Модернизация сталеразливочного ковша

Анализ способов и устройств разливки стали. Исследование системы автоматизированного проектирования конструкций "КОМПАС". Методика создания трехмерных моделей. Разработка конструкции и технологии изготовления приспособлений сталеразливочного ковша.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 09.11.2016
Размер файла 2,0 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

Темой данного дипломного проекта является модернизация сталеразливочного ковша который применяется в электросталеплавильном производстве металлургической промышленности.

Череповецкий металлургический завод начал свою работу в 1955 году. В 1983 году предприятие получило статус металлургического комбината, а в 1993 было акционировано и преобразовано в ПАО «Северсталь».

Череповецкий металлургический комбинат, одно из самых мощных и современных в мире предприятий с полным металлургическим циклом, остается ключевым активом компании [2].

Ремонтно-механический цех №1 в настоящее время является структурным подразделением ООО «ССМ-Тяжмаш». Цех основан 5 декабря 1951 года. РМЦ-1 на протяжении полувека являлся основной ремонтной базой комбината, а затем ПАО «Северсталь». После выделения из состава «Северстали» РМЦ-1 вошел в состав ООО «ССМ-Тяжмаш» и является его ведущим ремонтным цехом, продолжая успешно работать и развиваться. Цех в 2003 году успешно прошел сертификацию.

Назначение цеха - производство запасных частей к оборудованию основных и вспомогательных цехов ПАО «Северсталь» и выпуск товарной продукции.

В настоящее время в РМЦ-1 применяются современные технологии обработки металлов. Практически на всех видах металлорежущих станков работают опытные и квалифицированные рабочие. Особо следует выделить участки токарно-винторезных и токарно-карусельных станков (большие карусельные). Немалый опыт накоплен по обработке деталей на больших расточных станках, по нарезке зубчатых колес.

Преобразование чугуна в сталь происходит в процессе выплавки в конвертере или электродуговой печи.

Современная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводят до нужного состава и степени чисты внепечной обработкой в ковше.

Сталеразливочный ковш предназначен для транспортировки жидкой стали от плавильного агрегата к месту расположения изложниц, внепечной обработки стали и последующей разливке на линии непрерывной разливки стали. Вместимость ковшей обычно равна массе одной плавки и может составлять от нескольких десятков тонн до 330-350 тонн жидкой стали. При этом длительность пребывания стали в ковше может составлять от 2 до 6 часов, что обусловливает высокие требования к надежности и стойкости рабочего слоя футеровки ковшей.

Функционально сталеразливочный ковш обеспечивает доводку стали по химическому составу и температуре перед переливом в промковш.

Передача стали от сталеплавильного агрегата к линии непрерывной разливки стали осуществляется с помощью сталевозов и подъемных кранов.

Производственный этап выплавки стали завершается операцией разливки с получением литых заготовок для последующей механической обработки - прокатки. Литые заготовки подразделяются на заготовки квадратного сечения - для производства сортового проката, и сляба - для производства листового и полосового проката.

сталь автоматизированный трехмерный ковш

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Сталеплавильное производство

Сталеплавильное производство, производство стали из чугуна и стального лома в сталеплавильных агрегатах металлургических заводов. Сталеплавильное производство - второе звено в общем производственном цикле черной металлургии; другие главные звенья - получение чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок. Сталеплавильное производство включает два основных технологических процесса - выплавку и разливку стали.

В современной металлургии важнейшие способы выплавки стали - кислородно-конвертерный процесс, мартеновский процесс и электросталеплавильный процесс. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется: если в начале 50-х годов 20 века в мартеновских печах выплавлялось около 80% производимой в мире стали, то уже к середине 70-х годов главенствующее положение занял кислородно-конвертерный процесс, на долю которого приходится более половины мировой выплавки стали [3].

Полученную в сталеплавильном агрегате сталь выпускают в разливочный ковш, а затем либо разливают в металлические формы - изложницы, либо направляют на установки непрерывной разливки стали (машины непрерывного литья); лишь около 2% всей производимой стали идет на фасонное литье. В результате затвердевания металла получаются стальные слитки или заготовки, которые в дальнейшем подвергают обработке давлением (прокатке, ковке). Непрерывный способ разливки стали имеет неоспоримые преимущества перед разливкой в изложницы. Однако пока преобладающее количество металла разливается в изложницы. Разливка стали - ответственный этап сталеплавильного производства. Технология и организация разливки в значительной мере определяют качество готового металла и количество отходов при последующем переделе стальных слитков.

В кислородно-конвертерном производстве преобладают конвертеры емкостью 100 - 350 тонн. Сортамент стали, получаемой этим способом, непрерывно расширяется, причем по качеству кислородно-конвертерная легированная сталь не уступает мартеновской стали и электростали, соответствующих марок. Выплавка некоторых низколегированных сталей в кислородных конвертерах считается наиболее целесообразной не только по экономическим причинам, но и с точки зрения качества металла. Так, сталь, предназначенную для холодной деформации (особенно для производства автолиста) на металлургических заводах всего мира выплавляют главным образом в кислородных конвертерах. Осваивается выплавка высоколегированной стали. Главные направления развития кислородно-конвертерного процесса: интенсификация плавки (в первую очередь продувки), повышение стойкости футеровки, применение современных средств контроля и управления с использованием ЭВМ, разработка новых технологических вариантов. Большие перспективы открывает перед кислородно-конвертерным процессом сочетание его с методами внепечного рафинирования металла.

Несмотря на резкое сокращение доли мартеновского металла в общем объеме производства стали, роль мартеновского процесса в черной металлургии многих стран еще достаточно высока. Использование кислорода, природного газа, огнеупоров высокого качества позволяет значительно интенсифицировать мартеновский процесс. Вместе с тем строительство новых мартеновских печей повсеместно прекращено. Перспективной считается перестройка действующих мартеновских печей на высокопроизводительные двухванные печи.

