Реконструкция отделения непрерывной разливки стали конвертерного цеха

Как и на большинстве современных МНЛЗ, в механизме применен безредукторный привод с двигателем постоянного тока, обеспечивающим регулирование частоты качания кристаллизатора. Применение безредукторного привода обусловлено необходимостью уменьшения зазоров в кинематической цепи от электродвигателя к кристаллизатору, в результате чего уменьшается удары в соединениях при знакопеременных нагрузках и более точно выдерживается закон движения кристаллизатора [2].

Амплитуду качания кристаллизатора регулируют изменением величины эксцентриситета эксцентрика, поворачивая его относительно эксцентрикового вала 3. В рабочем положении пружины 5 прижимают коническую фрикционную полумуфту на эксцентрике к полумуфте 2, связанной с эксцентриковым валом, которые вращаются как одно целое. При регулировании их рассоединяют гидроцилиндром 6, который плунжером перемещает траверсу 7 с тягами, сжимает пружину и отключает фрикционную муфту [2].

2.9 Автоколебания в процессе разливки стали

В процессе непрерывной разливки слиток движется с постоянной скоростью , а кристаллизатор совершает знакопеременное движение, описываемое синусоидальным законом изменением скорости (рис. 2.8).



На участке аb скорость кристаллизатора отличается от скорости слитка, но кристаллизатор и слиток движутся в одном направлении. При этом сила трения, действующая на корку слитка со стороны стенки кристаллизатора, вызывает в корке напряжения сжатия. Это наиболее благоприятно для обеспечения стабилизации процесса непрерывной разливки, поэтому необходимо стремиться к увеличению участка аb, т. е. выбирать такие параметры качания кристаллизатора, чтобы этот период времени был как можно более продолжительным.

Как показали исследования, автоколебания возникают в узкой полосе параметров. Так, для заготовки сечением 300? 450 мм, отливаемой при скорости разливки 0,6…1 м/мин на МНЛЗ с базовым радиусом 12 м, частота качаний, при которой возникают автоколебания, составляет 370…430 мин^-1.

Повышение частоты колебаний улучшает качество поверхности отливаемых заготовок и есть основания утверждать, что высокочастотные механизмы как раз работают в режиме автоколебаний. Но помимо положительных сторон есть и отрицательные: износ зубьев зубчатых колес редукторов, износ подшипников, в случаях, когда в системе возникает явление резонанса. Подбор соответствующего оборудования позволит исключить эти отрицательные стороны.

2.10 Механизм качания Dуnаflех

В связи с переходом ПАО «НЛМК» на применение инновационных технологий и использования нового оборудования и в свете проводимых в цехе реконструкции и модернизации предлагается заменить в ныне действующей НЛМЗ старого механизма качания эксцентрикового типа на механизм качания Dуnаflех конструкции Siеmеns VАI.

На смену механическому приводу приходят гидравлические системы, которые имеют лучшие характеристики практически по всем показателям. Они более удобны в эксплуатации, имеют меньшие габариты, большую надежность и производительность. Именно по таким параметрам и подходит механизм качания Dуnаflех конструкции Siеmеns VАI (рис. 2.9).

Механизм Dуnаflех конструкции Siеmеns VАI обеспечивает возможность оперативного регулирования амплитуды, частоты и формы кривой возвратно-поступательного движения кристаллизатора в процессе разливки, что позволяет существенно повысить эксплуатационные и металлургические показатели, например, минимизировать глубину глиссажных меток и повысить расход шлакообразующего порошка.

Точность роликовой проводки кристаллизатора обеспечивается системой направляющей с износостойкими листовыми рессорами, превосходящей другие системы по своим характеристикам.

Механизм качания Dуnаflех - устройство, запатентованное компанией Siеmеns VАI. Это технологический пакет, состоящий из опорной рамы и двух заменяемых по отдельности и взаимозаменяемых блоков качания, каждый из которых снабжен одним столом кристаллизатора и гидравлическим цилиндром.

Преимущества механизма качания Dуnаflех по сравнению с рассмотренными типами выше следующие:

- улучшение качества поверхности, особенно при низких скоростях разливки, сопровождаемое уменьшением глубины глиссажных меток, образующихся вследствие качания;

- высокая надежность (безопасность) процесса разливки при высоких скоростях, благодаря увеличению расхода шлакообразующего порошка и, следовательно, снижению риска прорывов;

- расширение рабочего диапазона и сокращение затрат на техническое обслуживание;

- минимизированный вес механизма качания;

- возможность использования кристаллизаторов всех существующих типов; сокращение стоимости запасных частей благодаря симметричной конструкции;

- автоматическая адаптация формы кривой, цикла и частоты возвратно- поступательного движения с использованием предварительно заданных и свободно конфигурируемых параметров.

