Совершенствование разливочных систем промежуточных ковшей МНЛЗ

Еронько С.П. /д.т.н/, Цупрун А.Ю., Дубойский К.В., Яковлев Д.А., Бедарев С.А 

Донецкий национальный технический университет

Источник: научно-технический журнал "Электрометаллургия".2009. №7. С. 37—43.

        Повышение серийности непрерывной разливки стали и реализация защиты ее от вторичного окисления являются главными условиями улучшения показателей технико-экономической эффективности производства качественной непрерывнолитой заготовки [1]. 
        Увеличение объема стали, разливаемой серийно на сортовых и слябовых МНЛЗ, сопряжено с известными трудностями, связанными с обеспечением стабильности скорости истечения жидкого металла из промежуточного ковша в кристаллизаторы и экранирования струи расплава от окружающей атмосферы. При этом постоянство расхода стали поддерживают либо за счет использования стаканов-дозаторов с калиброванным каналом, либо применяя стопорные системы в комплексе с погружными стаканами. В процессе длительной разливки форма и размеры каналов дозирующих и защитных стаканов по ряду причин могут существенно изменяться, что приводит к ухудшению условий формирования струи и нарушению скоростные режимов истечения стали [2]. 
        Наиболее действенной мерой, направленной на устранение указанных негативных явлений, следует признать оборудование промежуточных ковшей машин непрерывного литья заготовок специальными устройствами шиберного типа, позволяющими осуществлять замену пришедшего в негодность огнеупорного стакана практически без прерывания струи. Среди разработчиков таких разливочных систем лидирующее положение занимают зарубежные фирмы Interstop, Vesuvius, Flogates, Danieli, активно продвигающие свою продукцию на рынки металлургического оборудования стран СНГ. Следует отметить то обстоятельство, что приобретая импортные устройства для дозированного перелива металла из промежуточных ковшей, отечественные производители стали становятся зависимыми от конкретного поставщика огнеупорных изделий, поскольку каждая разливочная система рассчитана на комплектацию стаканами специального исполнения, материал, форма и размеры которых защищены патентами. 
        С целью унификации элементов разливочного оборудования и использования в нем керамических изделий отечественного производства сотрудниками Донецкого национального технического университета и НПО «ДОНИКС» с учетом результатов сопоставительного анализа достоинств и недостатков известных зарубежных аналогов разработаны и спроектированы системы быстрой смены дозирующих и защитных стаканов, имеющие конструктивные отличия, благодаря которым упрощаются и облегчаются обслуживание и эксплуатация устройств дозированного перелива стали для промежуточных ковшей сортовых и слябовых МНЛЗ. 
        Как известно, в указанных системах важнейшей конструктивной частью является узел прижатия сменного стакана к базовому огнеупорному блоку. Данный узел в разливочных устройствах зарубежных фирм включает две группы коромысел, установленных на осях симметрично по обе стороны огнеупорного стакана вдоль направления его возможного перемещения. При этом каждое коромысло одним концом давит на тыльную часть стального кожуха стакана за счет силы сжатия витой или тарельчатой пружины, воздействующей на противоположный конец коромысла. Такая схема узла прижатия подвижного огнеупорного элемента требует тщательного подбора всех устанавливаемых пружин для обеспечения постоянства их упругих характеристик, которое необходимо регулярно контролировать на специальных стендах, предварительно выполняя при этом полную разборку разливочного устройства. 
        Система быстрой смены стаканов-дозаторов, разработанная совместно сотрудниками ДонНТУ и НПО «ДОНИКС», в этом отношении выгодно отличается от зарубежных аналогов. Она включает (рис.1) сборный металлический корпус, снабженный средствами крепления в виде винтов 4 к фланцу 2, привариваемому к наружной поверхности днища промежуточного ковша. 