Во 2-й половине 20 века наблюдается заметное развитие электросталеплавильного производства, обусловленное рядом его преимуществ перед другими способами получения стали. В России действовали 200-тонные дуговые печи; проектируются печи номинальной емкостью 400 тонн. В США находилась в эксплуатации самая крупная в мире 360-тонная электропечь (1975). Велись работы по созданию 500-600-тонных электропечей (с шестью электродами). Важная тенденция электросталеплавильного производства - значительное увеличение удельной мощности электропечей (с 250-300 до 500-600 ква/т и более). На металлургических предприятиях некоторых стран внедрялся предварительный подогрев шихты, позволяющий сократить продолжительность плавки, снизить расходы электроэнергии и электродов. Технико-экономические показатели современных дуговых печей свидетельствуют о целесообразности их использования для выплавки не только легированной, но и рядовой стали. Так, в электросталеплавильных цехах США доля рядового металла достигает 70%, в ФРГ - 50%. Положительное влияние на развитие электрометаллургии стали оказывает широкое промышленное освоение способов прямого получения железа, позволяющих производить высококачественное сырье для электропечей. Использование металлизированной шихты для электроплавки (например, металлизированных окатышей) позволит сократить капитальные вложения на сооружение новых электросталеплавильных цехов и повысить производительность дуговых печей.

Одно из перспективных направлений развития сталеплавильного производства - повышение качества стали путем внепечного рафинирования. Наибольшее промышленное значение имеют следующие методы: продувка металла в ковше или специальном агрегате инертными газами или окислительными смесями; вакуумная обработка стали; обработка стали синтетическими шлаками.

Примерно в середине 60-х годов начала интенсивно развиваться спецэлектрометаллургия, которая включает различные виды рафинирующих переплавов заготовки, полученной в обычных сталеплавильных агрегатах (чаще всего в дуговых или индукционных печах). К ним относятся в дуговых вакуумных печах и в индукционных вакуумных печах, электрошлаковый переплав, электроннолучевая плавка, плазменная плавка. В результате рафинирующего переплава исходный металл эффективно очищается от неметаллических включений и других нежелательных примесей, повышаются плотность и однородность его структуры, улучшаются многие свойства стали.

В области разливки стали наблюдается постоянное увеличение доли непрерывно-литого металла. В середине 70-х годов в мире работает свыше 500 машин непрерывного литья (МНЛ) стали. Крупнейшая в мире МНЛ, производительностью 1,9 млн. тонн стали в год, действует в США (1975). Наиболее широкое распространение получают МНЛ радиального типа. Выход готового продукта налучших МНЛ мира достигает 96-99%. Как при непрерывном литье, так и при разливке стали в изложницы высокие технико-экономические результаты дает замена стопорных устройств бесстопорными (шиберными) затворами - надежными и безопасными в работе, позволяющими точно регулировать скорость разливки металла. Применение экзотермических шлакообразующих смесей позволяет улучшить поверхность получаемых слитков. Благодаря использованию теплоизолирующих и экзотермических прибыльных надставок удается значительно сократить потери металла.

К тенденциям сталеплавильного производства, как и черной металлургии в целом, следует отнести дальнейшую концентрацию производства, повышение степени непрерывности всего технологического цикла, специализацию отдельных цехов и предприятий, что создает благоприятные условия для снижения себестоимости и повышения качества стали, для достижения высокой степени механизации и автоматизации всего металлургического процесса, внедрения ЭВМ и автоматизированных систем управления. Большое значение для развития сталеплавильного производства имеют ведущиеся в ряде стран работы по созданию непрерывного сталеплавильного процесса и агрегата непрерывного действия.

Мировое производство стали в 1974 году превысило 700 млн. тонн, причем 136 млн. тонн было выплавлено в России. В промышленно развитых странах на душу населения приходится 400-600 килограмм стали (в СССР более 500 килограмм). По некоторым прогнозам производство важнейшего металла современности может достичь 2 млрд. тонн.

1.2 Кислородно-конвертерный процесс

Кислородно-конвертерным процессом в нашей стране обычно называют процесс выплавки стали из жидкого чугуна и добавляемого лома в конвертере с основной футеровкой и с продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму; за рубежом его называют процессом ЛД. За время существования процесса (с 1952-53 годов) было разработано несколько его разновидностей, из которых в настоящее время наряду с процессом ЛД промышленное применение находят кислородно-конвертерные процессы с донной продувкой и с комбинированной продувкой (см. рисунок 1.1).

Первые опыты по продувке чугуна кислородом сверху были проведены в России в 1933 году инженером Н.И.Мозговым. В дальнейшем в нашей и в ряде других стран велись исследования по разработке технологии нового процесса. В промышленном масштабе кислородно-конвертерный процесс был впервые осуществлен в 1952--1953 годы в Австрии на заводах в городах Линце и Донавице.

За короткий срок кислородно-конвертерный процесс получил широкое распространение во всех странах. Так, если в 1960 году доля конверторной стали составляла 4% мировой выплавки, то в 1970 году - 40%, а в 1989 году - 60%.

Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса объясняется тем, что он, как и прочие конвертерные процессы, обладает рядом преимуществ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным процессами. Основные:

- более высокая производительность одного работающего сталеплавильного агрегата (часовая производительность мартеновских и электродуговых печей не превышает 140 т/ч, а у большегрузных конвертеров достигает 400--500 т/ч);

- более низкие капитальные затраты, т.е. затраты на сооружение цеха, что объясняется простотой устройства конвертера и возможностью установки в цехе меньшего числа плавильных агрегатов;

- меньше расходы по переделу, в число которых входит стоимость электроэнергии, топлива, огнеупоров, сменного оборудования, зарплаты и др.;

- процесс более удобен для автоматизации управления ходом плавки;

благодаря четкому ритму выпуска плавок работа конвертеров легко сочетается с непрерывной разливкой.

