-高炉无料钟炉顶布料器设计【全套图纸】 .doc.doc
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1、内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)绪论:高炉布料器的发展变革高炉在中国的出现,已经有2700年的历史。由于古代生产装备差,技术水平低,虽然2000年前(西汉末年)已有50立方米的巨型高炉生产,但当时还不懂布料,煤气利用极差,每炼1吨铁用78吨木炭。燃料消耗高,煤气直接放散到空气中,致使高炉附近黑烟蔽日。前秦(公元350390年)高僧道安著的释氏西域记中曾记述新疆库车地区的当时实况:“屈茨北二百里有山,夜则火光,昼日但烟,人取此山石炭,冶此山铁,恒充三十六国。”在欧洲,阿格里科拉作的论金属中的一幅图,描述了当时北欧高炉生产状况,高炉较小,有固定的加料平台,炉料从高炉固定的一侧倒入。显然,当
2、时尚未认识到布料的作用。全套图纸,加15389370618世纪有一张高炉图,描述了法国高炉加料情形。在炉喉周围有一层,加料工人可以沿炉喉周围加料。炉喉直径较小的高炉,这样加料比较均匀。倒料工人的对面有另一个人手持工具,估计他是在用一个耙子平料,以改善煤气利用。 第一个兼有布料和回收煤气的炉顶设备是1850年在英国应用的巴利式布料器,它用手工操作,炉顶放进料斗后,开大钟,炉料沿大钟斜面布到炉内,使炉内料面呈漏斗形:边缘料面高,中心料面低。边缘料多,使沿炉墙上升的煤气阻力增加,有利于改善煤气利用;中心料面低高炉中心的料柱阻力减少,有利于在整个高炉断面改善炉料与煤气的接触,对改善炉缸工作也有良好作用
3、。虽然巴利式布料器在结构上存在严重缺点,但它对高炉布料起了启蒙作用,开拓了现代料面分布的重要方向。一百余年来,高炉炉料分布基本沿用巴利式大钟布料器所形成的漏斗形。巴利式布料器除结构上的缺点外,布料也不均匀。一批料倒进料斗后,炉料在倾斜的一侧,集中形成堆尖,而对面的炉料较少,造成粒度偏析。炉料下到炉内继续保持这种不均匀性,引起高炉偏行。如果料斗旋转,则堆尖位置可以变化,从而减小炉料在料斗内的不均匀性。布郎式布料器是初期的旋转式布料器。美国埃比威尔厂第一个使用布郎式布料器,该厂为高炉设计布料器提出了重要的原则-旋转。现代布料器无一例外,都是能够旋转的。布郎式布料器是单钟的,使用过程中发现它不能从根
4、本上克服巴利式布料器密封性不佳的缺陷。加料时,大钟开启,炉内大量煤气从炉顶放出来。此外,布料器旋转的歪嘴放料口很大,料流时间较短,不能克服大料斗内炉料的不均匀性。1907年,美国马基公司设计的马基式布料器,继巴利式布料器之后,进行了高炉布料的第二次革命。在它出现的短短20年内,美国150座高炉几乎全部采用;除了美国外,它在世界范围内也得到迅速推广。到20世纪80年代,它已成为世界上绝大部分高炉的布料设备。马基式布料器继承了巴利式大钟、大斗的优点,并且用双钟、双斗克服加料时煤气漏出的缺陷;它吸收了布郎式布料器旋转的长处,使小钟、小斗一起旋转,把炉料按六点(每站60)放到大斗内。这样就使炉料堆尖均
