72042

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ І УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ ВІДСІЧЕННЯ КОНВЕРТЕРНОГО ШЛАКУ ЕЛЕМЕНТАМИ ПОПЛАВКОВОГО ТИПУ ПРИ ВИПУСКУ СТАЛІ

Автореферат

Производство и промышленные технологии

Мінімізація кількості кінцевого шлаку що потрапляє в розливний ківш під час випуску металу з кисневого конвертера є важливим технологічним завданням від успішного вирішення якого значною мірою залежать ефективність подальшої позапічної обробки сталі і виробничі витрати зумовлені...

Украинкский

2014-11-17

3.67 MB

2 чел.

5

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

БЄДАРЄВ СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

УДК 669.18:621.87

ОБГРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ І УДОСКОНАЛЕННЯ СИСТЕМИ

ВІДСІЧЕННЯ КОНВЕРТЕРНОГО ШЛАКУ ЕЛЕМЕНТАМИ

ПОПЛАВКОВОГО ТИПУ ПРИ ВИПУСКУ СТАЛІ

Спеціальність 05.05.08 - Машини для металургійного виробництва

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк-2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному вищому навчальному закладі Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник –

доктор технічних наук, професор

ЄРОНЬКО Сергій Петрович,

Державний вищий навчальний заклад

«Донецький національний технічний

університет», (м. Донецьк),

завідувач кафедри «Механічне обладнання
заводів чорної металургії».

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

СУГЛОБОВ Володимир Васильович,

«Приазовський державний технічний

університет», (м. Маріуполь),

завідувач кафедри «Підйомно-транспортні машини і деталі машин»;

кандидат технічних наук,
НИЖНИК Наталія Володимирівна,
«Севастопольський національний університет ядерної енергії і промисловості»,

(м. Севастополь), доцент кафедри "Нарисна геометрія та комп'ютерна графіка».


Захист відбудеться « 24 » березня 2011 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, I навчальний корпус, малий актовий зал.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного вищого навчального закладу «Донецький національний технічний університет» за адресою: 83001, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навчальний корпус.

 
Автореферат розісланий « 21 » лютого 2011 р.

 
Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д 11.052.01, д.т.н., проф.                                                                    О.В. Яковченко



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Мінімізація кількості кінцевого шлаку, що потрапляє в розливний ківш під час випуску металу з кисневого конвертера, є важливим технологічним завданням, від успішного вирішення якого значною мірою залежать ефективність подальшої позапічної обробки сталі і виробничі витрати, зумовлені підвищеним угаром розкислювачів і лігатур, а також інтенсивним зношенням вогнетривкої футеровки ковша. Існуюче завдання відсічення конвертерного шлаку на підприємствах України як і раніше не вирішено. Застосовувані пристрої іноземних фірм-виробників для введення відсічних елементів (поплавків) в кисневий конвертер не є універсальними, що при різноманітті схем розташування основного і допоміжного обладнання на робочих майданчиках кисневих конвертерів вимагає використання різних модифікацій багатоприводних маніпуляторів індивідуального виготовлення, забезпечених дорогими системами автоматизації. Недостатня ймовірність спрацьовування відомих відсічних систем пояснюється їх конструктивними недоробками, що пов'язано з відсутністю чітких теоретичних і практичних рекомендацій з вибору раціональних геометричних та технологічних параметрів застосовуваних маніпуляторів і відсічних елементів поплавкового типу, що вводяться з їх допомогою в випускний канал конвертера. Тому обґрунтування параметрів і удосконалення систем забезпечення безшлакового випуску сталі з кисневих конвертерів в умовах металургійних підприємств України і СНД є актуальним науково-практичним завданням, рішення якого дозволить підвищити ефективність сучасного сталеплавильного виробництва і сприятиме його подальшому розвитку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Завдання, розглянуті в дисертації, відповідають Державній програмі розвитку гірничо-мета-лургійного комплексу України до 2010 року та Програмі науково-технічного розвитку Донецької області на період до 2020 року. Робота виконана у відповідності з планом наукових досліджень ДВНЗ "Донецький національний технічний університет". Дисертація пов'язана з дослідженнями, виконаними в роботах кафедри «Механічне обладнання заводів чорної металургії» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет»: «Розробка теорії та методів раннього діагностування технічного стану електромеханічних систем» (№ Н-11-04); «Розробка проекту дослідно-промислового зразка пристрою для забезпечення безшлакового випуску сталі з кисневого конвертеру» (спільно з бюро металургійного обладнання ЗАТ «НКМЗ»), в яких здобувач брав участь як виконавець.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є досягнення ступеня відсічення кінцевого конвертерного шлаку не менше 70% за рахунок удосконалення системи відсічення шляхом обґрунтування конструктивних і енергосилових параметрів маніпулятора для введення елементів поплавкового типу в випускний канал сталеплавильного агрегату.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені наступні основні завдання:

      – на підставі результатів фізичного моделювання процесу відсічення конвертерного шлаку виявити особливості силової взаємодії відсічного елемента поплавкового типу з рідинними потоками у випускному каналі кисневого конвертера;

– одержати залежності, що дозволяють розрахувати баланс сил, що діють під час випуску сталі на відсічний елемент, і визначити його геометричні параметри, при яких забезпечується ступінь відсічення шлаку, не менше 70%;

– запропонувати нову конструкцію механічного маніпулятора для введення відсічних елементів, що відрізняється універсальністю і раціональністю;

– розробити математичну модель маніпулятора для введення відсічних еле-ментів, що дозволяє визначати його конструктивні та енергосилові параметри;

– розробити методику для розрахунку параметрів маніпулятора;

– підготувати робочий проект дослідно-промислового зразка маніпулятора для бюро металургійного обладнання ЗАТ «НКМЗ»;

– оцінити ефективність застосування запропонованої системи відсічення шлаку, виконати її дослідно-промислове освоєння і передати до впровадження у виробництво.

Об'єкт дослідження. Система відсічення кінцевого шлаку елементами поплавкового типу при випуску сталі з конвертера в розливний ківш.

