关于无料钟炉顶的布料和控制的讨论
课程名称: 机械装备及设计
小组成员: XXX
2012年11月12日
1. 无料钟炉顶简介
无料钟炉顶由可移动的受料漏斗、两个密封料罐和布料器等结构组成。为了能够交替
地往两个料罐装料，受料漏斗做成可以移动的。每个密封料罐的容积约为半批料（相当于料车上料时两车料）。在料罐的顶部和下部没有密封阀起炉顶密封作用。每个料罐都有均压设备。在下密封阀的上面设有料流调节阀门，可以控制原料流量。布料的溜槽可以绕高炉中心线惊醒转动，溜槽的倾角可以调节。 无料钟炉顶的主要主要优点是： 1）、炉喉布料由一个重量较轻的旋转溜槽来进行。由于该溜槽可以作圆周方向的螺旋运动，又能改变角度，能够实现炉喉最理想的布料，并且操作灵活，能满足高炉布料和炉顶调剂的要求。 2）、由于取消了大钟、大料斗和旧式螺旋布料器等笨重而又要精密加工的零件，比较彻底地解决了制造、运输、安装和维护更换等问题。 3）、炉顶有两层密封阀，且不受原料的摩擦和磨损，寿命较长；阀和阀座的重量和尺寸较小，可以整体更换也可以单独更换某个零件（如耐热硅橡胶圈），检修比较方便。 4）、炉顶结构大大简化，部件的重量减轻，炉顶的安装小车起重量由120t缩小到40t，减轻了炉顶的钢结构，降低了炉顶的总高度。整个炉顶设备的投资减少到双钟双阀或双钟四阀炉顶的50~60%
2. 无料钟炉顶的布料方式
自动的环形布料（图1）：自动地选定溜槽的倾角（由选择矩阵或电子计算机选定），布料时溜槽只作螺旋运动。
自动的螺旋布料或步进式同心圆布料（图2）：由选择矩阵或电子计算机选择溜槽倾角内外极限角，及溜槽每转一圈倾角的递减量。布料时溜槽每转一圈倾角跳变一个角度（一般由内向外跳变）。
手动定点布料（图3）：溜槽的倾角和它所处的方位根据炉内产生管道的位置由手动选择按钮来进行调节。布料时溜槽对准某处固定不动。 手动扇形布料（图4）：溜槽倾角和它的方位角以及扇形弧段的摆动角都由手动选择按钮来进行，布料时溜槽在指定弧段内慢速来回摆动。
3. 无料钟炉顶的优缺点
装料制度是高炉重要的基本操作制度之一，它与下部调剂制度相结合，决定着高炉内煤气的分布和利用水平。在一定的原料和设备条件下，与热制度、造渣制度组成高炉稳定、顺
行、高产、优质、低耗、长寿的必要和充分条件。当前，我国容积在500m以上的高炉基本
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采用无钟炉顶。300—500m的高炉也大部分采用此种装料设备。因此，研究无料钟炉顶的布料规律，对进一步改善高炉的运行状况，提高高炉的技术经济指标，有着重要意义。
无料钟炉顶有如下优点。炉喉布料由一个质量较轻的旋转溜槽来进行。由于该溜槽可以作圆周方向的旋转运动，又能改变角度，能够实现炉喉最理想的布料，并且操作灵活，能满足高炉布料和炉顶调剂的要求。由于取消了大钟、大料斗和旧式旋转布料器等笨重而又要精密加工的零件，比较彻底地解决了制造、运输、安装和维护更换等问题。炉顶有两层密封阀，且不受原料的摩擦和磨损，寿命较长；阀和阀座的重量和尺寸较小，可以整体更换也可以单独更换某个零件（如耐热硅橡胶圈），检修比较方便。炉顶结构大大简化，部件的重量减轻，炉顶的安装小车起重量由120t缩小到40t，减轻了炉顶的钢结构，降低了炉顶的总高度。整个炉顶设备的投资减少到双钟双阀或双钟四阀炉顶的50-60%。
