电极挤压机本体结构设计 开题报告

15MN电极挤压机本体结构设计

1选题背景及其意义

本课题来源于企业的委托，通过校外企业的委托任务，使我们能够将大学4年学习和企业工作联系起来。

电炉炼钢的迅速发展使优质电极的需求量与日剧增。电极是电炉的重要组成部分,它将电能输入到炉内并与炉料间产生高温电弧(温度可达300一600℃)。制造电极，是把含有少量灰分和硫磺的优质石油焦炭粉碎，煤沥青作为粘结剂与之搅拌，使其成型后烧结，在进行石墨化处理。对于搅拌物的成型方法有多种，炼钢用的电极是采用挤压方法。

电极在高温下工作受到炉气的氧化及塌料的撞击。冶炼过程要求电极具有良好的导电性,耐高温不易氧化与烧损,有足够的强度,不易折断及破碎,含磷、硫等杂质少。电炉用电极有石墨化电极和炭素电极两种。石墨化电极的各项技术指标均比炭素电极好,导电率约大3—4倍,故生产中多用石墨化电极。

电炉炼钢时用的电极的制造相当复杂，从石油焦炭的选定开始，需要粉碎、搅拌、成型、烧结和石墨化等工序，电极成型用的挤压机，根据成型技术及要求不同，也有很大的不同。电极挤压液压机，大致分为卧式和立式两种，考虑到成品细长和成品处理难易以及挤压机的设备条件，近年来大部分都是用的是卧式挤压机。又因为要求在长的挤压筒内挤压原料的力量要求大致一样，主柱塞必须有长的行程，因而使用了油压机。15MN 电极挤压机是专供炭素工业将从热状态下混捏后的原料糊经凉料后按所需小规格挤压成型的专用设备。

15MN电极挤压机本体结构简单，有卧式预压、卧式挤压的特点。15MN电极挤压机本体结构由前梁、后梁和水平方向张力柱组成一个水平的封闭受力框架。后横梁上装有一个挤压缸和二个侧工作缸，三只缸均与活动梁相连。先卧式预压，再卧式挤压成型小电极。电极挤压机是炭素厂最重要的设备，它的吨位和性能决定企业在行业中的地位。

2文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

目前，世界上有20几个国家能生产石墨电极，主要有英、日、美、法、德等国。美国是世界上碳素工业最发达的国家，她所拥有的挤压设备无论在技术上，还是能力上都比较先进。早在1913年，美国便开始使用挤压机来生产1200200?Φ毫米的电极。

随着冶金、化工、国防等工业部门的发展,石墨电极的产量逐年增长。当今,世界上石墨电极年产量为130万吨,我国1990年产量估计达24万吨,主要应用于电炉炼钢工业。近10年来,美国、日本、英国、德国、法国、原苏联、奥地利、瑞士、意大利等国家都对电极挤压成型工艺和设备进行了不断研究与开发。综合起来,国内外电极挤压机技术发展主要有三个方面:

2.1设备吨位越来越合理化

早在50年代,为满足大型电弧炉的发展需要,国外电极挤压机就朝大型化(超过10MN)方向发展。美国国家炭素公司下属的尼阿加镶、哥伦比亚和克拉克斯泊尔工厂首先装127MN 挤压机来生产?1125x2750mm 的炭素、或石墨电极。60年代,日本东海电极公司安装了由美国华生一斯蒂尔受公司设计、日本小松枷作所和佐世堡重工业株式会社生产制造的60MN 电极挤压机,日本神户制钢所为昭和电工公司大盯电极厂修改设计并制造了一台100MN 的炭素电极挤压机。苏联新西泊利亚叶夫列莫夫制造厂设计制造了63MN 电机挤压机。我国上海重型机器厂和第一重型机器厂分别研制了25MN 和50MN 级的电极挤压机。随着超高功率电极的开发与应用，国内外电极挤压机的挤压能力和生产规格都远远不及先前,不再追求超大型挤压机来生产超大规格的电极,而是注重研究与开发新技术和新工艺来生产大型优质电极。70年代末和80年代初,国内外电极挤压机逐渐趋于30MN—60MN,挤压生产直径1000mm 左右的电极。80年代中后期,挤压机基本上稳定在30MN 左右，生产直径为700mm 左右的电极。国内外大型电极挤压机技术参数见表2-1.

表2-180年代后国内外大型电极挤压机比较

2.2效率越来越高

随着电极品种、数量与质量要求日益增加与提高,国内外电极挤压机生产制造厂商都致力于挤压设备和辅助装置的高效性的研究。

2.2.1传动型式：

自60年代初日本首先将油泵直接传动应用于30MN级电极挤压机以来,国内外除超大型(50MN以上)电极挤压机仍保持蓄势器传动之外,基本上都采用油泵直接传动型式。该传动型式具有工作稳定、耐腐蚀、维护方便及效率高的特点。在设备液压系统中,国外采用电液伺服控制、组合集阀。为了降低噪声,甚至有的挤压机将传动泵浸没在油箱内的油液中。