Рис.1 — Устройство для быстрой смены стаканов-дозаторов при разливке стали на сортовых МНЛЗ

        Корпус устройства состоит из монтажной плиты 3, имеющей центральное отверстие, в котором размещена нижняя часть огнеупорного гнездового блока 1 со сталевыпускным стаканом промежуточного ковша. С монтажной плитой жестко связаны расположенные симметрично ее продольной оси две направляющие опоры 13, несущие сменный огнеупорный стакан-дозатор 12 в металлической обойме, примыкающий снизу к гнездовому блоку 1 и имеющий возможность перемещения съемным силовым гидроцилиндром 5 вдоль опор. Прижатие к гнездовому блоку 1 стакана-дозатора 12 осуществляется поворотными элементами 11, установленными по обеим его сторонам на осях 10, закрепленных в направляющих опорах 13. Требуемая сила прижатия обеспечена пружинами 8, размещенными на центрирующих стержнях 9 в горизонтальных цилиндрических каналах, выполненных в блоках 6. На внутренних поверхностях этих каналов нарезана резьба для ввинчивания пробок 7, обеспечивающих регулирование степени сжатия пружин. Каждая из пробок своей задней торцевой поверхностью выходит наружу направляющих опор. Для вращения пробки на ее наружной торцевой части имеется шестигранное отверстие под ключ. 
        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 расстояние, 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 устройство 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. 2. 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 [3]. 

Рис.2 — Схема контроля упругой силы, развиваемой пружиной узла прижатия стакана-дозатора

        Защита струи металла от вторичного окисления в процессе непрерывного литья слябовых заготовок является обязательным технологическим приемом. При этом огнеупорные погружные стаканы, используемые в качестве защитных элементов, предотвращающих контакт поверхности истекающей струи с окружающей атмосферой на участке промежуточный ковш – кристаллизатор, должны обладать повышенной стойкостью к тепловым и механическим нагрузкам. Частая их замена в процессе разливки не только нарушает нормальный ритм работы МНЛЗ, но и снижает выход годного в среднем на 1,5%, так как металл заготовки на участке, сформировавшемся во время проводившейся смены вышедшего из строя керамического изделия, считают некондиционным [4]. 
        Несмотря на значительные успехи, достигнутые за последние годы в области производства огнеупоров, даже высококачественные керамические изделия, используемые в устройствах дозированной подачи жидкого металла в кристаллизаторы, не могут нормально функционировать в течение всего периода использования футеровки промежуточного ковша. Поэтому для поддержания высокой ритмичности процесса непрерывной разливки стали на слябовую заготовку и решения задач, связанных с гармонизацией сроков службы футеровки промежуточных ковшей и огнеупорных частей их разливочных устройств, необходимы новые технические разработки, которые позволили бы минимизировать длительность операций по смене отработанных погружных стаканов [5]. 
        В системах, предлагаемых потенциальному потребителю фирмами Interstop и Vesuvius, замена погружного стакана осуществляется в два этапа. Вначале предварительно разогретый резервный стакан вручную или с помощью специального манипулятора устанавливают на приемные салазки разливочного устройства за отработанным огнеупором по ходу его возможного перемещения. После отвода захватного устройства манипулятора в сторону в замковой части разливочной системы фиксируют силовой гидроцилиндр, центрируя его шток относительно продольной оси сменного огнеупора. В нужный момент, подав из гидроаккумулятора в полость силового цилиндра под избыточным давлением рабочую жидкость, в течение долей секунды осуществляют одновременное перемещение обоих погружных стаканов на заданное расстояние, в результате чего резервный огнеупорный элемент практически без прерывания струи занимает рабочую позицию и выталкивает изношенный, который затем удаляют из-под ковша. По завершению операции смены погружного стакана силовой гидроцилиндр отсоединяют от замкового узла разливочного устройства. При такой конструктивной схеме процесс замены погружного стакана не может быть осуществлен сразу же после размещения резервного огнеупорного изделия на исходной позиции из-за необходимости предварительного выполнения нескольких дополнительных операций по установке силового гидроцилиндра, требующих определенных затрат рабочего времени. 
        С целью устранения отмеченного недостатка авторами был разработан комплекс, включающий разливочную и манипуляционную системы, согласованно функционирующие по заданной программе. Механическая часть предложенной разливочной системы, показанная на рис. 3, отличается от зарубежных аналогов тем, что силовой гидроцилиндр непосредственно с нею не связан, а размещен стационарно на манипуляторе. Кроме того, внесены изменения в конструкцию узла прижатия погружного стакана к базовой огнеупорной плите. Стакан своей металлической обоймой опирается на ролики, поджимаемые пружинами, размещенными в наклонных каналах, в которые снаружи ввинчены резьбовые пробки. Применение тел качения в опорном узле позволило уменьшить силу сопротивления перемещению погружного стакана и снизить интенсивность износа контактных поверхностей взаимодействующих элементов разливочного устройства рис. 3. 

