环保节能热风冲天炉模型毕业设计论文.doc
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1、 本科生毕业论文(设计)册论文题目 环保节能热风冲天炉模型毕业设计论文学 院 职业技术学院 专 业 机械制造工艺教育班级(届) 2014届 学生姓名 王志远 指导教师 朱九成 2014年5月7日河北师范大学本科毕业设计目录摘要:II引言:11.冲天炉的发展历史22.冲天炉的未来发展趋势2二冲天炉的创新及设计31.冲天炉的构成32.整体结构设计33.创新设计任务6三.具体改进方法81.加料口的设计82.滑轮组的设计93.小车及轨道的设计104卷扬机构参数设计126.送风系统的设计137除尘装置的设计148.保温装置的设计(依照铸铁与冲天炉使用手册)15四本作品的有益效果:16结论17致谢18参考
2、文献;19Abstract:20I环保节能热风冲天炉的设计论文 职业技术学院 机械制造工艺教育指导教师 朱九成作 者 王志远摘要:冲天炉是一种化铁成本低廉但高污染高能耗的化铁设备,因此现国家已禁止使用此设备。本设计用机械装置和机械自动化技术将冲天炉排烟环节密封保温与引导,使废热烟气进行二次利用,(如热处理铸件预热和铸型烘干等),烟气经过两次除尘(湿式除尘干式除尘)达到排放标准(鼓风温度大于400烟尘排放标准值为150mgNm3)后再排入大气,使冲天炉节能效果提高一倍。通过对冲天炉的机械改造与过去传统的冲天炉相比使之成为环保节能的设备。利用上料斗的运动和钢丝绳、滑轮等机构形成联动装置自动关闭加料
3、口密封门,当加料密封门打开时,利用加料小车的上升的运动,自动打开进风管支路的阀门,风通过管道使加料口密封门打开时形成气幕,阻止加料口门开启时烟气和高温的外溢,使加料口开启时仍然起到密封效果。原冲天炉烟囱安装管道将废热烟气引入热处理室(如热处理或铸型烘干窖),废热被再次利用然后经过除尘达标后排出,气体进入烟囱排入大气。因保留了其化铁成本低廉的优点(与电炉相比吨铁水降低费用300余元),为冲天炉赋予了“新的生命价值”。关键词: 冲天炉 节能 环保II引言:我国作为钢铁大国也是钢铁需求大国,这就难免会对钢铁熔炼有更大的需求,因此面对这样的需求熔炼设备就起起主导作用。一直以来冲天炉就是熔炼行业中的主角
4、,冲天炉是一种化铁设备,与其他化铁设备相比,它具有设备简单、价格低廉,化铁生产成本低等优点。所以,它能传承至今。但是能源(焦炭)利用率低,它排放烟气,严重污染环境(上图为老式冲天炉参考照片)。特别是在我国近年雾霾严重的情况下,环保部门对冲天炉进行强制性停用。这一举措虽然减少了大气的污染,但对铸造企业经济改善有不利的影响。据调查,用电炉化铁与冲天炉化铁每吨铸件将会使生产成本提高300元左右,致使这些企业收益大幅降低,有的甚至破产。因此本设计通过改造使冲天炉的排放达到国家标准要求(鼓风温度大于400烟尘排放标准值为150mgNm3)1,且使能源的利用率提高,使废然烟气进行二次利用,这就是本设计要解
5、决的问题。1.冲天炉的发展历史倾转式冲天炉是在1722年开始逐渐被接受和盛行的。但是到了1858年J.Irland式冲天炉的出现就标志着冲天炉开始进入了新的时代,进入近代冲天炉时代。到1867年美国人F.M.Root和P.H.Root合作成功发明了罗茨鼓风机为近代冲天炉铸铁熔炼奠定基础。至1870年在汉诺威城出现了H.Krigar式带有前炉的冲天炉后,冲天炉就成为世界各国铸铁熔炼的主要设备,一直被延用2。但到了二十世纪七十年代,由于冲天炉的能耗和污染问题严重,逐渐的被停止使用。2.冲天炉的未来发展趋势目前冲天炉的铸铁熔炼面临巨大的挑战,毫不夸张的说冲天炉的发展正处灭亡的边缘。由于他污染过于严重
6、,能耗大,对不可再生资源的需求较多,逐渐的被电炉所代替。但电炉的经济效益对于企业的发展起到很大的威胁,很多企业的生存已经受到了不同程度的影响。所以冲天炉要想能够继续生存就只能朝着环保节能的方向去发展,解决污染严重的问题才能够重登历史舞台。因此环保节能热风冲天炉的设计是必然的发展趋势,对原有的冲天炉进行能源结构调整。减少不可再生资源的使用,实现资源的节约和综合循环利用。控制冲天炉的污染排放,经过技术处理使冲天炉排放的烟气稳定的达到国家排放标准,并且能过对它的余热进行二次利用,节省资源。使冲天炉重新拥有新的生命,这将成为冲天炉技术必须要攻克的方向,也是冲天炉能够继续生存下去的唯一可能。二冲天炉的创