На рисунке 1.1 показаны разновидности кислородно-конверторных процессов.

Рисунок 1.1 - Разновидности кислородно-конверторных процессов:

1 -- продувка кислородом сверху; 2 -- снизу; 3 -- комбинированная продувка.

Кроме того, по сравнению с мартеновским производством конвертерное характеризуется лучшими условиями труда и меньшим загрязнением окружающей природной среды.

Благодаря продувке чистым кислородом сталь содержит 0,002-0,005 % азота, т.е. не больше, чем мартеновская. Тепла, которое выделяется при окислении составляющих чугуна, с избытком хватает для нагрева стали до температуры выпуска. Имеющийся всегда избыток тепла позволяет перерабатывать в конвертере значительное количество лома (до 25-27 % от массы шихты), что обеспечивает снижение стоимости стали, так как стальной лом дешевле жидкого чугуна.

1.3 Мартеновский процесс

Мартеновская печь (мартен) -- плавильная печь для переработки передельного чугуна и лома в сталь нужного химического состава и качества. Название произошло от фамилии французского инженера и металлурга Пьера Мартена, создавшего первую печь такого образца в 1864 году.

На рисунке 1.2 показана схема работы мартена

Рисунок 1.2 - Схема работы мартена:

A-Вдувание газо-воздушной смеси; B- Теплообменник (нагрев); C- Жидкий чугун; D- Горн; E- Теплообменник (охлаждение); F-Выхлоп сгоревших газов.

В зависимости от состава огнеупорных материалов печи мартеновский способ выплавки стали может быть основным (в составе огнеупора преобладают СаО и MgO) и кислым (подина состоит из SiO2). Выбор футеровки зависит от предполагаемого состава шлака в процессе плавки.

Основной принцип действия -- вдувание раскаленной смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой выложены каналы огнеупорным кирпичом). Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами. Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха.

Мартеновский способ также зависит от состава шихты, используемой при плавке. Различают такие разновидности мартеновского способа выплавки стали:

1. Скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25--45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома;

2. Скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55--75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

В настоящее время мартеновский способ производства стали практически вытеснен гораздо более эффективным кислородно-конвертерным процессом (около 63 % мирового производства), а также электроплавкой (более 30 %). Начиная с 1970-х годов новые мартеновские печи в мире больше не строятся. По результатам 2008 года на мартеновский способ производства приходится 2,2 % мировой выплавки стали. Так, объем выпуска мартеновской стали в России упал с 52 % в 1990 году до 22 % в 2003 году и 16,5 % в 2008 году. Наибольший удельный вес выплавки стали мартеновским способом в мире по результатам 2008 года наблюдался на Украине (свыше 40 %).

1.4 Электросталеплавильный процесс

Электросталеплавильный способ занимает одно из первых мест в изготовлении качественной и высоколегированной стали.

Данный метод более остальных приспособлен для изготовления разного по составу высококачественного металла с малым содержанием серы, кислорода, фосфора и других нежелательных примесей и большим количеством легирующих элементов, придающих стали особые свойства.

Плюсы электроплавки связаны с применением для нагрева металла электрической энергии. В электропечах тепло выделяется либо в нагреваемом металле, либо очень близко от его поверхности. Благодаря этому можно нагревать металл до высоких температур с большой скоростью, иногда до температуры кипения. Изменение температуры и расход тепла при электроплавке легко контролируются и регулируются.

Электроплавка может быть проведена в любой атмосфере: восстановительной, окислительной или нейтральной, под разным давлением.

Лучше остальных электропечь подходит для переработки лома металла. В электропечах удобно изготавливать сталь из восстановленного железа. В них легко применять энергию АЭС, что вскоре будет иметь очень важное значение. Работу электрических печей можно легко автоматизировать.

Дуговая печь состоит из рабочего пространства (собственно печи) с электродами, токоподводами и механизмов, обеспечивающих наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты.

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух. Съемный свод набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь питается трехфазным током.

На рисунке 1.3 представлена конструкция дуговой электропечи

Рисунок 1.3 - Конструкция дуговой электропечи

1 - электроды; 2 - арочный свод; 3- желоб; 4 - футеровка; 5 - кожух печи; 6 - расплавленный металл; 7 - механизм поворота

Шихтовые материалы загружают напод печи, после их расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляется за счет тепла электрических дуг, возникающих между электродами и жидким металлом или металлической шихтой.

Выпуск готовой стали и шлака осуществляется через сталевыпускное отверстие и желоб путем наклона рабочего пространства. Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки, ремонта пода и загрузки материалов.

1.5 Разливочные ковши

Ковш - это металлическая (стальная или чугунная) емкость, предназначенная для кратковременного хранения, перемещения и разливки в литейные формы расплава. Внутренняя поверхность и крышка ковша футерована огнеупорным материалом.

Ковши перемещают грузоподъемным оборудованием или вручную с помощью специальных приспособлений, закрепленных на корпусе ковша. На приспособлениях установлены замковые устройства (защелки), предотвращающие опрокидывание ковша при его перемещении.

На рисунке 1.4 показаны ковши для заливки форм.

Рисунок 1.4 - Ковши для заливки литейных форм.

а - ковш-ложка; б - ковш с носилками; в - конический вместимостью 100-250 кг.; г - стопорный

Опрокидывание ковша при заливке литейных форм осуществляют самотормозящимися червяками механизмами, которые приводят в действие от ручного штурвала или электродвигателя.

При изготовлении мелких отливок расплав из плавильной печи заливают в ковш вместимостью 0,5-1,5 тонны, а затем из него в ковш вместимостью 30-80 килограмм. Ковш меньшей вместимости предназначен для заливки литейных форм. Ковш большей вместимости устанавливают на специальный поворотный стенд вблизи места разливки расплава по литейным формам.