Предмет дослідження. Конструктивні та енергосилові параметри пристрою для реалізації безшлакового випуску конвертерної сталі.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувалися на фундаментальних положеннях і методах теорії машин і механізмів, опору матеріалів та гідравліки. Експериментальні дослідження ґрунтувалися на фізичному моделюванні процесу взаємодії відсічних елементів з потоками розплаву у випускному каналі кисневого конвертера, а також були пов'язані з визначенням допустимих енергосилових параметрів маніпуляційної системи та її приводу. Використовувалися методи тензометрії в комплексі з аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) і ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше встановлена наявність явища осциляції елементів поплавкового типу у ванні кисневого конвертера на заключній стадії випуску сталі, і виконана оцінка впливу геометричних параметрів і фізичних властивостей матеріалу елемента поплавкового типу на ступінь відсічення кінцевого шлаку при випуску сталі в розливний ківш. Встановлено, що амплітуда і частота коливань залежать від форми, об'єму, площі поверхні, що омивається, головної частини елемента поплавкового типу і змінюються відповідно в межах 5 - 40 мм та 1 - 7 Гц.

2. Вперше встановлено механізм збудження осциляції відсічних елементів на поверхні розділу шлак-метал, яка обумовлена дисбалансом діючих на відсічний елемент сил, що затягують і виштовхують, і викликає передчасне перекриття каналу кисневого конвертера на заключній стадії процесу випуску сталі. Для підтримки балансу сил, при якому максимально вдається знизити інтенсивність коливань поплавкового елемента, його об'єм та площа миделевого перерізу повинні становити відповідно 0,033 м3 і 0,14 м2, а густина матеріалу не більше 2000 кг/м3. Встановлено, що для зниження ймовірності виникнення коливань відсічного елемента, відношення його запасу плавучості до сили тяжіння повинно бути (3-3,2): 1.

3. Отримала подальший розвиток оцінка термічного напруженого стану штанги маніпулятора, найбільш схильної до інтенсивного теплового впливу. Встановлено, що гранична тривалість знаходження штанги в робочому просторі кисневого конвертера при здійсненні скидання відсічного елемента, повинна становити не більше 40 с, при цьому вона нагрівається до 300оС, а термічні напруження понад    250 МПа.

4. Вперше на основі теоретичних і експериментальних досліджень отримано залежності для визначення: 1) кутової швидкості і кутового прискорення робочого органу маніпулятора у вигляді ; , де D1, D, DD1, DD – функції довжин ланок і їх кутів положення; 2) окружної сили P на приводному колесі у фор-мі трансцендентного виразу  , де μ1, rA, rB, dпр.к – коефіцієнт тертя і радіуси шарнірів А і B, діаметр приводного колеса маніпулятора; B1A, B2A, B3A, B1B, B2B, B3B, TMZ - функції кінематичних параметрів ланок, їх масових та інерційних характеристик. Отримані залежності забезпечують знаходження кінематичних і енергосилових параметрів маніпулятора з урахуванням його положення щодо конвертера і місткості плавильного агрегату.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано методику розрахунку енергосилових і конструктивних параметрів та сформульовано практичні рекомендації з проектування системи відсічення кінцевого конвертерного шлаку.

З використанням результатів теоретичних і експериментальних досліджень підготовлено робочий проект дослідно-промислового зразка нового маніпулятора, який передано бюро металургійного обладнання ЗАТ «НКМЗ» для практичного застосування при розробці обладнання сучасних сталеплавильних цехів (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 20.04.10р.).

Новизна технічних рішень, закладених у конструкцію розробленого маніпулятора, захищена патентом України на винахід № 83727 «Пристрій для відсічення шлаку при випуску сталі з конвертера».

Методика розрахунку параметрів маніпулятора і його лабораторний зразок використовується в навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності «Металургійне обладнання» на кафедрі «Механічне обладнання заводів чорної металургії» ДВНЗ "Донецького національного технічного університету" (акт про використання в навчальному процесі від 20.05.10р.).

Очікуваний економічний ефект від впровадження запропонованої розробки, за рахунок досягнення ступеня відсічення шлаку не менше 70%, склав 4,2 млн. грн. при річному виробництві 2,55 млн.т конвертерної сталі, що дозволить окупити витрати на виготовлення необхідних 3-х маніпуляційних систем відсічення шлаку протягом 3 місяці. Доля автора 5% (210 тис. грн).

З використанням результатів дисертації при розробці і проектуванні НВО «Донікс» систем відсічення конвертерного шлаку для ряду металургійних підприємств України за період з 2007 по 2009р., отримано економічний ефект у розмірі 150 тис. грн. Доля автора 30% (50 тис. грн). (відповідний акт від 19.05.10р.)

Особистий внесок здобувача.

Основні наукові та практичні результати отримані автором самостійно. Встановлення наявності явища і механізму збудження осциляції відсічних елементів, оцінка термічного напруженого стану штанги маніпулятора, отримання залежностей для знаходження кінематичних і енергосилових параметрів маніпулятора, створення нових конструкцій, розробка методик досліджень, посібників по їх проведенню, одержання результатів і їх аналіз виконані автором.

У наукових працях, опублікованих за темою дисертації у співавторстві, конкретний особистий внесок здобувача дано у вигляді коротких анотацій після зазначення їх номерів у списку опублікованих праць за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні, практичні результати і пропозиції, наведені в дисертаційній роботі, доповідалися та отримали схвалення на: 3 Науково-практичній конференції «Передові технології та обладнання сталеплавильного виробництва» (м. Донецьк, 2006р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивні технології в металургії сталі: XXI століття» (м. Донецьк, 2006р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Металлургия и литейное производство 2007. Беларусь» (м. Жлобін, 2007р.), I Міжнародній науково-практич-ній конференції «Интехмет-2008» (м. Санкт-Петербург, 2008р.), V науково-практич-ній конференції «Донбас-2020: Перспективи розвитку очима молодих вчених»      (м. Донецьк, 2010р.), розширеному засіданні кафедри «Механічне обладнання заводів чорної металургії» ДВНЗ «Донецький національний технічний університет», 2010 р.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 10 наукових працях, в тому числі: 9 статтях у наукових журналах, 1 патенті України на винахід. У фахових виданнях ВАК України опубліковано 8 статей.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел (99 найменувань) та 2 додатки. Повний обсяг дисертації - 209 сторінок, загальний обсяг - 143 сторінки. У розділах дисертації є 59 рисунків і 7 таблиць, у тому числі 8 рисунків та 1 таблиця на окремих сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ


