精煉爐鋼包設(shè)計(jì)
精煉爐鋼包設(shè)計(jì),精煉爐,鋼包,設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期報(bào)告
題目：精煉爐鋼包設(shè)計(jì)
1. 設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
本設(shè)計(jì)已經(jīng)完成以下內(nèi)容：
（1） 對(duì)于在開題答辯中，老師對(duì)我總設(shè)計(jì)草圖，開題報(bào)告中提出的相關(guān)問題，我修改了平面圖,剖面圖，并通過了指導(dǎo)老師的檢查；完善了開題報(bào)告的內(nèi)容和格式。
（2） 根據(jù)結(jié)構(gòu)布置的相關(guān)規(guī)定，規(guī)范和原則，完成了設(shè)計(jì)方案的布置，完成了總設(shè)計(jì)圖。
（3） 完成了各部分的計(jì)算。
2.1、 鋼包尺寸計(jì)算
(1)鋼包容納鋼水量。鋼包的容量應(yīng)于轉(zhuǎn)爐的最大出鋼量相匹配，設(shè)鋼包的額定容量為。一般考慮應(yīng)用10％的過裝余量，則鋼包內(nèi)鋼水實(shí)際容量為
(2)鋼包內(nèi)渣量。出鋼時(shí)一般將爐內(nèi)熔渣全部或絕大部分隨鋼水水傾入鋼包。采用留渣出鋼操作者除外，但留渣出鋼操作時(shí)在鋼桶中要新加渣料熔融成新渣層覆蓋。渣量一般為金屬量的3～5％，設(shè)計(jì)時(shí)取較大比例為15％。即渣量為：
×15%＝0.15
(3)鋼包的容積。根據(jù)鋼包實(shí)際容納金屬液與熔渣量計(jì)算容積。鋼液比容取為0.14，熔渣比容取為0.28。因此，鋼與渣的總體積即鋼包容積應(yīng)為：=0.14×1.1+0.28×0.15=0.20()，若采D/H＝1，錐度為15％，則鋼包下部內(nèi)徑(鋼包內(nèi)空間尺寸見圖1)：
=0.85
圖1 鋼包內(nèi)空間尺寸
鋼包的容積按圓錐臺(tái)計(jì)算：
將，帶入上式得：
又因?yàn)殇摵驮w積為=0.20，故=0.20P
從而可得鋼包基本尺寸與容量的關(guān)系使如下:
； ；
上面三個(gè)計(jì)算式是根據(jù)內(nèi)襯厚度上下一致的情況下推出的。各部設(shè)計(jì)過程參考（《鋼鐵廠設(shè)計(jì)》下冊，李傳薪主編P128-129）從而得到各部分參數(shù)如圖2所示。
圖2 鋼包各部分尺寸
1)
2)
3)
4)
5)
6)
說明：
(1)盛鋼桶磚襯厚度。盛鋼桶磚襯包含保溫層(外層)與耐火工作層(外層)，一
般砌筑總厚度100～250mm。工作層砌磚有多種型式，陳列入標(biāo)準(zhǔn)的盛鋼桶襯磚磚型外，可針對(duì)專用盛鋼桶依據(jù)其錐度、直徑、高度等參數(shù)設(shè)計(jì)專用襯磚，則砌筑工作更為方便順利，砌筑質(zhì)量也較高。
鋼桶桶壁厚度約等于＝0.07D ；：包壁厚度（上下一致），mm
D：鋼包上部內(nèi)徑mm
:鋼包底襯厚度，mm（=0.10D）
：鋼包殼壁厚，mm (=0.01D)
：鋼包殼底厚，mm =0.012D)
磚襯部分加厚則須加以擴(kuò)大修正，亦即增大σ值方能保證實(shí)際容積為0.20P
表示為: K×=0.20P 。K為093～0.96的一個(gè)系數(shù)。意義是磚襯部分加厚使容積減小了4～7％，為彌補(bǔ)容積之不足故在式中乘以系數(shù)K并得下部內(nèi)徑
（一般為30～60mm，取為45mm）。
1. 存在問題及解決措施
存在的問題： 再本設(shè)計(jì)里涉及到了許多材料的選擇，雖然之前接觸過，但在綜合考慮結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)等方面還有所欠缺。我會(huì)認(rèn)真的參考資料積極地和同學(xué)討論，向老師請(qǐng)教。還有軟件畫圖存在問題不能完全按照計(jì)算結(jié)果畫出相一致的圖。
解決措施：繼續(xù)完善設(shè)計(jì)，從圖中改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，以求更加準(zhǔn)確。
3．后期工作安排
對(duì)鋼包進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，改進(jìn)中期設(shè)計(jì)中存在的缺點(diǎn)，比如鋼包重量過大，液壓的選擇和傳動(dòng)的計(jì)算不夠精確等等缺陷。
第5-8周(2014.2.23.2014.3.19)初步完成鋼包的設(shè)計(jì)，和外文翻譯；準(zhǔn)備中期檢查報(bào)告，并進(jìn)行中期答辯。
第9-15周(2014.3.20-2014.5.12)完成鋼包的總體設(shè)計(jì)，完成裝配圖及零件圖；并撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
第16-18周(2014.5.13-2014.5.30)完善畢業(yè)論文，上交歸檔。
指導(dǎo)教師簽字：
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目：精煉爐鋼包設(shè)計(jì)
1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述（題目背景、研究意義及國內(nèi)外相關(guān)研究情況）
1.1 題目背景、研究意義
爐外精煉技術(shù)由于其具有提高鋼質(zhì)量、加快產(chǎn)量、降低成本、改善勞動(dòng)條件和生產(chǎn)環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)日益成為全世界鋼鐵行業(yè)的新寵。鋼包精煉爐以其冶金效果好、具有設(shè)備費(fèi)用低、易于操作等特點(diǎn)而成為爐外精煉技術(shù)有代表性的設(shè)備,正得到普遍應(yīng)用。
鋼鐵是國民經(jīng)濟(jì)的中流破柱,是國家生存和發(fā)展的物質(zhì)保障。鋼鐵工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)
的發(fā)展過程中,起著舉足輕重的作用,是國民經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力的重要標(biāo)志。我國是
發(fā)展中國家,正大力發(fā)展其國民經(jīng)濟(jì),這使得我國對(duì)鋼鐵材料的需求量增大。同時(shí)我國
也是鋼鐵產(chǎn)量世界第一的鋼鐵大國,在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天,社會(huì)對(duì)鋼材尤其是高質(zhì)量鋼材的需求不斷加大,這就需要我們?yōu)殇撹F強(qiáng)國的偉大目標(biāo)努力奮斗。在一段時(shí)期之內(nèi),鋼鐵工業(yè)仍將是我國經(jīng)濟(jì)的支柱之一。
20世紀(jì)以來,鋼鐵產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用在建筑、機(jī)械、汽車、船舶、石油和運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)行業(yè)中。因此,鋼鐵一直是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)之一?，F(xiàn)如今,雖然出現(xiàn)了許多新材料,例如陶瓷、塑料、高分子復(fù)合材料等等,這些新材料由于自身的一些特點(diǎn)在一定程度上取代了鋼材,但是鋼材具有其它材料不可比擬的綜合性能。同時(shí),與其它材料相比,鋼材價(jià)格波動(dòng)趨勢相對(duì)較小。所以,鋼鐵材料仍是當(dāng)代最主要的材料之一。
隨著市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,使得企業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)量越來越大,鋼鐵工業(yè)也通過加快結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整,不斷提高滿足國民經(jīng)濟(jì)對(duì)鋼材產(chǎn)量、品種、質(zhì)量、成本等全面要求的能力。但是,隨之而來的市場競爭又使各企業(yè)面臨著生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。企業(yè)要想立于不敗之地,必須提高自身的競爭能力,提高生產(chǎn)效率、降低成本、降低能源消耗和原材料消耗、減輕對(duì)環(huán)境的污染和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量,以適應(yīng)快速多變的市場需求。