Ручные ковши (рисунок 1.4- а, б) применяют в основном для заливки стержневых каркасов на плацу или при разливке расплавов в мелкие литейные формы в условиях маломеханизированных производств.

Для разливки чугунного расплава используют ковши барабанного или конического типа (рисунок 1. 4 - в) различной вместимости.

Стопорные ковши (рисунок 1. 4 - г), предназначенные для разливки расплав стали, имеют огнеупорную втулку, закрепленную в днище ковша. Отверстие втулки, через которое расплав поступает в литейную форму, закрывается штангой с помощью рычажного механизма. Рычаги и штанга облицованы огнеупорным материалом.

Основные требования к подготовке разливочных ковшей заключается в следующем:

- ковши очищают от шлака и настылей. Носики ковшей обмазывают огнеупорным составом, окрашивают и просушивают;

- проверяют футеровку, исправность поворотного механизма, стопорного устройства. Ковш с недостаточно просушенной футеровкой не применяют с целью предотвратить кипение расплава.

1.6 Чугуновозные ковши

Чугуновозные ковши по форме разделяют на следующие типы:

- конические;

- грушевидные;

- сигарообразные.

Коническая форма, рассчитанная на грузоподъемность 60--80 т, менее рентабельна с точки зрения сохранения тепла, ковши такой формы имеют большие потери чугуна. Чугуновозы грушевидной формы имеют грузоподъемность 100--140 т и в настоящее время являются наиболее распространенными. Сигарообразные ковши предназначены для транспортировки чугуна в жидком виде на относительно далекие расстояния.

Чугуновозные (рисунок 1.5) ковши грушевидной формы и их устройство: состоят из чаши 7, рамы 8 с автосцепками 9 и ходовых тележек 2 чаша выполнена в виде сварного кожуха из листового металла толщиной 24 мм. Корпус ковша цилиндрический, имеет сферическое или плоское днище и конусообразную съемную горловину 1 с эллиптическим отверстием. К средней наружной части кожуха прикрепляют (диаметрально по ходу ковша) две щеки 5, имеющие цапфы 4, 6 и две лапы 3. Боковые цапфы 6 служат для опоры чаши на раму тележки, центральная 4 -- для съема чаши с тележки. Лапы 3 служат для опоры чаши на стенд в случае кантовки ковша на разливочной машине при сливе чугуна. Чашу футеруют огнеупорным шамотным кирпичом толщиной до 230 мм (в два оката по 115 мм). Между футеровкой чугуновозного ковша и телом чаши делают асбестовую теплоизоляционную прокладку.

Рисунок 1.5 - Чугуновоз УЗТМ емкостью 100 т.

В днище чаши делают отверстие для выхода влаги при сушке и первом наливе ковша. Снизу чаши делаются два приспособления, состоящие из проушин Юс валиком 11, для кантовки чаши при помощи крюка кантовочной лебедки. Раму чугуновоза изготовляют из двух лафетов, соединенных гнутыми сварными балками 12 с закрепленными на них стойками для опоры чаши.

Ходовые тележки двухосные для нормальной железнодорожной колеи (1524 мм), с давлением на ось до 390 т. Применение тележек такой мощности уменьшает длину чугуновозного ковша, увеличивает его емкость, приходящуюся на единицу длины (расстояние между автосцепками), и уменьшает длину желобов на литейном дворе. Тележки чугуновозов снабжены автосцепками 9.

Чугуновозы сигарообразной формы и миксерного типа устанавливают на двух платформах, закрепленных на четырех двухосных ходовых тележках. На одной из платформ монтируют механизм вращения ковша. Грузоподъемность таких ковшей достигает 600 т. Эксплуатация их требует специальных устройств для слива. Ковши этого типа применяют в зарубежной практике для перевозки чугуна на заводы, не имеющие доменного передела, на расстояние 20--30 км и более. Доказана возможность перевозки жидкого чугуна на расстояние свыше 300 км по путям общего назначения. Впервые такие перевозки были осуществлены в 1928 г. в Англии между заводами в Гамильтоне и Мидлтоне на расстояние 19 км в ковшах емкостью 175 т.

В настоящее время перевозка жидкого чугуна практикуется в России, Англии, Франции, Бельгии и других странах.

Температура в миксерных чугуновозных ковшах достигает 1250--1300 °С. Согласно теоретическим расчетам, среднее понижение температуры жидкого чугуна в чугуновозе составляет 5 °С/ч. Особое внимание обращают на качество и состояние огнеупорной футеровки, рабочий слой которой делается из алюмосиликатного кирпича (до 65% Al2O3) или из силлиманита (42% Al2O3). Рабочий слой кладки составляет 260 мм. За ним находится предохранительный слой футеровки 110 мм. Между ним и корпусом ковша помещают изоляционный слой из низкоплотного материала толщиной 40 мм.

Центральную часть чугуновоза выполняют цилиндрической, что позволяет заливать максимальное количество чугуна при габаритных размерах, удовлетворяющих требованиям стандарта, и иметь минимальные тепловые потери. Для уменьшения этих потерь наружную часть чугуновозного ковша защищают листами толщиной 25 мм, что обеспечивает температуру наружной поверхности корпуса не более 80 °С.

Скорость движения поезда с чугуновозами 40 км/ч; состав поезда комплектуют из 3--4 ковшей.

1.7 Сталеразливочные ковши

Сталеразливочный ковш (рисунок 1.6 а) предназначен для приема металла и части шлака, выдержки металла и его разливки.

