УДК 621.747

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ СПИРАЛЬНЫХ ШНЕКОВ ДЛЯ ПОДАЧИ ШЛАКООБРАЗУЮЩИХ СМЕСЕЙ В КРИСТАЛЛИЗАТОРЫ МНЛЗ

 

Еронько С.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Механическое оборудование

 

заводов черной металлургии» (ersp@meta.ua )

 

Ошовская Е.В., к.т.н., доцент кафедры «Механическое оборудование заводов черной металлургии» Ющенко М.В., аспирант кафедры «Механическое оборудование заводов черной металлургии» Стародубцев Б.И., инженер

 

Донецкий национальный технический университет

 

(83000, Украина, г. Донецк, ул. Артема, 58)

 

Аннотация. Освещены перспективы применения систем дозированной подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы машин непре-рывного литья заготовок и обоснована необходимость их дальнейшего совершенствования, в частности, за счет использования в них спиральных шнеков. Приведены методика и результаты экспериментальных исследований конструктивных и энергосиловых параметров гибких шнеков с внутренним диаметром 15, 20 и 25 мм, осуществляющих транспортирование мелкозернистых материалов с помощью стальных спиралей с наружным диаметром 11, 16 и 18 мм и шагом витков 5, 10, 15 и 20 мм, вращающихся с частотой 250 – 500 об/мин. Установлено, что зависимость объемной производительности спирального шнека от частоты вращения рабочего органа в исследованных пределах носит линейный характер для опробованных сочетаний геометрических параметров транспортирующего устройства. Заметное влияние на расходные характеристики шнековой системы оказывает соотношение шага витков спирали S_в и ее наружного диаметра d_сп . При этом зависимость изменения объемной подачи спирали за один ее оборот от указанного отношения имеет четко выраженный нели-нейный вид с максимумом в интервале значений S_в / d_сп = 0,9 – 1,1, а минимальная удельная энергия спирального шнека фиксировалась для значений S_в / d_сп = 0,5 – 0,6. Полученные данные использованы при расчете и конструировании линейного ряда систем нового поколения дозированной подачи шлакобразующих смесей в кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок различного поперечного сечения.

 

Ключевые слова: шлакообразующая смесь, кристаллизатор, гибкий шнек, рукав, спираль, виток, шаг навивки, крутящий момент, объемный расход.

 

Одной из обязательных технологических операций, выполняемых при непрерывной разливке стали, является ввод гранулированных или порошкообразных шлакообразующих смесей (ШОС) на зеркало жидкого металла в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) с целью стабилизации работы его механизма качания и улучшения условий формирования корочки отливаемой заготовки [1]. При этом данную операцию в сталеплавильных цехах ряда зарубежных и отечественных металлургических предприятий реализуют с использованием специальных пневматических, пневмомеханических или механических систем, позволяющих в сравнении с ручной подачей ШОС обеспечить требуемую равномерность толщины слоя постоянство состава образующегося шлакового расплава, что в конечном итоге способствует устранению пиковых нагрузок на привод механизма качания кристаллизатора, снижению удельного расхода дорогостоящих смесей и улучшению качества поверхности производимой заготовки [2]. Поэтому в настоящее время интенсивно ведутся работы, связанные с созданием дозирующих устройств, в наибольшей мере отвечающих перечню предъявляемых к ним требований:

 

−   легкое встраивание в существующие комплексы оборудования эксплуатируемых МНЛЗ;

−  выдача с регулируемой интенсивностью из питающего бункера и устойчивая транспортировка к кристаллизатору шлакообразующих смесей как в гранулированном, так и в порошкообразном виде;

 

−   равномерное распределение подаваемой ШОС на свободной поверхности металла в кристаллизаторе с большим поперечным сечением;

 

−   минимизация дополнительных помех при обслуживании разливочных устройств промежуточного ковша и управлении их работой [3].

 

В  этом отношении, по мнению авторов, практический интерес представляют системы, включающие гибкие спиральные шнеки, достаточно эффективно перемещающие мелкозернистые и порошкообразные материалы по сложной траектории в пространстве и нашедшие широкое применение в сельскохозяйственном производстве и химической промышленности для выполнения погрузочно- разгрузочных и транспортных операций.

 

Создание промышленного образца установки, обеспечивающей подачу ШОС в кристаллизатор из стационарно установленного бункера по гибкому металлорукаву с помощью размещенной в нем по всей длине стальной спирали, вращаемой электромеханическим приводом с заданной частотой, предполагает наличие исходной информации как о параметрах самого процесса транспортирования материала, так и об особенностях работы механической системы, его реализующей.

