Карандашев Артём Павлович

Факультет инженерной механики и машиностроения

Специальность: Металлургическое оборудование

Тема выпускной работы:

Исследование кинематики, расчет энергосиловых параметров и конструирование манипулятора для обслуживания кассетных ковшевых затворов балансирного типа в условиях конвертерного цеха ОАО "ММК им. Илича"

Научный руководитель: Еронько Сергей Петрович

Реферат по теме выпускной работы

Введение

       Внедрение инновационных технологий и модернизация производства являются залогом не только успешной работы, но и самого существования украинской металлургии.

       За последние десятилетия по мере совершенствования технологии бесстопорной разливки стали на многих металлургических предприятиях осуществена модернизация применяемого при обслуживании шиберных затворов оборудования. Вместо первоначально установленных машин и агрегатов, изготовленных силами ремонтно-механической службы, смонтированы поточные, механизированные, высокопроизводительные линии, разработанные проектными институтами. За время эксплуатации оборудования, входящего в состав линии оно не только физически, но и морально устарело. Что является предпосылкой для предложения новых технических решений.

Актуальность темы

       Как известно персонал, обслуживающий ковшовые затворы на металлургических предприятиях, работает в тяжелых условиях труда, что влечет за собой повышенный уровень травматизма. Следовательно для облегчения условий труда имеет смысл предложить техническое решение на основании анализа конструкций зарубежных производителей металлургического оборудования, а так же учитывая ряд факторов связанных с эргономикой разрабатываемого оборудования.

       При эксплуатации современного вспомогательного оборудования значительно улучшаются не только условия труда рабочих, но и повышается культура производства, на что уже давно делается упор на металлургических предприятиях Европы и Америки.

Кассетный ковшовый затвор балансирного типа

       Основными требованиями, предъявляемыми к затворам сталеразливочного ковша, являются:

1. надежное, исключающее проход жидкой стали, прижатие подвижной огнеупорной плиты;
2. высокая стойкость к истиранию трущихся металлических частей;
3. отсутствие коробления деталей при воздействии высоких температур;
4. достаточная для преодоления пиковых нагрузок мощность и надежность работы привода в экстремальных условиях;
5. невысокая стоимость изготовления;
6. простота обслуживания.

       Анализ литературных данных о результатах работы шиберных и поворотных затворов на металлургических предприятиях страны и за рубежом позволяет сделать следующие выводы.

       Затворы с болтовым прижатием плит отлича¬ются высокой жесткостью конструкции, требующей не только тщательной сборки, но и контроля с помощью индикаторов горизонтальности и не плоскостности рабочей поверхности подвижной плиты. Наиболее характерной причиной, приводящей к поломкам отдельных узлов у таких затворов, следует считать значительное изменение усилия прижатия плит из-за нагрева деталей. Поэтому привод затвора должен иметь достаточный запас мощности для преодоления увеличивающихся при этом нагрузок.

       В затворах с пружинной системой прижатия плит удается достичь постоянного усилия поджатия, что, однако, требует обеспечения надежной защиты пружин от перегрева и периодической (через каждые 10—15 разливок) проверки их механических характеристик.

       Конструкции затворов с установленными между трущимися металлическими поверхностями телами качения (роликами или шариками) считаются более удачными в сравнении с теми, у которых подвижная обойма скользит по направляющим корпусам, поскольку в процессе эксплуатации последних даже при хорошей смазке возникают значительные силы трения, под действием которых трущиеся поверхности быстро изнашиваются. В результате через каждые 120— 150 разливок необходимо направлять и шлифовать изношенные участки.

       Донецким политехническим институтом совместно с Макеевским металлургическим комбинатом разработана конструкция затвора балансирного типа, снабженного электромеханическим приводом (рис. 1). Затвор включает верхнюю и нижнюю огнеупорные плиты, установленные в стальные обоймы. Обойма подвижной плиты опирается на ролики, набранные в сепаратор и размещенные в направляющих пазах двух балансиров. Балансиры закреплены на Г-образных рычагах, связанных с обоймой верхней плиты с помощью болтовых стяжек, и допускают большие деформации системы (примерно 0,1 мм на тонну нагрузки), что позволяет компенсировать неточности сборки. Г-образные рычаги, таким образом, выполняют роль упругих элементов, с помощью которых удается снизить требования к точности установки огнеупорных плит в металлических обоймах.

