Устройство быстрой смены дозирующих и погружных стаканов промежуточных ковшей МНЛЗ

Рисунок 3 – Система компании IFGL

Во время дозированного перелива стали из промежуточного ковша в кристаллизаторы МНЛЗ при необходимости замены вышедшего из строя стакана-дозатора резервным, осуществляют запуск гидропривода, силовой цилиндр которого проталкивает дозирующие элементы на расчетное рас-стояние, в результате чего новое огнеупорное изделие занимает место отработанного.

Благодаря усовершенствованию конструкции опорного узла разливочной системы, отпала необходимость в ее полной разборке при осуществлении контроля силы, развиваемой каждой из пружин, или в случае их замены. Кроме этого, удалось расширить допустимые пределы отклонения жесткости упругих элементов от заданного значения, так как предлагаемая конструкция позволяет выполнять индивидуальное регулирование силы воздействия пружины на дозирующий стакан, не снимая разливочное уст-ройство с ковша.

При обслуживании разливочной системы для контроля жесткости пружин в отверстие каждого из поворотных элементов поочередно вводят хвостовик динамометрического ключа и, поворачивая элемент на оси на небольшой угол, определяют обеспечиваемую пружиной упругую силу как показано на рис. 5. В случае отклонения этой силы от заданного значения, необходимо повернуть в нужном направлении пробку, сжимая или ослабляя пружину. Если после такой регулировки все же не удается достичь желаемого результата, пришедшую в негодность пружину заменяют новой, вывинтив полностью из резьбового гнезда пробку [2].

Благодаря своим конструктивным особенностям предлагаемое устройство значительно проще в обслуживании и эксплуатации в сравнении с известными зарубежными аналогами, так как позволяет осуществлять контроль и регулирование силы, развиваемой каждой из пружин, производить при необходимости их замену без снятия разливочной системы с ковша и проведения ее полной или частичной разборки. Кроме того, данное устройство обладает универсальной конструкцией и может быть трансформировано для обеспечения быстрой замены погружных стаканов, применяемых для защиты стали от вторичного окисления на участке промежуточный ковш – кристаллизатор слябовых МНЛЗ.

3.1 Исследование энергосиловых параметров системы быстрой смены дозирующих и погружных стаканов.

Данные устройства в конструктивном исполнении идентичны двух-плитному скользящему затвору, однако использование для расчета сило-вых характеристик их приводов зависимостей, полученных для затворов шиберного типа [3], не представляется возможным, так как скоростные режимы работы упомянутых разливочных систем практически несопоставимы. При одинаковом рабочем ходе подвижных частей у обеих систем, составляющем 120-130 мм, продолжительности их перемещения из одного крайнего положения в другое отличаются на порядок, так как плита затвора совершает полный ход за 3-7 с, а стакан-дозатор – за 0,3 - 0,5 с.

Резкое нарастание скорости движения отработанного и резервного стаканов-дозаторов в начальной стадии процесса их смены, обеспечиваемой гидравлическим приводом, влечет за собой развитие динамических нагрузок, действующих на элементы конструкции разливочного устройства. Установление и учет характера изменения статических и инерционных сил, преодолеваемых приводом, позволит обосновать и оптимизировать значения его энергосиловых параметров, что в конечном счете будет способствовать повышению надежности и экономичности всей двигательной системы, а также развитию теоретических основ ее расчета [4]. Достичь поставленной цели можно лишь, основываясь на известных методах решения задач динамики привода гидромеханических систем, применяемых в металлургии [5, 6], и дополнив их новыми положениями, разработанными с учетом специфики функционирования устройств дозированного перелива стали из промежуточных ковшей МНЛЗ. Учитывая экстремальные условия эксплуатации сталеразливочного оборудования и связанные с ними трудности использования контрольно-измерительных средств для получения данных о силовом нагружении натурного образца во время выполнения операции по замене вышедшего из строя огнеупорного элемента, требуемую информацию о значении и характере нарастания сил технологического сопротивления установили по результатам поставленных специальных экспериментальных исследований. Для их проведения спроектировали и изготовили физический аналог системы быстрой смены стакана-дозатора промежуточного ковша сортовой МНЛЗ (рис. 6), который в конструктивном отношении и по масштабу в точности соответствовал реальному образцу и отличался лишь способом обеспечения силы прижатия сменного огнеупорного элемента. Контролируемую силу воздействия на опорную поверхность его металлической обоймы развивали с помощью набора грузов, навешиваемых на два рычага. За счет изменения массы грузов и длины рычагов достигали строгой фиксации в широком диапазоне значений силы прижатия стакана-дозатора, что позволяло повысить точность проводимых измерений.

