案的確定
2.3.1 下節(jié)流閥運動方案的確定
下節(jié)流閥的運動是靠扇形閥板與滾筒的配合來實現(xiàn)的。節(jié)流閥的扇形閥板是由花鍵軸和花鍵軸套來驅動的，通過調整扇形閥的開度和滾筒的轉速，達到控制高壓儲料罐的排料速度以調節(jié)料流的目的。
2.3.2 下節(jié)流閥傳動方案的確定
下節(jié)流閥設計成花鍵軸與花鍵軸套形式，通過調整扇形閥板的開度和滾筒的轉速來實現(xiàn)節(jié)流作用，應選擇承載能力高，對中性好，導向性好，應力集中較小的花鍵形式，又因為矩形花鍵強度削弱小，加工方便，故取矩形花鍵軸和矩形花鍵軸套，載荷較輕故選擇靜聯(lián)接形式。
2.3.3 下密封閥運動方案的確定
下密封閥安裝在稱量罐下部，溜槽布料器的下密封閥直徑很小，又嵌有彈性良好的橡膠密封圈，密封性能良好，能適應高壓操作。下密封閥的工作原理是借助曲柄轉動帶動閥板，使閥板上的橡膠圈與密封閥座緊密結合，封住來自上部的壓力煤氣，從而達到密封效果。
2.3.4 下密封閥傳動方案的確定
下密封閥采用液壓缸加曲柄形式傳動。液壓缸驅動曲柄繞下密封軸轉動，使曲柄帶動閥板開啟和關閉，從而閥板上的密封圈起到了對料罐的密封作用。因為，閥座上有氣體吹掃孔，在閥蓋將要關閉時吹去膠圈上的爐料顆粒，使閥座保持相對干凈。以提高橡膠圈的使用壽命，密封閥只管密封，不與爐料接觸，因此閥體壽命長，密封有保證。
2.2.5 下密封閥的性能
采用液壓缸加曲柄形式傳動，其優(yōu)點是：其優(yōu)點是機構小巧,設備重量輕,結構簡化,節(jié)省投資。最重要的是啟閉料鐘平穩(wěn), 運行中能自動防止過載, 并能通過節(jié)流閥調節(jié)料鐘的升降速度。液壓傳動裝置減輕了爐頂設備總重, 降低爐頂高度, 從而減輕爐頂鋼結構的重量，有利于環(huán)保, 降低粉塵, 改善環(huán)境。
2.4無料鐘爐頂特點
針對現(xiàn)有爐頂裝料裝置存在的問題，對新型無料鐘爐頂裝料裝置進行了設計，內容包括布料器傳動機構的設計，布料器密封與冷卻機構的設計和裝料裝置其它機構（包括受料漏斗、料罐、截流閥、料流調節(jié)閥和上、下密封閥）的設計。設計中把溜槽的驅動機構設置在了爐外，避免爐內高溫的破壞，延長設備的使用壽命，使設備運行更為安全，同時減少了耗氮量，降低了成本。
新型無料鐘爐頂的設計具有結構設計合理、傳動效率高、密封性能好、布料靈活等優(yōu)點，能滿足高爐冶煉的要求。其布料裝置的傳動方式、密封和冷卻方式合理、可行[17]。
3 下節(jié)流閥的設計計算
3.1 下節(jié)流閥驅動行程的計算
電動機分為交流電動機和直流電動機兩種。由于直流電動機需要直流電源，結構較復雜，價格較貴，維護比較不便，因此無特殊要求時不宜采用。
生產單位一般用三相籠型和繞線型兩種，其中以普通籠型異步電動機應用最多。
電動機類型要根據電源種類（交流或直流），工作條件（溫度、環(huán)境、空間位置尺寸等），載荷特點（變化性質、大小和過載情況），起動性能和起動、制動反轉的頻繁程度，轉速高低和調速高低和調速性能要求等條件來確定。
爐料選用鐵磁礦，查文獻[17，8-250]，其堆密度為4 ,料罐有效容積：5m
取扇形閥板運動速度;
滑動摩擦系數 f=0.15 (無潤滑劑)，查文獻[18，8-134]表8-9
扇形閥半徑; 對下節(jié)流閥扇形閥板產生力矩作用的爐料體積近似為：Vmm3=0.254m3 ;
;
==9956.8
選電動機：
按工作要求及工作條件選用三相異步電動機，封閉式機構，電壓380V，Y系列
傳動裝置總效率 按表4-2-9?。?