近20多年來,由于人類社會(huì)的飛速發(fā)展對(duì)鋼材尤其是優(yōu)質(zhì)鋼材、特殊鋼材的需求越來越大,而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋼材的冶煉技術(shù)也發(fā)生了質(zhì)的變化。煉鋼爐的容量不斷擴(kuò)大,超高功率電爐普遍應(yīng)用于生產(chǎn),連續(xù)鑄鋼技術(shù)也円臻完善。因此,煉鋼的方法也發(fā)生了巨大的變化,由原始的一步煉鋼法發(fā)展成為二步煉鋼法即爐內(nèi)初煉、爐外精煉。爐外精煉技術(shù)由于其具有提高鋼質(zhì)量、加快產(chǎn)量、降低成本、改善勞動(dòng)條件、改善生產(chǎn)環(huán)境條件等等優(yōu)點(diǎn)已日益成為全世界鋼鐵行業(yè)的新寵,發(fā)展極其迅速。全世界各大鋼鐵企業(yè)紛紛加大了對(duì)鋼水爐外精煉的研究力度,研制了多種鋼水爐外精煉的設(shè)備,尤其是提出了各種各樣的理論和控制方法,并已創(chuàng)造了極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
1.2國內(nèi)外發(fā)展趨勢
在近十多年以來，我國冶金工業(yè)在強(qiáng)調(diào)發(fā)展連續(xù)鑄錠方面有飛速的進(jìn)展，在國家?“八五”，“九五”發(fā)展規(guī)劃的推動(dòng)下，我國鋼液連鑄比每年都以5?~?6個(gè)百分點(diǎn)迅速提高，到?2002年，我國鋼液連鑄比已達(dá)94%以上，可以稱為連鑄強(qiáng)國。但是要從冶金技術(shù)整體水平比較，我國在鋼液的純凈度和成品內(nèi)在性能方面尚有不足，尤其是在特殊用鋼生產(chǎn)方面?更為突出。由此可以理解我們還需要在提高鋼液精煉比方面和生產(chǎn)特殊用途鋼的精煉技術(shù)方面進(jìn)一步提高。說到我國的鋼液精煉比，沒有確切的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，從我國目前擁有的具有加熱升溫功能的爐外精煉設(shè)備，估計(jì)精煉能力只占總粗鋼的20.?~?30%。并且有些大中型鋼包精煉爐?只是在近二三年中，藉于各大型鋼鐵企業(yè)執(zhí)行國家要求消滅平爐以及配合轉(zhuǎn)爐或電弧爐?生產(chǎn)而建立的，因此要求正常投入使用和理順生產(chǎn)節(jié)奏，真正發(fā)揮精煉作用還需要一段磨?合期?？v上所述，我國的精煉比要取得與連鑄比同樣的業(yè)績，還需作較大的努力和足夠的重?視，尤其是在精煉爐的工藝功能方面有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)它的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槟壳叭杂幸恍╀搹S，?把鋼包爐當(dāng)做解決低溫鋼來使用，或者當(dāng)做調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏的目的來使用。
2.本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施
2.1 本課題研究的主要內(nèi)容
本題目的主要內(nèi)容為精煉爐鋼包設(shè)計(jì)，包括鋼包包體、滑動(dòng)水口、吹氬口等。
2.2 本課題研究的研究方案
（1）本課題對(duì)現(xiàn)有鋼包精煉爐進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)解決現(xiàn)有鋼包精煉爐的缺陷。（2）根據(jù)鋼包精煉爐的材料性質(zhì)，確定工藝材料的選擇（3）通過對(duì)已有的鋼包精煉爐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要改善對(duì)鋼包包蓋的提升件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善
2.3 本課題研究的研究方法或措施
首先查找資料，咨詢老師，請(qǐng)教相關(guān)專業(yè)同學(xué)進(jìn)行必要的分析計(jì)算，考慮現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行必要的調(diào)查了解，然后草繪圖紙確定尺寸。最后建立三維立體模型、進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，確定出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
2.4前期已開展工作。
周 次 工作方案及進(jìn)度計(jì)劃
第1-3周 查閱資料，了解工作原理及特點(diǎn)，完成基礎(chǔ)知識(shí)的積累并撰寫開題報(bào)告
第4-6周 方案論證，深化方案具體實(shí)施步驟
第7-10周 鋼包車的具體方案設(shè)計(jì)，圖紙繪制，準(zhǔn)備中期答辯。
第11-15周 撰寫畢業(yè)論文，論文修改，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯
指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
參考文獻(xiàn)
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目：精煉爐鋼包設(shè)計(jì)
精煉爐鋼包設(shè)計(jì)
摘 要
鋼包是爐外精煉的主要設(shè)備之一。精煉爐鋼包主要功能：使鋼液升溫和保溫功能。初期對(duì)鋼包進(jìn)行了初步計(jì)算，確定鋼包的尺寸，根據(jù)老師給的圖讀懂圖并進(jìn)行完善，中期根據(jù)任務(wù)說明進(jìn)行滑動(dòng)水口和吹氬口的設(shè)計(jì)，后期根據(jù)前期的資源進(jìn)行論文撰寫，修改格式，完善圖紙，爭取完成好這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：鋼包；液壓；滑動(dòng)水口
Refining Furnace Ladle Design
Abstract
Ladle Turret in continuous casting machine is pouring position over the top of the ladle used to carry cross and bearing steel casting equipment packages，it is the most commonly used in modern continuous casting and the most common bearing steel ladle for pouring the key machinery and equipment.In this paper, we make a design calculations for the Ladle Turret slewing device system, helping to optimize the large package of turret structure, reduce costs and increase the economic efficiency.This topic is mainly making a design calculation of correlation of Ladle Turret slewer , including the calculation of the drives power , the selection of the electrical machine and electrical machine ,the checking of exposed gear ,the selection and checking of exposed gear ,the checking of coupling bolt and foundation bolt.
Keywords：The Ladle ；Hydraulic；Slide Gate
目 錄
1 緒論 1
1.1精煉爐鋼包的簡介 1
1.2精煉爐鋼包的研究意義 2
1.3精煉爐鋼包的研究背景 3
1.4實(shí)施方案及主要研究手段 4
2 鋼包設(shè)計(jì) 5
2.1鋼包尺寸計(jì)算 5
2.2鋼包質(zhì)量 8
2.3鋼包重心計(jì)算 9
3 鋼包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1鋼包包體設(shè)計(jì) 11
3.3鋼包耳軸的設(shè)計(jì) 12
3.3.1耳軸計(jì)算 12
4 鋼包滑動(dòng)水口設(shè)計(jì) 14
4.1負(fù)載與運(yùn)動(dòng)分析 14
4.1.1計(jì)算工作負(fù)載 14
4.1.2摩擦及慣性負(fù)載 14