5、匀地分布在大斗内。随着钢铁工业的发展,高炉容积日益扩大。冶金专家对高炉深入研究后发现,马基式布料器也不是完美无缺的。首先,炉料在小料斗内分布不均匀,这种不均匀性,在炉料下到大料斗内及随后下到炉内时依然存在。格鲁金诺夫曾仔细地研究过马基式布料器布料所带来的沿高炉圆周方向的不均匀性。当料车将炉料倒入小斗后,大块滚到对面,粉末留在堆尖附近,沿小斗上部有h高度是偏布的炉料。格鲁金诺夫仔细地计算了炉料在炉喉水平面上的不均匀,用图一目了然地表示出来。他将炉喉圆周展开成平面,画出一批炉料沿炉墙的厚度分布。为使不均匀分布的炉料明显起见,他做了两种处理。(1)只画出不均匀部分,而将均匀分布的一层炉料去掉;(2)
6、纵坐标的比例尺比横坐标的比例尺放大10倍。这样处理后,炉料偏布现象被放大几十倍,突出了偏布的形象。根据格鲁金诺夫的研究结论,保持60或60倍数布料,或改变车数或加一定的修正角度,均无法消除水平面分布的不均匀性。对一批料而言,均匀分布的占大部分,在图中得不到反映;而纵坐标比例放大10倍,又将这相对不均匀部分再次放大10倍。库兹涅茨克钢铁公司炼铁厂高炉实验证明,格鲁金诺夫的有些结论是不正确的。现有高炉布料其它改变的影响,远远大于水平分布的不均匀。格鲁金诺夫关于水平面与垂直面不均匀的严格划分,是没有必要的。此外,炉料在炉喉内按一定堆角分布;随着高炉容积的扩大,矿石可能很少或根本布不到高炉中心。矿石少
7、,中心气流容易发展,影响煤气利用。美国金尼的试验表明,随炉喉直径增加,保持炉喉间隙为609.6mm,矿石批重相应增加。实验结果如表一所示。表一 炉喉直径与炉料分布直径/m矿石环圈宽度炉喉面积m面积/m2无矿部分面积占炉喉面积比/炉喉直径中间无矿部分直径矿石环圈面积中心无矿部分面积炉喉面积5.21.22.019.921.1721.15.55.51.52.021.861.8323.77.75.81.82.023.662.6526.310.56.12.12.025.583.5929.212.36.42.42.027.474.6632.114.56.72.72.029.385.9235.316.77.
8、03.02.031.267.3038.618.9从表一所列试验结果看出,炉喉直径由5.2 mm增加到7.0 mm,炉喉面积增加83.5,中心无矿部分的面积增加626.5。无矿部分占炉喉整个面积比由5.5增到18.9。由此,金尼得出结论:炉喉直径超过5.2m,炉料分布将不理想。这种结论,使部分美国高炉的炉径偏小,出现“瓶式高炉”。以巴甫洛夫为首的前苏联学派研究表明,马格尼托哥尔斯克厂的炉喉直径为5.8m的高炉,虽然矿石布不到中心,但“无矿区”的煤气利用并不差。这些结论使前苏联1300立方米的标准高炉炉喉直径达6.5m,冶炼效果良好。与此同时,一些设计专家研究把矿石既能布到边缘又能布到中心的新型布
9、料器。研究的新型布料器种类繁多,但由于设备复杂,操作困难,而没能实现,或者在生产高炉上昙花一现,没有得到发展。著名的索洛金布料器就是基于上述思想设计的。20世纪60年代,巨型高炉不断出现,各工业国家为提高效率,增强竞争能力,高炉容积一扩再扩,大钟式布料器面对巨大直径的炉喉,中心布矿过少的现象更加突出;中心料面和边缘料面高度之差,随炉喉直径增大而增大。以炉料内堆角为30.8计算,料面高度差H如下表2: 表2炉喉直径与高度差炉喉直径/m2.53.54.75.66.7料面高度差H/m0.751.041.401.672.0炉喉直径/m7.38.29.81112.4料面高度差H/m2.182.442.9