       
У першому розділі «Перспективи використання обладнання для відсічення конвертерного шлаку при випуску сталі та необхідність його подальшого вдосконалення» представлений аналіз ефективності застосування різних систем відсічення кінцевого конвертерного шлаку в процесі випуску сталі в розливний ківш. На підставі огляду робіт, присвячених проблемі утримання в кисневому конвертері шлакового розплаву, систематизовано чинники, що впливають на повноту відсічення шлаку, і вибрано напрямок подальшого вдосконалення обладнання, що при цьому використовується. Показано, що найбільш перспективним і економічно вигідним способом реалізації безшлакового випуску сталі з кисневого конвертера є той, який передбачає введення в ванну сталеплавильного агрегату за допомогою спеціального маніпулятора елемента поплавкового типу, плаваючого на межі поверхні розділу шлак-метал і блокуючого випускний канал у момент підходу до нього шару шлакового розплаву.

Поряд з цим встановлено, що ефективність функціонування даної системи відсічення шлаку залежить не тільки від форми і матеріалу поплавкового елемента і точності його позиціонування щодо центру вхідного отвору випускного каналу агрегату, що забезпечується маніпулятором, як вважалося до недавнього часу. На кількість агресивного шлаку, що потрапляє в розливний ківш, і обсяг металу, що залишається в конвертері через передчасне перекриття його каналу відсічним елементом під час випуску плавки, істотно впливають мало вивчені процеси взаємодії поплавків з потоками розплаву у ванні агрегату, а також надійність роботи в екстремальних умовах і технічні можливості механічної системи маніпулятора.

Тому виникла необхідність у розробці методів розрахунку раціональних геометричних параметрів відсічних елементів поплавкового типу і енергосилових параметрів маніпуляторів, що забезпечують їх точне і своєчасне скидання у ванну конвертера в заключній стадії процесу випуску з нього металу.

У другому розділі «Дослідження на фізичних моделях умов функціонування і підвищення ефективності використання відсічних елементів поплавкового типу» наведені результати фізичного моделювання процесу відсічення кінцевого шлаку з використанням елементів поплавкового ти-пу різної форми з метою вивчення умов їх силової взаємодії з потоками розплаву в рідкій ванні кисневого конвертера. Експе-риментальні дослідження проводили на лабораторній установці, схематично пред-ставленій на рис.1 і яка включала виконану з органічного скла ємкість 1, що імітує в масштабі 1:5 частину ванни 160-тонного кисневого конвертера з випускним кана-лом. Співвісно з цим каналом всередині єм-кості розміщували модель відсічного еле-мента 2, яку за допомогою шарнірної під-віски 9 кріпили до тензорезисторного пе-ретворювача 8, фіксуючого результуючу сил, що діють на поплавок.

        У ході експерименту рідку сталь моде-лювали чистою водою, а для імітації шлаку використовували мінеральне масло. При цьому дотримувалися геометричної та динамічної подоби, що підтверджувалося рівністю критеріїв Ньютона та Фруда для натурного зразка та його моделі. C урахуванням того, що масштабні множники густини, лінійних розмірів і швидкості відповідно рівні: аρ= 7; аl  = 5; аv= аl0,5 =2,23, значення масштабного множника сил склало: аF = аρ·аl 2·аv2 = 875.

Для проведення досліджень виготовили комплект моделей відсічних елементів поплавкового типу, характеристики яких наведені в табл. 1. За процесами, що протікають в моделі кисневого конвертера при імітації безшлакового випуску сталі, здійснювали візуальний контроль з одночасною відеозйомкою цифровою відеокамерою картин, що спостерігалися. Під час спостережень у заключній стадії модельованого процесу випуску сталі було встановлено явище осциляції відсічних елементів. Зафіксована на моделі глибина ванни, що відповідала початку коливальних процесів, для всіх моделей відсічних елементів була приблизно однаковою (≈ 42 мм). Максимальна амплітуда вертикальних коливань елементів для кожного з чотирьох варіантів конструктивного виконання склала: (I)-40, (II)-30, (III)-25, (IV)-20 мм. При

цьому кількість води, моделюючої рідку сталь, яка залишалася разом з імітатором шлаку в  моделі  конвертера після перекриття випускного каналу відсічним елементом, знаходилася в прямій залежності від амплітуди його коливань відносно площини плавання.

Коливання моделей поплавків, що спостерігалися, є вимушеними, оскільки виникають під дією зовнішніх збуджуючих сил з боку потоків рідини. Початок розвитку коливального процесу пов'язаний з порушенням балансу сил у системі поплавок-рідина, що знаходиться в рівновазі в початковий момент після скидання відсічного елемента в рідку ванну. Поки його головна частина віддалена від вхідного отвору випускного каналу, спрямовані вниз сили тяжіння плаваючого тіла і в’язкістного тертя рідини врівноважені протидіючою їм підйомною (Архімедовою) силою. Ця рів-

Таблиця 1

Основні характеристики моделей відсічних елементів

Форма і розміри, мм

Залежності змінення об’єму V (–) занурюваної частини та площі поверхні S (----), що омивається, моделі відсічного елемента від його занурення в рідину h

новага забезпечується завдяки запасу плавучості елемента, що має бути достатнім для подолання додаткового навантаження, наростаючого в міру опускання рівня рідкої ванни.

Попадання головної частини поплавка-відсікача в зону потоків рідини, що мають значно більшу швидкість, а також виникнення гідродинамічних умов, що сприяють утворенню завихрень на вході в випускний канал і короткочасному існуванню воронки, викликають різке занурення відсічного елемента, яке продовжується до тих пір, поки задіяний запас плавучості і сила лобового опору елемента в сукупності не урівноважать силу, що захоплює його в глибину рідкої ванни. З цього випливає, що глибина занурення і, отже, амплітуда коливань елемента залежать не тільки від співвідношення зазначених сил, а й від динаміки їх наростання в міру заглиблення поплавка-відсікача в рідку ванну. Тому серед відсічних елементів різного конструктивного виконання мінімальну амплітуду коливань має той, у якого рівновага сил, що діють на нього вздовж вертикальної осі в протилежних напрямках, забезпечується при меншому зануренні його головної частини в рідину. У табл.1 наведені графіки зміни обсягу зануреної частини моделі відсічного елемента і площі її поверхні, що омивається рідиною, при різному зануренні в рідку ванну, побудовані для 4-х варіантів конструктивного виконання поплавка-відсікача. На наведених графіках суцільна лінія відображає залежність об'єму V зануреної частини моделі поплавка і, отже, дію на неї сили, що виштовхує, від заглиблення в рідку ванну. Пунктирною лінією показана залежність площі поверхні S, що омивається, моделі відсічного елемента від глибини її занурення. Ця лінія характеризує також зміну діючої на відсічний елемент сили в’язкістного тертя, яка залежить від площі його поверхні, що омивається.