Рисунок 1.6 - Сталеразливочный ковш:

а - общий вид (1 - цапфа; 2 - носок для слива шлака; 3 - стопорный механизм; 4 - стопор; 5 - скоба для кантования ковша); б - установка стопора и стакана в ковше (1 - стакан; 2 - гнездовой кирпич; 3 - кладка ковша; 4 - стержень стопора; 5 - катушка; 6 - пробка); в - шиберный затвор в открытом (I) и закрытом (II) положениях (1 - гнездовой кирпич;2 - разливочный стакан; 3 - неподвижная плита; 4 - подвижная плита; 5 - стакан коллектор; 6 - шток гидроцилиндра)

Номинальная вместимость сталеразливочных ковшей составляет от 0,5 до 500 т.

Ковш состоит из сварного кожуха, изготовленного из стальных листов толщиной 16 - 40 мм и имеющего форму усеченного конуса с расширением кверху. Днище ковша может быть плоским или иметь сферическую форму (в ковшах большого объема). Оно изготавливается из более толстых листов и имеет приспособления для кантования.

Кожух ковша имеет ребра жесткости, стальной пояс, снабженный двумя цапфами, за которые ковш может быть поднят при помощи траверсы сталеразливочного крана, и кронштейнами для установки на стенд. Во избежание опрокидывания оси цапф должны быть расположены выше центра тяжести ковша, наполненного металлом и шлаком.

В верхней части кожуха приваривают кольцо жесткости и предусматривают (если это необходимо) отверстия для шлакового носка и для крепления его на корпусе. Уровень пода носка расположен на 100 - 150 мм ниже верхнего края ковша.

В днище ковша имеются отверстия для разливочных стаканов. На днище имеются постановочные фланцы для крепления шиберных затворов и устройств для продувки металла аргоном.

Для футеровки сталеразливочных ковшей широко используют шамотный кирпич, а также набивные или наливные кислые огнеупорные массы. При разливке стали ответственного назначения для футеровки сталеразливочных ковшей используют высокоглиноземистый, магнезитовый, доломитовый кирпич и др. В футеровке днища ковша устанавливают гнездовой кирпич, в который вставляют разливочный стакан. Наиболее широкое распространение получили разливочные стаканы из магнезита. Диаметр канала сталеразливочного стакана изменяется от 35 до 80 мм, а для скоростной разливки - 100 - 120 мм. Вновь отфутерованный или отремонтированный ковш сушат и разогревают до 700 - 800оС.

Стойкость кислой футеровки сталеразливочных ковшей составляет 7 - 15 плавок. Промежуточные ремонты футеровки торкретированием позволяют увеличить ее стойкость на 30 - 50%.

Длительное время отверстия сталеразливочных стаканов перекрывали с использованием стопора - стального стержня диаметром около 50 мм, который защищали от воздействия жидкого металла шамотными катушками диаметром 185 - 220 мм и пробкой (рисунок 6 б). Главными недостатками стопорного устройства были высокий расход огнеупоров, большой объем работ по подготовке стопоров и частые аварии при разливке (приваривание и отрыв пробки, деформация и переедание стопора и др.).

В последние годы металлургические предприятия перешли к использованию сталеразливочных ковшей, оборудованных шиберными затворами (рисунок 1.6 в). Плиты шиберного затвора из корунда или периклаза позволяют разливать от одной до трех плавок.

В настоящее время для разлива стали из сталеразливочного ковша применяют кантователь, который имеет ряд недостатков: низкий уровень надежности, плохую ремонтопригодность, большое количество времени, которое тратится на замену старого кантователяна новый.

Для перемещения шиберного затвора (из положения закрыто в положение открыто и обратно) применяется гидравлический привод, который имеет ряд недостатков: большие габаритные размеры насосной станции, возможность утечки и подтечки масла из гидравлической системы, возможность закипания масла из-за высоких температур в цехе при разливке.

Поэтому целью данного дипломного проекта является модернизация сталеразливочного ковша, а именно кантователя и привода шиберного затвора.

Исходя из поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- Рассчитать и спроектировать кантователь.

- Рассчитать и спроектировать привод шиберного затвора.

- Провести имитационное исследование рамы кантователя.

- Разработать технологический процесс изготовления плиты.

- Рассчитать экономическую эффективность проведенной модернизации.

2. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

Основные стадии проектирования новой конструкции:

- разработка технического задания на проектирование конструкции, в котором определяется его назначение, условия эксплуатации, основные требования, допустимые затраты на его производство;

- технические предложения разрабатываются на основе анализа и проработки технического задания;

- эскизное проектирование, на стадии которого решаются принципиальные вопросы принимаемых конструкторских решений, определяются принципы работы проектируемого изделия, уточняются его параметры, решаются задачи общей компоновки изделия;

- разработка технического проекта, на стадии которого производится проектирование отдельных сборочных единиц и комплексов, уделяется большое значение расчетам, обеспечивающим необходимую надежность и долговечность;

- на стадии разработки рабочей документации осуществляется дальнейшая детализация технического проекта с окончательным контролем и корректировкой принятых конструкторских расчетов в техническом проекте, выбираются и уточняются материалы, окончательно определяются размеры, точность и чистота обработки, делается уточненный расчет себестоимости, проектной цены и эффективности внедрения нового изделия;

- изготовление и испытание опытного образца проводится с целью более тщательной отработки созданной конструкции и внесения необходимых изменений в рабочую документацию.

В процессе всей работы конструкторы осуществляют авторский надзор за проектированием.

В ходе всей конструкторской подготовки производства параллельно выполняется работа по отработке изделия на технологичность и технологический контроль конструкторской документации.

На основе спроектированной твёрдотельной модели детали или сборки могут быть получены рабочие чертежи с изображениями всех основных видов, проекций, сечений и разрезов, а также проставлены основные размеры c допусками и посадками, условными обозначениями шероховатости и отклонениями взаимного расположения поверхностей. При этом поддерживается двунаправленная ассоциативная связь между чертежами, моделями и сборками. При изменении размера на чертеже автоматически перестраиваются все связанные с этим размером конструктивные элементы в модели, и наоборот.