- регулирование в режиме реального времени режима возвратно поступательного движения, например, промежутков времени опережении и отставании, коэффициента несинусоидальности, амплитуды и частоты.

За период эксплуатации нового кристаллизатора на МНЛЗ № 6 КЦ-2 существенных недостатков не выявлено. Уменьшилась трудоемкость ремонта и обслуживания, улучшилось качество продукции. Таким образом, повышение технико-экономических показателей агрегата обеспечивается установкой нового кристаллизатора с механизмом качания Dуnаflех конструкции Siеmеns VАI.

Механизм качания Dуnаflех обеспечивает скорость разливки металла до 2 м/мин и состоит из следующих основных частей (рис. 2.10):

- станины (7DС.СB.2581-M1000);

- привода качания (7DС.СB.2583-M1000);

- направляющей стола кристаллизатора (7DС.СB.2584-M1000).

Станина служит опорой рессорным лентам, приводу качания, столу кристаллизатора и самому кристаллизатору. Для частичной компенсации веса стола кристаллизатора и smаrt-кристаллизатора между станиной и столом кристаллизатора установлены винтовые пружины.

Основные размеры стола:

- длина - 2900 мм;

- ширина - 960 мм;

- высота - 1185 мм;

- вес - 3630 кг.

Привод качания кристаллизатора гидравлический. Качание кристаллизатора обеспечивается двумя блоками гидравлических цилиндров (сервовентилей.) Ход, частоту и форму волны качания можно регулировать, в зависимости от скорости разливки.

Основные размеры привода:

- длина - 559 мм;

- ширина - 420 мм;

- высота - 1810 мм;

- вес - 335 кг.

Основные характеристики:

- частота качания - 40…400 циклов в минуту;

- ход механизма качания - 0…12 мм;

- номинальное давление в гидросистеме - 25Мпа.

Стол кристаллизатора служит опорой кристаллизатору, снабжает кристаллизатор охлаждающей водой и передает движение.

Основные размеры стола:

- длина - 2900 мм;

- ширина - 960 мм;

- высота - 1354 мм;

- вес - 1655 кг.

При установке smаrt-кристаллизатора на столе кристаллизатора производится его автоматическое центрирование и подсоединение воды.

Направляющая стола кристаллизатора состоит из пластинчатых пружин и прижимных планок, расположенных по бокам станины и стола кристаллизатора и предназначенных для контроля движения стола в вертикальной плоскости.

3. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИВОДА КАЧАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

Анализ работы механизмов и узлов УНРС № 6 показал, что слабым звеном в установке является привод механизма качания кристаллизатора.

Качание кристаллизаторов осуществляется с помощью гидравлических цилиндров, штоки которых связаны со столами с помощью резьбовых соединений. Шток на верхнем конце имеет посадочный участок и резьбу М42, на которую навинчивается гайка. Гайка прижимает шток к коромыслу (корпусу) кристаллизатора, обеспечивая неподвижность соединения (рис. 3.1).

Работа привода со знакопеременными нагрузками приводит к ослаблению резьбового соединения вследствие самоотвинчивания и смятию витков резьбы. Появление зазоров в соединении нарушает работу привода, особенно на большой частоте колебаний, что приводит к ухудшению качества затвердевающего слитка, и в конечном итоге, к снижению качества продукции. Для исключения этого явления предлагается заменить резьбовое соединение штока гидроцилиндра с корпусом кристаллизатора на конусное, собранное с натягом, обеспечивающим неподвижность стыка деталей. Расчет на прочность модернизируемого соединения выполнен в следующей части выпускной работы.

4. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ПРИВОДА КАЧАНИЯ КРИСТАЛЛИЗАТОРА

4.1 Определение усилий, действующих на привод механизма качания

Привод качания кристаллизатора входит в механизм качания фирмы Dуnаflех и состоит из двух гидроцилиндров, управляемых блоком сервоклапанов. Каждый гидроцилиндр обслуживает свой механизм качания и может работать как самостоятельный узел, так и в паре с другим цилиндром, образуя общий механизм качения МНЛЗ.

В процессе работа кристаллизатор совершает возвратно-поступательное движение относительное оси движущегося слитка по синусоидальному закону с заданной амплитудой колебаний. Усилие привода должно преодолевать силу тяжести кристаллизатора, которая с дополнительным оборудованием составляет 196000 Н. Это усилие должны развивать гидроцилиндры провода механизма качания в эксплуатационном режиме работы МНЛЗ.