 

Приведенные в технической литературе данные о параметрах процесса силового взаимодействия спиральных гибких рабочих органов с транспортируемым материалом и обеспечиваемых ими расходных характеристиках касаются конвейеров с производительностью 500 кг/ч и более при рекомендуемой частоте вращения шнеков диаметром от 25 до 110 мм в пределах 500 – 1500 об/мин [4 – 6]. При подаче ШОС в кристаллизаторы МНЛЗ требуемая производительность дозирующей системы не превышает 70 – 80 кг/ч, поэтому полученные ранее эмпирические зависимости, справедливые для спиральных конвейеров, не могут быть использованы при обосновании технических решений, закладываемых в конструкции промышленных образцов систем механизированной подачи шлакообразующих смесей в условиях непрерывной разливки стали, так как в этом случае требуемые значения геометрических и скоростных параметров спиральных шнеков выходят за нижние пределы ранее рекомендованных диапазонов их варьирования.

 

В  связи с этим целью настоящей работы было изучение характера силового воздействия мелкодисперсного материала в канале гибкого трубопровода, имеющего изогнутый и горизонтальный участки, на вращающуюся стальную спираль и влияние ее угловой скорости и геометрических параметров (диаметр и шаг витков) на равномерность подачи и объемный расход транспортируемой смеси в условиях ее использования в технологии непрерывного литья заготовок.

 

Как известно, энергия, необходимая для функционирования гибкого шнека, затрачивается на преодоление трения между его спиралью и корпусом, трения о них транспортируемого материала, а также на его частичное перемешивание и относительное перемещение. Поскольку задача по определению общей мощности, требуемой на приведение в действие спирального шнека, и отдельных ее составляющих до сих пор не решена, информацию, необходимую для выполнения проектировочных расчетов, получили опытным путем.

 

Экспериментальные исследования проводили в два этапа. По плану первого из них с помощью специально изготовленного устройства определяли значения момента сопротивления вращению отдельных фрагментов спирали в толще шлакообразующей смеси с насыпной плотностью 900 кг/м³ при полностью заполненном канале горизонтального трубопровода. Для испытаний предварительно подготовили шесть комплектов фрагментов спиралей с разными диаметром и шагом. Каждый из комплектов включал четыре образца, имевших прямой стержень и, соответственно, 1/4, 1/2, 3/4 части полный виток спирали. В соответствии со схемой, представленной на рис. 1, а, в гильзе 5, закрепленной на стойке 2, установленной на основании 1, размещали сменные трубки 6 требуемого диаметра. Внутрь этих трубок засыпали шлакообразующую смесь 8 и поочередно размещали фрагменты спиралей 7, после чего на их стержневую часть с помощью винта 10 жестко закрепляли коромысло 4, одно плечо которого было связано с подвеской 3, а другое снабжено противовесом 9, навинченным на резьбовой хвостовик. Благодаря возможности плавного изменения длины плеча l₁ , конструкция позволяла уравновесить коромысло и фиксировать его в горизонтальном положении. Затем на подвеску устанавливали грузы известной массы до момента начала поворота коромысла. Суммарная сила тяжести Р комплекта установленных грузов, при которой коромысло вместе с фрагментом витка спирали начинало поворачиваться, развивала крутящий момент Рl₂ , соответствовавший моменту сопротивления вращению М_с размещенного фрагмента. Для исключения грубых погрешностей каждое измерение повторяли трижды и по полученным результатам находили усредненное значение (табл. 1).

 

Следует отметить, что при строгом учете момент сопротивления вращению фрагмента спирали включает две составляющие М_с = М_тм + М_тп .

 

Здесь М_тм – искомый момент сопротивления повороту фрагмента спирали, вызванный трением между его поверхностью и материалом; М_тп – момент силы трения в опорном подшипниковом узле, определяемый по формуле

 

М_тп = μРd_п / 2,

 

где μ – коэффициент трения скольжения в опоре; d_п – диаметр проволоки, из которой изготовлены фрагменты спирали.

 

Рис. 1. Схемы лабораторных устройств для контроля момента сопротивления вращению витка спирали (а) и рабочих параметров спирального шнека (б)

 

Расчеты показали, что для условий проводившегося эксперимента доля М_тп в суммарном моменте сопротивления вращению фрагмента спирали М_с составляла не

с^{= М}тм ^.