       Промышленное применение затвора этого типа в течение 10 лет в мартеновских цехах Макеевского металлургического комбината и металлургического завода им. А. К. Серова на 250- и 100-тонных сталеразливочных ковшах позволяет оценить его преимущества, которые сводятся к следующему:

1. уменьшено коробление элементов затвора при нагреве, что позволило заменить жаропрочные стали среднеуглеродистыми (типа стали 45) для изготовления всех деталей;
2. обеспечено равномерное распределение нагрузки по контактной поверхности плит, причем равнодействующая направлена по оси канала сталеразливочного стакана, что полностью исключает необходимость контроля параллельности огнеупорной плиты и направляющих подвижной обоймы в процессе сборки;
3. допустимый перекос поверхности огнеупорной плиты и направляющих, соответствующий возрастанию усилия в прижимных болтах от номинального до максимального (от 50 до 150 кН), составляет 3,7 мм на всю длину плиты, что значительно больше фактического, получаемого при запрессовке плит в подвижную обойму при сборке затвора;
4. устранена необходимость наплавки и шлифовки опорных поверхностей, исключены задиры по¬верхностей трения и уменьшен их износ.

       Затвор имеет два варианта раскрытия: вертикальный и горизонтальный (рис. 2).

Описание существующих конструкций манипуляторов для обслуживания затворов

       Немецкая компания Veitsch-Radex GmbH преступила к производству манипуляторов для установки и извлечения стакана-коллектора, а так же плит шиберных затворов. Данная компания может предложить два типа установки манипулятора: подвесной и колонный (напольный). Манипулятор используется для быстрого монтажа и демонтажа верхних стаканов и шиберных плит затворов.

Манипулятор подвесной конструкции

       Блок для установки и извлечения огнеупорных элементов основан на практическом опыте обслуживания затворов вручную, а так же спроектирован на основе инструментов, используемых для установки и извлечения огнеупорных изделий - вилки. Данный блок установлен на манипуляторе. Общий вид манипулятора приведен на рисунках 3 и 4.

       Манипулятор устанавливается вблизи площадки обслуживания ковшей таким образом, чтобы был запас хода рабочего органа манипулятора - клещи. Ковш для обслуживания устанавливается на специальную платформу. Движение по вертикали блока с клещами осуществляется гидроцилиндром через шарнирный четырехзвенник, что обеспечивает неизменное горизонтальное положение рабочего органа. Поворот на необходимый угол звеньев манипулятора осуществляет оператор.

       Извлечение огнеупорного элемента происходит следующим образом (см. рис. 5): в выпускное отверстие стакан-коллектора оператор вводит клещи, которые после того как достигнут крайней точки приводятся оператором в действие, раскрывая захваты.

       Захваты переводятся в рабочее положение переводом рычага в крайнее положение. Манипулятор упирается стойками в днище ковша. После того как стакан зафиксирован клещами, оператор подает сжатый воздух в пневмоцилиндр. Шток, перемещаясь в крайнее рабочее положение, увлекает за собой клещи со стаканом. Усилие на штоке пневмоцилиндра должно быть таким, чтобы сорвать посаженный стакан-коллектор на огнеупорную массу в гнездовой кирпич.

       Внешний вид клещевых захватов изображен на рисунке 6. Принцип работы следующий: в исходном положении рычаг находится в крайнем нейтральном положении, клещи сомкнуты, что дает возможность завести клещи в выпускное отверстие стакан-коллектора. Для размыкания клещей – перевода их в рабочее состояние необходимо переместить рычаг по направляющей канавке в противоположную сторону нейтральному положению и завести рычаг в фиксирующую канавку. После того как клещи захвата разомкнуты можно извлекать огнеупорное изделие.

       Так же данный манипулятор позволяет не только извлекать огнеупорное изделие подлежащие замене, но и устанавливать новое. Это возможно при замене рабочего органа манипулятора с клещевого захвата на захват с установочной оправкой (рис. 7).

       Фиксация стакан-коллектора на штоке захвата осуществляется выдвижением лепестков-фиксаторов и созданием необходимого упорного усилия, для предотвращения любых перемещений огнеупорного изделия на штоке. Перевод лепестков-фиксаторов из нейтрального положения в рабочее осуществляется оператором манипулятора так же, как и при работе с клещевым-захватом.