Конструктивно приводы выполнены в вертикальном исполнении, т. е. продольные оси силовых цилиндров в вертикальном исполнении, т. е. продольные оси силовых цилиндров совпадают с вертикальными осями механизмов качания, поэтому детали привода будут нагружены полной нагрузкой и на каждый из них будет действовать усилие F = 196000 Н.

4.2 Расчет на прочность штока привода

Шток привода воспринимает нагрузку от приводного гидроцилиндра, равную 196 кН и работает на сжатие при ходе кристаллизатора вверх и испытывает напряжение растяжения при перемещении вниз.

Шток представляет собой стержень круглого переменного сечения, который крепится в нижней части к приводному гидроцилиндру, а в верхней части - к корпусу стола кристаллизатора.

В наиболее узкой части диаметр штока равен 60 мм, поэтому произведем расчет на прочность этой части штока. Напряжение растяжения (сжатия) определяется по формуле [4]:

где - площадь поперечного сечения наиболее узкой части, т. е. наименьшего диаметра;

[] - допускаемое напряжение растяжения (сжатия), МПа; для стали 45Х ГОСТ 4543-71, из которой изготовлен шток, []=280 МПа [4,т.1, табл.16];

т. е. прочность штока в наиболее опасном месте достаточна.

При работе под нагрузкой шток может потерять устойчивость, т. к. он представляет собой вертикальный стержень, работающий на сжатие и нагруженный продольной осевой силой. Система считается устойчивой, если значение критической силы не превысит допускаемого значения [5, с.441]:

где Е - модуль продольной упругости материала; для стали 45Х модуль продольной упругости Е = Е 2,15 10 МПа;

I - момент инерции поперечного сечения штока;

м - коэффициент приведения длины, зависящий от способа закрепления; для штока, закрепленного одним концом и имеющего промежуточные ограничители, м = 0,5 [5, с.442];

l - длина штока; l = 1300 мм;

Поскольку значение критической силы больше реально действующей, равной 196 кН, шток привода при работе механизма будет занимать устойчивое положение.

4.3 Расчет соединения штока привода и стола кристаллизатора

Как уже отмечалось в п.3 настоящей работы, в качестве модернизации предлагается заменить резьбовое соединение штока гидроцилиндра механизма качания на конусное. В процессе работы шток совершает возвратно-поступательное движение, обеспечивая циклическое перемещение кристаллизатора вверх и вниз с различной амплитудой и частотой для избегания прилипания стали к медным плитам кристаллизатора. Шток соединен со столом кристаллизатора посредством конусного соединения (рис. 4.1).

В конусных соединениях усилие передается трением, возникающим на посадочных поверхностях деталей, образующих соединение. Подобно соединениям с натягом, конусные соединении применяют преимущественно в концевых установках, их можно собирать при любом взаимном угловом положении деталей. Осевое положение насадной детали на валу может изменяться из-за отклонений диаметральных размеров конических поверхностей вала и отверстия ступицы.

Конусностью называют отношение:

где - соответственно большой и малый диаметры конуса мм;

l - длина конуса, мм; для рассматриваемого соединения l = 55 мм;

а - половина центрального угла конуса.

На передаваемую нагрузку конусность не оказывает влияния, если затяжка производится исходя из условия создания в соединении расчетного натяга. С уменьшением конусности необходимая сила затяжки уменьшается, а осевое перемещение увеличивается; с увеличением конусности - растет. При постоянной силе затяжки с уменьшением конусности увеличиваются радиальный натяг и передаваемая нагрузка, но одновременно возрастают напряжения в соединяемых деталях.

Сопротивляемость конусных соединений с натягом осевому сдвигу неодинакова в различных направлениях. Если нагрузка направлена против вершины конуса, то сдвигу препятствуют сила трения F на посадочной поверхности и осевая составляющая реакции упругого сжатия охватываемой детали и растяжения охватывающей.

Сила трения определяется по формуле [6, 7]:

где р - давление на посадочной поверхности;

l и - длина и диаметр посадочной поверхности ( = d); величину

можно без большой погрешности заменить наибольшим диаметром конуса; = = 44 мм;

f - коэффициент трения; для соединяемых стальных деталей при отсутствии смазки f = 0,1 [4].