В   соответствии с полученными данными измерений, сопротивление вращению спирали, вызываемое трением о нее сыпучего материала, напрямую зависит от шага ее витка и площади контактной поверхности, определяемой его диаметром и диаметром проволоки, из которой он изготовлен. При этом для исследовавшихся диапазонов изменений геометрических параметров спирали значение указанной составляющей момента сопротивления, действующего на отдельно взятый ее виток, находится в пределах (0,9 – 1,4)·10⁻³ Н·м. Данные показатели могут быть использованы в качестве оценочных для предварительного расчета энергосиловых параметров гибких спиральных шнеков с условным проходом рукава до 25 мм, поскольку позволяют приближенно определить минимальное значение крутящего момента, требуемого для вращения рабочего органа с известным или задаваемым числом его витков при транспортировке мелкозернистой шлакообразующей смеси с насыпной плотностью 800 – 1000 кг/м³.

 

Второй этап исследований был связан с определением расходных характеристик спирального шнека и силовых параметров его привода. Эксперименты проводили на установке, схема которой приведена на рис. 1, б. В ее состав входил бункер 9 с прозрачной передней стенкой, закрепленный на металлоконструкции 1 и включающий установленный в подшипниковых опорах вертикальный вал, нижний хвостовик которого жестко связан со стальной спиралью 11, размещенной

 

в    прозрачном гибком трубопроводе 10, прикрепленном своей входной частью к гильзе, примыкающей к выходному отверстию бункера. Вращение спирали в гибком трубопроводе осуществлялось мотор-редуктором 7, закрепленным на верхней части бункера и посредством специальной муфты 8 связанным с верхним хвостовиком вертикального вала. Мотор-редуктор имел возможность изменения частоты вращения в заданных пределах 250 – 500 об/мин, которую контролировали с помощью электронного тахометра. Фиксацию в режиме реального времени значений крутящего момента, сообщаемого приводом вертикальному валу, обеспечивали посредством контрольно-измерительного комплекса, включавшего совмещенный с муфтой 8 тензорезисторный преобразователь, имеющий электрическую связь посредством экранированного кабеля 6 с усилителем переменного тока 2, а также аналого-цифровой преобразователь 3 и ЭВМ 4 с печатающим устройством 5. Гильза в нижней части бункера, благодаря комплекту сменных втулок, обеспечивала возможность поочередного крепления в ней трубопроводов с различным проходным сечением (внутренним диаметром D_р , равным 15, 20 и 25 мм) и размещенными в них по всей длине более 0,5%,поэтому можно принять М

 

Т а б л и ц а 1

 

Результаты контроля момента сопротивления повороту витка спирали в слое шлакообразующей смеси

спиралями с соответствующим диаметром и шагом витков. Для экспериментальных исследований были изготовлены 12 типоразмеров спиралей, отличавшихся наружным диаметром d_сп (11, 16 и 18 мм) и шагом витков S_в (5, 10, 15 и 20 мм). Число витков у всех спиралей было одинаковым и равнялось 100.       В ходе второй серии проводившихся экспериментов исследовали расходные характеристики гибких шнеков, выполнявших транспортировочную функцию при раз-личных комбинациях их геометрических параметров и частотах вращения. Одновременно с контрольными замерами объема порошкообразной шлакообразующей смеси, транспортируемой в единицу времени по гибкому трубопроводу в мерную емкость, осуществляли запись сигнала, отображавшего значения крутящего момента, передаваемого муфтой от привода к спираливо время ее вращения. Характерный вид регистрировавшихся сигналов показан на рис. 2.

 

            Рис. 2. Характерный вид сигналов при контроле крутящего момента, действующего на спираль:

а – шнек порожний; б – во время транспортирования смеси

 

Объемную подачу за один оборот спирали определяли по формуле –

 

где V – объем смеси, поданной спиральным шнеком в мерную емкость, см³; n – частота вращения спирали, об/мин; t – длительность работы спирального шнека, с.

Зависимость  объемной  производительности  спирального шнека от частоты вращения рабочего органа в пределах 250 – 500 об/мин носит линейный характер для опробованных сочетаний геометрических            параметров транспортирующего устройства (рис. 3). Заметное влияние на расходные характеристики шнековой системы оказывает соотношение шага витков спирали S_в и ее наружного диаметра d_сп     . При этом зависимость изменения объемной подачи спирали за один ее оборот отоношения S_в / d_сп имеет четко выраженный нелинейный вид (рис. 4) с максимумом в интервале значений S_в / d_сп = 0,9 – 1,1.

Эффективность          функционирования    спирального шнека оценивали по значению его коэффициента производительности к_п и удельным энергетическим затратам, требующимся для транспортирования фиксированного объема или соответствующей массы сыпучего материала. При этом коэффициент к_п определяли как отношение объема материала, выдаваемого за один оборот спирали, к объему материала, ограниченному стенками гибкого рукава на участке, длина которого равнялась шагу витка спирали. Значения коэффициента к_п , полученные для трех типов гибких шнеков с разным шагом витков спирали при ее фиксированной частоте вращения, приведены в табл. 2. Следует отметить, что максимальная производительность гибкого спирального шнека обеспечивается в том случае, когда значение отношения S_в / d_сп не выходит за пределы 0,8 – 1,0.