3.2 Математическое моделирование термических напряжений в огнеупорных элементах устройства для быстрой замены стаканов - дозаторов промковшей МНЛЗ

Наиболее термически нагруженным элементом конструкции являет¬ся стакан-дозатор, поэтому на первом этапе исследований было принято решение рассмотреть распределение температур в нем. Стакан-дозатор представляет собой элемент, состоящий из металлического кожуха, сред-ней огнеупорной части и циркониевой вставки, материалы которых имеют разные теплофизические свойства. Учитывая длительность процесса раз-ливки длинной серией, в ходе моделирования рассматривалась стационар-ная задача теплопроводности. При этом температурное поле стакана опи-сывается уравнением теплопроводности:

где а - коэффициент температуропроводности, отражающий теплоинерционные свойства в рассматриваемой точке стакана-дозатора; а = л/с;

с, л - объемная теплоемкость и коэффициент теплопроводности материалов стакана;

Т - температура в рассматриваемой точке стакана-дозатора;

х, у, г - координаты рассматриваемой точки;

W - мощность источника тепла.

Температурное воздействие на стакан оказывается струей жидкой стали, проходящей через канал, а также излучением зеркала металла, нахо-дящегося в кристаллизаторе.

В виду сложной пространственной конструкции стакана, решение задачи выполнялось с помощью прикладного пакета ANSYS, реализующе¬го метод конечных элементов [7]. Так как стакан-дозатор является осесим¬метричным элементом, то для расчета была создана геометрическая мо¬дель, соответствующая четверти стакана (рис.7 а). В качестве граничных условий использовались следующие: на поверхности сталеразливочного канала - конвективная теплоотдача от жидкой стали с температурой 1600°С (коэффициент теплоотдачи 0,27 МВт/(м2•К) [8]); на нижней поверхности цилиндрической части - теплоотдача излучением с плотностью теплового потока 20 кВт/м2 [8]; на внешней поверхности кожуха стакана - конвек¬тивная теплоотдача в окружающую среду (температура воздуха принята 30 0С). В ходе моделирования рассматривались два варианта (№»1 и №2) кон¬струкции стакана-дозатора, отличающиеся высотой борта кожуха. При этом конечно-элементные модели (рис.7 б) состояли из 33775 и 33499 эле¬ментов соответственно.

В результате выполненных расчетов получено распределение темпе-ратурных полей в конструкции стакана-дозатора (рис.8).

Как можно увидеть, наибольшую температуру имеет циркониевая вставка, далее в средней части происходит интенсивное падение температуры. Температура кожуха находится в диапазоне 60 ... 250 °С.

Графики изменения температур вдоль отдельных сечений показаны на рис.9. Следует отметить, что в целом распределение температурных полей подобно для обоих вариантов конструкции стакана, но для варианта №2 (с коротким бортом кожуха) температура кожуха на 10-17 0С выше.

