Конструирование машин для металлургических процессов

 

Электромеханические приводы в металлургическом машиностроении

(новый курс лекций).

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Часть I.

Металлургические  процессы

и агрегаты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

                                                             

    Особенностями  металлургических машин являются: высокие нагрузки и тяжёлые режимы, агрессивная окружающая среда, безотказность работы, легкодоступный и нетрудоемкий ремонт. Неожиданная (неплановая) остановка машины в непрерывном металлургическом процессе вызывает значительные потери из-за недополученной продукции, затрат на ремонт.

Металлургические машины и особенно их приводы требуют  специального внимания на стадиях проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации. Прокатные станы, МНЛЗ, конвертеры являются уникальными как по заложенным в них техническим решениям, так и по исполнению.

    В изложенном  материале рассматриваются конструкции  известных металлургических машин  и их приводов, принципы конструирования, анализ и выбор рациональных кинематических схем и конструкций. В книге также рассмотрены технологические процессы и основные параметры, условия эксплуатации и нагрузки, расчеты и конструирование механической части, технологические приёмы изготовления, требования к эксплуатации.

          

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

    В металлургическом  производстве используется множество  технологий, начиная от подготовки руды и других исходных материалов и заканчивая производством готовой продукции в  виде проката, используемого в строительстве, машиностроении, приборостроении. В книге, сделан акцент, на конвертерном производстве стали, непрерывном литье заготовок, прокатном производстве. Именно в этих технологических процессах применяются машины и механизмы, представляющие наибольший интерес, так как им присуща максимальная степень уникальности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1 Конвертеры

2.1.1 Общие сведения

                    (рис.1)

                                 

                                                                                                                               

                                                                                                                             Условные обозначения:

                                                                                                                   1- корпус конвертера;

                                                                                                                   2- футеровка из огнеупорного

                                                                                                                                           кирпича;

                                                                                                                   3- ось поворота конвертера;

                                                                                                                   4- фурма подачи кислорода;

                                                                                                                   5- жидкий чугун.

                                                                        

   

   

 

        

Рис. 1 Схема  конвертера

 

Конвертерный способ производства стали отличается высокой производительностью, экономичностью, широкими возможностями по автоматизации технологического процесса и совместимостью с машинами непрерывного литья заготовок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.2. Технологический  процесс и основные параметры

 

    Жидкий чугун, который производят в доменной печи, с помощью транспортной системы в специальном ковше подают в конвертерный цех и с помощью мостового крана заливают чугун в конвертер через горловину. Кроме чугуна в конвертер через горловину подают и другие ингредиенты процесса: металлический скрап, известь.

      Чугун – это  сплав “железо – углерод”  в котором углерода > 2%.

       Сталь – это  сплав “железо – углерод”  в котором углерода ≤ 1%.

    Технологический  процесс в конвертере сводится  к “выжиганию” углерода в сплаве “железо- углерод”, что происходит при интенсивной подаче кислорода через фурму на поверхность жидкого чугуна. Образуется газ , который выносится через горловину, газоходы и фильтры в атмосферу. Процесс подачи кислорода называется продувкой.

    Заданный химсостав стали  получают, регулируя количество  подаваемого кислорода, добавляя в виде сыпучих материалов предусмотренные программой химические элементы. Подача материала осуществляется через горловину с помощью специальных поворотных лотков. В процессе плавки на поверхности жидкой ванны образуется шлак, который сливают через горловину, поворачивая конвертер вокруг оси. Готовность стали определяют химическим анализом проб металла в конвертере. Пробу берут с помощью специальной ложки в наклонном положении конвертера. Пробу по пневмопочте, в предназначенном для этого контейнере, отправляют в химическую лабораторию.

    По окончании плавки  сталь сливают, наклоняя конвертер, в сталеразливочный ковш, установленный на сталевозе. Далее этот ковш транспортируется в отделение непрерывной разливки стали. Существуют схемы конвертеров, в которых кислород подают через донную часть.

    Кислород производят  на кислородной станции путем  разделения воздуха на кислород и азот. Между кислородной станцией и конвертером находится накопитель (аккумулятор) кислорода, называемый реципиентной.

    Цикл плавки на конвертере - от начала заливки чугуна до окончания выпуска стали - 45 мин. Конвертеры имеют следующие рабочие ёмкости (по стали): 50 т., 100 т., 130 т.,250 т.,350 т. Внутренний объем конвертера определяется по соотношению:

                                                          ,

где Q- масса плавки [Т];

    - удельный объем конвертера, равный 0.9 1.1 .                                                                

     Расход  кислорода составляет 50-57 на одну тонну выплавляемой стали. Интенсивность продувки составляет 5 6 , расход кислорода- до 2000 . Практически продувка занимает 12 15 мин.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1.3 Конструкция

(рис.2)

 

    Конструкция  конвертеров зависит от размеров, однако, общим для них является выполнение отделённого от корпуса опорного кольца, крепление их между собой с обеспечением компенсации упругих термических деформаций, применение сферических подшипников качения в опорах и многодвигательных приводов наклона корпуса. Конверторы малой и средней вместимости (до 200 т.) имеют односторонний привод, большой вместимости - двухсторонний.