Рис.3 — Схема размещения погружного стакана в разливочной системе промежуточного ковша слябовой МНЛЗ: 1 — погружной стакан; 2 — пробка с резьбой; 3 — пружина; 4 — роликовая опора; 5 — разливочный стакан; 6 – базовая плита; 7 — корпус; 8 — приемные салазки

        Манипуляционная система изображена на рис. 4. Она включает поворотную колонну 2, установленную на тележке 1 и снабженную горизонтальной консолью 3, на которой посредством двух пар планок 4 и 5 подвешены два рычага 6, образующие параллелограммные механизмы и удерживающие платформу с размещенным на ней силовым цилиндром 7. На передних концах рычагов 6 шарнирно закреплена скоба 8, несущая защитный огнеупорный стакан 9 и с помощью тяги 10 соединенная с корпусом гидроцилиндра 12, приводящего в действие параллелограммные механизмы. Корпус этого цилиндра шарнирно соединен с поворотной колонной 2, а его шток при помощи пальца 11 прикреплен к планкам 5 параллелограммных механизмов. Тележка 1 имеет возможность перемещения в направлении продольной оси кристаллизатора, находящегося под промежуточным ковшом соосно с его разливочной системой. 

Рис.4 —Манипуляционная система для быстрой смены погружных стаканов

        Замену погружного стакана осуществляют в следующем порядке. Предварительно разогретый резервный погружной стакан 9 устанавливают в горизонтальном положении в скобу 8 и фиксируют с помощью специального зажима (рис. 5а). Затем, переместив тележку 1 в направлении кристаллизатора, включают подачу жидкости под давлением в полость цилиндра 12. При этом его шток, выдвигаясь вперед и воздействуя на палец 11, поворачивает планки 5 относительно консоли 3. Поскольку эта консоль, планки 4 и 5, а также подвешенные на них рычаги 6 образуют параллеграммные механизмы, размещенная на рычагах платформа с силовым цилиндром 7 будут совершать плоскопараллельное движение в вертикальной плоскости (рис. 5б). Во время этого движения скоба 8, шарнирно закрепленная на концах рычагов 6 и с помощью тяги 10 соединенная с корпусом цилиндра 12, повернется вместе со стаканом против часовой стрелки относительно рычагов. В результате реализации одновременного переносного и относительного движений скобы 8 стакан 9 совершит перемещение относительно кристаллизатора по сложной траектории и займет вертикальное положение, при котором его опорная плита будет находиться на уровне приемных салазок разливочной системы (рис. 5в). Быструю замену погружного стакана выполняют силовым гидроцилиндром 7, шток которого проталкивает резервный стакан на рабочую позицию, в результате чего вышедший из строя огнеупор вытесняется из-под базовой плиты и может быть беспрепятственно удален из рабочей зоны (рис. 5г). После этого осуществляют реверсирование гидравлических приводов манипуляционной системы и отводят ее от промежуточного ковша [6]. 