7、新及设计1.冲天炉的构成一个完整的老式冲天炉是由后炉、前炉、送风系统三部分组成。而本设计中的冲天炉是在老式冲天炉的基础上加了热处理系统和烟气处理系统3。组成作用后炉支撑部分由炉基,炉腿,炉底板及炉底门组成,支撑炉体、炉顶和炉料的作用炉体有炉底,炉缸和炉身组成,是冲天炉的熔炼部分。前炉由过桥和前炉体组成,起储存铁水,均匀成分和温度,减少增碳、增硫及使渣铁分离的作用。送风系统有风管、风箱、风口组成,起向炉内均匀平稳送风的作用。 热处理系统有保温岩棉、引流管道、热处理室组成起到对工件热处理对废热进行二次利用和节能的作用。烟气处理系统有干式除尘装置、湿式除尘装置、烟囱组成起到排出炉气和处理污染烟气的作
8、用。2.整体结构设计2.2.1整体结构的设计要求冲天炉的工作情况的好与坏是由炉子各个组成部分的结构和尺寸的关系直接决定的。因此我们除了要了解和掌握现有冲天炉的熔炼工艺和炉况控制的问题外,还需要使理论计算和实践经验充分的结合,否则就会出现理论和实际的不一致的现象摸着石头过河才是我们需要的根本原则。而且作为我们年轻人还要不断地拓展自己的知识,根据社会生产的需要与科学技术的发展方向和未来,使我们具有改进、创新和设计现代化冲天炉的基本能力,设计并创造出适应现在国情的新型节能化冲天炉,用来满足我国飞速的科技发展的需要,为社会主义建设事业提供动力之源。在设计冲天炉时必须“根据实际的生产情况,来确定要实施的
9、具体的工作方针”。最首要的就是必须要满足生产车间对生产的各项基本要求,并且要尽可能的采用目前先进的科学技术成就,来获得更高的科学生产技术水平、实现理想的经济效益;但同时还要必须工作可靠,安全稳定,不断地用科学技术水平来提高和改善工作环境;另外在设计冲天炉的结构上还要考虑到安装、生产制造、操作和维修的便利问题;冲天炉的实际生产能力还要考虑适应车间生产发展的需要,要适当的留有余地以便有什么不时之需。再设计时为了要满足上述的基本要求,在设计中,必须要到设计的生产车间去了解目前的一些不合理的设计和设计缺陷,要贯彻从群众中来,到群众中去的基本工作方法,进入到基层中去深入的调查和研究,以便能够获得我们所需
10、要的第一手资料。这些资料应包括:主要的生产产品、生产种类、铁水的牌号和生产率等问题;要对铁水的最高控制温度;铸件最大重量;每天熔化的铁水量;原材料(主要是燃料和生铁)的主要来源和质量标准;厂房的结构布置、大小和高度,车间工作的基本要求和生产制度及今后的发展要求等做到深入的了解,结合这些情况在对炉子进行合理有效的确定其基本结构和相应的尺寸,在对炉子进行相应的对比和分析。最后才能拟定出切合实际的有效的设计和改进法案。2.2.2新型冲天炉的整体结构设计本设计是上述的要求下在原有的冲天炉基础上,加上密封保温装置把废热和烟气通过管道引导到热处理窑或是烘干窑,利用后的烟气再通过两道除尘装置,增加一道烟气处
11、理系统,使达到国家规定的排放标准后再通过烟囱排入大气(模型实体图可见图片2-1)。环保节能热风冲天炉模型整体结构实体图片2-12.2.3冲天炉模型整体尺寸的设计冲天炉模型的尺寸设计在本设计中也是相对比较复杂的问题,由于生产车间的条件有限,只能量体裁衣。这就使设计的工作稍加复杂了些。本模型的主体尺寸是依照(铸铁合金及熔炼冲天炉设计章节)的老式冲天炉设计计算缩减而来。本设计的主要设计内容是创新部分的尺寸设计,具体尺寸可见图2-2和图2-4。图2-2三维实体图2-43.创新设计任务2.3.1环保的创新由于老式冲天炉的烟气主要是通过烟囱直接排入大气的,所导致排放的污染物超标(主要的污染物有CO2 SO
