180吨转炉倾动机构设计

180吨转炉倾动机构设计

摘要

倾动机构是实现转炉炼钢生产最主要的设备之一，它的特点是倾动力矩大、减速比大、启制动频繁和能够承受较大的动载荷。转炉倾动机构工作在多渣尘和高温的恶劣工作环境中，因而其可靠性和寿命对于整个转炉设备的安全运转有着非常重要的影响。为获得适应于驱动的低转速，需要很大的减速比。转炉炉体自重很大，再加装料重量等，整个被倾转部分的重量要达上百吨或上千吨。转炉倾动机械的工作属于“启动工作制”。机构除承受基本静载荷作用外，还要承受由于启动、制动等引起的动载荷。这种动载荷在炉口刮渣操作时，其数值甚至达到静载荷的两倍以上。启、制动额繁，承受较大的动裁荷。转炉倾动机械随着氧气转炉炼钢生产的普及和发展也在不断的发展和完善，出现了各种型式的倾动装置。其中，带有扭力杆缓冲止动装置的全悬挂式倾动机械，由于其独有的多点啮合柔性传动的优势，逐渐成为主流。本文对转炉倾动机构的基本形式做了简单介绍。重点介绍用3D法计算转炉倾动力矩的整体过程。完成了最佳耳轴位置的选择计算，绘制了倾翻力矩曲线，完成对转炉倾动的电机选择与校核，并对整个倾动系统的主要零部件进行了计算和校核。本论文对转炉倾动机构的设计提供了一种新思路。

关键词：转炉；倾动机构；倾动力矩；设计参数；可靠性

180 t Converter Tilting Mechanism Design

ABSTRACT

Tilting mechanism is to achieve one of the main steelmaking production equipment, which is characterized by a large dump Moment, gear ratio, starting and braking frequently and withstanding greater dynamic load. Converter tilting mechanism works in harsh working environments, more slag dust and high temperatures. Thus their reliability and longevity for the safe operation of the equipment throughout the converter has a very significant impact. Adaptation to obtain a low rotational speed of the drive requires a large reduction ratio. Great weight converter furnace, plus loading weight, etc., the entire weight of the part to be tilting up hundreds of tons or thousands of tons. BOF furnace steel smelting a time, usually only four minutes later. Converter tilting mechanical work belongs to "start working system." In addition to the basic institutions to withstand static loads, but also to withstand dynamic loads due to start, braking caused. This dynamic load in the mouth skimming operation, more than twice its value even to static loads. Kai, the amount of braking complex, dynamic cut withstand greater load. As the steelmaking process low, heavy and harsh working conditions, coupled with the start, brake frequently, especially on a different way to start the motor on the dynamic behavior of the converter. With the converter tilting BOF steelmaking machinery popularization and development also continues to develop and improve, there have been various types of tilting the device. With torsion bar stopper buffer full hanging tilting mechanical, diagonally arranged into four main transmission system of a reducer drive one at the center of the second gear, so as to drive the rotary converter work performed. This paper converter tilting mechanism gives a brief introduction. Introduction tilting mechanism structure, design principles, the basic design parameters, as well as several forms of structure and configuration of the drive tilting mechanism and the transmission format.

Keywords: converter; tilting mechanism; pour Moment; design parameters;

reliability

目录

1绪论 (7)

1.1课题研究背景及意义 (7)

1.2转炉炼钢工艺流程 (8)

1.3转炉倾动机构的设计原则 (3)

1.4国内外研究现状和发展趋势 (9)

1.4.1国外转炉倾动装置的研究现状和发展趋势 (9)

1.4.2国内转炉倾动装置的研究现状和发展趋势 (10)

1.5 本文主要研究内容及方法 (11)

2转炉倾动机构总体方案的确定 (13)

2.1倾动机构的配置形式的比较与选择 (13)

2.2倾动机构的驱动的电机的选择 (16)

2.3倾动机构减速器的设计方案 (17)

2.4联轴器、齿轮、轴、轴承、制动器的选择 (17)

3转炉倾动力矩的计算 (19)

3.1倾动力矩的组成部分 (19)

3.2确定转炉炉型 (21)

3.3确定转炉重心 (23)

3.4确定预设耳轴位置 (26)

3.5计算炉液力矩与空炉力矩 (26)

3.6确定耳轴摩擦力矩 (29)

3.7运用Excel绘制倾动力矩表格 (30)

3.8确定最佳耳轴位置 (31)

3.9确定修正后的转炉倾动力矩 (31)

3.10绘制倾动力矩曲线图 (33)

4电动机、制动器及联轴器的设计与校核 (34)

4.1 电机容量计算与确定电机型号 (34)

4.1.1确定电机型号 (34)

4.1.2电动机工作制度

J值及发热值的校核 (35)

c

4.1.3电动机的过载校核 (35)