За допомогою вимірювальної системи, яка включала тензорезисторний перетворювач, підсилювач змінного струму, АЦП і ЕОМ, в режимі реального часу реєстрували сигнал (рис.2.а), відповідний результуючому навантаженню Fp, що діє на поплавок-відсікач і визначається з балансу сил


                                                         Fp =  Fз+ G п - Fв- Fдс,                                                      (1)


тут Fз - сила в’язкістного тертя, що захоплює поплавок у глибину рідкої ванни (сила затягування); G п - сила тяжіння поплавка; Fв – сила, що виштовхує; Fдс - сила опору, викликана динамічним тиском рідини на елемент при його різкому зануренні. Результуюче навантаження Fp враховує силу інерції, що носить знакозмінний характер і виникає при зануренні і спливанні відсічного елемента.

   

а

Рис. 2. Характерний вид сигналу при контролі результуючого навантаження Fр (а), яке діє на модель відсічного елемента після скидання в рідку ванну (б) і під час його коливань в завершальній стадії імітованого процесу відсічення шлаку (в) і (г)

У результаті аналізу зображень відсічних елементів, послідовно зафіксованих на окремих кадрах, встановили швидкість заглиблення в рідку ванну, а також об’єм частин поплавка, занурених в модельні рідини. На підставі отриманих даних розрахували значення сили, що виштовхує, за відомою в гідравліці формулою

 

                                                         Fв = g(ρвVпв + ρмVпм),                                                   (2)

тут ρв - густина води, що імітує сталь; ρм - густина мінерального масла, що імітує шлак; Vпв - об'єм частини відсічного елемента, зануреної у воду; Vпм - об'єм частини відсічного елемента, зануреної в масло.

Для обчислення сили динамічного впливу рідини на поплавок, що швидко в неї занурюється, провели додатковий експеримент, в ході якого у посудину, заповнену водою, по черзі поміщали в перевернутому стані моделі відсічних елементів і при піднятті вгору з фіксованою швидкістю v контролювали за допомогою тензометричного перетворювача сили опору, що долаються. За даними вимірювань побудували графіки, наведені на рис.3. Силу в’язкістного тертя Fз, що захоплює відсічний елемент у глибінь рідкої ванни, знаходили з рівняння (1), підставляючи в його ліву частину виміряні значення Fp, а в праву - відомі значення сили ваги моделі елемента Gп та обчислених сил Fв і Fдс. Результати розрахунку балансу сил, що діють на моделі відсічних елементів, представлені в табл. 2.

Перевищення суми значень сил, що затягують відсічний елемент у рідку ванну, над сумою значень сил, що перешкоджають цьому, істотно залежить від форми та об'єму головної частини елемента, а також густини матеріалу, з якого він виготовлений. Поряд з цим важливе значення має така характеристика поплавка, як запас плавучості, під якою розуміють додаткове навантаження, відповідне силі тяжіння рідкої сталі в обсязі головної частини поплавка, яка розташована вище поверхні розділу металевої та шлакової фаз. Перевищення сил, що затягують, над тими, що виштовхують, і збільшення амплітуди коливань у однакових за формою моделей елементів на межі поділу шарів модельних рідин, підтверджує причинно-

наслідковий зв'язок між різкими змінами силового балансу і осциляцією поплавків. Тому, кращою фор-мою поплавкового елемента потрібно визнати ту, при якій амплітуда коливань буде найменшою, тоб-то для практичного застосування можуть бути реко-мендовані відсічні елементи, що мають конструкт-тивне виконання, подібне моделям поплавків III і IV типів.

Дані розрахунку сил, що діють з боку потоків рідкого металу на промислові зразки таких відсіч-них елементів, що був виконаний з використанням масштабного множника аF, дозволили встановити необхідний запас їх плавучості і основні конструкт-тивні параметри (табл. 3.), при яких одночасно забезпечується мінімізація кількості рідкої сталі, що залишається в кисневому конвертері після пере-криття його випускного каналу, і підвищується ступінь утримання в ньому кінцевого шлаку.

                                                                                      Таблиця 2

Результати розрахунку балансу сил, що діють на моделі відсічних елементів

Тип моделі   елемента

Значення сил,  Н

Fз

G п

Fв

Fдс

Fp

I

3,68

0,36

2,66

0,78

0,6

II

3,27

0,33

2,52

0,58

0,5

III

3,02

0,35

2,47

0,60

0,3

IV

2,77

0,37

2,29

0,65

0,2

                                                                                                               Таблиця 3

Розрахункові конструктивні параметри промислових зразків

відсічних елементів

Форма     елемента

Об’єм,м3

Густина матеріалу, кг/м3

Сила тяжіння, Н

Запас плавучості, Н

Площа миделевого перерізу, м2

0,033

2000

647

2263

0,14

0,035

2000

686

2400

0,14

У третьому розділі «Дослідження кінематики, розробка конструкції і методики розрахунку енергосилових параметрів раціональної конструкції маніпулятора для введення відсічних елементів у випускний канал конвертера» відповідно до положень теорії проектування та оцінки надійності поставлене завдання по створенню раціональної конструкції маніпулятора вирішували в три етапи.

