1 绪论
1.1 选题背景及意义
钢铁是现代社会经济发展、工业进步以及国防建设中最为重要的一项基本原材料，可以说没有钢铁支撑就不会有现代的工业化局势。根据国内钢铁行业的相关数据显示，2018 年我国钢材产量约达 110551.6 万吨，增长 8.5%，但 2019 年 1～6 月份全国钢材产量已达 48036.4 万吨，同比增长 11.2%。有数据显示，国内粗钢及生铁与钢材产量分别为 9.28 亿吨、7.71 亿吨、11.06 亿吨，同比增长 6.6%、3%、8.5%。然而高炉冶炼是目前获得大量生铁的主要生产方式，2018 年高炉生产的生铁量占世界全部生铁产量的 95%左右[1，2，5]，目前在炼铁生产中占主要地位。
随着高炉炼铁工业的发展，新建设投产的高炉其有效容积在不断地增加，逐渐向着大型化和巨型化的方向发展。在工艺操作上，为了进一步提高高炉经济技术指标，降低生铁成本，大多数钢铁企业都采用了高顶压、高强度的冶炼方式。炉顶压力能达到0.2~0.25Mpa，炉顶温度达到 300℃~1000℃，且在不断升高和越不易控制。
为了满足高炉操作方工艺的发展和不断提高冶炼强度的要求，高炉炉顶装布料设备近年来也取得了长足的发展。从最初的敞开式炉顶装料设备到现在的无料钟炉顶，都在不断地进行着改进和发展。和以往的钟式炉顶装料设备相比，无钟炉顶装料设备具有非常大的优越性。无钟炉顶的设计思路可以巧妙地将炉顶设备的密封功能和布料功能完全的分开，主要具备以下优点：一是布料形式非常灵活，炉顶布料由旋转溜槽实现。由于布料溜槽可以作水平方向的圆周旋转运动，又能在竖直方向通过倾动传动改变布料角度，能够实现最为理想的高炉布料方式。而且 BG 型布料器操作灵活，能满足高炉布料调整的各种要求，从而提高高炉冶炼的煤气利用率；二是密封性能好，料罐有上下两层密封阀，通过合理的设计使阀的密封件不受炉料冲刷和磨损，使用寿命可达到 6 个月以上，能使炉顶压力得到很大的提高；三是无料钟炉顶设备采取了抽屉式的设计理念，使系统内各设备的检修和更换非常方便，因此减少了高炉的休风时间，提高了设备的作业率[34]。
............................
1.2 BG 型高炉布料器在包钢高炉的应用与发展
德国卢森堡公司于 1972 年成功研发出了 PW 型无料钟炉顶设备，并很快应用于全球各地。我国于 1979 年首次使用该技术在首钢 2#高炉上，并迅速向全国推广。1985 年3 月包钢 1#高炉利用大修机会将炉顶装料设备更新为无钟炉顶，随后借鉴卢森堡 PW 型布料器的设计思路，包钢技术人员立足自我，自主研发设计出了 BG 型无钟炉顶布料器，经过多年的改进和更新 BG 型布料器的性能日趋完善。包钢炼铁厂各座高炉的布料器更型情况见表 1.1。
1.2.1 BG-Ⅰ型布料器
包钢第一台 BG-Ⅰ型布料器于 1985 年 3 月在包钢 1#高炉正式投入运行，BG-Ⅰ型布料器首次采用单排交叉滚柱式回转支承将耳轴转套固定在布料器气密箱体的顶盖上。耳轴转套的上法兰与上回转支承的外圈连接，回转支承的内圈与布料器气密箱上盖法兰连接。在耳轴转套的下端安装两根花键轴连接托架和溜槽绕高炉的中心线旋转，从而实现布料溜槽在水平方向的旋转运动，达到沿圆周方向均匀布料的目的。溜槽α角的倾动运动是通过 3 台液压缸带动与钢圈相连接的两个曲柄来驱动花键轴实现的。通过各自独立的控制系统，实现α角和β角不同的组合，即可达到高炉生产工艺所需的各种布料方式，满足生产要求[29，30]。BG-Ⅰ型布料器在包钢 1#高炉首次使用，即展示出了其独特的优点，得到了业内广泛的认可。但是在使用过程中发现其存在α角控制精度低，计算机显示误差大等设备缺陷，对布料器的长期稳定使用造成制约。
................................
2 BG 型无钟炉顶布料器传动结构及原理分析
2.1 布料器传动原理介绍
无钟炉顶布料器的主要功能是使布料溜槽能够具备倾动和旋转两种运动，且溜槽倾动和溜槽旋转采用独各自独立的传动系统，二者互不干涉，其传动原理如图 2-1 所示。
.............................