4.1.4确定启动时间 (36)

4.2 联轴器的计算与选择 (37)

4.3制动器的计算与选择 (38)

4.3.1制动器的选择计算 (38)

4.3.2制动时间校核 (39)

5齿轮传动系统的设计计算 (40)

5.1分配传动比 (40)

5.2运动以及动力参数计算 (40)

5.3齿轮传动设计 (42)

5.4其它齿轮设计算 (47)

5.5齿轮的校核 (49)

6轴及轴承的设计计算 (50)

6.1轴材料的确定 (50)

6.2轴的设计计算 (50)

6.3轴的校核 (53)

6.4轴承的校核 (57)

7扭力杆系统的设计 (59)

7.1 扭力杆缓冲止动装置 (59)

7.2 扭力杆设计计算 (60)

7.2.1扭力杆直径和曲柄半径的确定 (60)

7.2.2 安全座空隙的选择 (60)

8 设备的可靠性和经济评价 (61)

8.1 设备的可靠性 (61)

8.1.1设备平均寿命 (61)

8.1.2 可靠度的计算 (61)

8.1.3 机械设备的有效度 (62)

8.2 设备的经济评价 (63)

8.2.1投资回收期 (63)

8.2.2 盈亏平衡分析 (64)

结论 (66)

致谢 (67)

参考文献 (67)

1绪论

1.1课题研究背景及意义

钢铁工业是国民经济重点发展行业，是发展国民经济与国防建设的物质基础，其发展水平是一个国家很重要的综合国力的表现。1837年德国人贝斯卖［2］提出的底吹酸性转炉冶炼法是近代炼钢工艺的开始，借此生产了大量的廉价钢，对欧洲第二次工业革命的发生起了间接推动作用，但是此种炼钢工艺不能快速有效的去除磷和硫，所以它的发展受到了很大的限制。随着1882年底吹碱性转炉炼钢法的发明，可以用碱性炉衬转炉来解决高磷生铁问题，然而这种方法对生铁的成分有比较严格的要求。1847年法国出现了采用蓄热方式的平炉炼钢法。1869年又出现了碱性平炉冶炼法，这种方法对冶炼的配料的限制不是很苛刻，而且有冶炼产品种样多和冶炼容量大等优点，因而出现仅仅30年它便成为钢铁行业最主要的冶炼钢方式。到上世纪中叶，平炉冶炼出来的钢总量大概占世界钢产量的85%。20世纪50年代，奥地利率先使用纯氧顶吹转炉炼钢法，其最大的不同点就是有效解决了钢中氮气等杂质的有害成份问题，而且降低了废气的产生量（采用普通空气吹炼时，空气中含有约79%没用的氮气），避免了热能的大量损失。而且它的重量和平炉相接近，这样可以冶炼相对低温状态的平炉生铁，从而能利用更多的废钢，节省冶炼钢铁所需的燃料。

转炉倾动装置是转炉炼钢最关键的机械设备之一，在转炉炼钢生产过程中，它的主要作用是确保转炉的准确定位以便倾动装置能平稳倾动，并完成后续的转炉兑铁水、加料、出钢和修炉等操作流程［2］。转炉倾动装置倾动作业的特点是：

(1) 倾动力矩大。转炉炉体本身质量大，再加上钢铁炉液、废料等料重，使整体倾转部分重量可能高达数百吨或数千吨，所以倾动机构必须输出数百甚至数千吨牛米的倾动力矩才能保证转炉的正常倾转。

(2) 减速比大。高温的金属熔液在转炉炉体里翻转，在出钢、兑换铁水等工艺过程中，要求转炉炉体能够较稳的转动并能正确停位。所以，需要采用较小的倾动速度，需要很大的减速比才能获得如此低的转速。

(3) 承受较大的动载荷，启、制动频繁。转炉炼一炉钢的时间，通常是40min 左右，从我国上世纪120T炼钢厂的转炉数据来看，在40min左右的时间里，进行启制动的次数高达25次，再加上慢速操作的4～5次点动控制就超过三十多次。加之原料中含磷量过高，转炉吹冶炼过程中就必须更加频繁的提高倒渣次数[5]。

1.2转炉炼钢工艺流程

转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六步组成：

（1）上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理；（2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）；

（3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰；3～5min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱）；

（4）3～5min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min 后火焰微弱，停吹）；

（5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢；

（6）出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。

图1.1高炉、转炉、电弧炉系统炼钢流程图

1.3转炉倾动机构的设计原则

1．转炉倾动机构在运行时的工艺操作主要有：兑铁水、装料、取样、测温、出钢、出渣以及返回等。需要保证炉体能够进行360°的正序及反序的旋转，这样才能够保证炉体能够在任意角度的位置上准确而平稳的安置。此外还需要配合烟罩提升、吹氧管机构等的操作，避免操作失误。