На першому етапі попередньо за критеріями працездатності визначили розміри і маси деталей механізму; виконали їх конструктивне опрацювання й оцінили напружений стан в найбільш навантажених перерізах. Конструктивна схема розробленого маніпулятора показана на рис.4. Він включає колону 3, встанов-лену у нижній 2 і верхній 5 нерухо-мих підшипникових опорах, що по-вертається приводом 1 і пов'язана з консоллю 4, на якій змонтований під-шипниковий вузол з вертикальним валом 12. На нижньому кінці цього вала жорстко закріплений кронштейн 13, споряджений двома поздовжніми направляючими, в яких розміщені ро-лики каретки 14, що несе пустотілу штангу 15. На передньому кінці штан-ги за допомогою підпружиненого фіксатора утримується відсічний елемент 16. Механізм повороту кронштейна 13 відносно консолі 4 складається з конічної зубчастої пари 11, що зв'язує вертикальний вал 12 із заднім кінцем горизонтального вала 9, який розміщений в підшипникових опорах 8 і 10. На передньому кінці горизонтального валу встановлено конічне зубчасте колесо 7, яке має можливість обкатування по конічній зубчастій шестерні 6, що жорстко закріплена на нерухомій верхній опорі 5 поворотної колони. Співвідношення чисел зубів нерухомої конічної шестерні 6 і конічного зубчастого колеса 7 задають таким, щоб під час повороту на потрібний кут з вихідного положення колони 3 з консоллю 4 автоматично забезпечувався одночасний відносний поворот кронштейна 13 на кут, при якому пустотіла штанга 15 розташується уздовж осі симетрії корпусу конвертера для будь-якого заданого варіанта розміщення технологічного обладнання на робочому майданчику при незмінній базовій комплектації основних механізмів (рис. 5). Таке конструктив-не рішення дозволило підвищити ступінь універсальності конструкції маніпулятора, уніфікації його структурних вузлів і зменшити число приводів.

На другому етапі здійснили оцінку міцності елементів конструкції маніпулятора шляхом зіставлення виникаючих у них сил від діючих механічних і теплових навантажень.

Розрахунок температурного поля штанги маніпулятора містить два етапи: на першому - розглядали задачу нагрівання, відповідну операції введення з відсічним елементом у порожнину конвертера; на другому етапі розв'язували задачу охолодження після виведення штанги з конвертера. Обидві задачі є нестаціонарними.

Просторово-часове температурне поле штанги маніпулятора можна описати рівнянням

                                                               

    

     

де T = f(x, y, z)- температура довільної точки (x, y, z) штанги маніпулятора, а- коефіцієнт температуропровідності матеріалу штанги; r,q - координати довільної точки поперечного перерізу штанги маніпулятора в циліндричній системі координат.

В якості початкових умов прийнято, що перед введенням в конвертер штанга маніпулятора має однорідне температурне поле, і її температура дорівнює температурі навколишнього середовища. Для вирішення диференціальних рівнянь сформульовані такі граничні умови: 1) теплообмін на внутрішньому контурі поперечного перерізу штанги відсутній; 2) на зовнішньому контурі ділянки штанги, що знаходиться в конвертері, відбувається теплообмін випромінюванням з робочим простором плавильного агрегату.

Теплообмін між пустотілою штангою і газоподібним середовищем в порожнині конвертера під час введення в його випускний канал відсічного елемента  відбувається за законом Стефана-Больцмана q1=прив(Тк/100)4  (Т /100)4. У цьому виразі прив - приведений коефіцієнт випромінювання системи конвертер – пустотіла штанга; Тк - абсолютна температура в порожнині конвертера; Т - абсолютна температура поверхні пустотілої штанги.

При охолодженні штанги на повітрі віддача тепла її поверхнею у навколишнє середовище відбувається за законом Ньютона-Ріхмана q2 =к (Т То). У цьому виразі к - коефіцієнт тепловіддачі від пустотілої штанги в повітря; Т - температура поверхні пустотілої штанги; То - температура повітря на робочому майданчику.

Сумарні (механічні і температурні) напруження, що виникають у будь-якому поперечному перерізі штанги маніпулятора без урахування повзучості матеріалу, описуються відомим виразом:

               (4)

де N, Mx, My - поперечна сила, згинальні моменти в поперечному перерізі штанги від механічного навантаження відповідно; Е - модуль пружності матеріалу шта-нги, E=f(T); – середнє за перерізом штанги значення модуля пружності; a- ко-ефіцієнт температурного розширення матеріалу штанги; Т - температура в довільній точці (x, y, z) поперечного перерізу штанги; F, Ix, Iy - площа поперечного перерізу і осьові моменти інерції перерізу штанги.

Розрахунок температур, що змінюються в часі, і напружень виконали з використанням програмного комплексу ANSYS з урахуванням того, що штанга є порожній циліндр з внутрішнім і зовнішнім діаметрами відповідно 160 і 220 мм, виготовлений із сталі 35 з наступними механічними і теплофізичними характеристиками: т=330 МПа, в=613 МПа, модуль пружності E=f(T), коефіцієнт Пуассона  коефіцієнт лінійного розширення =f(T), коефіцієнт температуропровідності a= f(T). Результати розрахунків, наведені на рис.6, свідчать про те, що тіло штанги, що знаходиться в робочому просторі конвертера 40 c при введенні в його випускний канал відсічного елемента, нагрівається до температури 300оС, а еквівалентні напруження за своїм значенням не наближаються до критичних. Оцінка адекватності розрахунку температурного поля була проведена на фізичній моделі штанги і розбіжність результату склала 3,6-6,4% для періоду нагріву і охолодження.

    

а

б

Рис. 6. Зміни в часі температури (а) та еквівалентних напружень (б) по радіусу r поперечного перерізу штанги при її нагріванні в порожнині конвертера

Третій етап пов'язаний з отриманням залежностей для визначення кінематичних і енергосилових параметрів. На підставі представлення механічної системи маніпулятора як векторного контуру отримано залежності для визначення положень ланок, кутових швидкостей, прискорень і шарнірів. Для виконання силового розрахунку механізму використаний принцип Даламбера. У відповідності зі схемою, наведеною на рис.4, на елементи конструкції діють наступні статичні навантаження: сили тяжіння колони Gкол,, консолі Gкон, кронштейна Gкр, каретки Gк, пустотілої штанги Gш, відсічного елемента Gэ. Розділивши механізм на дві структурні групи, показані на рис.7, склали рівняння статики для кожної з них.