4.1.3工進(jìn)速度 15
4.1.4各工況負(fù)載 15
4.1.5各工況時(shí)間 15
4.2確定液壓缸基本參數(shù) 15
4.2.1初選系統(tǒng)壓力 15
4.2.2計(jì)算液壓缸主要尺寸 15
4.3擬定液壓系統(tǒng)圖 16
4.3.1選擇基本回路 16
4.4液壓輔件的選擇 18
4.4.1選擇液壓泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī) 18
4.4.2控制閥的選擇 19
4.4.3蓄能器的選擇 19
4.4.4管道的選擇 20
4.5確定油箱容量 20
4.6過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
4.6.1過濾器的位置設(shè)置 20
4.6.2過濾器精度的選擇 20
4.6.3過濾器尺寸確定 21
4.7液壓油的選用 21
結(jié)論 22
參考文獻(xiàn) 23
致謝 24
I
1 緒論
1.1 精煉爐鋼包的簡介
精煉爐鋼包是用來對(duì)初煉爐（電弧爐、平爐、轉(zhuǎn)爐）所熔鋼水進(jìn)行精煉，并且能調(diào)節(jié)鋼水溫度，工藝緩沖，滿足連鑄、連軋的重要冶金設(shè)備。鋼包爐是爐外精煉的主要設(shè)備之一。精煉爐鋼包主要功能：1、使鋼液升溫和保溫功能。鋼液通過電弧加熱獲得新的熱能，這不但能使鋼包精煉時(shí)可以補(bǔ)加合金和調(diào)整成分，也可以補(bǔ)加渣料，便于鋼液深脫硫和脫氧。而且連鑄要求的鋼液開澆溫度得到保證，有利干鑄坯質(zhì)量的提高。2、氬氣攪拌功能。氬氣通過裝在鋼包底部的透氣磚向鋼液中吹氛，鋼液獲得一定的攪拌功能。3、真空脫氣功能。通過鋼包吊入真空罐后，采用蒸汽噴射泵進(jìn)行真空脫氣，同時(shí)通過包底吹入氬氣攪動(dòng)鋼液，可以去除鋼液中的氫含量和氮含量，并進(jìn)一步降低氧含量和硫含量，最終獲得較高純凈度的鋼液和性能優(yōu)越的材質(zhì)。鋼包精煉爐的應(yīng)用對(duì)整個(gè)企業(yè)來看，至少可增加如下得益：加快生產(chǎn)節(jié)奏，提高整個(gè)冶金生產(chǎn)效率。應(yīng)用領(lǐng)域：鋼包精煉爐被廣泛用于工業(yè)、鋼鐵、冶金等行業(yè)。
鋼包運(yùn)載設(shè)備的任務(wù)是將鋼包運(yùn)送到澆注位臵，供給中間包所必需的鋼水。生產(chǎn)上原來主要使用鑄錠天車吊著鋼水包進(jìn)行澆注。這種方式在連鑄技術(shù)發(fā)展初期曾經(jīng)廣泛使用，因?yàn)槟菚r(shí)連鑄機(jī)多裝在鑄錠跨內(nèi)，只進(jìn)行單爐澆注，利用已有的鑄錠天車，可以節(jié)省建設(shè)投資。但連鑄的時(shí)間一般比模鑄長，在吊澆時(shí)會(huì)妨礙其他天車的運(yùn)行。為了解決這一問題，采用了在澆注平臺(tái)上設(shè)臵固定的鋼包支座進(jìn)行澆鋼，但這種澆鋼形勢不利于實(shí)現(xiàn)全連鑄，生產(chǎn)效率低。經(jīng)過不斷的研究設(shè)計(jì)，為多爐連澆創(chuàng)造條件，現(xiàn)在普遍采用鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)。
鋼水在澆鑄過程中需要包括鋼包和鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)、中間包和中間包車等設(shè)備。鋼包盛著從煉鋼爐里煉好的鋼水，經(jīng)過精煉爐的精煉運(yùn)到連鑄平臺(tái)上的鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)上。在這個(gè)過程中，承載著鋼水包的就是鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)。
鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)（即我們所說的大包旋轉(zhuǎn)臺(tái)）是現(xiàn)在連鑄中使用最普遍和最常見的承載鋼水包進(jìn)行澆鋼的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備。經(jīng)常把它放在車間的鋼水接收跨和澆鋼跨銜接的地方。對(duì)于鋼包的旋轉(zhuǎn)半徑的設(shè)計(jì)就是在澆鋼時(shí)鋼水包的水口正好對(duì)準(zhǔn)中間包上接鋼水的規(guī)定位臵。這時(shí)用鋼水接收跨一側(cè)的天車將鋼水包放在鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)上，經(jīng)過鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，讓鋼水包停在中間包上方供給其鋼水。并經(jīng)中間被注入結(jié)晶，然后由垃矯機(jī)拉出所需的鑄坯。交完鋼的空包再通過回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，再運(yùn)回鋼水的接收跨。[1]
鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)是定向的，占用連鑄澆鋼平臺(tái)的面積較小，容易定位，更易于遠(yuǎn)距離的操作?；剞D(zhuǎn)臺(tái)的電器控制線路以及液壓管線都可以裝設(shè)在旋轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)，這樣比較可靠安全。但它的缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)半徑有限，一個(gè)鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)只能為一臺(tái)連鑄機(jī)服務(wù)。由于鋼水包不在鑄錠天車中作范圍內(nèi)，除了回轉(zhuǎn)臺(tái)沒有其他吊運(yùn)設(shè)備代替。鋼包回轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)是由回轉(zhuǎn)電機(jī)通過撥動(dòng)轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)臂來實(shí)現(xiàn)的，所以要求回轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)轉(zhuǎn)有很高的可靠性，即使在停電的情況下也能借助于備用電源、液壓以及氣動(dòng)設(shè)備進(jìn)行正常工作。[3]
1.2 精煉爐鋼包的研究意義
爐外精煉技術(shù)由于其具有提高鋼質(zhì)量、加快產(chǎn)量、降低成本、改善勞動(dòng)條件和生產(chǎn)環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)日益成為全世界鋼鐵行業(yè)的新寵。鋼包精煉爐以其冶金效果好、具有設(shè)備費(fèi)用低、易于操作等特點(diǎn)而成為爐外精煉技術(shù)有代表性的設(shè)備,正得到普遍應(yīng)用。
鋼包又稱鋼水包，用于煉鋼廠、鑄造廠在平爐、電爐或轉(zhuǎn)爐前承接鋼水、進(jìn)行澆注作業(yè)。
鋼包烘烤是煉鋼生產(chǎn)工序中的主要環(huán)節(jié)之一，其目的是均勻地提高鋼包內(nèi)襯的溫度水平，以減少鋼水澆注過程的熱損失和延長鋼包內(nèi)襯的使用壽命。鋼包烘烤裝置的性能對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼溫度、煉鋼作業(yè)率、爐齡等都有很大影響。鋼包烘烤介于煉鋼和鑄鋼兩個(gè)工序之間，鋼包烘烤溫度的高低對(duì)協(xié)調(diào)整個(gè)生產(chǎn)有重要作用，對(duì)連鑄生產(chǎn)的意義更加重大。
鋼包是盛鋼水的容器，又是精煉設(shè)備的組成部分。鋼水在裝入鋼包后到澆注期間要損失大量的熱量，因?yàn)殇撍畯某鐾赇摰綕沧⑶岸家阡摪墟?zhèn)靜5～10min才進(jìn)行澆注，這期間鋼水平均溫降速度：大于250t的鋼包為0.5～1.5℃/ min，100～200t的為1～2 ℃/ min，30t鋼包為2～2.5℃/ min。熱能損失大致分為三部分：第一部分為鋼水上表面的輻射熱損失，第二部分為鋼包外殼表面的綜合散熱損失，第三部分為鋼包內(nèi)襯的蓄熱損失。其中以鋼包內(nèi)襯的蓄熱損失為主。鋼水在鋼包中的熱損失比例大致是包襯蓄熱的45%～ 50%，包壁散熱的20%，鋼水上表面輻射的20%～30%。如果減少鋼包的熱損失，鋼水在鋼包中的溫降可以大大減少。對(duì)于90t的鋼包，包襯溫度由400℃提高到1200℃，鋼水總溫降可以減少25℃。鋼包蓄熱損失約占鋼水總熱損失的一半左右，如果不采用鋼包烘烤方法補(bǔ)償鋼水的熱能損失、保證鋼水的澆注溫度，勢必要提高鋼水的出鋼溫度，但這會(huì)帶來一系列的問題。首先，提高出鋼溫度就要增加冶煉時(shí)間，增加原材料(耐火材料)和動(dòng)力能源消耗，提高噸鋼成本；其次，使?fàn)t襯侵蝕速度加快，縮短熔煉爐的檢修周期，降低爐齡，進(jìn)而造成連鑄生產(chǎn)的波動(dòng)和鑄坯的質(zhì)量缺陷。因此，鋼包的烘烤對(duì)降低出鋼溫度，提高轉(zhuǎn)爐的壽命，增加鋼產(chǎn)量，降低原材料消耗，降低噸鋼成本，保證連鑄的順利進(jìn)行具有重要的意義。