Осевая сила реакции, необходимая для создания давления к, определяется по формуле:

Полная сила, передаваемая соединением, определяется по формуле:

Сдвигу в штоке препятствует только сила трения. Сила упругой реакции, наоборот, способствует относительному сдвигу деталей. Сила сдвига при этом может быть определена по формуле:

Отношение сил сдвига, действующих в соединении, определяется выражением:

Для надежной работы соединения необходимо, чтобы отношение было по возможности близко к единице. Это условие выдерживается при К <1:50 (при f = 0,1 отношение > 0,8). При К= 1:10 и при минимальном f = 0,5 сила становится равной нулю (что означает нарушение условия самоторможения:

При К ? 1:50 сила F уменьшается незначительно (при К = 1:100 отношение примерно на 10% больше чем при К = 1:50). Вместе с тем уменьшение К вызывает ряд отрицательных явлений - увеличение осевого смещения при запрессовке, повышение чувствительности соединения к перегрузке силами .

Рекомендуемые конусности для соединений с натягом К=1:50…1:30 при которых отношение = 0,8…0,6 и сохраняет удовлетворительное значение 0,5 даже при f = 0,05. Поскольку несущая способность соединений силами, направленными к вершине конуса, значительно больше чем от вершины, то ограничений в выборе угла конуса нет. Для увеличения осевой нагрузки в направлении от вершины конуса и уменьшения осевого сдвига при затяжке обычно применяют конусность К =1: 20...1:10.

Для соединения штока с корпусом кристаллизатора принимаем = 0,8 и величину конусности К =1:50. Из выражения (1) величина половины центрального угла конуса равна:

При сборке натяг в конусных соединениях осуществляют одним из следующих способов (рис. 4.2):

а) запрессовкой регламентированной силой;

б) запрессовкой вала нормированным ударом;

в) запрессовкой на расчетное осевое перемещение h (осевой натяг);

г) тепловой сборкой (с нагревом охватывающей детали или охлаждением охватываемой).

Способ запрессовки расчетной силой (рис. 4.2, а) недостаточно точен, так как сила запрессовки зависит от коэффициента трения, который может значительно колебаться.

Наиболее точен способ запрессовки на расчетное перемещение. При этом охватывающую деталь устанавливают на конус вала с небольшой (предпочтительно нормированной) силой, после чего запрессовывают на расчетную величину h (рис. 4.2, в). Осевой натяг h выдерживают по разности отметок на валу при посадке без зазора ступицы и после сборки соединения.

При тепловой сборке (с нагревом насадной детали или охлаждением вала) деталь устанавливают на вал без натяга или с незначительным натягом. После остывания детали (или отогрева вала) в соединении возникает натяг, всецело определяемый температурой нагрева (охлаждения). В отличие от цилиндрических соединений с натягом, у которых температура нагрева (охлаждения) влияет только на сборочный зазор, но не сказывается на окончательном натяге, в конусных соединениях эта температура непосредственно определяет натяг. В данном случае необходимо точно выдерживать температуру сборки, что представляет определенные трудности, особенно при охлаждении (вследствие ограниченности выбора охлаждающих сред). Кроме того, на точность результатов влияет трудно учитываемое изменение температуры деталей в месте сборки.

Учитывая габариты деталей и место установки привода, принимается способ запрессовки штока в корпус с контролем расчетного перемещения h .

Максимальная нагрузка, передаваемая соединением, определяется допустимым напряжением смятия [] = 250…280 МПа [4, 6] на посадочных поверхностях, и также напряжениями, возникающими в штоке и корпусе при затяжке (обычно определяющими являются напряжения в охватывающей детали). Соединения рассчитывают с запасом n=1,3...1,5, увеличивая заданную нагрузку в n раз, или, что то же самое, снижая в n раз расчетный коэффициент трения.

Сила, передаваемая соединением, должна быть больше чем усилие на штоке, развиваемое приводным гидроцилиндром и больше суммарного сопротивления перемещению кристаллизатора при его работе. Усилие на штоке, развиваемое приводным гидроцилиндром можно определить по формуле [2]:

Где - диаметр поршня; = 180 мм;

р - давление в гидросистеме управления; р = 25 МПа;

В реальных условиях работы это усилие не будет реализовано полностью, а только на величину суммарного сопротивления перемещению кристаллизатора (=196 кН).

Сила трения, действующая в соединении, зависит от давления на посадочных поверхностях соединяемых деталей:

При движении штока вверх вероятность ослабления соединения меньше, чем при движении штока вниз, поэтому определяем силу, которую может передать конусное соединение для случая движения штока вниз по формуле:

Возникающий в соединении диаметральный натяг (в мкм) зависит от радиальной жесткости штока и охватывающей детали (корпуса кристаллизатора) и определяется формулой Ламе [5]:

где и - коэффициент, учитывающий свойства материала;

где - модули нормальной упругости и коэффициенты Пуассона материалов соответственно штока и корпуса кристаллизатора; при одинаковом материале штока и корпуса ;

- коэффициенты, учитывающие размеры и форму деталей;