10、23.283.58为解决上述矛盾,出现了变径炉喉。第一个变径炉喉投产于1964年,是德国克虏伯公司设计建成的。变径炉喉在炉喉内有一组活动钢板,这组活动钢板可按布料要求在炉喉内形成一个“新炉喉”,入炉的料碰到钢板反弹入炉内,从而将炉料布到炉内指定的位置。这种解决中心布料的方式,比前述的方法优越,发展较快。在较短的时间内,出现克虏伯式(Krupp)、哥哈哈式(GHH) 、新日铁式(NSC) 、日本钢管式(NKK)等多种形式。显然,马基式布料器再加变径炉喉,解决了中心布矿问题。马基式布料器在低压高炉上使用,其密封性尚能满足要求;炉顶压力超过147Kpa以上,容易漏气,使大钟很快磨损,更换大钟,更费很
11、多时间。因此,马基式炉顶已经不能适应现代高炉生产的需要。为了解决这些问题,曾出现三钟、四钟、双钟双阀、双钟四阀等多种形式的装料设备,试图克服马基式布料器的缺陷。虽然这些新型布料设备各有优点,但设备复杂,在巨型高炉上必须与结构复杂的变径炉喉配套使用,而且还不能省掉运输和安装很不方便的大钟,而变径炉喉在装料入炉过程中又多一次碰撞机会。马基式布料器的所有这些缺陷,都推动了新型布料器的诞生。第一个无钟布料器于1972年投产于德国蒂森钢铁公司汉博恩(Hamborn)厂,这是由卢森堡保尔屋斯(Paul Wurth在莱吉尔(E. Legille)主持下设计的。它以全新的原理,克服了马基式布料器的基本缺陷,为
12、高炉布料设备完成了第三次革命。它一出现,就受到普遍欢迎,在第一个无钟设备投产后的10年里,有55座大高炉相继采用。现在,无钟装置已经在世界范围内推广,新建的大型高炉,几乎普遍使用无钟炉顶。我国第一个无钟炉顶装置于1979年应用于首钢2号高炉。在以后的12年里,相继有十余座无钟投入使用,发展之快,超过以往任何一种新型布料器。无钟布料器由两个料罐和一个溜槽组成。两个料罐相当于马基式布料器的大小钟之间的大漏斗,料罐的两端有两个密封阀,直径一般为1 m左右,上密封阀相当于小钟,下密封阀相当于大钟。放料时,溜槽以一定角度有规律地在炉内旋转,上密封阀(相当于关闭小钟),下密封阀打开(相当于开大钟),炉料稳
13、定地沿料管流进转动的溜槽,边转边落到炉内料面上。一般,一批料布812圈。因此,炉料的水平分布是均匀的,没有马基式布料器堆尖偏布的放料过程。溜槽仰角可以任意变动,不像我国的大钟那样固定为53角,因此炉料可以布到炉喉任何位置,而无需借助于变径炉喉,从根本上改变了大钟布料的局限性。溜槽角度变动和控制都很容易,改变布料十分灵活。无钟布料器的上、下密封阀直径很小,又嵌有弹性良好的橡胶密封圈,密封性好,能承受高压操作。下密封阀上部有一个节流阀承受罐内炉料的重量,上、下密封阀只管密封,不与炉料接触,因此阀体寿命较长,密封有保证。而大钟不断与下降的炉料摩擦,密封性难以持久。此外,无钟布料器的重量小,高度低,拆
14、装灵活,运输方便,是马基式布料器无法比拟的。莱吉尔曾将无钟布料器与其它布料器作过比较,结论示于3。初期投入生产的无钟,都是并罐式,由并列的两个料罐分别装料。由于炉料在中心导管内眼子一侧偏行,造成炉料在炉喉内分布不均匀,这是并罐式无钟装置的固有缺点。钱人毅等曾定性地研究过这种偏布形成的原因。并罐式无钟在布料上的缺陷,推动了串罐式无钟的研制。串罐式无钟装置的两个料罐上下串联,下罐排料口与导料管在同一条中心线上,克服了炉料偏行的缺点,炉料在炉内分布均匀。表3 PW型与IHI型炉顶设备比较比较项目炉缸直径/m炉顶设备重量/t投资费用/百万美元IHI 型炉 顶设 备12.516234.3214.0215