1.3 精煉爐鋼包的研究背景
爐外精煉技術(shù)由于其具有提高鋼質(zhì)量、加快產(chǎn)量、降低成本、改善勞動(dòng)條件和生產(chǎn)環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)日益成為全世界鋼鐵行業(yè)的新寵。精煉爐鋼包以其冶金效果好、具有設(shè)備費(fèi)用低、易于操作等特點(diǎn)而成為爐外精煉技術(shù)有代表性的設(shè)備,正得到普遍應(yīng)用。鋼鐵是國民經(jīng)濟(jì)的中流破柱,是國家生存和發(fā)展的物質(zhì)保障。鋼鐵工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中,起著舉足輕重的作用,是國民經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力的重要標(biāo)志。我國是發(fā)展中國家,正大力發(fā)展其國民經(jīng)濟(jì),這使得我國對(duì)鋼鐵材料的需求量增大。同時(shí)我國也是鋼鐵產(chǎn)量世界第一的鋼鐵大國,在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天,社會(huì)對(duì)鋼材尤其是高質(zhì)量鋼材的需求不斷加大,這就需要我們?yōu)殇撹F強(qiáng)國的偉大目標(biāo)努力奮斗。在一段時(shí)期之內(nèi),鋼鐵工業(yè)仍將是我國經(jīng)濟(jì)的支柱之一[4]。
20世紀(jì)以來,鋼鐵產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用在建筑、機(jī)械、汽車、船舶、石油和運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)行業(yè)中。因此,鋼鐵一直是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)之一。現(xiàn)如今,雖然出現(xiàn)了許多新材料,例如陶瓷、塑料、高分子復(fù)合材料等等,這些新材料由于自身的一些特點(diǎn)在一定程度上取代了鋼材,但是鋼材具有其它材料不可比擬的綜合性能。同時(shí),與其它材料相比,鋼材價(jià)格波動(dòng)趨勢相對(duì)較小。所以,鋼鐵材料仍是當(dāng)代最主要的材料之一[4]。
隨著市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,使得企業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)量越來越大,鋼鐵工業(yè)也通過加快結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整,不斷提高滿足國民經(jīng)濟(jì)對(duì)鋼材產(chǎn)量、品種、質(zhì)量、成本等全面要求的能力。但是,隨之而來的市場競爭又使各企業(yè)面臨著生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。企業(yè)要想立于不敗之地,必須提高自身的競爭能力,提高生產(chǎn)效率、降低成本、降低能源消耗和原材料消耗、減輕對(duì)環(huán)境的污染和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量,以適應(yīng)快速多變的市場需求。
近20多年來,由于人類社會(huì)的飛速發(fā)展對(duì)鋼材尤其是優(yōu)質(zhì)鋼材、特殊鋼材的需求越來越大,而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋼材的冶煉技術(shù)也發(fā)生了質(zhì)的變化。煉鋼爐的容量不斷擴(kuò)大,超高功率電爐普遍應(yīng)用于生產(chǎn),連續(xù)鑄鋼技術(shù)也円臻完善。因此,煉鋼的方法也發(fā)生了巨大的變化,由原始的一步煉鋼法發(fā)展成為二步煉鋼法即爐內(nèi)初煉、爐外精煉。爐外精煉技術(shù)由于其具有提高鋼質(zhì)量、加快產(chǎn)量、降低成本、改善勞動(dòng)條件、改善生產(chǎn)環(huán)境條件等等優(yōu)點(diǎn)已日益成為全世界鋼鐵行業(yè)的新寵,發(fā)展極其迅速。全世界各大鋼鐵企業(yè)紛紛加大了對(duì)鋼水爐外精煉的研究力度,研制了多種鋼水爐外精煉的設(shè)備,尤其是提出了各種各樣的理論和控制方法,并已創(chuàng)造了極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益。鋼鐵是國民經(jīng)濟(jì)的中流破柱,是國家生存和發(fā)展的物質(zhì)保障。鋼鐵工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中,起著舉足輕重的作用,是國民經(jīng)濟(jì)水平和綜合國力的重要標(biāo)志。我國是發(fā)展中國家,正大力發(fā)展其國民經(jīng)濟(jì),這使得我國對(duì)鋼鐵材料的需求量增大。同時(shí)我國也是鋼鐵產(chǎn)量世界第一的鋼鐵大國,在國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天,社會(huì)對(duì)鋼材尤其是高質(zhì)量鋼材的需求不斷加大,這就需要我們?yōu)殇撹F強(qiáng)國的偉大目標(biāo)努力奮斗。在一段時(shí)期之內(nèi),鋼鐵工業(yè)仍將是我國經(jīng)濟(jì)的支柱之一。
20世紀(jì)以來,鋼鐵產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)用在建筑、機(jī)械、汽車、船舶、石油和運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)行業(yè)中。因此,鋼鐵一直是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)工業(yè)之一。現(xiàn)如今,雖然出現(xiàn)了許多新材料,例如陶瓷、塑料、高分子復(fù)合材料等等,這些新材料由于自身的一些特點(diǎn)在一定程度上取代了鋼材,但是鋼材具有其它材料不可比擬的綜合性能。同時(shí),與其它材料相比,鋼材價(jià)格波動(dòng)趨勢相對(duì)較小。所以,鋼鐵材料仍是當(dāng)代最主要的材料之一。
隨著市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展,使得企業(yè)的規(guī)模和產(chǎn)量越來越大,鋼鐵工業(yè)也通過加快結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整,不斷提高滿足國民經(jīng)濟(jì)對(duì)鋼材產(chǎn)量、品種、質(zhì)量、成本等全面要求的能力。但是,隨之而來的市場競爭又使各企業(yè)面臨著生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益、產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)等方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。企業(yè)要想立于不敗之地,必須提高自身的競爭能力,提高生產(chǎn)效率、降低成本、降低能源消耗和原材料消耗、減輕對(duì)環(huán)境的污染和改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量,以適應(yīng)快速多變的市場需求。
高速燒嘴是近代熱工技術(shù)取得突破性進(jìn)展的新技術(shù)之一。其特點(diǎn)是燃燒氣體出口速度可達(dá)100～300m/ s。在加熱物件時(shí)，不論在加熱速度方面，還是在加熱均勻性方面，其加熱效果都大大超過普通燒嘴。由于高速燒嘴出口速度高，燒嘴的耐火材料消耗大，使用壽命低，一般煉鋼廠鋼包烘烤設(shè)備的現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，不適合安裝精密的控制設(shè)備。因此，鞍山熱能研究院設(shè)備研制廠研制開發(fā)出用于鋼包烘烤的簡易高速燒嘴，基本上保持了高速燒嘴的氣流速度大，加熱升溫快，鋼包溫度分布均勻的特點(diǎn)。隨后又開發(fā)出富氧燒嘴、油氣兩用燒嘴，以滿足只有高爐煤氣或轉(zhuǎn)爐煤氣，煤氣熱值低或煤氣量不足的煉鋼廠的需要。