где - факторы тонкостенности (отношение внутреннего диаметра штока к наружному );

при сплошном штоке =0; = =3; тогда = 1; = 0;

Осевой натяг h , необходимый для получения расчетной величины ? , определяется по формуле:

где - натяг, зависящий от шероховатости;

где - высота микронеровностей соответственно поверхности штока и отверстия в корпусе, мкм; соединение штока и корпуса обрабатывается с шероховатостью Rа = 0,4, что соответствует = 1,6 мкм;

? - коэффициент смятия микронеровностей; принимаем ? = 0,5 ;

Величина расчетного контрольного перемещения штока при запрессовке составит:

Величина контрольного перемещения контролируется в процессе запрессовки штока в корпус при сборке узла.

Таким образом, предлагаемое конусное соединение обеспечивает передачу нагрузки от гидроцилиндра через шток к корпусу кристаллизатора.

Учитывая то, что нагрузка в соединении имеет знакопеременный характер (шток в процессе работы перемещается вверх и вниз), а коэффициент трения в стыке деталей может неконтролируемо изменяться, существует вероятность ослабления соединения вплоть до раскрытия зазора. В связи с этим для повышения надежности работы предлагается установить в хвостовике штока в верхней его части дополнительное клиновое соединение, схема которого показана на рис. 4.3.

Конструктивно принимаем односкосной клин с уклоном 1:50, который имеет в поперечном сечении форму прямоугольника. Применение двухскосных клиньев не дает преимущества с точки зрения прочности, но менее технологично и сложнее в изготовлении [6, 7, 9].

При коэффициенте трения f = 0,1 (сталь по стали) угол трения имеет величину ц=45. Из условия самоторможения, что является важным фактором в клиновых соединениях, угол конусности клина должен не более быть двух углов трения: б ? 2 ? ц.

При принятом уклоне 1:50 угол конусности клина определится выражением:



Условие самоторможения выполняется.

Толщина клина выбирается в зависимости от диаметра хвостовика по формуле [6, 8]:

Принимаем = 14 мм.

Высота клина определяется по формуле:

где [] - допускаемое напряжение изгиба; для стали 45 [] = 150 МПа [4, т.1, табл.15];

принимаем h = 60 мм.

Напряжения смятия на рабочих поверхностях клина определяются по формуле:

Клин устанавливается методом запрессовки в отверстие хвостовик штока. Дополнительной затяжки клина не требуется, т. к. при принятых размерах условие самоторможения выполняется.

Установка клина на хвостовике штока препятствует ослаблению основного конусного соединения и повышает надежность конструкции в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В выполненной выпускной квалификационной работе:

1. Рассмотрен комплекс основного оборудования конвертного цеха №2 ПАО «НЛМК».

2. Рассмотрен принцип работы и схемы установок непрерывной разливки стали.

3. Предложено заменить винтовое крепление хвостовика штока гидроцилиндра на клиновое для повышения надежности работы узла.

4. Выполнен расчет на прочность узла крепления штока, который показал, что прочность конического соединения достаточна для передачи рабочей нагрузки при работе установки.

5. Предложено крепление хвостовика штока, повышающее надежность работы узла.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Нечкин, Ю.М. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства [текст] / Ю.М. Нечкин, В.П. Григорьев [и др.]. - М.: МИСИС, 1995.-512 с., ил.

2. Целиков, А.И. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Т.2 [текст] / А.И. Целиков [и др.]. - М.: Металлургия, 1988. - 520 с., ил.

3. Лукашкин, Н.Д. Конструкция и расчет машин и агрегатов металлургических заводов [текст] / Н.Д. Лукашин, Л.С. Кохан, А.М. Якушев [и др.]. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 456 с., ил.

4. Анурьев, В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. Т.1[текст] / В.И. Анурьев [и др.]. - М.: Машиностроение, 1985. - 728 с., ил.

5. Федосьев, В.И. Сопротивление материалов [текст] / В.И. Федосьев [и др.]. - М.: Наука, 1980. - 496 с., ил.

6. Решетов, Д.Н. Детали машин [текст] / Д.Н. Решетов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1980. - 496 с., ил.

7. Гузенков, П.Г. Краткий справочник к расчетам деталей машин [текст] / П.Г. Гузенков [и др.]. - М.: Высшая школа, 1984. -324 с., ил.

8. Чернин, И.М. Расчет деталей машин [текст] / И.М, Чернин, А.В. Кузьмин [и др.]. - М.: Машиностроение, 1984. - 324 с., ил.

9. Ряховский О.А. Детали машин [текст] / О.А. Ряховский. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 514 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...