Результатом проектирования чаще всего является получение технической документации (для конструкции: сборочные и рабочие чертежи изделий, спецификации, пояснительная записка и др.; для технологического процесса: технологические карты, технологические эскизы, эскизы наладок и др.), которая может быть представлена на бумажных и машинных (магнитные диски, ленты) носителях. Необходимо отметить, что в полностью интегрированном гибком автоматизированном производстве (ГАП) документирование на бумажных носителях не имеет смысла, поскольку результаты проектирования передаются на оборудование гибких автоматизированных производств в виде программ для систем ЧПУ.

2.1 Описание работы сталеразливочного ковша

Сталеразливочный ковш (рисунок 2.1) предназначен для перемещения расплавленной стали от сталеплавильной печи к месту разливки стали. Область применения сталеразливочного ковша - разливочное производство металлургических предприятий.

Рисунок 2.1 - Сталеразливочный ковш

2.1.1 Основные технические характеристики

- общая емкость ковша, м. куб 19,94

номинальная емкость ковша, м. куб 18,57

объем жидкого шлака, м. куб 2,8

масса жидкого металла, тн 130

масса жидкого шлака, тн 9,9

масса металлической части ковша, тн 22,42

макс. масса порожнего футеровкой ковша, тн 52,42

масса нормально груженого ковша, тн 192

расстояние центра тяжести ковша от оси цапфы, мм 560

2.1.2 Устройство и принцип работы сталеразливочного ковша

2.1.2.1 Кантователь

Кантовательпредназначен для разливки стали, слива шлака, замены футеровочного покрытия (рисунок 2.2).Он состоит из: двух щек 1; двух тяг 2; четырех шайб 3; двух осей 4; двух оседержателей 5; двух втулок 6; ребра 7; валика 8; двух кронштейнов 9; десяти ребер 10; лист для ковша 11; два листа для кронштейна 12; а так же шесть листов разных размеров 13,14,15,16,17,18.

2.1.2.2 Шиберный затвор

Шиберный затвор предназначен для дозировки стали при непрерывной разливке (рисунок 2.3). Состоит из следующих узлов и механизмов: узел затворных плит 1; плита 2; палец 3; клин 4.

Рисунок 2.2 - Кантователь

Рисунок 2.3 - Шиберный затвор

2.1.2.3 Привод шиберного затвора

Привод шиберного затвора предназначен для перемещения шиберного затвора из положения закрыто в положение открыто и в обратном направлении (рисунок 2.4) представляет собой пневмоцилиндр 1; коромысла 2 и тяги 3.

Рисунок 2.4 - Привод шиберного затвора

2.2 Расчёт резьбового соединения на прочность

Как показали исследования, проведенные Н.Е.Жуковским, силы взаимодействия между витками винта и гайки распределены в значительной степени неравномерно, однако действительный характер распределения нагрузки по виткам зависит от многих факторов, трудно поддающихся учету: неточности изготовления, степени износа резьбы, материала и конструкции гайки и болта и т.д.. Поэтому при расчете резьбы условно считают, что все витки нагружены одинаково, а неточность в расчете компенсируют значением допускаемого напряжения.

Условие прочности резьбы на срез имеет вид:

фср=Q /Аср?| фср |, кН (2.1)

где Q -- осевая сила (Q=125 кН/4=31,25 кН);

Аср -- площадь среза витков нарезки;

для винта

Аср=р·dk·Hr, кН (2.2)

для гайки

Аср=р·D·k·Hr, кН (2.3)

Hr -- высота гайки (Н=6 мм);

d1 = 38 мм.

Так как винт и гайка из одного материала, то на срез проверяют только винт, так какd1<D.

Аср=3,14380,756=536,94 мм2;

ср=31250/536,94=58,2 МПа.

Условие прочности резьбы на смятие имеет вид:

=Q /Аср?| |, кН (2.4)

где Асм -- условная площадь смятия (проекция площади контакта резьбы винта и гайки на плоскость, перпендикулярную оси):

Асм=d2hz, (2.5)

гдеd2-- длина одного витка по среднему диаметру (d2=22,57);

h -- рабочая высота профиля резьбы (1,0825);

z=Hr/p , (2.6)

где z - число витков резьбы в гайке высотой Hr

р-- шаг резьбы (p=1,25)

мм

Условие прочности выполняется

2.3 Проектирование кантователя

2.3.1 Создание трехмерных моделей деталей в системах «КОМПАС»

Проектирование привода ведем с использованием программы трехмерного моделирования «Компас». Создание графических изображений деталей осуществляется способом графического редактирования. Этот способ, в сущности, является заменой инструментов ручного проектирования средствами электронного проектирования (вместо чертежной доски - экран дисплея, вместо линейки и других инструментов - клавиатура, мышь и соответствующее программное обеспечение). Поэтому этот способ еще называют иначе способом "электронного кульмана".Основу этого способа составляет графический редактор, обеспечивающий создание графических изображений методом синтеза из элементов и фрагментов.

В качестве элементов используются так называемые графические примитивы. Для построения двухмерных (плоских) изображений используются следующие примитивы: точка, отрезок, окружность, дуга, кольцо, эллипс, многоугольник, полоса, текстовые символы и т. п. Для построения трехмерных (объемных) изображений используются следующие примитивы: параллелепипед, конус, вогнутая полусфера, выпуклая полусфера, пирамида, шар, тор, клин, полилиния в трехмерном пространстве и др.

Принцип задания трехмерных моделей заключается в перемещении плоского изображения в пространстве, след от которого определяет конфигурацию и параметры создаваемого объекта. Используется 4 основных способа:

- сдвиг - на плоскости формируется эскиз и задается вектор перемещения;

- вращение - на плоскости формируется эскиз и указывается ось;

- перемещение вдоль кривой - кинематическая операция, с помощью которой можно создать модели пружин, резьбы, трубопроводы;

- по сечениям - все тело условно разбивается на ряд плоскостей.