Для другої структурної групи:

де G1 - сила тяжіння; Fиn1, Fиt1 - нормальна і тангенціальна складова сили інерції; P1 - окружна сила на конічному зубчастому колесі; XД, YД, XE, YE, ZE - складові реакцій в опорах E і Д; МЕ, МД - моменти від сили тертя в цих опорах; - момент сили інерції; φ , φ 2 - поточний кут повороту; ψ=f(); , , ,   - плечі сил; d1 - діаметр конічної шестерні.

                                                                             

Рис. 7. Розрахункова схема механізму повороту колони маніпулятора: а – друга структурна група; б – перша структурна група

Розв’язавши систему рівнянь (5), визначені реакції опор і окружна сила Р1, прикладена до приводного конічного колеса вертикального валу для подолання статичних і динамічних навантажень при повороті кронштейна.

Для першої структурної групи рівняння рівноваги за законами статики:

             (6)

де G - сила тяжіння; Fиn, Fиt - нормальна і тангенціальна складова сили інерції; P - окружна сила на приводному зубчастому колесі; XA, YA, XB, YB, ZB - складові реакцій в опорах A і B; МA, МB - моменти від сили тертя в цих опорах; - момент сили інерції; , , , ,,, - плечі сил; dпр.к - діаметр приводного колеса.

Шляхом вирішення системи рівнянь (6) знаходяться реакції опор А і В, а також окружна сила Р, прикладена до приводного колеса для подолання статичних і динамічних навантажень при повороті колони з консоллю і одночасному відносному розвороті кронштейна з розміщеними на ньому візком і штангою з відсічним елементом.

За отриманими значеннями сили Р за весь цикл руху маніпулятора визначаються момент опору повороту відносно вісі колони і необхідна потужність приводу. На підставі встановлених залежностей розрахунку кінематичних і енергосилових параметрів виконана програмна реалізація в пакеті MathCAD, яка дозволяє конструювати промислові зразки нового маніпулятора з урахуванням виробничих умов його експлуатації і варіантів розміщення на робочому майданчику щодо кисневого конвертера.

У четвертому розділі «Практична перевірка правильності розроблених технічних рішень і оцінка їхньої ефективності» для перевірки правильності прийнятих технічних рішень та справедливості отриманих залежностей з їх використанням розрахували енергосилові параметри, спроектували і виготовили лабораторні зразки двох модифікацій маніпулятора (фото на рис. 8).

Метою лабораторного тестування було визначення значень реально діючих навантажень в елементах маніпуляційної системи для подальшого їх порівняння з розрахунковими даними.

Контроль моменту опору, що долається приводом при функціонуванні маніпулятора, здійснили за допо-могою вимірювального комплексу, до складу якого входив тензорезисторний перетворювач, 4-х канальний підсилювач змінного струму УТ4-1 ТУ 25.06.1377-82, IBM-сумісний комп'ютер з встановленою на його шині платою L-154 12-розрядного багатоканального АЦП фірми L-CARD.

Тензорезисторний перетворювач представляв собою поміщений в захисний корпус сталевий циліндричний елемент, на поверхню якого приклеєні під кутом 45о до його поздовжньої вісі 4 фольгових датчика, що утворюють міст опорів. Електричний зв'язок мосту з блоком живлення і підсилювачем забезпечили за допомогою чотирьох кілець, закріплених на елементі контактуючих з пружними струмознімальними шинами, вмонтованими в корпус перетворювача і сполученими з контактами роз'єму для підключення екранованого кабелю. Елемент дозволяв передавати крутний момент і в режимі реального часу фіксувати його значення. На рис. 9а показаний типовий вид сигналу при вимірюванні крутного моменту. Порівняння виміряних і розрахованих значень (рис.9б) показало високу збіжність, похибка становить не більше 7%, що підтвердило правильність отриманих теоретичних залежностей.

Також з використанням лабораторних зразків маніпулятора виконана оцінка точності розташування його робочого органу. Відносна похибка позиціонування, розрахована як відношення абсолютної похибки до максимальної відстані Lmax від осі поворотної колони до межі робочої зони, для лабораторних зразків, показаних на рис.9, склала відповідно 0,4 і 0,17%, тобто вони можуть бути віднесені до 3 класу точності, що підтверджує раціональність розробленої конструкції маніпулятора і можливість нормального функціонування в умовах киснево-конвертерного цеху.

Технічні проекти розроблених маніпуляторів передані бюро металургійного обладнання ЗАТ «НКМЗ» для використання в типових проектах киснево-конвер-терних цехів, що будуються або реконструюються.

         

Рис. 9. Зареєстрований сигнал при контролі крутного моменту, що розвивається приводом (а) і побудованого за розрахунковими параметрами (б)  

Очікуваний економічний ефект від впровадження запропонованої розробки за рахунок досягнення ступеня відсічення шлаку не менше 70% склав 4,2 млн. грн. при річному виробництві 2,55 млн.т конвертерної сталі, що дозволить окупити витрати на виготовлення необхідних 3-х маніпуляційних систем відсічення шлаку протягом 3 місяців. Доля автора 5% (210 тис. грн).

Розроблені теоретичні залежності для проектування маніпуляційних систем відсічення шлаку передані НВО «Донікс» і використовувалися при розробці та впровадженні нових технологій безперервного розливання сталі на ряді металургійних підприємств України в період з 2007 по 2009 р., в результаті чого отримано економічний ефект у розмірі 150 тис. грн., що підтверджується відповідним актом. Доля автора 30% (50 тис. грн).

ВИСНОВКИ

        У дисертаційній роботі вирішене актуальне науково-технічне завдання удосконалення системи відсічення кінцевого конвертерного шлаку, при використанні якої досягнута ступінь відсічення шлаку не менше 70%, за рахунок теоретичного та експериментального обґрунтування конструктивних і енергосилових параметрів системи відсічення (об’єму , площі миделевого перерізу, густини матеріалу відсічного елемента; геометричних параметрів ланок, моменту опору обертанню, потужності приводу маніпулятора).

     Основні наукові положення і практичні результати полягають у наступному.

