1、 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 RH 真空处理顶枪升降及旋转机构设计 摘要 RH 真空处理是提高钢水质量的方法之一，它是由德国鲁尔钢公司与真空泵厂家赫拉乌斯公司共同设计的。顶枪机构是其中非常重要的一部分。通过顶枪除碳、除磷、脱氧、脱硫、去除夹杂物。可使钢水质量得到有效的提高。 顶枪在工作中需要完成升降和旋转两个动作， 升降运动的目的是使插入钢水中的枪体离开真空室 ,而旋转运动的目的是使枪体离开工作位，以便维修、检查炼钢设备。在本次设计中顶枪升降动作是通过齿轮蜗杆减速器减速加链传动机构实现的 ,旋转动作通过 液压 传动来实现 。 通过对该升降及旋转机 构的设计，加深对炼钢设备的进一步了
2、解与认识，同时熟练掌握运用齿轮传动、 蜗杆传动、 链传动等机构的设计方法，树立起严谨的设计理念，从而达到综合训练的目的，为将来走向工作岗位打下坚实的基础。 关键词： RH 真空氧枪； 升降机构； 旋转机构 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 RH vacuum Top Gun movements and institutions designed rotary Abstract RH vacuum processing is to improve the quality of molten steel one of the ways, it is from Germanys Ruhr s
3、teel company and the vacuum pump manufacturers Helawusi jointly designed. Top Gun institutions is one very important part. In addition to the gun through the roof of carbon, phosphorus, deoxy, desulfurization, the removal of inclusion. The quality of molten steel can be effectively improved. Top gun
4、s in their work to be done movements and rotating the two movements, movements of the movement to make molten steel inserted in the left chamber of the gun, and rotating the purpose is to leave the guns of work stations, for maintenance, inspection steel-making equipment . In the design of top-gun a
5、ction movements through the worm gear reducer slowdown and chain drive mechanism to achieve, through hydraulic rotary action to achieve. Rotating through the movements and the design, deepen their understanding of the steel-making equipment to further understanding and awareness, and mastering the u
6、se gear transmission, the worm transmission, such as the chain drive design and establish strict design concept to achieve comprehensive training The purpose, to work for the future and lay a solid foundation. Keywords: Vacuum lance RH； Body movements； Rotating bodies 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页 目录 摘要 . I
7、 Abstract . II 1. 绪 论 .1 1.1 RH 法介绍 . 1 1.2 RH 真空处理装置的特点 . 3 1.3 真空处理设备的工作原理 . 3 1.4 顶枪控制的方法 . 4 1.5 本课题研究的主要内容 . 4 2.总体方案设计 .5 2.1 从运动状态角度分析 . 6 2.2 从加工角度分析 . 6 2.3 从经济角度分析 . 7 3.电动机的选择与计算 . 8 3.1 计算电 动机功率 . 8 3.2 选择电动机型号 . 8 4.传动比的分配及各轴动力参数计算 . 9 4.1 传动比的分配 . 9 4.2 从电动机开始计算各轴运动及动力参数 . 9 5. 传动系统设计