Под действием температурных полей в конструкции стакана-дозатора возникают термические напряжения, которые описываются соот-ношениями Дюгамеля-Неймана [9]:

где Єх, Єу, Єz - нормальные напряжения вдоль оси х, у z соответственно;

Тху, Туz, Тzх - касательные напряжения;

Ех, Еу, Еz - относительные линейные деформации по оси х, у z соот-ветственно;

Уху, Ууz, Уzх - относительные угловые деформации;

л, у - коэффициенты Ляме, зависящие от коэффицента Пуассона у и модуля упругости Е материалов стакана-дозатора:

е - объемная деформация: е = Ех + Еу + Еz;

с - коэффициент линейного расширения материалов стакана- дозатора;

Т - температура в рассматриваемой точке конструкции.

Задача о напряженно-деформированном состоянии стакана-дозатора, вызванного температурными воздействиями, также решалась с помощью пакета ANSYS. При этом в качестве нагрузки использовались температу-ры, полученные для каждого узла конечно-элементных моделей, а ограни-чения на перемещение были заданы на верхней поверхности стакана-дозатора, являющейся местом контакта с базовой огнеупорной плитой, размещенной во фланце днища промежуточного ковша.

В результате расчета получено распределение напряжений в теле стакана-дозатора (рис.10).

Установлено, что максимальные эквивалентные напряжения в огне-упорных частях стакана не превышают 37 МПа, а в металлическом кожухе - 210 МПа, что ниже допускаемых значений - 52 МПа и 240 МПа. Для конструкции стакана с коротким бортом (вариант № 2) напряжения в це-лом на 5..10 % выше. Максимальные напряжения возникают на поверхно-сти стакана-дозатора, обращенной к зеркалу металла в кристаллизаторе, а также на кожухе в месте соединения цилиндрической и плоской частей. Максимальные линейные деформации в направлении осей x и у (расшире-ние конструкции) достигают 1 мм, а в направлении оси z (удлинение кон-струкции) не превышают 2 мм. Полученные расчетные значения деформа-ций огнеупорного элемента учитывали при назначении конструктивных размеров и гарантированных зазоров в опорных и направляющих узлах механической системы опытно-промышленного образца разработанного разливочного устройства [9].

4.Заключение

В результате проведенного анализа достоинств и недостатков сущест-вующих систем быстрой смены стаканов, а также на основе результатов практических и лабораторных испытаний, разработан новый вариант системы быстрой смены стаканов-дозаторов. Применение предлагаемого устройства позволит упростить его обслуживание и эксплуатацию в сравнении с известными зарубежными аналогами.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Пат. 74507 Украины, В 22 В 41/56. Устройство для смены стаканов-дозаторов промежуточного ковша машины непрерывного литья заготовок. Опубл. 15.12.2005. Бюл. № 12.
2. Совершенствование конструкции устройства для быстрой смены стаканов-дозаторов промковша МНЛЗ / С.П. Еронько, А.Н. Смирнов, Д.А. Яковлев и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.— 2006.м №8.— С. 107-109.
3. Еронько С. П. Расчет энергосиловых параметров ковшовых затворов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2007. – No 3. – С. 104-108.
4. Большаков В. И. Исследование динамических нагрузок металлургических машин // Захист металургійних машин від поломок. Межвузівський тематичний збірник наукових праць. – Маріуполь: ПДТУ, 1999. – С. 6-14.
5. Кожевников С. Н., Пешат В. Ф. Гидравлический и пневматический приводы металлургических машин. - М.: Машиностроение, 1977. – 310 с.
6. Праздников А. В. Гидропривод в металлургии. – М.: Металлургия, 1973. – 336 с.
7. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.
8. Огурцов А.П., Жульковская И.И., Кулик А.Д. Расчет температурного состояния ковшового шиберного затвора при различных способах разливки стали // Изв. ву¬зов. Черная металлургия. - 2001. - №4. - С.11- 15.
9. Устройство для быстрой замены стаканов-дозаторов промежуточного ковша сортовой МНЛЗ/ С.П. Еронько, А.Н Смирнов, Д.А. Яковлев и др. // «Черметинформация». Бюлл. « Черная металлургия». – 2007. – №2 – С. 70-73.