12、3 CO)4 。因此我们首要解决的就是烟囱烟气排放问题。针对这个问题本设计就利用管道把烟气引入双除尘设施中不让他直接就排出大气,以达到国家标准。这是本设计的一个创新点。2.3.2节能的创新老式冲天炉直接排放的烟气的余温可以达到400-500左右,这些高热温度因为无处利用便直接就排到了大气中让它散失。本设计考虑到这些温度可以作为资源进行二次利用,所以就通过管道把那些烟气废热引入到热处理窑或是烘干窑,这些高温完全可以达到某些铸件的退火热处理要求或者作为烘干设施的主要介质。这样我们对冲天炉的废热和烟气进行了二次利用就起到了节能的效果。2.3.3密封和保温的创新既然本设计要对那些高温进行二次利用,就要
13、采取一定措施尽可能的避免高温的流失。以供二次利用的最高需求。考了到老式冲天炉温度的主要流失的地方就是烟气排放口、加料口。所以本设计也对加料口进行了密封装置的创新设计。在加料口处加有密封盖并且能与加料小车联动,采用机械的方式自动在加料时关开门,同时在开门的时候在加料口四周布置好的通气管道会向冲天炉里面吹起形成气幕墙防止烟气和废热的溢出,起到密封的作用。三.具体改进方法1.加料口的设计在加料口处增加密封门,在不加料的时候,可将加料口密封。密封具体办法;密封门上分别有两块斜铁,密封口两侧同样有两个滚轮,当密封盖下降时由斜铁的厚度的变化使滚轮和斜铁逐渐接触并压紧斜铁使密封门密封;在加料时,设在加料口周
14、边的多孔管路喷出的压缩气体,形成气幕,将加料口密封,使烟气不能溢入大气。本设计用这样的两道密封措施使烟气在任何时候都不至溢出出冲天炉, 加料口图3-1而危害大气环境,实体图可见图3-1。加料门的开启和关闭均由钢丝绳、滑轮组和加料小车自动进行产生联动动作实现自动化。其具体原理是把密封门上控制其启闭的钢丝绳通过滑轮组连接到加料小车的后轮上,当加料小车上升的同时就会牵引钢丝绳沿滑轮组的确定方向开始运动,实现密封门的开启。当加料小车返回时,密封门就会因重力自行回到密封位置。压缩空气的阀门开启也是由加料小车自动启闭,原理是在空压机的阀门上安有成三角形的两个拨杆,和小车上也装有一个拨杆,当小车上升的过程中
15、拨动阀门上的开启拨杆,是阀门打开同时阀门关闭拨杆到达拨动位置进行准备。当小车返回时就会拨动到已经进入到准备位置的关闭阀门拨杆,使阀门关闭,同样开启拨杆又会进入准备位置。这样即在不增加动力源的情况下,同样能实现加料口密封的自动进行,实现自动化减少劳动力的投入。2.滑轮组的设计小车升降和密封门的开闭都是通过滑轮组来是实现的,并能实现他两个动作的联动(动作原理在加料口设计中已经介绍过本节主要介绍滑轮组的位置功用)。本设计中用了五个定滑轮,其位置可见图3-2和图3-3。滑轮安装图3-2其作用分别是热风上边的两个滑轮是来实现密封门的开启和关闭。支架上成90度角的两个滑轮是链接小车和密封门实现联动的,这两
16、个滑轮的位置直接影响着加料车和密封门开关的关系,由于加料车和密封门的行程是不等的要想让这两个动作实现联动就必须靠着两个滑轮的位置来控制。因此在制作过程中本阶段就遇到了很多问题,首先之前计算的滑轮安装位置拿到现实中就出现了很大的误差,要么加料小车已经到达加料位置密封门仍没有开启或者就是没有完全开启,要么就是加料小车还没有到达加料位置密封门已经完全开启。鉴于这种情况只能去慢慢的试位置,后来通过我们反复的实验终于实现了应有的功能解决了上面的问题。 管道上面的滑轮是小车的动力源,实现小车的运动与卷扬机链接。这个滑轮的位置需要注意的地方就是;它的高度不能太低影响到加料小车的正常加料,使他两相互干涉,但又
17、不能过高使避免冲天炉尺寸过大。3.小车及轨道的设计本设计由于所有的运动都是围绕着加料小车进行的,因此加料车和轨道的精度要严格控制。否则必将影响其加料车和开关门的联动运动,加料车同时还要带动空压机阀门的启闭。因此小车和轨道的设计是本设计的重点。小车及轨道设计图可见下图3-2图3-23.3.1小车设计的注意事项再设计翻斗加料车的时候需要注意的就是;当料桶上升到顶点的时候并翻转卸料时料桶的重心不能超越出前轮中心,否则料桶卸完料后将不能反回,同时应注意,防止前轮的卸料位置,有产生后退的可能。且小车开口的长度也要严格控制否则会出现密封门和小车轨道相互妨碍的可能。3.3.2小车架计算小车可视为一个具有外身