減速器效率
滾動軸承效率 0.99
半聯(lián)軸器效率 0.99
則傳動總效率
所需電動機功率 P=
查機械設計課程設計手冊表4.12-1，可選Y系列三相異步電動機Y90L-4
額定功率 滿載轉速 ， 查文獻[5] 表3.2-11，減速器傳動比。
傳動軸轉速：
3.2 軸的校核
由于花鍵軸的受力較大，并要求限制其尺寸與重量，需提高其耐磨性，以及處于較惡劣條件下工作，所以采用45#鋼，為提高其強度（尤其是疲勞強度）和耐磨性，對其進行調質處理。
驅動端半軸上的功率P，轉速n和轉矩T
若軸承效率 。
減速器效率 。
聯(lián)軸器效率 。
則
轉矩： T=9550
取
根據軸的結構圖作出軸的計算簡圖如圖3.1：
圖3.1 軸的計算簡圖
水平面：根據
垂直面： 根據
在V面內的最大彎矩
=
=1632
在H面內的最大彎矩
軸所受最大的彎矩出現(xiàn)在B處
=
=3895
按彎矩合成應力校核軸的強度：
進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面B）的強度。根據文獻[14，15-373]中式(15-5)及以上所算數據，扭矩切應力為脈沖循環(huán)變應力，則。
軸的計算應力：
=
=54.19MPa
前已選定軸的材料為45，調質處理 ，由文獻[14，15-362]中表15-1查得，
因此 ]，故安全。
3.2 精確校核軸的疲勞強度
判斷危險截面
從軸的載荷分析圖和軸系的布局可以判斷出，由于Ⅲ處有應力集中，故該處為危險截面。
危險截面的疲勞強度校核
（1）Ⅲ截面右側
抗彎截面系數
抗扭截面系數
Ⅲ截面右側的彎矩為
=34200000
Ⅲ截面上的扭矩為
截面上的彎曲應力
=
=25.6MPa
截面上的扭轉切應力
軸的材料為45鋼，調質處理。查文獻[14，15-362]中表15-1查得
。
截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數和按附表3-2查取。
因 , 經插值后可查得
又由附圖3-1可得軸的材料的敏感性系數為
故有效應力集中系數按式（附表3-4）為
由附圖3-2的尺寸系數；
由附圖3-3的扭轉尺寸系數。
軸按磨削加工，由附圖3-4得表面質量系數
軸未經表面強化處理，即，
按式（3-12）及式（3-12a）得綜合系數為：
又由3-1和3-2得碳鋼的特性系數
于是，計算安全系數值，按文獻[14，15-362]中式15-6可得
故可知其安全。
3.3 鍵的選擇和校核
鍵是一種標準零件，通常用來實現(xiàn)軸與輪轂之間的軸向固定以傳遞轉矩，有的還能實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動的導向。鍵的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵的類型應根據鍵聯(lián)接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。所以，鍵的選擇很重要。重要的鍵聯(lián)接在選出鍵的類型和尺寸后，還應進行強度校核計算。
3.3.1 選擇鍵聯(lián)接的類型和尺寸
選用圓頭平鍵聯(lián)接（A型）。
根據，從文獻[8，4-306]表4-95查得鍵的截面尺寸。參考文獻[8，4-307]表4-96鍵的長度系列，取鍵長。
3.3.2 校核鍵聯(lián)接的強度
鍵、軸的材料都是45鋼，由文獻[8，6-106]中表6-2查得許用擠壓應力。
鍵的工作長度，
接觸高度。
軸傳遞的轉矩
根據文獻[8，6-106]中式（6-1），把、、、
代入可得
（合適）
3.4 花鍵的校核
1、鍵的選擇
為了能滿足定心精度，定心的穩(wěn)定性，故選用矩形花鍵。矩形花鍵的定心方式為小徑定心。
根據小徑mm，查文獻[8，5-206]表5-3-20
選用的矩形花鍵的規(guī)格為： mm取鍵長mm。
即花鍵的齒數，大徑mm，小徑mm，鍵寬mm。
2、校核花鍵聯(lián)接的強度
校核鍵的擠壓強度
式中：— 載荷分配不均系數，與齒數有關，一般取=0.7～0.8，齒數多時取偏小值；取=0.7
