高炉出铁口炮泥加工机理及开铁口装备研究

论文摘要

近年来,我国钢铁产业发展迅速,目前粗钢年产量已经达到6.3亿吨,约占全世界钢产量的45%,钢材品种和质量也不断优化,国内自给率已超过96%,技术和装备水平明显提高,大中型钢铁企业的主体设备基本实现大型化、自动化。目前,国内各大钢铁厂大部分都对传统的电动和气动开铁口机向全液压开铁口机进行升级或改造,取得了较好的效果。高炉开铁口机是高炉炉前的关键设备之一,其钻削铁口炮泥的效果直接影响高炉的工作效率和生产安全。随着高炉向大型化发展,高炉出铁口炮泥的配方不断改进,其强度和硬度提高,导致开铁口机的钻削效果差、开口效率低,钻具使用寿命短、消耗成本高等问题一直难以解决。本文的研究内容结合我国钢铁行业的发展要求,针对济南钢铁集团炼铁厂开铁口机对炮泥钻削以及开铁口机装备存在的问题,旨在突破目前我国高炉开铁口领域存在的技术瓶颈,提高生产效率,降低生产成本,推动相关行业的发展。本文采取理论研究结合虚拟样机技术和有限元分析技术对高炉出铁口炮泥温度场进行分析,从高炉出铁口炮泥焙烧后的理化性能、高温焙烧矿相、显微组织结构等方面分析炮泥的结构特性和力学性能,研究铁口炮泥钻削机理,并优化设计开铁口钻头；基于运动学和动力学仿真分析,优化设计和研究全液压开铁口机的结构和关键组成部分,并进行生产现场验证。建立高炉出铁口炮泥的有限元模型,利用ABAQUS软件对其温度场进行有限元分析,获得了高炉出铁口炮泥温度场分布,为铁口炮泥焙烧机理研究奠定了基础。基于高炉炮泥的功能要求、原料配比和理化性能等基本特性,建立了高炉炮泥的破坏准则。对高炉炮泥的切削性能进行研究,采用YG类硬质合金刀具,系统研究了不同焙烧温度条件下获得炮泥的切削机理和刀具磨损机理。建立了开铁口机钻具系统的虚拟样机模型,采用ADAMS对其进行了动力学仿真分析,为钻具系统的优化设计奠定了基础。系统分析了开铁口机钻头的失效形式,设计开发了一种新型开铁口钻头,其特殊的结构具有把持和固齿作用,避免钻头在高温环境下的钻进过程中刀片脱落导致钻头失效,生产现场实际应用效果表明,该新型钻头可明显提高开铁口质量和效率。基于二流式雾化原理,研究开发出开铁口机雾化水冷却装置,可以有效地降低钻头失效或钻杆变形,同时有利于出铁口孔道内高温炮泥的局部龟裂和微破碎,减少钻进阻力,提高开铁口效率,减少烟尘污染和粉尘排放量,降低操作工人的劳动强度,改善炉前作业环境。建立了全液压开铁口机的虚拟样机模型,并对其进行动力学仿真分析,获得其在整个工作过程中的受力状况,确定其各主要约束处的受力峰值,为设计开发新型矮身全液压开铁口机奠定了基础。提出并研究开发了矮身全液压开铁口机,针对高炉生产现场有限的空间,以大回转结构代替传统的折叠式结构,提高整机刚性；采用锚钩结构提高钻具系统的稳定性和工作可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 高炉炼铁及炉前设备简介
• 1.2.1 高炉炼铁过程简介
• 1.2.2 炉前机械设备简介
• 1.3 高炉开铁口机的种类及特点
• 1.3.1 高炉开铁口机的种类
• 1.3.2 高炉开铁口机的结构及特点
• 1.4 高炉开铁口机的发展及应用
• 1.4.1 国内开铁口机发展概况
• 1.4.2 新型开铁口机的应用
• 1.4.3 开铁口机应用的发展趋势
• 1.5 开铁口钻具应用及其存在的主要问题
• 1.5.1 钻具的应用
• 1.5.2 开铁口存在的主要问题
• 1.6 课题研究目的和意义
• 1.7 课题的主要研究内容
• 第2章 高炉铁口孔道炮泥温度场仿真研究
• 2.1 高炉铁口工艺简介
• 2.1.1 高炉出铁口的结构及尺寸
• 2.1.2 高炉出铁口炮泥工作状况分析
• 2.2 高炉出铁口炮泥温度场仿真分析
• 2.2.1 有限元分析软件
• 2.2.2 高炉出铁孔温度场模拟分析
• 2.2.3 新打入炮泥焙烧温度场仿真
• 2.3 高炉出铁口温度场仿真结果及分析
• 2.3.1 出铁口炮泥温度场仿真结果及分析
• 2.3.2 新打入炮泥温度场仿真结果及分析
• 2.4 高炉出铁口温度场仿真分析结果试验验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 高炉出铁口炮泥焙烧机理及其切削性能研究
• 3.1 高炉炮泥的基本特性
• 3.1.1 高炉炮泥简介
• 3.1.2 高炉炮泥的功能要求
• 3.1.3 高炉炮泥原料组成
• 3.1.4 高炉炮泥的种类
• 3.1.5 炮泥的理化性能
• 3.2 炮泥的应用现状
• 3.2.1 国外炮泥应用现状
• 3.2.2 国内炮泥应用现状
• 3.3 高炉炮泥焙烧机理研究
• 3.3.1 焙烧炮泥高温相组织
• 3.3.2 焙烧炮泥强度
• 3.3.3 高炉炮泥焙烧性能
• 3.4 炮泥切削加工机理
• 3.4.1 炮泥切削加工性分析
• 3.4.2 切削加工炮泥对刀具的要求
• 3.4.3 切削炮泥刀具的选择
• 3.4.4 炮泥切削机理研究
• 3.5 本章小结
• 第4章 新型开铁口钻头研究
• 4.1 开铁口钻头的工作环境
• 4.2 开铁口钻头受力分析
• 4.2.1 钻头受力理论分析
• 4.2.2 钻头受力动力学仿真分析
• 4.3 钻头的失效分析
• 4.3.1 钻头的温度场分析
• 4.3.2 钻头的热—力耦合分析
• 4.3.3 钻头的失效分析
• 4.4 新型开铁口钻头
• 4.4.1 新型钻头整体方案
• 4.4.2 钻刃结构及排列方式
• 4.4.3 钻头体结构
• 4.4.4 材料的选择
• 4.5 新型开铁口钻头的应用效果
• 4.6 本章小结
• 第5章 全液压开铁口机
• 5.1 全液压开铁口机结构布局方案研究
• 5.1.1 全液压开铁口机
• 5.1.2 全液压开铁口机结构布局
• 5.2 全液压开铁口机结构设计
• 5.2.1 虚拟样机技术
• 5.2.2 开铁口机三维模型的建立
• 5.2.3 整机动力学分析
• 5.3 全液压开铁口机的关键组成
• 5.3.1 锚钩
• 5.3.2 开铁口机主要承力构件强度分析
• 5.3.3 雾化冷却系统
• 5.3.4 钻削系统
• 5.4 全液压开铁口机液压系统
• 5.4.1 操作系统
• 5.4.2 液压系统参数设计
• 5.5 全液压开铁口机系统的生产应用
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间研发专利及完成论文
• 致谢
• 附录:已发表英文文章
• 学位论文评阅及答辩情况表