15、54.73P W型炉 顶设 备12.59202.2014.010042.27由于上、下罐同心并与导料管在同一垂直轴线上,罐内的炉料大体沿轴线方向下降,与导料管和料罐摩擦力较小,避免了直接碰撞,既延长了设备寿命,又减少了炉料的粉末。无钟布料器优点很多,但和大钟布料器相比,它必须用氮气或净煤气充压,充压气体要有加压设备,这部分能耗是无钟装置所必须的。此外,无钟装置对炉料要求较高:无钟装置的密封依靠胶圈,因此不能使用热烧结矿;无钟装置放一批料一般溜槽要转812圈,使用粒度差别大的炉料,偏析会比大钟装置更严重。选择无钟装置,应当相应的使用冷料并进行筛分除去料中的粉末,以减少偏析。第一章 大型高炉装料设
16、备的发展1.1传统的布料工艺设备简介及存在的主要问题炉顶设备是用来装料入炉并合理在炉内分布,同时对炉顶设备起密封作用。现代大型高炉每天要把上万吨的炉料从炉顶装入炉内,设备启动频繁,受载大,零件表面不断受到炉料的冲击。随着高压操作的推广和炉顶压力的提高,装料设备的寿命显著缩短。随着高炉容积的不断扩大,给装料设备的制造和运输及安装带来了一系列的困难。根据高炉冶金工艺的特点,对炉顶装料设备提出了下列要求:(1)能满足炉喉合理布料的要求,并能按生产所需进行炉顶调剂;(2)保证炉顶密封可靠,使高压操作顺利进行;(3)再满足上述条件下,设备结构应力求简单,制造、安装、运输方便;(4)零件的使用寿命长,维护
17、和修理方便;(5)能实现操作自动化。总之,炉顶装料设备在满足生产要求的条件下,设备应尽量简单、维修方便、使用可靠,达到提高炉顶产量,促进生产的目的。高炉炉顶设备也是一个不断完善的过程。双钟式炉顶装料设备已有上百年的历史。目前仍占有相当的比例,它由受料漏斗料器和装料器三部分组成。炉料经料车上料,进入受料漏斗,布料器按照一定的工作制度进行布料,然后小钟打开,在压力均衡的条件下,再打开大钟炉料进入炉喉。随着高压操作技术的推广和高炉容积的不断扩大,双钟式炉顶也越来越不能满足生产的要求,主要存在的问题有:(1)布料器旋转漏斗的密封不够可靠,不是摩擦阻力过大,就是容易漏气,且维护工作量大;(2)小钟寿命短
18、,一般不到一年,小钟漏斗的接触面也和小钟一样,很容易被含尘煤气吹破;(3)大、小钟拉杆之间的密封极易漏气,不易维护,在安装调整上就如何保持大小拉杆之间的同心度,也有困难;(4)大钟和大漏斗的寿命随着炉顶压力的提高而缩短,一般只有一年多。随着炉子容积的增大,大钟与大漏斗的尺寸也越来越大,重量也越来越大,给制造和运输都造成困难。此外,炉顶吊车的吨位也增加,使炉顶钢结构庞大,安装与调整等更加困难;(5)对于大型高炉而言,料钟炉顶不能满足、炉喉径向布料的要求,大钟下面的广大面积不能直接加料,使中心气流过于散发,煤气的热能与化学能得不到充分的利用,不利于炉喉调剂与定点布料。基于以上诸多问题,近年来 国内