鋼包在新砌后和盛裝鋼水前一般都需要烘烤，用來烘烤鋼包的裝置就稱為鋼包烘烤器，又稱烤包器。鋼包烘烤器有在線烘烤器和離線烘烤器兩大類，離線烘烤器有立式烘烤器和臥式烘烤器兩種，另外還有專門烘烤中間包的中間包烘烤器。
在鋼包烘烤器的發(fā)展過程中，有三個(gè)方面的進(jìn)步對(duì)提高鋼包烘烤的效率和質(zhì)量比較明顯：(1)鋼包加蓋； (2)燒嘴的改進(jìn)；(3)余熱的利用。
近20多年來,由于人類社會(huì)的飛速發(fā)展對(duì)鋼材尤其是優(yōu)質(zhì)鋼材、特殊鋼材的需求越來越大,而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,鋼材的冶煉技術(shù)也發(fā)生了質(zhì)的變化。煉鋼爐的容量不斷擴(kuò)大,超高功率電爐普遍應(yīng)用于生產(chǎn),連續(xù)鑄鋼技術(shù)也円臻完善。因此,煉鋼的方法也發(fā)生了巨大的變化,由原始的一步煉鋼法發(fā)展成為二步煉鋼法即爐內(nèi)初煉、爐外精煉。爐外精煉技術(shù)由于其具有提高鋼質(zhì)量、加快產(chǎn)量、降低成本、改善勞動(dòng)條件、改善生產(chǎn)環(huán)境條件等等優(yōu)點(diǎn)已日益成為全世界鋼鐵行業(yè)的新寵,發(fā)展極其迅速。全世界各大鋼鐵企業(yè)紛紛加大了對(duì)鋼水爐外精煉的研究力度,研制了多種鋼水爐外精煉的設(shè)備,尤其是提出了各種各樣的理論和控制方法,并已創(chuàng)造了極其可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在近十多年以來，我國冶金工業(yè)在強(qiáng)調(diào)發(fā)展連續(xù)鑄錠方面有飛速的進(jìn)展，在國家?“八五”，“九五”發(fā)展規(guī)劃的推動(dòng)下，我國鋼液連鑄比每年都以5?~?6個(gè)百分點(diǎn)迅速提高，到?2002年，我國鋼液連鑄比已達(dá)94%以上，可以稱為連鑄強(qiáng)國。但是要從冶金技術(shù)整體水平比較，我國在鋼液的純凈度和成品內(nèi)在性能方面尚有不足，尤其是在特殊用鋼生產(chǎn)方面?更為突出。由此可以理解我們還需要在提高鋼液精煉比方面和生產(chǎn)特殊用途鋼的精煉技術(shù)方面進(jìn)一步提高。說到我國的鋼液精煉比，沒有確切的統(tǒng)計(jì)數(shù)字，從我國目前擁有的具有加熱升溫功能的爐外精煉設(shè)備，估計(jì)精煉能力只占總粗鋼的20%?~?30%。并且有些大中型精煉爐鋼包?只是在近二三年中，藉于各大型鋼鐵企業(yè)執(zhí)行國家要求消滅平爐以及配合轉(zhuǎn)爐或電弧爐?生產(chǎn)而建立的，因此要求正常投入使用和理順生產(chǎn)節(jié)奏，真正發(fā)揮精煉作用還需要一段磨?合期。縱上所述，我國的精煉比要取得與連鑄比同樣的業(yè)績，還需作較大的努力和足夠的重?視，尤其是在精煉爐的工藝功能方面有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)它的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槟壳叭杂幸恍╀搹S，?把鋼包爐當(dāng)做解決低溫鋼來使用，或者當(dāng)做調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏的目的來使用
1.4 實(shí)施方案及主要研究手段
(1)本課題對(duì)現(xiàn)有精煉爐鋼包進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)解決現(xiàn)有精煉爐鋼包的缺陷。
(2)根據(jù)精煉爐鋼包的材料性質(zhì)，確定工藝材料的選擇。
(3)通過對(duì)已有的精煉爐鋼包的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，主要改善鋼包包體、滑動(dòng)水口吹氬口。
1.5 設(shè)計(jì)(論文)的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標(biāo)）：
(1) 參閱相關(guān)資料，了解和掌握精煉爐鋼包工作原理及其發(fā)展，并查閱和收集相關(guān)資料；
(2) 完成原理方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)，確定實(shí)施方案；
(3) 對(duì)精煉爐鋼包結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
(4) 鋼包起吊軸加工工藝規(guī)程設(shè)計(jì)；
(5) 對(duì)鋼包滑動(dòng)水口的結(jié)構(gòu)改善，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；
(6) 完成所設(shè)計(jì)部件的裝配圖和零件圖。
24
2 鋼包設(shè)計(jì)
2.1 鋼包尺寸計(jì)算
一般情況下,鋼包外殼有鋼板鉚接式和鋼板焊接式兩種型式。由于焊接式鋼包外殼在重量上比鉚接式鋼包外殼輕15%～20%,為此在設(shè)計(jì)中采用了焊接式鋼包外殼,這樣既節(jié)約了材料,又可在不增加吊車負(fù)荷的情況下增大包容。原鋼包由德國設(shè)計(jì)、制造,外殼采用厚22mm的鋼板焊接而成。通過對(duì)原鋼包材質(zhì)的分析和鋼包強(qiáng)度的計(jì)算,了解到我國在設(shè)計(jì)鋼包容器時(shí)所用的安全系數(shù)比德國大,使用的材質(zhì)、焊條及焊縫的類型都有所不同。因此,新鋼包內(nèi)外殼采用厚25mm、材質(zhì)為Q235A的鋼板焊接而成。
(1) 鋼包容納鋼水量。鋼包的容量應(yīng)于轉(zhuǎn)爐的最大出鋼量相匹配，設(shè)鋼包的額定容量為。一般考慮應(yīng)用10％的過裝余量，則鋼包內(nèi)鋼水實(shí)際容量為
（2.1）
(2) 鋼包內(nèi)渣量。出鋼時(shí)一般將爐內(nèi)熔渣時(shí)在鋼桶中要新加渣料熔融成新渣層覆蓋。渣量一般為金屬量的3～5％，設(shè)計(jì)全部或絕大部分隨鋼水水傾入鋼包。采用留渣出鋼操作者除外，但留渣出鋼操作時(shí)取較大比例為15％。即渣量為：
×15%＝0.15 （2.2）
(3) 鋼包的容積。根據(jù)鋼包實(shí)際容納金屬液與熔渣量計(jì)算容積。鋼液比容取為0.14，熔渣比容取為0.28。因此，鋼與渣的總體積即鋼包容積應(yīng)為：=0.14×1.1+0.28×0.15=0.20()，若采用＝1，錐度為15％，則鋼包下部內(nèi)徑(鋼包內(nèi)空間尺寸見圖2.1)：
=0.85 （2.3）
圖2.1 鋼包內(nèi)空間尺寸
鋼包的容積按圓錐臺(tái)計(jì)算：
（2.4）
將，帶入上式得：
又因?yàn)殇摵驮w積為=0.20，故=0.20P
（2.5）
從而可得鋼包基本尺寸與容量的關(guān)系使如下:
； ；
上面三個(gè)計(jì)算式是根據(jù)內(nèi)襯厚度上下一致的情況下推出的。各部設(shè)計(jì)過程參考（《鋼鐵廠設(shè)計(jì)》下冊，李傳薪主編P128-129）從而得到各部分參數(shù)如圖2.2所示。
圖2.2 鋼包各部分尺寸
1)
2)
3)
4)
5)
6)
說明：
(1) 盛鋼桶磚襯厚度。盛鋼桶磚襯包含保溫層(外層)與耐火工作層(外層)，一
般砌筑總厚度100～250mm。工作層砌磚有多種型式，陳列入標(biāo)準(zhǔn)的盛鋼桶襯磚磚型外，可針對(duì)專用盛鋼桶依據(jù)其錐度、直徑、高度等參數(shù)設(shè)計(jì)專用襯磚，則砌筑工作更為方便順利，砌筑質(zhì)量也較高。
鋼桶桶壁厚度約等于＝0.07D ；：包壁厚度（上下一致），mm
D：鋼包上部內(nèi)徑，mm
:鋼包底襯厚度，mm（=0.10D）
：鋼包殼壁厚，mm (=0.01D)
：鋼包殼底厚，mm (=0.012D)
磚襯部分加厚則須加以擴(kuò)大修正，亦即增大σ值方能保證實(shí)際容積為0.20P
表示為: K×=0.20P 。K為093～0.96的一個(gè)系數(shù)。意義是磚襯部分加厚使容積減小了4～7％，為彌補(bǔ)容積之不足故在式中乘以系數(shù)K并得下部內(nèi)徑
（一般為30～60mm，取為45mm）。
=4.289m
=3.466m
表2.1 鋼包各部分尺寸值
參數(shù)名稱
數(shù)值(mm)
參數(shù)名稱
數(shù)值(mm)
D
4289
4289
4889
4718
4975
4769
4246
429
4332
300
51
43
上述鋼包設(shè)計(jì)的凈空高度為300～400mm , 為了適應(yīng)現(xiàn)代真空冶煉的需要通常增大鋼包的凈空高度。RH 要求鋼包的凈空達(dá)400mm 以上即可。本設(shè)計(jì)中取鋼包的凈空高度為800mm 從而得到鋼包的各部分尺寸如下表2.2所示