2.2 布料器托架结构改进后的校核计算
2.2.1 布料器的基本性能参数
BG 型无钟炉顶布料器的基本设计参数有：布料器的转速、料罐的容积、料流调节阀的通径和布料器中心喉管的通径等。设计高炉布料器的最终目的是保证炉顶设备具有与高炉容积相匹配的装料能力，且能够实现满足工艺要求的圆周均匀布料。所以在布料器的改进之前，必须要充分考虑到无钟炉顶布料器的基本性能要求。确定布料器的基本性能参数主要有以下几个方面：
（1）布料器的过料能力、炉顶装料系统的装料能力和所对应的高炉容积三者必须相匹配。如果布料器的过料能力偏小，不但影响高炉的布料操作，而且会严重制约高炉的经济技术指标。相反，提高布料器的过料能力就必然要增大布料器的体积，造成现场检修空间不足及溜槽蹦料现象的发生。
（2）无钟炉顶布料器的设计思路必须符合高炉布料工艺的要求。其中布料器溜槽的长度通常为高炉炉喉半径的 0.8~0.9 倍，溜槽长度的合理性会直接影响到炉料进入高炉后的分布情况。
（3）布料器工作在炉顶高温、多尘的恶劣环境，且不断承受煤气流的冲刷以及料流的冲击，为了保证布料器的稳定运行布料器必须具备可靠的密封和耐高温能力。布料器正常工作时的炉顶温度在 200~300℃之间，在炉况失常时炉顶温度在瞬间可以达到1000℃以上，所以布料器首先应当具备一定的耐高温能力。高炉的冶炼为连续性生产方式，布料器将大量的炉料不间断布入高炉中，比如溜槽、托架等布料器的关键零部件，应当具备高耐磨性能和耐高温性能。此外，目前高炉采用高强度冶炼技术，炉顶压力能达到 0.22Mpa 左右，炉顶荒煤气非常容易窜入气密箱体内部，所以布料器必须具备良好的密封能力。
BG 型高炉布料器的基本性能参数如表 2.1 所示。
............................
3.1 Solid Works 软件简介...................... 27
3.2 布料器零件的建模........................27
4 布料器托架结构改进方案及强度分析..................................33
4.1 Solidworks Simulation 软件介绍...............................33
4.2 布料器托架的建模与改进分析........................34
4 布料器托架结构改进方案及强度分析
4.1 Solidworks Simulation 软件介绍
如前文所述，从 Solid Works2009 版开始，其著名的 FEA 软件 COSMOSWorks 改名为Solid Works Simulation。为了体现设计与仿真一体化的理念，Solid Works Simulation与 Solid Works 完全集成设计分析系统。Solid Works Simulation 可使用单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析和优化分析。同时凭借着快速解算器的强有力支持，用户使用个人计算机可以快速解决复杂问题。并提供了多种捆绑包，可满足各种分析需要。节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大提高机械产品的设计开发效率。它的主要功能包括机械零件设计、动画和渲染、装配设计、钣金制作和有限元高级分析技术等模块，强大的建模和分析功能完全满足机械设计的需求[44]。
BG 型高炉布料器托架原使用材料是碳钢，在后期的使用过程中不断因为发生变形而失效。后又尝试使用 ZG40Ni35Cr25，该材质属于高铬镍的不锈钢，耐高温、耐氧化。但该材质的可加工性不好，抵抗冲击的韧性较差，不适合做用于机械传动的部件。
.............................
1、总结
布料器是无钟炉顶装料系统的核心设备，其运行状态的好坏直接影响到高炉的稳定生产。现代高炉生产逐步向大型化和巨型化发展，为了提高炼铁经济技术指标，大多数高炉都采用高压操作，炉顶压力高达 0.2～0.28MPa，使得炉顶温度不断升高且不易控制，从而对炉顶装布料设备提出了更高的要求。自 1985 年 3 月包钢第 1 台 BG-Ⅰ型布料器在 1#高炉正式投入使用以后，BG 型布料器经过不断的改进和发展，取得了长足的进步。β角采用 7.5KW 交流电机，控制α角的液压系统压力为 15Mpa，经过再次计算校验，完全满足设备性能要求。
虽然 BG 型布料器目前可以满足生产要求，但是依然存在内部回转支承运行稳定性、水冷地盘漏水、托架变形和断裂以及溜槽磨损等问题。课题通过对托架结构重新进行设计，提高托架的高温强度。从托架的基本厚度、底托宽度、底托的筋板厚度以及底托筋板距半圆高度 4 个方面对托架进行加宽增厚设计。使托架常态下带载后的最大应力减小53%。对托架进行氮气冷却设计，完成了氮气冷却的设计方案，总结现场应用情况，提出下一步的改进方案。
2、展望目前来看，
BG 型布料器依然存在以下问题和改进方向：
（1）由于开式冷却水系统的换热量有限，其冷却效果不能满足布料器对太高的炉顶温度的适应要求。炉顶温度一般为 300℃左右，炉况不顺时可达 500℃-750℃，甚至瞬时达到 1000℃以上。具体体现在布料器气密箱温度偏高、水冷地盘高温变形开裂等设备故障。下一步可借鉴卢森堡公司生产的 PW 型布料器所具有的密闭循环冷却系统的设计思路，对 BG 型布料器冷却系统进行改造，采用强制密闭冷却的方式，提高其冷却效果。
（2）上下回转支承的运行稳定性问题。目前布料器采用单排交叉滚柱回转支承，该形式的回转支承虽然具有较高承载能力，但是抗偏载性较差，且不适用较高转速下使用。因回转支承失效导致布料器停转的事故频发。经过相关技术人员研究，认为四点接触球式回转支承更适合布料器使用，但是回转支承的保持架形式还需进一步讨论。
参考文献（略）