2.2.2加热方法：

目前,国外电极挤压机的料空和型咀加热三种方法:蒸气、电气和热油加热。由于蒸气加热费时,且易腐蚀管道及漏损,电气加热和热油加热较为普遍应用。其中,电气加热可实现料室和型咀温度分区段单独调节,并可借助热电偶进行自动精确控制温度。

2.2.3料室结构：

电极挤压机的料室结构来分,有固定式单料室、旋转式单料室和替换式双料室之别。60年代前,国内外电极挤压机基本上都采用固定式单料室。为了提高电极制品的致密度

与提高电极生产率,在60~70年代中相继出现了替换式双料室和旋转式单料室。进入80年代,则以旋转式单料室应用最广泛。鉴于料室结构的差异,在应用过程各有利弊。如表2-2

表2-2三种不同型式料室结构的特点比较

2.3设备更加完善化

国内外电极挤压机生产制造厂商在满足炭素工业生产工艺要求、不断采用新技术、提高挤压设备和辅助装置工作效率、实现挤压过程自动化的同时,乃致力于研究以提高电极制品致密度、实现整个生产过程的飞续化与自动化。

2.3.1真空脱气处理

由焙烧石油焦和焦油沥青搅拌混合的电极糊料，虽然经过混捏后输送、凉料与排气，但加入料室时仍残留着气体，会使电极制品产生气孔而影响电极的密度。为此，美国、日本、德国、奥地利、英国、原苏联和中国的电极挤压机生产制造商在80年代先后研究与采用真空脱气处理工艺，对电极糊料的预压过程与挤压过程进行抽真空，以提高电极制品的致密度。

2.3.2改进咀型结构

在电极生产过程中，电极挤压成型的质量影响着电极制品的质量，而电极挤压成型质量又取决于咀型的形状。为此，国内外碳素行业和挤压设备制造厂商都将型咀形状作

为提高大型电极密度的主要课题进行研究。

2.3.3计算机的应用

80年代中后期，随着国内外电极挤压技术的发展，挤压设备不断完善，进而采用计算机实现单机控制及整个挤压机生产过程自动化控制。

2.4生产过程连续化

自70年代以来,国外电极生产实现了连续化,整个生产过程包括电极糊料连续混捏机、圆筒凉料机、挤压机、剪切装置、升降倾翻机构、自动打印机和电极制品矫直辊。80年代中期,电极连续成形、焙烧、石墨化新工艺巳成为国外炭素下业发展的新动向。美国大湖炭素公司将这一技木作为一项突破性大项目,目前正在尼阿加拉厂进行工业性试验。

3研究内容

3.1电极挤压机的基本工作原理

通过外部动力传递压力进行凉料的压实，按所需规格挤压成型、剪切、冷却。挤压机的工作是由高压液进入主缸推动主柱塞，主柱塞推挤料室中的糊料，料室中的糊料在主柱塞的推挤作用下，经型咀而从型咀口被挤出，再切断为规定的长度。

电极的生产过程大致如下：

①凉料将制造电极的原料经初温较高，需凉冷到合适的温度。

②压实原料分多次加入盛料室，每加入一次，压实一次，以便从原料中除去混料时渗入的空气。

③预压预压3min左右，以保证成品的密实度。

④挤压成型将原料从嘴中挤出，到预定的长度时剪断。更换不同的嘴型，就可以得到不同断面的产品。在整个压制过程中，应对电极原料进行加热和保温，以保证其可塑性。加热的温度应比粘结剂软化温度稍高。

⑤冷却将成品投入冷却水槽中，使其降至常温。

3.2电极挤压液压机

电弧炉冶炼用的碳质电极是消耗性材料，需求量很大，规格很多，大小、长短不一，

断面有圆形、方形、矩形及异形多种。电极挤压液压机是生产电极的专用设备。电极挤压液压机的本体有卧式和立式两种，为三梁四柱式结构。在主工作缸进行压实及预压时，用挡板将料缸封闭。预压完毕后，挡板打开，柱塞将电极挤出。在挡板架上装有对剪，用于剪切圆形电极，挡板上装有立剪，用以剪切出电极。

3.2.1料室

在预压和挤压时,料室通过承受半径方向的内压。原料是复合颗粒,由于其含有粘结剂,达到某一定程度之上时,加压状态下流动性能很好。因而,这时的侧压力比相当大。料室内表面由于原料在高压下滑动所以在长期使用中就磨损。尤其是料室与压型咀直接连接形式的,料室结构复杂,材质费用高,因此采取用衬套装嵌到料室里的方式。

3.2.2主柱塞和主柱塞液压缸主缸

液压缸是液压机的主要执行原件，主要完成直线往复运动，并将高压液的压力能转换成使工件变形或成形的机械功。卧式电极挤压机的工作是由高压液进入主缸推动主柱塞，主柱塞推挤料室中的糊料，料室中的糊料在主柱塞的推挤作用下，经型咀而从型咀口中被挤出，再切断为规定长度。