                                                                                                    Условные обозначения:

                                                                                                                                 1- корпус;

  2- опорное кольцо;

  3-система шарнирных тяг;                                                                                                                                                                 

                                                                                                                                 4- подшипники;                                             

                                                                                                                                 5- навесные многодвигательные 

                                                          привода;

  6- удерживающее устройство для     

                                                                                                                                      восприятия реактивного                                                                                                   момента редуктора;

                                                                                                                                  7- экран.                                                

                                                                                                                                                                                        

                                                                                                                                                                                        

 

 

 

 

                                                                      

Рис.2 Конвертер большой вместимости

 

 

    Конвертер  большой вместимости приведен  на рис.2. Его корпус 1 закреплен  в опорном кольце 2 системой тяг 3. Опорное кольцо имеет две удлиненные цапфы, на которых смонтированы подшипники 4 и навесные многодвигательные привода 5. Зазор между корпусом и опорным кольцом защищен экраном от выплесков металла и шлака.

 

 

2.1.4 Привод наклона  конвертера

 

    Привод наклона  конвертера должен обеспечивать  поворот корпуса от вертикального положения на слив продуктов плавки, на осмотр футеровки. Для самовозврата корпуса в вертикальное положение его центр тяжести должен быть ниже оси цапф, что приводит к некоторому завышению вращающего момента на приводе, но обеспечивает безопасность эксплуатации.

    В современных конвертерах  применяют навесные приводы наклона, особенность которых состоит в том, что тихоходную ступень монтируют непосредственно на цапфы конвертера, а быстроходные редукторы - на выходных валах ведущих шестерен тихоходной ступени.

                                                                                                                

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Непрерывная  разливка  стали. Машины непрерывного литья  заготовок (МНЛЗ)

2.2.1 Общие сведения

 

Непрерывная разливка стали, насчитывает в своем развитии более полувека, но и в настоящее время эта технология является прогрессивной и совершенствующейся.

Главное ее достоинство  – увеличение производительности, повышение качества конечного продукта, снижение затрат. Во всех случаях, где  стала появляться непрерывная разливка, затраты на производство конечного продукта снижались не менее чем на 30%. Кроме того, непрерывная разливка стали позволяет автоматизировать процесс получения заготовки, что в свою очередь позволяет создавать автоматизированные металлургические комплексы, включающие производство жидкой стали и проката. В конечном счете, непрерывная разливка стали, позволяет облагородить труд человека, сделав его высококомфортным и высокопроизводительным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.2 Технологический процесс  и основные параметры

(рис.3, 4)

 

На рис. 3 приведена  схема машины непрерывного литья  заготовок (МНЛЗ).

Стальковш, наполненный  жидкой сталью, произведенной в конверторе с помощью специального сталеразливочного  крана поднимают на рабочую площадку МНЛЗ и устанавливают на стенд. Открывают шибер и наполняют промковш до заданного уровня, после чего шиберную заслонку закрывают, открывают стопор промковша и подают металл в кристаллизатор.

Предварительно дно  кристаллизатора закрыто головкой затравки, представляющей собой длинный стержень, состоящий из звеньев, соединенных между собой шарнирами. Хвостовая часть затравки удерживается в валках тянуще – правильной машины.

После заполнения кристаллизатора  металлом до заданного уровня включают тянуще – правильную машину на вытягивание затравки и одновременно включают механизм качания, который сообщает кристаллизатору движение по технологической линии машины с малым ходом и большой частотой, что позволяет снизить трение между стенками кристаллизатора и корочкой затвердевающей заготовки.

В кристаллизаторе осуществляется первичное, закрытое охлаждение  слитка через контакт с холодной медной стенкой, интенсивно омываемой водой  по предусмотренным в ней каналам. Постепенно скорость вытягивания доводят  до номинальной. Заготовка в двухфазном состоянии (сердцевина жидкая) попадает в зону вторичного охлаждения, где охлаждается в расчетном режиме открытой подачей воды с помощью форсунок.

Когда место стыка головки затравки  и заготовки выходит за ось  последнего валка ТПМ, затравка отделяется от заготовки с помощью механизма отделения затравки и далее заготовка перемещается в зону режущего устройства, где осуществляется порезка на мерные длины.