当然，无料钟也有某些缺点。目前耐热硅橡胶的容许工作温度为250-300℃。而国内热烧结矿装炉的高炉，炉喉温度往往达到400-500℃。对国内炉顶温度较高的高炉，可把密封软座的金属通水冷却，橡胶表面吹冷却气冷却，仍然可以保证耐热橡胶在允许的温度范围内工作。另外，也可以采用硬封或软硬封相结合的结构来代替软封。
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4. 高炉无钟布料器等高度螺旋布料控制模型
无料钟高炉炉顶的布料工作主要受到四个方面因素的影响，即闸阀的开口度，炉料的运动规律，等高度布料螺旋线和溜槽的运动规律。下面就将对以上四个因素建立控制模型，实现对高炉无料钟布料的优化。
4.1 闸阀的开口度
闸阀的开口度就是落料面积的大小，它决定着料罐中的炉料能不能在要求的时间内放出，代表着布料的效率。
对于大型高炉，为了实现螺旋布料或进步式同心布料，往往要求每次布料的时间相等，例如80s。由于各种原料的流动系数不一样，要求做到每次布料时间相等，必须改变节流阀闸门的开口度。焦炭布料时的开口度最大，烧结矿布料时的开口度较小，球团矿布料时的开口度最小。而料罐内一般只装一种类型的原料，焦炭或矿料（烧结矿、块矿和石灰石等可以装在同一料罐内）。每次布料时，要求节流阀闸门有固定的开口度。也就是说，正在布料时，不改变节流阀闸门的开口度。计算获得的开口度大小往往不符合实际，只能作为一个设定值供以参考。
4.2 等高度布料螺旋线
步进式同心圆布料时，半径方向料层厚度相等的叫做等高度布料。关于等高度布料，曾经考虑过使溜槽由外向内做无级螺旋运动，实现料层等高度的均匀布料。但这样做在电气上比较复杂。
为了简化控制系统，旋转溜槽的倾角做成10左右可供选择的位置。这10个位置是用计算法根据下面的原则确定的：按环形布料法，从最外面一个同心圆开始，逐步向内收缩，使各个同心圆获得同样高度的料面。这样布料在电气上较为简单。
用由外向内的同心圆法布料，溜槽的转速可以不变，但每转一圈溜槽的倾角改变一次，即可实现整个料面的等高度布料。
为了简化计算，假定炉料离开溜槽后的运动轨迹为溜槽底面的延长线。溜槽单位时间的 下料量或每一圈的下料量为一常数，为了实现等高度布料，每一圈所布的环形面积应该相等，即：
S0??R2N
式中，S0——布料器每转一圈所布下的料覆盖的环形区域的面积；
R——炉喉半径；
N——每次布料的布料圈数。 第i环的面积可以用下式表示：
S0?2?Rimdi
式中，Ri——第i环的平均半径；
mdi——第i环的宽度。
R2以上两式联立得， R?
2NdimiR2上式还可以改写成：di?
2NRim这样可以看出，第i环的圆环宽度di与该环离高炉中心的距离Ri成反比，也就是说，越靠近炉墙环的密度越大。
为了计算每环的外半径Ri，可以利用公式
mS0??R2N??Ri2i
因此得到：
Ri?Ri N即第i环的外半径的平方与i之间的关系是线性关系。利用上式可以求出第i环的平均半径为：
Rim?Ri?Ri?1R?[Ni?N(i?1)] 22NRim就是等高度布料的螺旋线。
4.3 溜槽的运动规律
溜槽的运动规律是通过其倾角?体现出来的。
a
Rim从图5可以看出，溜槽倾角?
图5 溜槽倾角的计算 为：
Rimtan??
H1所以
Rim?H1?tan??(H?H2)tan?
因为
H2?所以
a sin?aHsin?a )tan???sin?cos?cos?Rim?(H?利用下面三个三角公式：
1?t2a) cos?? 21?tb) c)
sin??tan2t 21?t?2?t
可以将上式化简为：
(Rim?a)t2?2Ht?(Rim?a)?0
解这个方程得到