2．机构操作必须连贯灵活。转炉在运行过程中一般要具有两种以上的倾动速度：当转炉整体转动幅度较大时，应选择较快的速度，以保证能够缩短冶炼的周期；当转炉出钢、出渣、测温取样时，应选择较慢速度，这样能够避免由于钢渣的猛烈冲击而导致的炉液喷溅和溢出等事故的发生。

3．倾动机构应保证安全并且可取。由于转炉内含有高温液体金属，因此传动系统在整个生产活动中必须具备备用的能力，即如果在生产中某一部分的功能发生异常出现故障，它仍然能够继续运行到该炉的冶炼工作结束。

4．倾动机构要可以适应载荷以及结构的变化。也就是说当由于托圈出现绕曲变形而导致耳轴轴线的偏斜时，各部位的传动齿轮副仍能正常工作保持啮合状态。此外，机构还应具有减缓动载荷的性能以及冲击载荷的能力。

5．要求占地面积少、结构紧凑、高效率、维修方便等。

1.4国内外研究现状和发展趋势

1.4.1国外转炉倾动装置的研究现状和发展趋势

氧气转炉的发展早在20世纪50年代开始应用于钢铁炼制，并在之后的10年得到了飞速的发展，成为炼钢的主要设备之一。在炼钢生产主要大国德国、美国、日本等，基本都采用以氧气转炉为主导的炼钢法。而在这些发达国家中转炉炼钢产量的总比例平均超过了70%。随着钢铁技术的不断发展，对转炉倾动机构性能的要求也越来越高，多点柔性啮合传动机构已经发展成为最新的传动形式。田日玄一傅［2］将稳健设计的基本原理应用于转炉倾动机构的优化设计中，使之成为日本钢铁工业快速发展的重要因素。分别通过研究齿轮传动系统中的设计要求、加工制造误差、安装精度等因素对齿轮副的故障诊断、动态特性、噪声特性的影响，分析表明轮齿齿廓加工误差的幅值和相位的变化对齿

轮副的振动影响较大，同时也会对齿轮设计的基本参数的重新优化有明显的影响。Paclot［7］利用固有频率法分别通过单级、两级、多级齿轮传动转子系统的扭转振动和横向振动的耦合对轴承弹性支撑的影响进行了研究，给出了一种研究齿轮传动系统研究的新型方法。Umezawa［7］等学者通过选取结构形式不同的齿轮轴与长度不等的光轴进行了大量实验，研究了本身的结构参数对齿轮传动系统的振动摆动研究的影响。Kahraman［7］同样研究了齿轮传动系统的振动摆动影响因素，并建立了与之相对应的斜齿轮线性、非线性动态模型，并重点研究了两种模型下的齿轮轴轴向振动对传动机构的影响，这些研究为转炉多点齿轮柔性传动的设计提供了实践基础。

1.4.2 国内转炉倾动装置的研究现状和发展趋势

国内很多学者对转炉倾动装置进行了多方面的探讨，于文妍［3］等对某炼钢厂的转炉托圈如何产生裂纹的原因进行了分析研究，并提出了改造的方案措施，从而消除了由于转炉托圈裂纹而带来的潜在事故隐患。杨彦宏［5］等分析了转炉倾动装置传动侧耳轴发生摆动的原因，对耳轴中心呈现椭圆形运动的轨迹行了分析测量，并根据耳轴实际受力环境找到其影响因素，提出改进措施。陈宏伟［3］等对转炉倾动机构运行过程中出现的的点头现象进行了深沉次的探讨，并给出了相应的解决方案，为转炉倾动机构的平稳运行提供了保证。刘海宇［3］等为降低转炉倾动机构在运行过程中受到的动载冲击，进行了转炉倾动机构二次设计及改进，为保证转炉设备安全运行提供了保障。从不同角度同样分析了转炉转动时传动侧耳轴中心呈圆形轨迹的原因，探讨了转炉托圈传动侧耳轴发生回转摆动、减速机偏摆等现象、实地测量扭力杆止动装置间隙的数值，通过分析对比寻找规律，为转炉倾动装置的使用、保养提供了实践参考价值。李文秀［3］等从倾动机构各级齿轮轴的断裂口的金相组织、材料的化学组成、材料力学等多方面进行分析，并提出改进措施。采用计算机数值仿真的方法，对全悬挂转炉倾动机构进行动态模拟仿真，探讨了缓冲零部件的预紧力对耳轴所受扭矩的影响程度。为了降低转炉设备经费，提高设备运行的可行性，在保证设备性能基础的前提下对转炉倾动装置进行了结构上的优化设计，解决传统型转炉设备庞大、笨重、不宜安装、调试、拆装的问题。