     1. Аналіз відомих способів активного впливу на кількість кінцевого технологічного шлаку, що потрапляє в розливний ківш при випуску сталі з конвертера, показав, що найбільш перспективним є застосування маніпуляційних систем відсічення шлаку елементами поплавкового типу. Проте їх успішне використання обмежене наступними причинами: існуючі конструкції розроблені під конкретні виробничі умови, обладнані складними системами автоматизації та не є універсальними, відсутність чітких теоретичних і практичних рекомендацій з вибору геометричних та технологічних параметрів, як відсічних елементів, так і систем для їх введення, призводять до недостатньої ймовірності спрацьовування і низького ступеня відсічення шлаку. Тому актуальним питанням є дослідження та обґрунтування раціональних форми і геометричних параметрів відсічних елементів, які обумовлюють ефективність затримки конвертерного шлаку, з урахуванням особливостей взаємодії з потоками розплаву у ванні і випускному каналі кисневого конвертера, а також розробка універсальної і раціональної маніпуляційної системи для введення відсічних елементів, та отримання теоретичних залежностей для визначення її енергосилових і конструктивних параметрів.

2. Встановлено, втрати металу в скрап, під час конвертерного виробництва, при відсіченні кінцевого шлаку за допомогою елементів поплавкового типу обумовлені передчасним блокуванням ними випускного каналу плавильного агрегату внаслідок виникнення осциляції поплавка в завершальній стадії процесу сходу сталі з конвертера при досягненні поверхні розділу шлак-метал критичного рівня. Амплітуда і частота коливань поплавка залежать від форми, об'єму, площі поверхні, що омивається, його головної частини. При цьому амплітуда може становити 8-45% висоти головної частини елемента (5 - 40 мм), а частота 1-7 Гц.

3. Фізичним моделюванням і теоретично обґрунтовано, що причиною порушення осциляції поплавків-відсікачів у ванні кисневого конвертера є різка зміна балансу сил, що діють на них у результаті взаємодії з потоками металу в заключній стадії його випуску з плавильного агрегату. Для підтримки балансу сил, при якому максимально вдається знизити інтенсивність процесу коливань поплавкового елемента, об'єм та площу миделевого перерізу його головної частини повинні становити відповідно 0,033 м3 і 0,14 м2, а густина матеріалу не більше 2000 кг/м3.

4. Підвищення ступеня відсічення шлаку не менше 70% і мінімізація кількості сталі, що залишається в кисневому конвертері при реалізації безшлакового випуску металу за допомогою поплавкових елементів, забезпечується при відношенні запасу плавучості до сили тяжіння поплавка (3-3,2): 1. Зазначеній вимозі найбільшою мірою відповідають відсічні елементи поплавкового типу, що мають форму усіченого еліпсоїда, а також ступеневого циліндра.

5. Підвищено рівень універсальності і раціональності конструкції розробленого маніпулятора в порівнянні з відомими аналогами за рахунок забезпечення компактності його механічної системи, можливості її розміщення в будь-якому доступному місці на робочому майданчику щодо кисневого конвертера і відпрацювання необхідної траєкторії руху виконавчого органу за допомогою одного приводу при незмінній базовій комплектації складових вузлів і без застосування засобів автоматизації.

6. Математичним моделюванням встановлено, що гранична тривалість перебування в робочому просторі конвертера не охолоджуваної пустотілої штанги маніпулятора, що несе відсічний елемент, становить не більше 40 с, що зумовлено її нагріванням до 300оС і появою термічних напружень понад 250 МПа. Похибка математичної моделі температурного поля склала 3,6-6,4%.

7. Використаний  аналітичний метод розрахунку навантажень, що діють на елементи розробленої маніпуляційної системи в процесі її функціонування, і складена програма для його реалізації дозволяють прискорити і полегшити знаходження необхідних енергосилових параметрів приводу при конструюванні промислових зразків нового маніпулятора з урахуванням виробничих умов його експлуатації і варіантів розміщення на робочому майданчику відносно кисневого конвертера. Розрахункова потужність приводу маніпулятора в залежності від його модифікації відповідно складає 2,7 і 3 кВт при загальній масі механічної системи від 2,7 - 3,8 т, а відносна похибка позиціонування - відповідно 0,4 і 0,17%.

8. Запропонована методика розрахунку кінематичних і енергосилових параметрів розробленої маніпуляційної системи придатна для практичного використання, оскільки розбіжність між розрахунковими і зафіксованими в ході лабораторних експериментів даними не перевищує 10%.

9. Виконано робочий проект дослідно-промислового зразка нового маніпулятора, який передано бюро металургійного обладнання ЗАТ «НКМЗ» для практичного застосування при розробці обладнання сучасних сталеплавильних цехів (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 20.04.10р.).

10. Очікуваний річний економічний ефект від впровадження запропонованої розробки, що забезпечує ступінь відсічення не менше 70%, отриманий за рахунок зниження угару дорогих розкислювачів, лігатур і витрати вогнетривких виробів в умовах киснево-конвертерного цеху з річним виробництвом сталі 2,55 млн.т склав 4,2 млн. грн., що дозволить окупити протягом 3 місяців витрати, пов'язані з виготовленням необхідних 3-х маніпуляційних систем. Доля автора 5% (210 тис. грн).

11. Розроблені теоретичні залежності для проектування маніпуляційних систем відсічення шлаку передані НВО «Донікс» і використовувалися при розробці та впровадженні нових технологій безперервного розливання сталі на ряді металургійних підприємств України за період з 2007 по 2009 р., в результаті чого отримано очікуваний економічний ефект у розмірі 150 тис. грн., що підтверджується відповідним актом. Доля автора 30% (50 тис. грн). (відповідний акт від 19.05.10р.)

12. Методика розрахунку параметрів маніпулятора і його лабораторний зразок використовується в навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності «Металургійне обладнання» на кафедрі «Механічне обладнання заводів чорної металургії» ДВНЗ "Донецький національний технічний університет" (акт про використання в навчальному процесі від 20.05.10р.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