Манипулятор колонной конструкции

       Так же как и у манипулятора подвесной конструкции, колонный имеет следующие преимущества над обслуживании затворов вручную: повышение безопасности производства; легкий монтаж и демонтаж ковшевых стаканов и шиберных плит; точное центрирование ковшового стакана в гнездовом блоке; снижение физических нагрузок при работе обслуживающего персонала.

       Манипулятор колонной конструкции изображен на рисунке 8.

       Напольный манипулятор представляет собой колону, на которой размещен шарнирный четырехзвенник, позволяющий постоянно находится блоку с рабочим органом строго в горизонтальном положении. Это необходимо для точного позиционирования огнеупорного элемента в гнездовом кирпиче. Рабочий орган, как и в манипуляторе подвесного типа, может быть или клещевым захватом или захватом с установочной оправкой в зависимости от выполняемой операции.

       Оба манипулятора снабжены пультом, на котором размещены кнопки управления приводами машины.

       На основании описания существующих конструкций манипуляторов для обслуживания шиберных затворов, а так же с учетом их достоинств и недостатков предложен проект манипулятора, который необходимо разработать в магистерской работе. Кинематическая схема манипулятора приведена на рисунке 9.

       Разработанный манипулятор в отличии от манипулятора спроектированного компанией Veitsch-Radex GmbH имеет привод поворота колонны и привод механизма перемещения рабочего органа, что позволяет облегчить физические нагрузки на оператора манипулятора, обслуживающего затвор. Так же данный манипулятор лишен такого недостатка как необходимость смены рабочего органа (клещевого захвата или захвата с установочной оправкой) при выполнении операций извлечения или установки огнеупорного элемента. Рабочий орган представляет собой симбиоз двух вышеперечисленных захватов. Для облегчения работы привода механизма подъема рабочего органа в колонне размещается контр-груз, что позволяет использовать привод меньшей мощности.

Научная значимость и практическая ценность работы

       В ходе выполнения магистерской работы планируется разработать проект манипулятора для обслуживания шиберных затворов кассетного типа. Для выявления всех недостатков на этапе проектирования манипулятора была создана его физическая модель. Это позволяет проводить исследования в ходе которых можно будет сравнить теоретические знания с полученными на практике закономерностями.

       Визуализация работы механизма подъема рабочего органа. Анимация состоит из 12 кадров; задержка между кадрами 10 мс; задержка перед повторным воспроизведением 300 мс; количество циклов повторения 1000; Easy GIF Animator.

Литература

1. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т. 2. Машины и агрегаты сталеплавильных цехов. Учебник для вузов / А. И. Целиков, П. И. Полухин, В. М. Гребенник и др. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Ме¬таллургия, 1988. – 432 с.
2. Кудрин В. А. Теория и технология производства стали: Учебник для вузов. — М.: «Мир», ООО «Издательство ACT», 2003.— 528с., ил.
3. Новый слиток НПО «Доникс» – конкурент МНЛЗ // Научно-производственное объединение «Доникс»
4. Механическое оборудование сталеплавильных цехов / Левин М.З., Седуш В.Я., Мачикин В.И., Клягин В.С., Пироженко Н.Г. – Киев; Донецк: Вища щк. Головное езд-во, 1985. – 165 с.
5. Бесстопорная разливка стали/В.Л.Пилюшенко,С.П.Еронько,В.Н.Шестопалов – К.:Техника,1991. – 179с.
6. Шиберные системы нового поколения\В.И.Золотухин,Н.П.Соломин,С.Г.Полубесов//Металлург. – 200 – №1С.40 – 42
7. Каталог металлургического оборудования производства фирмы Veitsch-Radex GmbH
8. Натан Розенберг, McKinsey & Company "Неясные горизонты инноваций"
9. Еронько С.П., Пилюшенко В.Л., Шестопалов В.Н. Повышение эффективности использования шибкрных плит // Металлург. - 1989. - № 11. - С. 31-32.
10. Разливка стали при помощи шиберных затворов / В.И. Мачикин, В.Н. Шестопалов, С.П. Еронько и др. // Металлугр. - 1985. № 5. -С. 39-40