 

 

 

Рис. 3. Зависимость объемной производительности шнека от частоты вращения и конструктивных параметров спирали при S_в , мм:

1 – 5; 2 − 10; 3 − 15; 4 − 20

 

 

Рис. 4. Зависимость объемной подачи шнека за один оборот спирали от конструктивных параметров транспортирующего устройства при D_p / d_cп :

 

1 − 25/18; 2 − 20/16; 3 − 15/11

 

 

 

 

Т а б л и ц а 2

Значения коэффициента производительности гибких шнеков при различных соотношениях их геометрических параметров

Для расчета количества энергии, затраченной на перемещение в единицу времени зафиксированного объема шлакообразующей смеси Q (см³/с) при функционировании гибкого шнека, использовали результаты контроля крутящего момента, передаваемого спирали электромеханическим приводом, а также частоты ее вращения. Значение составляющей крутящего момента, соответствующей работе, выполняемой механизмом при транспортировке смеси М_р , получали вычитанием значения момента холостого хода М_х.х. из значения общего момента М_о , которые были зарегистрированы с помощью тензорезисторного преобразователя в ходе проводившихся измерений. Тогда мощность, развиваемая приводом спирального шнека во время его функционирования с частотой вращения n (об/мин), составляла N = М_р π n / 30 (Вт), а удельные энергетические затраты N / Q (Дж/см³).

 

На основании расчетных данных построили графики зависимостей удельной энергии спиральных шнеков от отношения S_в/ d_сп , приведенные на рис. 5, из которых видно, что минимальные значения N / Q фиксировались для отношения S_в / d_сп = 0,5 – 0,6, а общие пределы изменений N / Q составили 0,12 – 0,35 Дж/см³ или, в пересчете при насыпной плотности ШОС 1 т/м³, 0,03 – 0,1 кВт·ч/т. В связи с этим выбор геометрических параметров гибких спиральных шнеков, применяемых в системах механизированной подачи шлакообразующих смесей в условиях непрерывной разливки стали, должен делаться с обеспечением требуемой производительности шнекового устройства и минимально возможных энергетических затрат на его функционирование с учетом размеров поперечного сечения и скорости вытягивания заготовки. В табл. 3 приведены рекомендуемые конструктивные размеры гибких спиральных шнеков для обслуживания МНЛЗ различных типов.

Т а б л и ц а 3

 

Рекомендуемые варианты применения гибких спиральных шнеков в системах подачи ШОС

 

при непрерывной разливке стали

Выводы. Гибкие спиральные шнеки при правильно выбранных геометрических и скоростных параметрах могут эффективно использоваться в системах механи-зированного ввода шлакообразующих смесей в кристаллизаторы всех типов машин непрерывного литья заготовок. Их применение позволит снизить материалоемкость механизмов, входящих в состав этих систем и обеспечивающих транспортирование ШОС в порошкообразном или гранулированном виде. Благодаря им также значительно упрощается встраивание самих систем в существующие комплексы технологического оборудования эксплуатируемых и проектируемых МНЛЗ.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1.      Куклев А.В., Лейтес А.В. Практика непрерывной разливки стали. − М.: Металлургиздат, 2011. − 432 с.

2.      Горосткин С. В., Гартен В. Внедрение системы автоматической подачи шлакообразующей смеси в кристаллизатор машины непрерывного литья заготовок. // Новые огнеупоры. 2013. № 4.С. 39 – 42.

 

3.       Еронько С.П. Опыт конструирования системы дозированной подачи шлакообразующих смесей в кристаллизаторы машин непрерывного литья заготовок. // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 2011. № 11. С. 35 – 40.

 

4.       Спирально-винтовые транспортеры (гибкие шнеки) и смесите-ли. / Сб. статей под общ. ред. П.А. Преображенского, А.А. Труфанова – Казань: КХТУ, 1970. – 176 с.

 

5.       Григорьев А.М. Винтовые конвейеры. – М.: Машиностроение, 1972. – 184 с.

6.       Геррман Х. Шнековые машины в технологии. − Л.: Химия, 1975. − 228 с.

7.       Еронько С.П., Ющенко М.В., Мечик С.В. Системы нового поколения дозированной подачи шлакообразующей смеси в кристаллизаторы МНЛЗ. // Черная металлургия: Бюл. ин-та «Черметинформация». 2014. № 3. С. 87 – 92.

 

© 2014 г. Еронько С.П., Ошовская Е.В., Ющенко М.В., Стародубцев Б.И.

 

Поступила 31 июля 2014 г.

-