表2.2 改進(jìn)后鋼包各部分的值
參數(shù)名稱
數(shù)值(mm)
參數(shù)名稱
數(shù)值(mm)
D
4289+120
4289+800
4889+137
4718+800
4975+139
4769+800
4246+119
429
4332+121
300
51
43
2.2 鋼包質(zhì)量
鋼包質(zhì)量的精確計(jì)算須完成外殼、吊掛耳抽、支撐腿及滑動(dòng)水口等結(jié)構(gòu)計(jì)算后，根據(jù)詳細(xì)圖紙進(jìn)行計(jì)算，但由上述已經(jīng)確定的主要尺寸參數(shù)與選材亦可以較粗略地算出鋼包的質(zhì)量。
(1) 包襯質(zhì)量。磚襯總體積與總質(zhì)量為：
桶壁磚襯體積為:
桶底磚襯體積為：
磚襯總體積:
磚襯總質(zhì)量(現(xiàn)取平均密度約1.81計(jì)算)
（2） 外殼鋼板質(zhì)量
桶底鋼板體積：
桶壁鋼板體積:
外殼鋼板質(zhì)量:
（3） 空鋼包質(zhì)量
，將式代入得：
即空盛鋼桶質(zhì)量約為鋼桶額定容量值的27～28％?？紤]到其它未計(jì)入的鋼結(jié)構(gòu)件與耐火磚(塞仔磚或滑板)質(zhì)量，應(yīng)增加約10％，則空桶質(zhì)量為額定容量值的30～31％。
（取為30%）
=0.3×50=15 （t）
（4） 裝滿鋼水與熔渣后的總質(zhì)量。鋼包容量按過裝10%計(jì)算，渣量為金屬量15%計(jì)算，則裝滿鋼水和渣后的質(zhì)量為：
=1.538×250=384.5t
因此，在選用澆注起重機(jī)時(shí)，其起重容量應(yīng)大于加門形吊鉤的質(zhì)量。門形吊鉤有固定在盛鋼桶上(與耳鈾餃接)和脫鉤式兩種，均須計(jì)入起重總量。
2.3 鋼包重心計(jì)算
計(jì)算鋼包的重心是為了確定鋼包耳軸的高低位置，使裝滿鋼水與熔渣的鋼包吊運(yùn)與澆注過程穩(wěn)定，無傾翻的危險(xiǎn)；又要使其在傾倒出殘鋼與鋼水時(shí)不需太費(fèi)力。計(jì)算重心是采用力學(xué)常規(guī)的計(jì)算方法。
對(duì)于盛鋼桶而言，如簡化不計(jì)澆注操作機(jī)構(gòu)(塞桿或滑動(dòng)鑄口)的質(zhì)量，即忽略它們在盛鋼桶上所引起的重心偏移，則可視盛鋼桶桶體，內(nèi)襯及鋼水、熔渣是圍繞鉛垂軸線完全對(duì)稱的。故計(jì)算重心只考慮堅(jiān)直方向的距離即可以了。
(1) 鋼桶桶壁磚襯的重心點(diǎn)
由計(jì)算可得桶壁磚襯重心距上口為：
(2) 盛鋼桶底磚襯的重心點(diǎn)
由計(jì)算可得桶底磚襯重心距上口為：
(3) 外殼側(cè)壁之重心點(diǎn)
由計(jì)算可得外殼側(cè)壁重心距上口為
(4) 底殼的重心點(diǎn)
由計(jì)算可得底殼重心距上口為
(5) 渣層的重心點(diǎn)
由計(jì)算可得渣層重心距上口為
(6) 盛鋼桶內(nèi)金屬的重心點(diǎn)
由計(jì)算可得盛鋼桶內(nèi)金屬重心距上口為
(7) 總重心。已知盛鋼桶各部分重心的所有數(shù)據(jù)，總重心就可以求出。因盛鋼桶是對(duì)稱的，所有重心都在對(duì)稱袖上，根據(jù)合力靜力矩等于合力靜力矩之和的原理，可列出下列方程式：
(2.6)
=
裝滿鋼水的盛鋼桶質(zhì)量：
鋼水量:
化簡得：
=0.54×4.289=2.316
同時(shí)，為了使盛鋼桶穩(wěn)定，必須使耳軸中心線與盛鋼桶上緣的距離小于0.54D。同樣計(jì)算方法，可得空盛鋼桶之重心位置，亦即空盛鋼桶較盛滿鋼水、熔渣時(shí)重心為低，此時(shí)更為穩(wěn)定，無傾覆之危險(xiǎn)。
表2.3 鋼包各部分參數(shù)
參數(shù)名稱
數(shù)值(mm)
參數(shù)名稱
數(shù)值(mm)
D
4409
5089
5026
5518
5114
5569
4365
429
4453
300
51
43
2.316
式中PC為計(jì)算功率，P2為回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際功率，KA為使用系數(shù)（1.5）
3 鋼包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 鋼包包體設(shè)計(jì)
一般情況下,鋼包外殼有鋼板鉚接式和鋼板焊接式兩種型式。由于焊接式鋼包外殼在重量上比鉚接式鋼包外殼輕15%～20%,為此在設(shè)計(jì)中采用了焊接式鋼包外殼,這樣既節(jié)約了材料,又可在不增加吊車負(fù)荷的情況下增大包容。原鋼包由德國設(shè)計(jì)、制造,外殼采用厚22mm的鋼板焊接而成。通過對(duì)原鋼包材質(zhì)的分析和鋼包強(qiáng)度的計(jì)算,了解到我國在設(shè)計(jì)鋼包容器時(shí)所用的安全系數(shù)比德國大,使用的材質(zhì)、焊條及焊縫的類型都有所不同。因此,新鋼包內(nèi)外殼采用厚25mm、材質(zhì)為Q235A的鋼板焊接而成。
通過對(duì)鋼包的設(shè)計(jì)畫出鋼包總圖
圖3.1 鋼包總裝圖
3.2 鋼包包底的設(shè)計(jì)
鋼包包底承受的壓力大,在滿足鋼包安全系數(shù)的條件下,采用厚40mm、材質(zhì)為Q345A的球形包底。這種包底受力要比原鋼包平包底受力好。由于舊鋼包在使用中包底鼓肚厲害,呈橢圓形,變形嚴(yán)重,因此,在包底避開安裝滑動(dòng)水口和吹氬插口的位置上加了4條加強(qiáng)筋,呈米字形分布（如圖3.2所示）
圖3.2 包底結(jié)構(gòu)示意圖
通過對(duì)鋼包包底結(jié)構(gòu)的分析，確定設(shè)計(jì)方案，畫出結(jié)構(gòu)圖（如圖3.3所示）
圖3.3 鋼包底結(jié)構(gòu)簡圖
綠色部分為待加工部位，方案一為大噸位鋼包，方案二為小噸位鋼包，考慮加工的方便和經(jīng)濟(jì)性，選方案二
3.3 鋼包耳軸的設(shè)計(jì)
3.3.1 耳軸計(jì)算
a. 耳軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
耳軸設(shè)計(jì)需注意以下問題：
(1) 龍門鉤距離2880mm,鉤內(nèi)圓á270mm,厚為80mm。
(2) 耳軸安全系數(shù)n不小于15。
(3) 耳軸位置比裝滿鋼水的鋼包重心高300～400mm。
(4) 鋼包包 殼上沿不能與吊鉤相碰。
耳軸結(jié)構(gòu)如圖3.4所示,采用護(hù)板焊接,箱型結(jié)構(gòu)固定。耳軸中心距上沿1030mm,耳軸直徑á270mm,尺寸2880mm與龍門鉤一致,考慮脫鉤掛鉤方便,耳軸掛鉤位置距離為170mm。
圖3.4 耳軸結(jié)構(gòu)示意圖
b. 耳軸強(qiáng)度的核算 由于45#鋼焊接性能較差,耳軸材質(zhì)選用35#鋼。為了保證耳軸更好受力, 采用耳軸耳板整體鍛件。在使用時(shí)中,耳軸受彎矩,通過受力分析,應(yīng)力最大處在A-A斷面,該位置直徑最小。
已知:最大出鋼量47t,包襯磚16t,鋼包凈重9.2t。鋼包裝滿鋼水的重量:
Q重=47+16+9.2=72.2(t)取Q重為75t。由:
W=PD/32
式中 W——抗彎截面模數(shù),mm; D——耳軸直徑,270mm。
代入數(shù)值得:W=1931394.3(mm)A-A斷面處最大彎矩:Mmax=Q/2×170/2 （3.1）
Rmax=Mmax/W （3.2）
分別代入數(shù)值得:
Mmax=3187.5(t.mm)
Rmax=16.17(N/mm)
35鋼的許用應(yīng)力:
Rs/n=260/15=17.3(N/mm2)
故強(qiáng)度足夠。
4 鋼包滑動(dòng)水口設(shè)計(jì)
隨著快速、高效連鑄和二次精煉技術(shù)及工藝的發(fā)展，滑動(dòng)水口（Sliding Nozzle，簡稱SN）系統(tǒng)在現(xiàn)代鋼鐵冶煉過程中變得越來越重要，成為冶煉中不可缺少的部分。它是連鑄機(jī)澆鑄過程中鋼水的控制裝置，能夠精確地調(diào)節(jié)從鋼包到連鑄中間包的水流量，使流入和流出的鋼水達(dá)到平衡，從而使連鑄操作更容易控制?；瑒?dòng)水口系統(tǒng)因其可控性好，能提高煉鋼生產(chǎn)效率而得到了迅速發(fā)展。現(xiàn)在，在鋼包、中間包上國內(nèi)外普遍使用了滑動(dòng)水口系統(tǒng)。
滑動(dòng)水口的設(shè)計(jì)早在1884年就由美國人D. Lewis提出構(gòu)思并申請(qǐng)了專利，后來也有不少類似的專利，但均因材質(zhì)不過關(guān)而未能實(shí)現(xiàn)。直到1964年，西德本特勒鋼鐵公司在22T鋼包上，采用滑動(dòng)水口裝置代替塞棒系統(tǒng)進(jìn)行澆鋼，首次獲得成功，并迅速推廣到許多國家。