Процесс создания модели в КОМПАС-3D начинается с построения основного элемента и последующим выполнением над ним перечисленных выше операций. Для построения тела первоначально строится эскиз конструктивного элемента на плоскости, впоследствии преобразуемый тем или иным способом в твердое тело. Программа предоставляет пользователю полный набор функций геометрических построений и операций редактирования.

При создании контура нет необходимости точно выдерживать требуемые размеры. Самое главное на этом этапе - задать положение его элементов, затем, благодаря тому, что создаваемый эскиз полностью параметризован, можно установить для каждого элемента требуемый размер. Кроме того, для элементов, входящих в контур, могут быть заданы ограничения на расположение и связи с другими элементами (например, совпадение, параллельность, перпендикулярность, касательность и т.д.).

КОМПАС-3D содержит высокоэффективные средства твердотельного моделирования, основывающиеся на постепенном добавлении или вычитании конструктивных элементов.

2.3.2 Проектирование конструкций в системе «КОМПАС»

Для того чтобы создать новый файл, содержащий трехмерную модель детали, необходимо вызвать из меню «Файл» команду «Создать деталь» или использовать кнопку «Новая деталь» на «Панели управления» (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Панель управления

На экране откроется окно нового КОМПАС - документа (детали), изменится набор кнопок на «Панели управления», «Инструментальной панели», состав «Строки текущего состояния» и «Главного меню».

В окне новой детали находится «Дерево построений» (рисунок 2.6) - окно, в котором в виде структурного «дерева» отражается последовательность построения трехмерной модели.

Рисунок 2.6 - Дерево построения

После создания файла документа-детали можно приступать к созданию в нем трехмерной модели. Построение трехмерной модели детали начинается с создания основания - ее первого формообразующего элемента. В качестве основания можно использовать любой из четырех типов формообразующих элементов - элемент выдавливания, элемент вращения, кинематический элемент и элемент по сечениям. Чаще всего в качестве основания используют самый крупный из этих элементов. Иногда в качестве основания используют простой элемент (например, параллелепипед, цилиндр), описанный вокруг проектируемой детали (или ее части). Когда создание эскиза закончено, необходимо перейти в режим трехмерных построений.

Выходим из последней использовавшейся в режиме эскиза команды. Для этого используем клавишу <Esc> или из контекстного меню команду «Прервать команду» или кнопку «Прервать команду» на «Панели специального управления». Затем из контекстного меню команду «Закончить эскиз» или кнопку «Закончить эскиз» на «Панели управления». Система вернется в режим трехмерных построений. После этого необходимо указать, каким способом требуется перемещать эскиз в пространстве для получения основания нужного типа, т.е. выбрать вид формообразующей операции (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Операции

Это могут быть: операции выдавливания, вращения, кинематическая операция, вырезание выдавливанием.

2.3.3 Выдавливание заданного контура в определенном направлении

Для выдавливания заданного контура, которым является плоский эскиз (рисунок 2.8, а), в определенном направлении в «КОМПАС» используется команда «Выдавливание». При этом возможны различные варианты, которые обеспечиваются наложением граничных условий. Вот некоторые из них:

- выдавливание на заданную длину (рисунок 2.8, б);

- выдавливание тонкостенного элемента (рисунок 2.8, в);

а) б) в)

Рисунок 2.8 - Выдавливание заданного контура в определенном направлении

2.3.4 Вращение контура вокруг оси

Команда “Вращение” в КОМПАС создает тело вращения путем поворота эскиза (рисунок 2.9, а) вокруг осевой линии. Возможны следующие варианты:

- повернутая на 360 градусов (рисунок 2.9, б);

- повернутая на неполный оборот (рисунок 2.9, в);

- как тонкостенный элемент.

а) б) в)

Рисунок 2.9 - Вращение контура вокруг оси

2.3.5 Построение фасок и скpуглений

Команда «Скругление» позволяет создавать скругления на выбранных кромках модели (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Построение скpуглений

Команда «Фаска» создает скос на выбранных кромках и вершинах модели (рисунок 2.11). Выбирается кромка или вершина, а затем задается угол и размер фаски.

Рисунок 2.11 - Построение фасок

2.3.6 Построение отверстий

Построение отверстий в «КОМПАС» осуществляется командой “Вырезать” или командой «Отверстие». Вырезание осуществляется одним из четырех способов: выдавливанием, вращением, по траектории и по сечениям. Пример построения отверстия выдавливанием представлен на рисунок 2.12.

Рисунок 2.12 - Построение отверстий

2.3.7 Методы проектирования сборок

Традиционным является метод проектирования «Снизу вверх». При проектировании этим методом сначала создаются детали, затем они вставляются в сборку и сопрягаются согласно требованиям проекта. Проектирование снизу вверх более предпочтительно при использовании заранее сконструированных, готовых деталей.

Преимущество проектирования «Снизу вверх» состоит в том, что компоненты проектируются независимо, поэтому их взаимосвязи и повторная генерация проще, чем при проектировании сверху вниз. Метод проектирования «Снизу вверх» позволяет сосредоточиться на отдельных деталях. Он хорош в том случае, когда не нужно создавать ссылки, управляющие размером и формой деталей относительно друг друга.

Проектирование «Сверху вниз» отличается тем, что при его использовании работа начинается непосредственно в сборке. Можно использовать геометрию одной детали для определения других деталей. Можно начать с компоновочного эскиза, определить местоположения зафиксированных деталей, осей, плоскостей и т.д., затем спроектировать детали в соответствии с этими определениями.

Например, можно вставить деталь в сборку, затем на основе этой детали создать хомут. Проектирование "сверху вниз" и создание хомута в контексте позволяет создавать ссылки на геометрию модели, тем самым можно управлять размерами хомута путем создания геометрических взаимосвязей с исходной деталью. Таким образом, если изменяется размер детали, хомут обновляется автоматически.