18、段的简支梁,其最大弯x发生在主动轮支撑点处,可用下式进行校核x(根据铸造设备P39(1-3-2)经验公式)式中Kd动载荷系数,娶Kd=1.11.25;q车架的自重载荷(公斤/厘米)a外伸段长度(厘米)P加料机起重量(包括料重及料桶自重公斤)许用应力;可取=1000W小车架槽钢截面积模量计算得1.2(1/22120120+2120)/21)=144.03.3.3导轨设计的注意事项导轨的参数的复杂问题,对于导轨参数确定需要反复的进行多次计算,所以我们通常是根据经验值来进行类比设计。第一我们就应当根据料桶的装料和卸料的方式和要求,还有安装车间工艺安排布置的要求,来对导轨几何形状进行确定。本设计根据上
19、述要求中确定的是直线加一段圆弧R的轨道形状。对于圆弧R的曲率半径的要求,除了与大于小车车轮的最小转弯半径有关外,还与卸料桶的自重下降有关,曲率半径R越小,小车的下降阻力就会越大。因此对于导轨曲率半径的计算就是比较复杂和困难的问题,一般根据经验,导轨曲率半径可取为小车轮距的1.53倍。3.3.4弧形轨道计算一般弧形轨道承受的重量是加料小车以及回转梁的自重,一般弧形导轨都用三个支撑点来对其进行支撑,但在计算时可对两个支撑点进行近似计算,而忽略弧形轨承受的扭转力对其的影响,这样我们可以将其近似地看成展开的二支点简支梁看待,如下图所示,即当回转梁在I-I位置时,前面弧形轨道只计算弧AB段展开的简支梁,
20、承受载荷Ra;后面弧形轨道只计算弧CD段展开的简支梁,承受载荷Rb。弧形轨道计算图(参照铸造设备P40图1-3-9)4卷扬机构参数设计3.4.1卷扬机牵引力W5W=(P+G)(式中 P料重和料桶自重之和;G小车自重;小车架与水平面的倾角(即导轨的倾角);牵引钢丝绳与小车间夹角,在导轨倾斜段其余f小车运行的总摩擦阻力系数;按上式计算的W=(2+0.4)(25)=3.73.4.2卷扬电动机功率N(根据铸造设备P56(1-3-28)公式)N=W式中W卷扬机牵引力;小车正常运行速度,米/秒;一般采用速度在0.20.4米/秒之间,亦可以根据加料周期选定。机械传动效率,=0.85;按上式计算N=1.25(
21、千瓦)6.送风系统的设计3.6.1 风管在设计和安置风管时,应该尽可能减少空气在管道中的阻力损失,必须要留有足够的直线空间段,以便于安装风量测量装置和风压测量装置。同时为了减少管道中的阻力损失,风管还要尽可能的短,管直径不可以过小,拐弯、分叉和断面也能太多,尤其要避免直角拐弯的情况等。风管直径d根据风机风量及空气在管道中的经济平均流速求得:d=式中;d总风管直径(米);Q冲天炉的计算风量();V空气在管道中的经济平均流速,一般取1018米/秒。求得d=(mm)(参考铸铁合金及熔炼表14-3)3.6.2风箱设置风箱主要是为了使空气比较均匀地从各风口进入炉内再设计风箱时应注意如下几个问题;风管与风
22、箱的连接,最好是以两个风管从风箱顶部进入,因为这时沿水平截面上各个风口进风最为均匀。(1) 若风管装在风箱侧面时,可考虑采用等风带结构,这对于均匀送风十分有利,但送风阻力稍有增加。(2) 为保证风箱内个部分的风压比较均匀,在风箱内空气的流速应小于2.54.0米/秒。风箱直径与风箱高度尺寸的比例关系为。风箱外径风箱高度;H0=(0.350.5)D0(参考铸铁合金及熔炼P94经验公式)(3) 在风口对应的风箱外壁上设有观察孔,其结构应便于观察、操作和尽量减少漏风损失。3.6.3风口(参考铸铁合金及熔炼)对于风口的大小;经过实践验证,由于我国目前的焦炭情况,要使用小风口比较好,一般情况下风口比通常为
23、;风口总面积占主风口处炉膛截面积的0.030.05.在本设计中由于事物作为模型风口大小确定为5mm,风口排数两排。7除尘装置的设计3.7.1干式除尘干式除尘系统是用干式除尘器来作为除尘的主要措施,不必使用其他的任何液体作为除尘介质,干式除尘器占绝大除尘系统的一半以上。干式除尘系统的特点是: 1)干粉烟尘是除尘系统排出的烟尘状态,这样的烟尘便于集中处理和综合利用。缺点是:干式除尘不能去除气体中有毒、腐蚀成分;如果在处理过程中处理不当时就会很容易造成二次扬尘2)干式除尘的使用范围比较广,绝大多数除尘的对象都可以使用干式除尘系统,尤其是对于大中型和集中处理除尘系统而言。 他别注意的是,在处理湿度相对
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