— 花鍵的齒數；
— 鍵的工作長度，單位為mm；
— 花鍵齒側的工作高度，矩形花鍵，，C為倒角尺寸，單位為mm；
— 花鍵平均直徑，矩形花鍵，單位為mm；
— 花鍵聯(lián)接時的許用擠壓應力，單位為MPa；
查文獻[8，6-108]表6-3，取的值為40MPa；
N·m
mm
<=40MPa
∴鍵的強度合格。
3.5 滾筒電機的選擇
已知 滾筒的轉速
滾筒的直徑
滾筒的速度
滾筒的有效功率
=
=
減速器效率
滾動軸承效率 0.99
半聯(lián)軸器效率 0.99
則傳動總效率
則，所需電動機有效功率
=
查機械設計課程設計手冊表4.12-1，可選Y系列三相異步電動機Y200L1-6額定功率
滿載轉速， 由（文獻機械傳動裝置選用手冊表7.8-4）減速器傳動比。
4 下密封閥的設計計算
液壓缸的設計和使用正確與否，直接影響到它的性能和易否發(fā)生故障。在這方面，經常碰到的是液壓缸安裝不當、活塞桿承受偏載、液壓缸或活塞下垂以及活塞桿的壓桿失穩(wěn)等問題。所以，在設計液壓缸時，必須注意如下幾點：
（1） 盡量使活塞桿在受拉狀態(tài)下承受最大載荷，或在受壓狀態(tài)下具有良好的縱向穩(wěn)定性。
（2） 考慮液壓缸行程終了處的制動問題和液壓缸的排氣問題。缸內如無緩沖裝置和排氣裝置，系統(tǒng)中需有相應的措施。但是并非所有的液壓缸都要考慮這些問題。
（3） 正確確定液壓缸的安裝、固定方式。如承受彎曲的活塞桿不能用螺紋連接，要用止口連接。液壓缸不能在兩端用鍵或銷定位，只能在一端定位，為的是不致阻礙它在受熱時的膨脹。如沖擊載荷使活塞桿壓縮，定位件需設置在活塞桿端，如為拉伸則設置在缸蓋端。
（4） 液壓缸各部分的結構須根據推薦的結構形式和設計標準進行設計，盡可能做到結構簡單、緊湊，加工、裝配和維修方便。
4.1 下密封閥中液壓缸的設計選取
1、選擇液壓缸的安裝方式：頭部、尾部銷軸。
2、求下密封閥開啟、關閉所需液壓缸提供的驅動力
設液壓缸所需最小力為驅動力，根據下密封閥的工作可得，下密封閥開啟時只需克服閥板重量，關閉時不但克服閥板重量，還要克服料罐內高壓氣體的壓力，在計算驅動力的時候，應取最大阻力。
閥板的質量為188Kg，高壓氣體作用在閥板處，閥板的直徑為0.725m,
則：
=
圖4.1 下密封閥計算簡圖
由圖4.1直角三角形可得：
==176.8 mm, =500 mm
由力矩平衡可列方程：
， 其中，
則，
由此推力選液壓缸：
4.2 下密軸的強度校核
由于下密軸的受力較大，并要求其尺寸較長，需提高其強度性，以及處于較惡劣條件下工作，所以采用45鋼，為提高其強度(尤其是疲勞強度)和耐磨性，對其需要進行調質處理。查文獻[26,370] 表15-115-1軸的常用材料及主要力學性能 n取3。
1．計算軸的支承反力
下密軸受力如圖4.2所示。
圖4.2 上密軸受力簡圖
由下密軸受力可列力矩平衡方程：
為液壓缸對下密封軸的最大力，為其力矩，
數值上=31.42KN, ==31.42×0.1768=5.56KN
曲柄處的轉矩==5.56KN （方向相反）
則，－
－1.842
30KN
由簡圖4.2可列力矩平衡方程：
則，
根據第三強度理論校核：
圖4.3 下密軸的彎矩、扭矩圖
根據圖4.3可看出處受力為最大，故校核此截面即可。
式中： —軸的計算應力，單位MPa
W —抗彎模量，W=單位mm
M —軸所受的最大彎矩，單位N·m
T —下密軸所受的扭矩，單位N·m
=
=
故滿足第三強度理論，符合強度要求。
4.3 平鍵校核
平鍵與液壓缸相聯(lián)接，選用普通平鍵即可滿足要求，因為平鍵應用最廣，適用于高精度、高速、變載荷和沖擊的場合，且加工方便，降低生產費用。
其標記查文獻[21]為：b×h× = 28×16×110
平鍵連接下密軸和液壓缸，下密軸為45鋼，有輕微載荷沖擊。故鍵聯(lián)接許用應力，查文獻[21] 表21.3—3，取=130。
查文獻[21] 表21.3—2平鍵強度校核公式：
其中： T —傳遞的轉矩，單位
d —軸的直徑，單位 ，其值=0.11m；