图3-1主缸图3-2活塞杆

3.2.3不同直径的压型咀

压型咀按照成型电极的直径不同，需要相应的更换，不同的咀型可以加工出不同形状和直径大小的电极，视加工需要而定。

3.2.4前后横梁及活动横梁

三个横梁是电极挤压机本体十分重要的部件，它的外形轮廓尺寸很大，重量也大，占液压机本体重量的绝大部分。主缸水平卧在后横梁中，四根横柱把前后横梁以及挡架联结成一个整体，料室与前横梁相连，咀型在前横梁与挡板中间，并有型咀接头与料室连成一体，下有油缸支柱支撑。

图3-3活动横梁

4研究方案

主要技术参数：

1.公称挤压力:15MN；

2.回程力：2MN；

3.工作介质:液压油；常用工作压力:25MPa；

4.挤压行程:2200mm；

5.料室直径:φ900mm；料室长度：2000mm；

6.嘴形规格：φ200mm-φ500mm。

电极挤压液压机本体有卧式及立式两种，为二梁四柱式结构。

4.1卧式电极挤压液压机

卧式电极挤压液压机的本体结构简图如图4-1所示，

图4-1卧式电极挤压机本体结构

1—支撑架2—主工作缸3—主柱塞4—后梁5—活动横梁6—支撑架

7—挤压版8—进料口9—前横梁10—料室11—咀型12—挡板

因工作柱塞行程较长，除回程缸采用差动式外，在工作柱塞下尚设有支撑装置。咀子与前梁通过咀形接头的上下卡箍相连接。将卡箍取走，即可更换新的咀型。前梁的料缸、嘴子套及嘴子口都采用电加热，温度可调控。料缸及嘴子套采用工频感应加热，嘴子口采用电阻丝加热。在料缸及嘴子套内，都装有电热偶温度计，自动调温的范围为100-150℃。

在主工作缸进行压实及预压时，用挡板将料缸封闭。预压完毕后，挡板打开，柱塞将电极挤出。在挡板架上装有对剪，用于剪切电极。

4.2立式电极挤压机

立式电极挤压机的结构简图如图4—2所示。

图4—2立式电极挤压机结构简图

1—咀型2—压实真空罩3—前梁与挡板4—料室5—挤压头部分

6—真空排气管7—主缸部分8—回程缸部分9—旋转油缸10—拖板缸

立式电极挤压机通过加料口可以进行一次加料然后压实，通过旋转油缸把料室转到水平位置，再通过主柱塞进行预压几分钟，然后将原料从嘴中挤出，到预定的长度时剪断。更换不同的嘴型，就可以得到不同断面的产品。

在整个压制过程中，应对电极原料进行加热和保温，以保证其可塑性。加热的温度应比粘结剂软化温度稍高。

4.3方案比较

立式电极挤压机填料方便，可以利用重力对凉料进行压实，对提高电极强度、电极质量均有很大的益处，保证了产品的成品率。但是缺点是结构比较复杂，先要通过垂直预压机装置捣固、预压、抽真空等工作然后再通过水平方向主柱塞进行推挤，经型咀而从型咀口中被挤出，再切断为规定长度。不仅成本较高，并且工作周期也较长。

而卧式电极挤压机则正好克服了这些缺点，虽然每次填料后都需要进行预压处理但是经过多次的预压处理后生产的电极质量也会大大提高，并且设备没有了垂直方向的预压装置也使得装置更加经济简单，更稳定，制造费用降低。设备运行时间大大缩短。

综上所述，本课题选择15MN卧式电极挤压机更加符合要求。

5进度计划

2014.11查阅有关专业技术文献，了解挤压机国内外现状和发展趋势。

2014.11—2014.12主要技术参数确定及总体方案确定。

2015.01—2015.02主要零部件结构的初步确定及设计计算。

2015.03—2015.04完成总装图、部件图和零件图。

2015.05—2015.06撰写设计说明书，准备答辩。

参考文献

1、赵如.《国外碳素电极挤压机发展概况》.上海重型机械厂

2、赵如.《国内外电极挤压机技术的发展》.重型机械，1992.

3、赵三杰.《电极挤压机评述》.炭素技术，2011年第五期第30卷.

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7、《机械设计手册》.王文斌等编.机械工业出版社，2004

8、《机械制造技术基础》.熊良山编.华中科技大学出版社，2007

9、<液压机的设计与应用》.高峰，郭中伟，重型制造装备国内外研究与发展.机械工程学报，2010.

10、Lev S.Belyaev,Oleg V.Marchenko,Sergei V.Solomin.A study of wind energy contribution to global climate change mitigation[J].International Journal of Energy Technology and Policy,2005,(4):324-341.

指

导

教

师

意

见

指导教师签名：

年月日

开题答辩小组意见1、论文选题：□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。

2、论文的难度：□偏高；□适当；□偏低。

3、论文的工作量：□偏大；□适当；□偏小。

4、设计或研究方案的可行性：□好；□较好；□一般；□不可行。

5、学生对文献资料及课题的了解程度：□好；□较好；□一般；□较差。

6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

8、对论文选题报告的总体评价：□好；□较好；□一般；□较差

（在相应的方块内作记号“√”）

建议

结论

评议小组组长签名：

评议小组组员签名：