Рис.5 —Последовательность выполнения операции по замене погружного стакана

        Расчет и конструирование промышленных образцов разработанных разливочных систем требовали достоверной информации о технологических нагрузках, действующих на их элементы и приводы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований показали, что в процессе эксплуатации разливочных устройств в их узлах возникают статические и динамические нагрузки, численные значения которых могут существенно изменяться в зависимости от условий функционирования системы быстрой смены стаканов. 
        Статические силы, препятствующие перемещению стаканов, обусловлены трением, возникающим между контактными рабочими поверхностями керамических частей разливочного устройства, металлической обоймой подвижного огнеупорного изделия и прижимными элементами опорного узла, а также дополнительной нагрузкой, связанной с разрушением слоя отложений оксидов алюминия или настыли на стенках сталевыпускного канала. 
        Силу трения между рабочими поверхностями керамических элементов рассчитывали по формуле Fтр1 = ?п . Р. 
        Для определения силы трения между металлическими поверхностями скольжения в опорном узле использовали зависимость Fтр2 = ?с . Р. 
        При наличии в опорном узле тел качения силу сопротивления определяли по формуле Fтр2 = (2f / dk) . P. 
        В этих выражениях ?п – коэффициент трения скольжения огнеупора по огнеупору; ?с – коэффициент трения скольжения стали по стали; f – коэффициент трения качения; dk – диаметр тела качения; Р – сила прижатия стакана к огнеупорному гнездовому блоку. 
        Значение силы прижатия Р следует задавать из условия предотвращения образования зазора между контактными рабочими поверхностями огнеупорных элементов под действием расклинивающего усилия, возникающего в момент разрушения металлической корки кромкой отверстия огнеупорного стакана при его сдвигании с места Р ? Fр . h1 / h2. Значения h1 и h2 зависят от геометрических параметров огнеупорных элементов, применяемых в разливочном устройстве, и соответственно равны половинам толщины и длины опорной пластины стакана, заключенной в металлическую обойму. 
        Для определения силы Fр, необходимой для разрушения образовавшейся в канале корки, можно использовать зависимость Fр = к1 . ?в . Sp где к1 — коэффициент, равный отношению максимального сопротивления срезу к пределу прочности материала образующейся корки; в — предел прочности стали при заданной температуре; Sp — площадь поперечного сечения срезаемой металлической корки. 
        Поскольку длительность операции смены комплекта огнеупорных стаканов составляет 0,2 — 0,3 с, то при ее проведении в элементах разливочной систем действуют значительные ударные нагрузки. 
        Процесс взаимодействия быстро движущегося штока приводного гидроцилиндра со сменным комплектом огнеупорных стаканов по характеру протекания достаточно близок к абсолютно неупругому удару, поскольку все элементы системы после контакта движутся как одно целое. При этом в соударяющихся телах возникают упруго-пластические деформации, из-за чего часть кинетической энергии системы преобразуется в ее внутреннюю энергию, т.е. не используется для совершения работы, связанной с преодолением технологических нагрузок. Так как определение теоретическим путем доли теряемой кинетической энергии при изучении поведения несвободного тела, которым является проталкиваемый огнеупорный стакан, пока не представляется возможным, нужные сведения получили в результате выполненных экспериментальных исследований. 
        Результаты измерений, проведенных на лабораторном стенде по методике, подробно освещенной в работе [7], позволили установить, что в механических системах, подобных устройствам быстрой замены дозирующих и защитных стаканов, доля энергии, затраченной на преодоление сопротивления перемещению несвободного тела, в зависимости от силы его прижатия, составляет 30-50 %. При этом ударная нагрузка в момент выведения системы из состояния покоя достигает 25-30% от суммарной силы технологического сопротивления. 
        Поэтому полученные расчетные значения суммарной технологической нагрузки, включающей силы трения в узлах разливочной системы и усилие, необходимое для разрушения слоя отложений в ее канале, необходимо скорректировать в сторону увеличения путем введения поправочного множителя, учитывающего установленные потери подводимой энергии, затрачиваемой на деформацию соударяющихся элементов исследуемого устройства [8]. 
        С учетом сказанного, пиковое значение нагрузки Fп, преодолеваемой приводным гидроцилиндром, следует определять из выражения Fп = к2( Fр + Fтр1+ Fтр2), где к2 — поправочный коэффициент, равный 1,2 — 1,3. 
        Приведенные зависимости позволили выполнить расчеты энергосиловых параметров систем быстрой смены дозирующих и погружных стаканов и проверить на прочность наиболее нагруженные элементы при проектировании опытных образцов разливочных устройств промежуточных ковшей МНЛЗ. 
        Результаты стендовых испытаний, проведенных в лаборатории кафедры механического оборудования заводов черной металлургии ДонНТУ, подтвердили правильность принятых технических решений и расчетных нагрузок, действующих на элементы спроектированных разливочных систем. В качестве примера на рис. 6 приведены графики изменения преодолеваемой приводом силы сопротивления перемещению комплекта огнеупорных стаканов, построенные по расчетным данным и зафиксированной в ходе тестовых испытаний на стенде [9]. 