—鍵的工作長度，其值 =L-b=110-28=0.082m；
K —鍵與輪榖接觸高度 m，平鍵k = ==0.008m
<
故此鍵符合強度要求。
5 潤滑方法的選擇
5.1 潤滑
潤滑就是在機件作相對運動的接觸表面之間加入潤滑介質，使其形成一層潤滑膜，從而把直接接觸的摩擦表面分隔開來，以減少摩擦、磨損，達到延長機械設備的使用壽命，提高效率。
常用的潤滑方式有油潤滑、脂潤滑和固體潤滑劑潤滑。
1、油潤滑：在高速高溫的條件下，通常采用油潤滑。常用的潤滑方法有油浴潤滑、滴油潤滑、飛濺潤滑、噴油潤滑、油霧潤滑。
2、脂潤滑：潤滑脂形成的潤滑膜強度高，能承受較大的載荷，不易流失，最重要的是容易密封。對于那些不便經常添加潤滑劑的地方，或那些不允許潤滑油流失而致污染產品的工業(yè)機械來說，這種潤滑方式十分適宜。
3、固體潤滑：在一些特殊條件下，如果使用脂潤滑和油潤滑達到不可靠的潤滑要求時，則可采用固體潤滑。
潤滑劑根據物理形式可分為氣體潤滑劑、液體潤滑劑、半液體潤滑劑及固體潤滑劑，如潤滑液、潤滑脂、固體潤滑劑等等。不同的潤滑劑有不同的優(yōu)缺點。
(1) 潤滑液的作用不僅是潤滑工作表面，以達到減少工作阻力，提高效率和延長機器設備及零件的使用壽命的目的，同時還起沖洗、冷卻摩擦表面，緩沖減振，防銹，排污等作用。
(2) 潤滑脂的特點是密封簡單，不經常更換，對減少高速電機自動裝置及不足加油的設備的摩擦的意義重大，潤滑脂受溫度的影響不大，對載荷性質，運動速度的變化有較大的適用范圍，在垂直面上不易流失。其缺點是流動性差，導熱系數小，不能作循環(huán)潤滑劑。另外，其摩擦阻力大，機械效率低。
(3) 固體潤滑劑的優(yōu)點：可用于高溫、高壓、高真空、高輻射、低溫等惡劣的工作環(huán)境中[18]。
5.1.1 減速器的潤滑
影響減速器使用壽命的因素，除設計、制造、安裝調試、造型等因素外，選用適當的潤滑方式和潤滑油也是一個重要因素。為此根據經驗和實際使用的效果，現(xiàn)對減速器潤滑做如下說明：
潤滑劑可分為氣體、液體、半固體和固體四種基本類型。在液體潤滑劑應用最廣泛的是潤滑油，包括礦物油、動植物油、合成油和各種乳劑。潤滑劑的作用不僅是潤滑工作表面，以減少阻力，提高效率和延長壽命，同時還起到沖洗、冷卻摩擦表面，緩沖減振防銹的作用；而油脂潤滑特點是密封作用好，不需要經常加換；而脂潤滑形成的潤滑膜強度高，能承受較大的載荷，不易流失，最重要的是容易密封。固體潤滑劑優(yōu)點是可用于高溫、高壓、高真空、強輻射、低溫及惡劣的工作環(huán)境。本套設備的減速器主要采用脂潤滑，它能夠很好的起到密封和潤滑作用，這種潤滑方式十分適宜減速器。
5.1.2 下密封閥潤滑方式選擇
下密封閥安裝在料罐的下部，是高爐爐頂裝置中起均排壓密封作用的關鍵設備，要求密封性極高，故選擇容易密封的脂潤滑即可。
下密軸的潤滑方式采用的是脂潤滑，脂潤滑的油膜強度高能承受較大的載荷，不易流失，使用時間較長，容易密封，一次加脂可以維持相當長的一段時間。能防止灰塵水分和其它雜物進入軸承。所以下密軸的潤滑方式都用脂潤滑。
5.1.3 下節(jié)流閥潤滑方式選擇
下節(jié)流閥的花鍵軸和花鍵軸套有相對運動，要求密封和潤滑性好，但是由于工作環(huán)境和結構的限制，綜合考慮采用最簡單、最普遍的脂潤滑即可。因為手工加脂潤滑供油質量較好，可靠性較好，耗油量適中，裝置復雜性小，維護工作量較好。查文獻[18] 表7.7.-5由操作工人定期旋轉杯蓋向需潤滑部位間隙供脂，正常運行時，每班加脂一次，每次將杯蓋轉1/4[19]。
6 設備可靠性與經濟性分析
6.1 設備的可靠性
所謂可靠性，是指系統(tǒng)、設備或零部件在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力。設備的可靠性是指貫穿整個壽命周期全過程的一個時間性指標，從設計規(guī)劃、制造安裝、使用維護，到修理報廢為止，可靠性始終是設備的靈魂。而所謂經濟性，不僅指優(yōu)先考慮這個設備選用價格比較便宜的材料，而是要綜合考慮選用這個材料對整個制造、運行使用和維修成本等的影響，以達到最佳技術經濟效益，