滑動(dòng)水口一般由驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械部分和耐火材料部分（即上下滑板、下水口）組成?；瑒?dòng)水口的工作原理是通過滑動(dòng)機(jī)構(gòu)使上下滑板磚滑動(dòng)，從而帶動(dòng)流鋼孔的開閉來調(diào)節(jié)鋼水流量大小的。
為獲得較長的使用壽命和穩(wěn)定的操作條件，滑板作為滑動(dòng)水口系統(tǒng)的耐火材料和機(jī)械構(gòu)件，都要求其具有優(yōu)良的性能。當(dāng)前，為了使滑動(dòng)水口系統(tǒng)使用性能更加穩(wěn)定可靠，對(duì)滑板的形狀以及固定方式進(jìn)行了許多改進(jìn)和研究，其主要目的是抑制滑板使用過程中工作面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
滑板（Sliding Plate，簡稱SP）是滑動(dòng)水口系統(tǒng)的主要部件之一。按照組成滑動(dòng)水口系統(tǒng)的滑板塊數(shù)劃分，可分為兩層式和三層式。鋼包用滑板一般為兩層式，操作時(shí)上滑板固定不動(dòng)，通過下滑板進(jìn)行截流和節(jié)流。中間包用滑板一般為三層式，操作時(shí)將上滑板與上水口固定，下滑板與下水口固定，通過中間滑板來進(jìn)行截流和節(jié)流。
4.1 負(fù)載與運(yùn)動(dòng)分析
4.1.1 計(jì)算工作負(fù)載
由任務(wù)書給出
缸1：F1=100kN 缸2：F2=100kN
4.1.2 摩擦及慣性負(fù)載
由于摩擦及慣性負(fù)載須由實(shí)驗(yàn)確定，且該系統(tǒng)的摩擦及慣性負(fù)載均不大，故忽略不計(jì)。 [18]
4.1.3 工進(jìn)速度
由任務(wù)書給出
缸1：V1=15mm/s 缸2：V2=15mm/s
4.1.4 各工
由于忽略了摩擦及慣性負(fù)載，且由任務(wù)書可知，整個(gè)工作過程中，工況負(fù)載
4.1.5 各工況時(shí)間
將啟動(dòng)和減速過程忽略
工進(jìn)：t1===7.33s
退回：t2===7.33s
4.2 確定液壓缸基本參數(shù)
4.2.1 初選系統(tǒng)壓力
由任務(wù)書給出系統(tǒng)工作壓力P1=16MPa，液壓缸工作過程中，活塞桿主要受壓，故取d/D=0.7
系統(tǒng)對(duì)活塞桿速度有要求，初步構(gòu)想采用出口節(jié)流調(diào)速，故初取系統(tǒng)背壓P2=1MPa
4.2.2 計(jì)算液壓缸主要尺寸
A1=0.9
則A1=7168.46則液壓缸直徑D==9.56cm
去標(biāo)準(zhǔn)值D=100cm
由d/D=0.7，則A1=2A2，i=0.7
則d=70mm
則液壓缸的有效面積：
A1=π·/4=78.5 A2=π·/4=40.1 活塞桿直徑A=A1-A2=38.4
4.3 擬定液壓系統(tǒng)圖
4.3.1 選擇基本回路
a. 調(diào)速回路
由于出口節(jié)流調(diào)速始終存在背壓，故速度穩(wěn)定性好。
b. 油源形式的確定
由第一部分分析看出，系統(tǒng)工作過程中主要由工進(jìn)（高壓大流量）和退回（低壓大流量）兩個(gè)工況組成，即泵主要要滿足高壓大流量的要求，故而，選擇軸向柱塞泵。
c. 卸荷回路的選擇
由于鋼水包滑動(dòng)水口特殊的工作條件，要求液壓系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)都處于不工作狀態(tài)，但頻繁的啟動(dòng)不僅消耗大量能量，而且對(duì)液壓系統(tǒng)不利，故而系統(tǒng)應(yīng)采用卸荷回路，現(xiàn)提出以下卸荷回路：
（1） 卸荷
圖4.1 換向閥
（2） 卸荷
圖4.2 先導(dǎo)式溢流閥
（3） 先導(dǎo)式電磁卸荷溢流閥卸荷
圖3.3 先導(dǎo)式電磁卸荷溢流閥
d. 鎖止回路的確定
由于鋼水包滑動(dòng)水口要求在任何位置停止并鎖緊，以穩(wěn)定的調(diào)節(jié)鋼水流出速率，故采用液控單向閥的鎖緊回路。
e. 系統(tǒng)圖的最終確定
(1)
圖3.4 液壓控制回路
（2）
圖3.5 液壓控制回路
f. 系統(tǒng)的比較
系統(tǒng)一采用雙缸串聯(lián)機(jī)構(gòu)，工作中從動(dòng)缸可隨主動(dòng)缸動(dòng)作，從動(dòng)缸的啟動(dòng)與停止完全跟隨主動(dòng)缸動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)控制精確，且系統(tǒng)簡單，易實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)二中，從動(dòng)缸采用差動(dòng)連接，并靠主動(dòng)缸推動(dòng)滑動(dòng)水口為從動(dòng)缸提供機(jī)械力，使從動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)，在主動(dòng)缸停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)缸可能會(huì)在慣性作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，從而造成滑動(dòng)水口的開度定位不精確，且此系統(tǒng)復(fù)雜，使系統(tǒng)搭建、調(diào)試以及發(fā)快的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。
系統(tǒng)三才有用先導(dǎo)式卸荷溢流閥，卸荷溢流閥流量大，且系統(tǒng)簡單。 系統(tǒng)四采用單缸系統(tǒng)，并利用換向閥中位鎖緊，系統(tǒng)簡單易實(shí)現(xiàn)，但單缸系統(tǒng)的液壓缸尺寸計(jì)算時(shí)，須按有桿腔提供工作壓力計(jì)算，導(dǎo)致液壓缸尺寸變大，而由于此液壓缸需要經(jīng)常拆卸，過大的液壓缸對(duì)工人操作不方便，且對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)要求也更高，而換向閥中位機(jī)能鎖緊回路鎖緊不可靠。
綜合以上分析，將系統(tǒng)一作為最終選定系統(tǒng)。
4.4 液壓輔件的選擇
4.4.1 選擇液壓泵及驅(qū)動(dòng)電機(jī)
a. 確定液壓泵最大工作壓力
P1=16MPa
由于系統(tǒng)管路簡單，取ΔP=0.5MPa
b. 確定液壓泵的流量
取泄露系數(shù)
K=1.1
c. 選擇液壓泵型號(hào)
由以上計(jì)算數(shù)字查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的華德公司的
A2F 10 R 2 P 1軸向柱塞泵
d. 確定驅(qū)動(dòng)液壓泵的功率
取泵的總效率0.8
Pp=5kW
4.4.2 控制閥的選擇
a. 先導(dǎo)式溢流閥
溢流閥通過的最大流量即為泵的額定流量，q=15L/min，最大調(diào)定壓力p≥16MPa
選擇華德公司的DBW 10A-2-30B/315X/V
b. 換向閥
通過換向閥最大流量為系統(tǒng)工進(jìn)時(shí)流量q=7.065L/min，工作壓力p=16MPa
系統(tǒng)電磁換向閥選擇4WE6 J 50B/ A G24 V
系統(tǒng)手動(dòng)換向閥選擇H-4WMM 6JB/V
c. 調(diào)速閥及液控單向閥
調(diào)速閥及液控單向閥的最大流量為系統(tǒng)工進(jìn)工況時(shí)的流量q=7.065L/min，工作壓力p=16MPa
調(diào)速閥選擇Z2F 6-30B/S2 V
單向閥選擇Z2S 6-40 B/V
4.4.3 蓄能器的選擇
a. 蓄能器的參數(shù)計(jì)算
（1） 蓄能器充氣壓力的確定
蓄能器的最低工作壓力應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定，但由于條件的限制，在此定位12MPa。
則蓄能器的充氣壓力
（2） 蓄能器總?cè)莘eV0的計(jì)算
由于蓄能器做應(yīng)急能源使用，并要求在泵不工作時(shí)，靠蓄能器可工作2-3次，以下按工作三次計(jì)算
則蓄能器有效工作容積
ΔV=A1·S·3·ζ 其中取ζ=1.2
ΔV=3.2L
工作過程可看做等溫過程
b. 蓄能器的選擇
有以上計(jì)算選擇力士樂公司的
HAB 20-262-2X/10 G09 2N111-SQLO- 皮囊式蓄能器
4.4.4管道的選擇
a. 管道內(nèi)徑的計(jì)算
管道內(nèi)徑計(jì)算公式d=1.13
吸油管路: 取v=3m/s
d=10.3mm
回油管路：取v=3.5m/s
d=9.5mm/s
壓油管路：取v=8.5m/s
d=6mm/s
b. 管道的選擇
液壓泵至閥塊之間管道的選擇:由泵的p口螺紋尺寸為M22×1.5，選擇M22×1.5的卡套式管接頭，據(jù)此選擇泵至閥塊之間的管道為外徑φ18，內(nèi)徑φ12的鋼管。