Современная технология непрерывной  разливки предусматривает разливку методом «ковш – на – ковш». В этом случае производится замена прежнего стальковша на новый, наполненный, без прекращения процесса вытягивания заготовки.

Для реализации такой технологии применяют  подъемно – поворотные стенды для  стальковша и тележки для промковша  с механизмом подъема и передвижения.

Рис. 3 Схема МНЛЗ

 

1- стальковш;

2- шиберный затвор;

3-промежуточный ковш;

4-кристаллизатор;

5-механизм качания кристаллизатора;

6-секции вторичного охлаждения;

7-поддерживающие роликовые секции;

8-тянуще-правильная машина (ТПМ);

9-режущее устройство;

10-заготовка;

11-механизм отделения затравки.

 

    По типу  МНЛЗ подразделяют на

 

а) слябовые:                                                          а = 700÷2000мм

                                                                               b = 150¸300мм                                           

                        а.1 Тонкослябовые – 80х1500мм.

 

б) блумовые  

                                                                                             а = 200¸400мм

                                                                                b = 150¸300мм

в) сортовые

                                                                               а = b = 100÷150мм

 

Рис. 4 Типоразмеры  заготовок

 

Регулируемыми параметрами  являются скорость вытягивания заготовки, количество подаваемой воды на первичное и вторичное охлаждение, ход и частота качания кристаллизатора. Глубина регулировки указанных параметров позволяет разливать широкий сортамент сталей: от малоуглеродистых до высокоуглеродистых и легированных марок сталей.

Скорость разливки (вытягивания) не может превышать величины, определяемой прочностью корочки заготовки в  двухфазном состоянии под кристаллизатором.

Отсюда, для обеспечения  заданной производительности применяют  многоручьевые машины. Но при этом каждый ручей имеет независимое управление, а технологически все ручьи объединены единым, вытянутым по линии перпендикулярной ручьям, промковшом.

Мощность и размеры  машины определяются емкостью стальковша, которая на практике имеет значение: от 12т до 350т.

Скорость разливки на слябовых и блумовых машинах достигает 1,5м/мин, а на сортовых  - 5м/мин.

МНЛЗ – сложный, многозвенный и многоприводной агрегат, требующий  тщательной отладки схем управления отдельными механизмами и процессом  в целом.

Характерным для приводов являются низкие скорости рабочих звеньев, большие передаточные отношения, глубокая регулировка частоты вращения двигателей (1:10 и более)

Кроме того, к приводам, равно как и к механизмам, предъявляются  требования безотказной и долговечной работы в условиях повышенной температуры и влажности окружающей среды.

Технологический радиус на основании теоретических исследований и практических данных определяют из соотношения:

R = 40b,

где b – толщина заготовки (см. рис. 4).

 

 

2.2.3 Понятие о жидкой лунке

(рис.5)

 

 На МНЛЗ происходит  превращение металла в жидкой  фазе в металл в твердой  фазе.

Процесс превращения фаз происходит в движении и те, кто наблюдают  этот процесс, воспринимают его как  чудо.

Какое то время, пока полностью не затвердеет, непрерывный слиток находится в двухфазном состоянии. Тело, сформированное в этом слитке жидкой фазой, называют лункой (рис.5).

В процессе непрерывной разливки толщина  корочки изменяется от 0 до b/2, а L увеличивается с увеличением скорости разливки.

Длина жидкой лунки (фазы) определяется:

 

а) для блумовой и сортовой разливки:

                                                 L = k·b²·V_р  (м),

Где k = 240 – эмпирический коэффициент

       b – толщина заготовки в (м)

       V_р – скорость разливки (вытягивания заготовки)

 

 

б) для слябовой разливки

                                                      L = V_p·t_затв.

 V_p = скорость разливки ( м/мин)

t_затв – время полного затвердевания (мин)

 

                      t_затв. = ²  (мин),

где b – толщина заготовки (мм)

      27 –  эмпирический коэффициент

                            

 

 

                            e

                          

 

 

                                                                               

                                         

 

 

                                                                                             L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                        b

 

 

Рис. 5 Разрез по непрерывно-литому слитку

 

2.2.4 Толщина корочки слитка (заготовки) под кристаллизатором

(рис.6)

 

Толщина корочки слитка под кристаллизатором наиболее уязвимое место по прочности. Пока слиток находится  в кристаллизаторе, стенки кристаллизатора  воспринимают давление жидкого металла  внутри слитка через закристаллизовавшуюся корочку и защищают корочку от разрушения.