Такой тип проектирования позволяет инженеру-конструктору проектировать сборку, используя компоновочные эскизы, которые часто используются при традиционном проектировании. Можно построить один или несколько эскизов, показывающих, где находится каждый компонент сборки. Затем можно создать и изменить проект перед созданием деталей. Кроме этого, можно в любое время использовать компоновочный эскиз для внесения изменений в сборку.

Основным преимуществом проектирования сборки, используя компоновочный эскиз, является то, что при изменении компоновочного эскиза, сборка и детали, находящиеся в ней, обновляются автоматически. Изменения можно осуществить быстро и в одном месте.

Для использования компоновочного эскиза сборки необходимо выполнить следующие операции:

- Создать компоновочный эскиз, в котором детали сборки представлены различными объектами эскиза. Указать примерные местоположения каждого компонента, охватывая общий замысел проекта.

- Указать ссылки для геометрии в компоновочном эскизе при создании каждого компонента. Использовать компоновочный эскиз для определения размера, формы и местоположения компонента внутри сборки; каждая деталь должна содержать ссылку на компоновочный эскиз.

2.3.8 Этапы создания сборок

Для того чтобы создать новый файл трехмерной модели сборки, вызываем из меню Файл команду «Создать - Сборку» или можно нажать кнопку «Новая сборка» на Панели управления.

Сборка создается в следующем порядке:

- добавление компонентов в сборку;

- размещение компонентов в сборке;

- сопряжение деталей в сборке.

Готовая модель сборки кантователя представлена на рисунок 2.13.

Рисунок 2.13 - Модель сборки кантователя

При добавлении компонента в сборку (либо отдельной детали, либо узла сборки) в сборку файл детали связывается с файлом сборки. Компонент появляется в сборке, однако данные о компоненте остаются в его исходном файле.

Существует несколько способов добавления компонентов в новую или существующую сборку, а именно:

1. Использовать команду «Вставка», затем найти компонент;

2. Перетащить элемент из открытого окна документа;

3. Перетащить из «Проводника Windows»;

4. Перетащить гиперссылку из «InternetExplorer»;

5. Перетащить в сборку для получения новых экземпляров существующих компонентов.

Как только компонент добавляется в сборку, его можно перемещать, вращать или фиксировать его положение. Это полезно для приблизительного расположения компонентов в сборке. Затем можно точно расположить компоненты, используя взаимосвязи сопряжения.

Когда добавляются взаимосвязи сопряжения, компоненты можно перемещать в пределах неограниченных степеней свободы, наблюдая за поведением механизма.

Можно зафиксировать положение компонента так, чтобы он не мог передвигаться относительно исходной точки сборки. По умолчанию первая деталь в сборке фиксируется; однако ее можно в любое время сделать свободно перемещаемой (нефиксированной). Рекомендуется, чтобы, по крайней мере, один компонент сборки был либо зафиксирован, либо сопряжен с плоскостями сборки или исходной точкой. Это создает систему ссылок для всех других сопряженных деталей и может предотвратить неожиданное перемещение компонентов при добавлении сопряжений

Взаимосвязи сопряжения позволяют точно расположить компоненты в сборке относительно друг друга. Они позволяют определить, как компоненты перемещаются и вращаются относительно других деталей. Последовательно добавляя взаимосвязи сопряжения, можно перемещать компоненты в нужное положение.

Сопряжение создает геометрические взаимосвязи, такие как совпадение, перпендикулярность, касательность и т.д. Каждая взаимосвязь сопряжения действительна для определенных сочетаний геометрических форм.

В КОМПАС-3D можно задать сопряжения следующих типов:

- параллельность элементов;

- совпадение элементов;

- перпендикулярность элементов;

- расположение элементов под заданным углом;

- расположение элементов на заданном расстоянии;

- касание элементов;

- соосность элементов.

При наложении сопряжений на компоненты сборки следует иметь в виду следующие обстоятельства:

- Компоненты, элементы которых сопрягаются, автоматически перемещаются так, чтобы выполнялось условие сопряжения. Поэтому в сопряжении не могут участвовать элементы, принадлежащие одному и тому же компоненту либо сборке в целом. Например, нельзя установить совпадение двух осей, являющихся элементами сборки, даже если они проходят через ребра или вершины разных деталей.

По этой же причине нельзя создать связь между двумя зафиксированными компонентами сборки.

На компонент, который уже участвует в одном или нескольких сопряжениях, можно наложить только такое сопряжение, которое не будет противоречить наложенным ранее.

Если из двух сопряженных компонентов один зафиксирован, то подвижность второго компонента (а, следовательно, и возможность его сопряжения) ограничивается больше, чем, если бы он был сопряжен со «свободным» компонентом.

2.4 Имитационное исследование

Объектом исследования является валик кантователя. Исследование проводим в системе автоматизированного расчета и проектирования КОМПАС-3DV13.

КОМПАС включает эффективные и надежные алгоритмы и программы расчета:

- энергетических и кинематических параметров;

- прочности, жесткости и устойчивости;

- выносливости;

- надежности и износостойкости;

- динамических характеристик.

С ее помощью можно выполнить расчеты и проектирование:

1. Соединений деталей машин и элементов конструкций, включая комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения.

2. Всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач, и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме.

3. Винтовых передач.

4. Подшипников качения всех известных типов и подшипников скольжения.

5. Валов и осей.

6. Произвольных балочных конструкций.

7. Плоских ферменных и пространственных конструкций.

8. Напряженно-деформированного состояния деталей методом конечных элементов

9. Трехмерных рамных конструкций.

10. Упругих элементов машин (пружин сжатия, растяжения и кручения, плоских пружины, а также тарельчатых пружин и торс ионов).

11. Кулачковых механизмов с автоматическим генератором чертежей.

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.