閥塊至油箱之間管道的選擇：由回油管路的上述計(jì)算，取內(nèi)徑φ10mm，外徑φ14mm的鋼管，選擇M18×1.5的卡套式管接頭。
閥塊上A、B口至液壓缸之間的管道選擇：由亞油管路計(jì)算，選擇內(nèi)徑φ6mm，外徑φ10mm的鋼管，管接頭選擇M14×1.5的卡套式管接頭。
4.5 確定油箱容量
油箱容量由經(jīng)驗(yàn)公式確定：V=α·q
q=15L/min，取α=6
即油箱容量V=90L
4.6 過濾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.6.1 過濾器的位置設(shè)置
系統(tǒng)采用軸向柱塞泵，受泵的吸油特性限制，不采用吸油過濾由系統(tǒng)
要求知道，系統(tǒng)大部分時(shí)間處于卸荷狀態(tài)，故只采用壓油路過濾，且過濾器裝在溢流閥的上游，既可起到對(duì)泵下游液壓元件的保護(hù)，又可保證流回油箱油液的清潔。
4.6.2 過濾器精度的選擇
（1） 系統(tǒng)中最敏感元件為液壓泵
（2） 由ISO4406標(biāo)注及水乙二醇為工作介質(zhì)，選擇清潔度為17/15/13。
（3） 考慮到系統(tǒng)工作的高溫環(huán)境，及系統(tǒng)的故障可能威脅設(shè)備及人員安全，目標(biāo)清潔度再增加一級(jí)，選擇16/14/12。
（4） 由目標(biāo)清潔度選擇過濾器清潔度，查表可得過濾精度為5μm。
4.6.3 過濾器尺寸確定
（1） 根據(jù)環(huán)境污染狀況和對(duì)污染物的控制程度，查處環(huán)境等級(jí)
由于鋼廠環(huán)境較差，但系統(tǒng)所用缸較少，故選環(huán)境等級(jí)為5級(jí)。
（2） 確定流量增大倍數(shù)
選擇ZU-H系列高壓過濾器，最大允許壓力將為0.35MPa，據(jù)此查表增大倍數(shù)為2倍
4.7 液壓油的選用
由于鋼水包滑動(dòng)水口液壓系統(tǒng)在鋼水包附近工作，工作環(huán)境溫度較高，且有發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)，故采用抗燃液壓油水乙二醇。
結(jié)論
經(jīng)過對(duì)鋼包設(shè)計(jì)計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：
（1） 設(shè)計(jì)了鋼包體結(jié)構(gòu)；
（2） 設(shè)計(jì)了鋼包滑動(dòng)水口；
（3） 設(shè)計(jì)了鋼包滑動(dòng)水口液壓系統(tǒng)。
通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我全面的進(jìn)行了一次機(jī)械設(shè)計(jì)基本技能訓(xùn)練，對(duì)所學(xué)的課程進(jìn)行了一次全面系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，并融會(huì)貫通。綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，遇到問題，分析問題，并解決問題。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我的計(jì)算機(jī)和外語應(yīng)用能力得到了一定的提高，并且提高了我的機(jī)械設(shè)計(jì)與應(yīng)用能力。
不過在本次設(shè)計(jì)計(jì)算過程也有不少問題，比如查閱的資料可能還不夠完善，考慮的工況還不夠周全。計(jì)算時(shí)我也遇到了許多困難，但是通過自己不斷查閱相關(guān)資料和請(qǐng)教老師等途徑，最終將一個(gè)個(gè)困難解決了。在本次設(shè)計(jì)過程中鍛煉和加強(qiáng)了自己獨(dú)立分析、解決問題的能力。這些必將使我在以后的生活與學(xué)習(xí)中受益。
25
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致謝
本課題在選題及研究過程中得到張蔚寧老師和李東文老師的悉心指導(dǎo)。李老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。李老師一絲不茍的作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)四載，卻給以終生受益無窮之道。對(duì)李老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束之際，本該是一件值得很慶幸的好事，但卻苦于不知道以怎樣的方式來表達(dá)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助過我的老師、同學(xué)及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)，更不知道用什么樣的詞句來形容此時(shí)此刻的心情，我想沒有他們的幫助，畢業(yè)設(shè)計(jì)就不會(huì)做得這么順利，我在這兒只有向所有幫助過我的同學(xué)、老師和領(lǐng)導(dǎo)說一聲：你們辛苦了，謝謝！
畢業(yè)設(shè)計(jì)是每位畢業(yè)生對(duì)幾年的大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一個(gè)總括，也是對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)的一次自我考核，使自己能夠正確認(rèn)識(shí)自己，給自己一個(gè)合理的定位。我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是由李東文老師指導(dǎo)完成的。在做的過程中也遇到了不少的問題，李老師給了我們許多關(guān)懷和幫助，并且隨時(shí)詢問我畢業(yè)設(shè)計(jì)的進(jìn)展情況、細(xì)心的指導(dǎo)我。
通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)所研究的題目內(nèi)容、相關(guān)原理及實(shí)際中的運(yùn)用有了比較深入的了解，掌握了相關(guān)資料的查詢方法，培養(yǎng)了我獨(dú)立的學(xué)習(xí)能力，解決問題的能力并且拓展了知識(shí)面。
感謝張蔚寧老師、李東文老師等對(duì)我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究，在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬。
感謝西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院院長、機(jī)電信息系主任、書記、老師等為我提供了良好的研究條件，謹(jǐn)向各位同仁表示誠摯的敬意和謝忱。
當(dāng)然，由于本人設(shè)計(jì)水平有限、在課程中很少接觸過高爐煉鐵的相關(guān)課程，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的不足，以及時(shí)間上的限制，在設(shè)計(jì)中難免存在一些錯(cuò)誤。懇請(qǐng)老師給予批評(píng)指正。
另外，感謝校方給予我這樣一次機(jī)會(huì)，能夠獨(dú)立地完成一個(gè)課題，并在這個(gè)過程當(dāng)中，給予我們各種方便，使我們在即將離校的最后一段時(shí)間里，能夠更多學(xué)習(xí)一些實(shí)踐應(yīng)用知識(shí)，增強(qiáng)了我們實(shí)踐操作和動(dòng)手應(yīng)用能力，提高了獨(dú)立思考的能力。再一次對(duì)我的母校表示感謝。
感謝在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)期間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個(gè)方面給予過我?guī)椭幕锇閭?，在大學(xué)生活即將結(jié)束的最后的日子里，我們再一次演繹了團(tuán)結(jié)合
作的童話，把一個(gè)龐大的，從來沒有上手的課題，圓滿地完成了。正是因?yàn)橛辛四銈兊膸椭?，才讓我不僅學(xué)到了本次課題所涉及的新知識(shí)，更讓我感覺到了知識(shí)以外的東西，那就是團(tuán)結(jié)的力量。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意！最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!
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