8、. 12 5.1 链传动的设计计算 . 12 5.2 减速器设计计算 . 14 5.2.1 选择减速器 . 14 5.2.2 斜齿圆柱齿轮传动设计 . 15 5.2.3 普通圆柱蜗杆传动设计 . 21 5.3 选择联轴器 . 26 5.3.1 输入轴联轴器选择 . 26 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页 5.3.2 输出轴联轴器选择 . 27 5.4 选择液压缸 . 27 6.主要零件强度校核计算 . 29 6.1 输出轴键的连接 强度校核 . 29 6.1.1 蜗轮 键的校核 . 29 6.1.2 联轴器 键的校核 . 29 6.2 轴承与轴的校核 . 30 6.2.1 轴承的寿命验
9、算 . 31 6.2.2 轴的强度校核 . 33 7.顶枪冷却水控制与安全策略 . 39 7.1 顶枪冷却水控制 . 39 7.2 顶枪安全控制策略 . 40 8.设备可靠性与经济评价 . 41 8.1 机械有效度计算 . 41 8.2 预测投资回收期 . 41 结 束 语 . 43 致 谢 . 44 参考文献 . 45 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1. 绪 论 1.1 RH 法介绍 随着科学技术的进步和我国工业的飞速发展，人们对钢铁的性能和质量有了更高的要求。炉外精练是炼钢过程中提高钢水质量的一项必不可少的环节。所谓炉外精炼就是把转炉或电炉中所炼的钢水移到另一个容器中进行精炼的过
10、程。也叫二次炼钢或钢包精炼。炉外精炼把传统炼钢分成两步，第 一步叫初炼，在氧化性气氛下进行 炉料的溶化、脱磷、脱碳和主合金化；第二步叫精炼，在真空、惰 性气氛或可控气氛下进行 脱氧、脱硫、去除夹杂、夹杂物变性、微调成分、控制钢水温度等。 可 实现 提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本 RH 真空精炼技术产生于 50 年代末期。在近 30 年的时间里 ,RH 的功能和精炼的钢种范围不断扩大 ,发展成为多功能真空精炼技术 ,在炉外精炼中占主导地位。至今 ,全世界已有 100 余台。在西欧、日本、美国得到普遍推广 ,仅日本就有 40 余台 ,1989 年日本转炉钢真空精炼率达 56
11、.5%,新日铁大分厂 、川崎制铁水岛厂已全量进行 RH 真空精炼。实践证明 ,RH 真空精炼技术是提高产品质量 ,降低成本 ,扩大品种 ,提高炼钢生产能力 ,保证连铸顺行 ,实现全连铸 ,优化炼钢生产工艺的重要手段。 到 1992 年止 ,我国只有 10台 RH 设备 (其中 3 台在机电部机械厂 ),除宝钢 RH OB 和武钢 2 号 RH 设备水平较高外 ,其余的水平较低 ,功能有限。 从钢铁工业发展来看 ,炉外精炼已成为炼钢生产不可缺少的重要工序 ,铁水预 处理 转炉复合吹炼 RH 精炼 (炉外精炼 ) 连铸是现代炼钢厂的最佳工艺流程。而我国RH 普及率很低 ,1990 年全国冶 金系统
12、不包括吹氩、喂丝的钢水精炼比为 2.68%,其中电炉钢 3.6%,转炉、平炉钢精炼比 2.49%,真空精炼比仅 1.99%。预计未来 5 10 年里 ,将有 7 10 家企业采用 RH 真空精炼技术。 RH 法钢水处理炉外精炼，通常在炼钢工业中使用两种真空循环脱气法，单连通管法或称 DH 工艺及双连通管法或称 RH 工艺。其中 RH 工艺是较为常见的方法。 RH 法是德国鲁尔钢（ Ruhrstahl）公司和真空泵厂家赫拉乌斯（ Heraeus）公司共同设计的。根据铅和汞做模拟实验，确认了技术的可能性之后，继而发展起来的，随着 RH 真空精炼的实辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 践 RH
13、真空精炼技术的发展， RH 真空处理装置既是转炉充分发挥效率的可靠保证，又为连铸提供优质钢水。稳定连铸生产工艺条件的重要手段，同时转炉与连铸之间起着重要的缓冲作用。它的冶金功能得到 了充分的发展，扩展到了十余项冶金功能。 炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等 在炉外精炼中，基础自动化的功能大致包括以下几个部分： （ 1） 数据采集，包括炉外精炼工艺过程的主要参数的检测。 （ 2） 自动控制，即炉外精炼工艺过程中，主要工艺参数的自动控制 以达到炉外精炼最终目标。 （ 3） 电气传动顺序控制，即对炉外精
14、炼所有的电气设备按工艺所要求的顺序进行控制、联锁。起停。 （ 4） 故障报警，包括工艺过程参数的超报警，以及电气，仪表，设备本身的故障报警而这些报警又分成轻、中、重三度报警。 （ 5） 数据处理，对精炼过程中所采集的数据进行处理和存储，以供控制、显示和打印用，主要处理包括差压、流量的开方、温度压力补正等运算，消耗按班、日、月的累计计算以及历史数据的存储趋势记录等一糸列的运算显示。 （ 6） 在精炼过程中接受上位机的设定值进行 SPC（设定值控制），包括数学模型设定以及人工智能如模糊 控制，神经元网络等指令并进行控制。 （ 7） 画面显示，包括 CRT 上显示工艺流程画面操作画面、工艺参数趋势曲