a

б

Рис.6 —Характер изменения нагрузки на привод разливочного устройства: (а) расчетная кривая, (б) зарегистрированный сигнал

        Предложенные конструкции разливочных устройств защищены патентами Украины [10, 11] и приняты Новокраматорским машиностроительным заводом для использования на промежуточных ковшах в типовых проектах сортовых и слябовых машин непрерывного литья заготовок [12]. 
        Таким образом, разработанные разливочные системы, благодаря новизне заложенных в них технических решений, направленных на упрощение эксплуатации и повышение надежности их работы, могут составить конкуренцию зарубежным аналогам, поставляемым на рынки металлургического оборудования стран СНГ.

Литература

  1. Процессы непрерывной разливки / А.Н. Смирнов, В.Л. Пилюшенко, А.А. Минаев и др.— Донецк: ДонНТУ, 2002.— 536 с.
  2. Еронько С.П., Быковских С.В. Разливка стали: Технология. Оборудование.— К.: Техніка, 2003.— 216 с.
  3. 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.
  4. Аксельрод Л.М. Повышение стойкости графитсодержащих стаканов для МНЛЗ // Огнеупоры.— 1996.—№ 6.— С. 27 — 30. Шоу Дж. Требования качества к погружным разливочным стаканам // Непрерывное литье стали.- М.: Металлургия, 1982.— С. 63 — 76.
  5. Еронько С.П., Сотников А.Л., Седуш В.С. Исследование кинематики манипулятора для быстрой замены погружных стаканов при непрерывной разливке стали // ОАО «Черметинформация». Бюл. «Черная металлургия».— 2006.— № 8.— С. 34 – 37.
  6. Шоу Дж. Требования качества к погружным разливочным стаканам // Непрерывное литье стали.- М.: Металлургия, 1982.- С. 63 — 76.
  7. Исследование характера передачи ударной нагрузки между подвижно сопряженными элементами механической системы / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, Д.А. Яковлев и др. // Металл и литье Украины.— 2008.— № 6.- С. 18 — 22.
  8. Расчет энергосиловых параметров системы быстрой смены стаканов- дозаторов промежуточного ковша МНЛЗ / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, Д.А. Яковлев и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность.— 2008.— № 6.— С. 76 — 79.
  9. Исследование энергосиловых параметров системы быстрой замены стаканов-дозаторов промежуточного ковша сортовой МНЛЗ / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, Д.А. Яковлев и др. // Металл и литье Украины.— 2009.— № 1—2.— С. 25 — 28.
  10. Патент 74507. Украина. Устройство для замены стакана-дозатора промежуточного ковша машины непрерывного литья заготовок / С.П. Еронько, А.Н. Смирнов, А.Ю. Цупрун и др. // Бюл. № 12. 2005.
  11. Патент 75844. Украина. Манипулятор для замены погружного стакана на слябовой машине непрерывного литья заготовок / С.П. Еронько, А.Н. Смирнов, А.Ю. Цупрун и др. // Бюл. № 5. 2006.
  12. Опыт разработки шиберных устройств для технологических переливов стали / С.П. Еронько, А.Ю. Цупрун, С.А. Бедарев и др. // ОАО «Черметинформация». Бюл. «Черная металлургия».— 2008.— № 8.— С. 28 — 36.