Под кристаллизатором корочка  освобождается от поддержки стенок кристаллизатора, полностью воспринимает фэрростатическое давление жидкой фазы P, и воспринимает усилие Q вытягивания слитка из кристаллизатора, равное усилию трения корочки по стенкам кристаллизатора.

Толщина корочки "б" растет неравномерно. Быстрее в кристаллизаторе, медленнее в зоне вторичного охлаждения, еще медленнее на оставшемся участке L.

                                                 α₁>α₂>α₃

 

Толщина корочки под  кристаллизатором определяется по формуле:

 

- сляб                                                                   б = 28 (мм)

 

- блум                                                                   б = 30 (мм)

- сорт                                                                   б = 30 (мм)

 

где τ – время движения от мениска до нижнего среза кристаллизатора (мин)

 

 

 

 

 

                                                                                                                  Корочка 

                                                                                                                   

 

 

Жидкая фаза

 

δ

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

   Рис. 6 Разрез  слитка под кристаллизатором

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.5. Взаимодействие корочки  слитка и стенок кристаллизатора.  Технологические режимы движения  кристаллизатора

(рис.7, 8, 8а, 9, 10, 11,12)

 

Качание кристаллизатора, т.е. движение вверх – вниз по кристаллизующемуся слитку, используется для снижения трения слитка в кристаллизаторе. Все параметры этого технологического приема получены из опыта.

Опытом доказано – на данном этапе  развития техники отказаться от качания  кристаллизатора невозможно. Но, несмотря на такое утверждение, поиски способов снижения трения в кристаллизаторе продолжается, и дают положительный результат. Так, стенки кристаллизатора вместо чистой меди стали делать из сплава меди и серебра. Кроме того, заготовки для стенок стали получать не горячей, а холодной прокаткой. В результате значительно увеличили твердость рабочей поверхности стенки кристаллизатора, что позволило снизить коэффициент трения и повысить износостойкость стенки.

Одновременно стали применять  специальные экзотермические смеси, покрывающие мениск металла в кристаллизаторе, отличающиеся жидкотекучестью. С помощью этих смесей обеспечивается защита мениска от окисления (контакта с воздухом) и смазка, благодаря проникновению жидкой смеси в зазор между корочкой слитка и стенкой кристаллизатора.

В результате коэффициент трения слитка в кристаллизаторе f снижен от 0,5 до 0,2.

Итак, расчетная величина коэффициента трения в кристаллизаторе – 0,2.

Определим силу трения в кристаллизаторе.

Давление P_H на нижнем срезе кристаллизатора определяется как вес столба жидкого G_М металла высотой 900мм, деленный на площадь сечения рабочей полости кристаллизатора. Высота кристаллизатора 1000 мм, расстояние от верхнего торца кристаллизатора до мениска – 100 мм.

Удельный вес жидкого металла γ=7 г/см³

 

                                          G_М = a·b·90·7 = 630·a·b (г)

a и b – размеры сечения кристаллизатора в (см)

Давление на нижнем срезе (P_H max)

 

                                                 = г/ см²

Среднее (расчетное) давление:

 

                                                       P_СР= = г/ см²        

Площадь поверхности  стенок кристаллизатора:

                                      

                                                 S = (a+b)·90·2 = 180(a+b) (см² )

 

Суммарное давление на стенки кристаллизатора:

 

                                                 N = S·P_СР  = 315·180·(a+b) (г)

 

Сила трения в кристаллизаторе:

 

F_тр.кр = N·f =

= 11,34 (a+b) (кг)

 

Как было сказано выше, кристаллизатор в технологическом  процессе совершает возвратно –  поступательное движение (вверх –  вниз), и сила трения, действующая  на слиток, также направлена вверх  – вниз в зависимости от направления движения кристаллизатора.

Циклом движения качания  кристаллизатора называют время, затраченное  на движение кристаллизатора из нижнего  положения в верхнее и возврат  из верхнего в нижнее.

Движение кристаллизатора  осуществляется от механизма, называемого "механизмом качания кристаллизатора".

Закон движения кристаллизатора  определяется технологией разливки и зависит от разливаемых марок  стали и скорости разливки.

Чаще всего применяется  синусоидальный закон, но могут применяться  и другие конфигурации.

Современные машины позволяют  гибко менять во время работы без  остановки машины закон движения,  число качаний в минуту (частоту  качания), ход.

Частота качания находится  в пределах 120¸350 кач/мин, величина хода 3¸12мм

 

 

 

 

 

 

 

 

                      

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 7 Изменение  толщины корочки по длине L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                           

                                                                                                         

                                                                                                             Кристаллизатор

Уровень мениска                                                                                                          

                                                         

                                                                     Р     Р                               Жидкая фаза

 

 

                                                                                                              Корочка