15、线、历史数据、图形画面等。 （ 8） 数据记录，包括班报、日报、月报记录以及专门的报表如合金投入量、喂丝重量等。 （ 9） 数据通迅、包括 PLC 之间， PLC 和 DCS 之间，上下位机之间通迅。虽然炉外精炼有许多不同的工艺流程，但上述功能都是一样的。 目前国内外 RH 真空处理都向插入管长寿命化、处理功能多样化、处理连续化、生产过程控制全自动化方向发展。主要目标就是要降低生产成本，稳定和优化冶金生产工艺操作，提高产品产量的质量。由于自动化及 计算机应用不仅节省人力，更重要的是能把工艺参数严格控制在规定值范围之内，监控生产过程，优化工艺过程，缩短处理时间，达到高产、优质、节能降耗以及降低成
16、本。而且能生产过去不能生产的产品，故自动化辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 及计算机应用不仅是工业现代化的标志，而且是生产必需和关键的环节，因此世界各国都努力发展工业自动化。到目前为止，工业自动化发展到了多级计算机自动化 系 统。 1.2 RH 真空处理装置的特点 （ 1） 真空室采用双室平移交替式，钢包采用钢包车运送和液压顶升方式。 （ 2） 设有贮料能力大，数量足够的高位料仓，以满足多钢种的要求和今后的发展。铁合金称 量和加料 系 统设有精调与细调，以确保合金化的精度和速度 。 （ 3） 采用大抽气能力的确蒸汽喷射真空泵，装备有真空自动控制 系 统和高压水清洗装置。 （ 4） 采用地
17、下皮带运输机和垂直皮带运输机相结合的方式把铁合金由地面运送到高位贮料仓，占地面积少。 （ 5） 预留 RH 顶吹氧枪位置，在未装氧枪前，装备真空室煤气加热 系 统和石墨棒直流电加热 系 统，以提高内衬温度并防止内衬结瘤。 （ 6） 装备包括全自动喷补机，真空室部件更换和平共处五项原则维修设备，以缩短辅助作业时间。 （ 7） 设有铁合金上料及称量时的收尘装置。 1.3 真空处理设备的工作原理 真空处理主设备主要由真空 室、真空室加热设备、升降设 备 和旋转设备、合金加料设备、真空泵 系 统和电气设备以及测量控制仪表等组成。 实现顶枪进入和退出真空室动作通常有 两种移动方法 ： 在真空处理时，真空
18、室需转到处理位置上方，然后降下顶枪，插入钢水中，这种方法称为上动法 ； 另一种方法是真空室不动，而通过旋转升降顶枪来完成全部动作，这种方法称为下动法。由于上动法需要真空室完成旋转运动，考虑其重量较大，对机构的刚度要求较高，加工制造也相对困难许多，因此上动法不为常用。相比之下，下动法顶枪质量较轻由顶枪完成升降和旋转运动更容易实现， 也 方便机构的设计和维修 。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 1.4 顶枪控制的方法 顶枪升降及枪位控制中根据加热过程的工艺要求，需要对顶枪位置进行调整和控制。顶枪采用电机驱动 ， 顶枪的升降行程控制采用绝对编码器，顶枪在最高位和最低位的紧急限位采用限位式机械
19、开 关 ，当枪上升或下降达到最高限位或最低限位时，立即切断变频器的输出，顶枪停止运行并抱闸，防止出现事故。另外，还设有停枪位和换枪位两个限位开关每次加热结束、真空处理期间或顶枪漏水时，顶枪提升到停枪位等待当要更换真空室或更换顶盖时，顶枪提出热顶盖外即换枪位。顶枪的操作方式有：事故方式、现场手动方式、远程手动方式和远程自 动方式。事故操作方式是指在事故停电状态下将气动马达耦合手柄打到气动马达位置，用 N2提升顶枪。现场手动方式是指在现场操作台上选择多边钥匙开关就地操作，通过操作台上的按钮控制顶枪升降，操作台上用数字表显示顶枪枪位，只能低速升降，该方式主要用于设备维护和检修。远程手动方式是操作员直
20、接在操作站上点击 “ 上升 ”“ 下降 ” 按钮，控制顶枪升降。远程自动操作是指操作员直接在 HMI 上设定枪位，经过 PLC 比较后，自动控制枪的升降，该方式为正常生产操作方式，并带所有控制联锁。出于安全考虑，在 HMI 上只允许自动操作，没有手动方式。操作 员在加热表内设定好加热时间、枪位和气体流量，然后按下 “ 启动 ” 按钮，顶枪自动下降到设定枪位位置后停止，氧气、煤气阀打开，调节阀根据认定流量调节氧气和煤气流量。加热时顶枪要下到真空室内，而真空室内的温度很高（约 1100-1300 ），因此顶枪采用水冷方式进行冷却，以免被烧坏。 1.5 本课题研究的主要内容 设计顶枪升降旋转机构，使
21、顶枪完成提升和旋转运动，主要内容包括电动机选择与计算、 链传动设计计算、齿轮蜗杆减速器设计计算、液压缸和联轴器的选择等。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 2.总体方案设计 方案 1：采用升降走行机构 电 动机 1 通过减速器 和 链传动带动小车完成升降运动。 电动机 2 驱动轮子在水平轨道上完成走行。 (图 2.1) 图 2.1 升降走行机构方案简图 方案 2：采用升降旋转机构 电动机通过减速器 和 链传动带动小车完成升降运动。 由液压缸带动机架完成旋转。（图 2.2） 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 图 2.2 升降旋转机构简图 2.1 从运动状态角度分析 方案 1：电动机驱动机架走行速度相对较快 ， 节省时间，但当机架走 行 到 轨道两端停车时，与轨道有冲击且冲击载荷很大。 方案 2：液压驱动，机架旋转速度相对较慢，浪费时间，但机架旋转平稳 ， 几乎没有冲击载荷。 2.2 从加工角度分析 方案 1：走行距离很大， 机构庞大， 加工轨道困难。 方案 2：液压缸 是标准件，可外购 。