19、外出现了许多新型的炉顶,以取代双钟式炉顶。新型炉顶可分为两大类:一类仍属于料钟式炉顶,另一类属于无钟式炉1.2炉顶设备的主要形式及特点1907年,美国俄亥俄州的麦基公司发展的一种带有旋转布料器的双钟装料设备在高炉上获得了广泛的应用。根据统计,自1970年已有586套该公司制造的麦基型炉顶交付使用。在高炉大型化的初级阶段,麦基型炉顶仍是独一的炉顶装料设备。但随着大型高炉产量的增高和炉顶压力的提高,该设备的缺点也日益暴露出来:一是气密性太差,限制了炉顶的压力;二是大钟寿命短。1962年1月投产的美国钢铁公司杜昆厂6#高炉安装了三钟型炉顶,从而揭开了炉顶设备的序幕。自那时起到现在,各种新型炉顶的设计
20、不下十种,现将五种主要形式的炉顶,列举如下:1.2.1两钟阀型炉顶装料设备 使用三钟型装料设备的两座高炉的炉顶压力并未超过1公斤/平方厘米,因而三钟型炉顶设备并不能满足高压操作的要求。但通过三钟装料设备的实践,人们认识到:(1)双室密封是提高大钟寿命的有效措施;(2)使用双室密封后,炉顶高度增加,在上部小钟处温度经常在200度以下,这就有可能使用带橡胶的密封圈的盘式密封,于是在三钟实践的基础上诞生了两钟阀封式炉顶。用两个到四个盘式阀代替三钟炉顶中的小钟,就构成了两钟阀封型炉顶。这种炉顶的装料过程是:料车接近炉顶时,打开放散阀,使均压室内的压力降为大气压,然后打开一个密封阀,同时启动布料器,接着
21、料车倒料结束,关闭密封阀,打开均压阀,使钟阀的压力达到高压,打开小钟,原料落到大钟上,关闭小钟,再重复上述过程装下一车料。因为取消了上部的小钟,不能再用泰基旋转布料器,改用快速旋转的歪嘴布料器,视布料器的位置不同,两钟阀封型炉顶又分为两种。(1)IHI型装料设备在IHI型装料设备中,设有两个盘式阀,阀座上镶有硅橡胶密封圈,为了避免积灰和冷却密封圈,用氮气或干净的煤气进行连续的吹扫,歪嘴布料器在盘式阀和小钟之间。在料车高炉上,每个盘式阀上设有一个受料漏斗,料车上行时,均压放散阀开启,降低盘式阀和小钟之间的压力到达大气压,开盘式阀然后料车向受料漏斗内卸料,炉料经受料漏斗和布料器,卸到小车上。IHI
22、型炉顶的优点是:以阀代钟,减少了设备的重量,为快速更换创造了条件,由于是在盘式阀上采用了金属与橡胶接触的密封方式,提高了气密性,但早期装有IHI型炉顶的高炉压力并不是很高,但近年来有很大提高。 IHI型炉顶的主要缺点是:布料效果不够理想,武汉钢铁设计院等作了歪嘴布料器的模拟实验,布料器按定点布料,一个周期后,沿圆周上无论是按粒度还是按粒重,都没有获得均匀。麦基型布料器则不然,同样是定点布料,一个周期后沿炉喉圆周上无论是按粒度还是按粒重,都获得了均匀。因此在麦基布料器的工作过程中,布料器是在装入炉料以后,才旋转的。不论该批炉料的转角是多少,卸到小钟上条件总是一样的。空转之后的歪嘴布料器则与此相反
23、。它在炉料卸入之前旋转,布料器处在不同的位置上,炉料卸到小钟上也不同。于是在某个位置上形成固定的粒度偏析和粒重偏析。(2)新日铁型炉顶装料设备新日铁型炉顶是皮带上料的IHI型炉顶的改进,它将IHI型中密封在上密封室的歪嘴布料器移到了料仓的上方,炉料从皮带上卸下时,快速的旋转布料,料仓的下方和出料口增加为四个,每个出料口上设有一个阀口,密封阀也相应地增加为四个,其它与IHI型相同。新日铁型炉顶具有以下几个优点:)由于布料器设在密封阀之外,易于维修和检查,有利于提高密封室的压力;)皮带装料配合快速布料器,可使炉料在料仓内分布均匀;)大钟只起布料作用,因而不堆焊硬质合金,只加衬板。如果需要更换,由于
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