  1.  Новые устройства для реализации технологии бесшлакового выпуска стали из кислородного конвертера / С.П. Еронько, А.Н. Смирнов, С.А. Бедарев, С.В. Мечик, А.Ю. Цупрун // Процессы литья. – 2007. –  №  4. – С. 16 – 21.
  2.  Исследование напряженно-деформированного состояния звеньев манипулятора для ввода отсечных элементов в выпускной канал конвертера / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, С.А. Бедарев, С.В. Мечик // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2007. – № 5. –   С. 107 – 111.
  3.  Опыт разработки систем отсечки шлака для сталеплавильных агрегатов / С.П. Еронько, А.Ю. Цупрун, С.А. Бедарев, С.В. Мечик // ОАО «Черметинформация». Бюл. «Черная металлургия». – 2007. – № 9. –  С. 81 – 87.
  4.  Еронько С.П. Исследование процесса отсечки шлака при выпуске стали из кислородного конвертера на физических моделях / С.П. Еронько, С.А. Бедарев,  С.В. Мечик. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2008. – №7. – С.7 – 12.   
  5.  Исследование на физической модели процесса отсечки конвертерного шлака элементами поплавкового типа / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, С.А. Бедарев, С.В. Мечик // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2009. – №7. – С.13 – 18.
  6.  Исследование на физической модели процесса взаимодействия отсечных элементов поплавкового типа с потоками расплава в ванне конвертера /                С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, С.А. Бедарев, С.В. Мечик // «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия», 2009.– Вып. 6. – С. 39 – 45.
  7.  Еронько С.П. Исследование кинематики манипулятора для ввода отсечных элементов в канал конвертера при выпуске стали / С.П. Еронько, С.АБедарев,   Е.В. Ошовская // «Черметинформация». Бюллетень «Черная металлургия», 2009.– Вып. 10. – С. 28 – 36.
  8.  Исследование энергосиловых параметров привода манипулятора для ввода отсечных элементов в выпускной канал кислородного конвертера / С.П. Еронько, Е.В. Ошовская, С.А. Бедарев, С.В. Мечик // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2010. – № 5. – С. 112 – 117.
  9.  Пат. 83727 UA, МПК С21С 5/46, F27D 3/15. Пристрій для відсічення шлаку при випуску сталі з конвертера / С.П.Єронько, О.М.Смірнов, О.Ю. Цупрун,         С.В. Мечик, С.О. Бєдарєв: Заяв. 25.09.2006; опубл. 11.08.2008,  Бюл. № 15.
  10.  Eronko S.P. Slag Segregation in Steel Discharge from Oxygen Converter / S.P. Eronko, S.A. Bedarev, S.V. Mechik // Steel in Translation. – 2008.– №7. – PP. 509 –513.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві:

[1, 9] - розробка вдосконаленої конструкції маніпуляторів; [2] - розробка математичної моделі об'ємного напруженого стану елементів маніпулятора з урахуванням теплового впливу; [3] - розробка критеріїв раціональності конструкцій маніпуляторів для введення відсічних елементів; [4, 10] - розробка методики моделювання та проведення експериментальних досліджень процесу відсічення шлаку елементами поплавкового типу; [5] - виявлення особливостей процесу взаємодії елементів поплавкового типу з потоками розплаву у ванні кисневого конвертера, оцінка впливу розмірів і фізичних властивостей матеріалу елемента поплавкового типу на ступінь відсічення кінцевого шлаку; [6] - дослідження та обґрунтування процесу осциляції відсічних елементів, складання балансу діючих на них сил, рекомендації з їх конструкції; [7] - аналіз кінематики маніпулятора бічного типу; [8] - одержання аналітичних залежностей для розрахунку енергосилових параметрів системи маніпулятора.

АНОТАЦІЯ

Бєдарєв С.О. Обґрунтування параметрів і удосконалення системи відсічення конверторного шлаку елементами поплавкового типу при випуску сталі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.08 – Машини для металургійного виробництва. - Державний вищий навчальний заклад «Донецький національний технічний університет», Донецьк, 2011р.

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача удосконалення системи відсічення кінцевого конвертерного шлаку, при використанні якої досягнута ступінь відсічення шлаку не менше 70%, за рахунок теоретичного та експериментального обґрунтування конструктивних і енергосилових параметрів системи відсічення (об’єму, площі миделевого перерізу, густини матеріалу відсічного елемента; геометричних параметрів ланок, моменту опору обертанню, потужності приводу маніпулятора).

Запропонована конструктивна схема механічного маніпулятора, яка не вимагає для відпрацювання потрібної траєкторії руху виконавчого органу складних засобів автоматизації і забезпечує можливість її компактного розміщення на робочому майданчику відносно кисневого конвертора. Отримані залежності для розрахунку енергосилових параметрів запропонованої системи маніпулятора, виконана практична перевірка розроблених технічних рішень та оцінка ефективності її промислового застосування. Технічні проекти розроблених маніпуляторів передано бюро металургійного обладнання ЗАТ «НКМЗ».

Ключові слова. Конвертор, відсічення шлаку, маніпулятор, відсічний елемент, запас плавучості, енергосилові параметри.

АННОТАЦИЯ

Бедарев С.А. Обоснование параметров и усовершенствование системы отсечки конвертерного шлака элементами поплавкового типа при выпуске стали. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.08 – Машины для металлургического производства.- Государственное высшее учебное заведение «Донецкий национальный технический университет», Донецк, 2011 г.

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача усовершенствования системы отсечки конечного конвертерного шлака, при использовании которой достигнута степень отсечки шлака не менее 70%, за счет  теоретического и экспериментального обоснования конструктивных и энергосиловых параметров системы отсечки (объема, площади миделевого сечения, плотности материала отсечного элемента; геометрических параметров звеньев, момента сопротивления вращению, мощности привода манипулятора).

Установлено, что на эффективность задержки конвертерного шлака при выпуске стали из кислородного конвертера при использовании отсечных элементов решающее влияние оказывают их форма и геометрические параметры, а также точность позиционирования, обеспечиваемая манипулятором при сбросе поплавка-отсекателя в ванну конвертера. Оптимизация конструктивных параметров отсечных элементов невозможна без учета особенностей их взаимодействия с потоками расплава в ванне и выпускном канале кислородного конвертера. Известные механические системы манипуляторов для ввода отсечных элементов в выпускной канал конвертера требуют конструктивной доработки, поскольку не соответствуют в полной мере предъявляемым требованиям.

Разработаны и созданы физические модели кислородного конвертера и механических систем, позволяющих имитировать различные варианты оставления конечного шлака в ванне плавильного агрегата во время выпуска из него жидкой стали в разливочный ковш, а также отсечных элементов, блокирующих выпускной канал.

В результате физического моделирования установлены особенности взаимодействия с потоками расплава в ванне кислородного конвертера отсечных элементов, раскрыты причины возникновения их осцилляции, приводящей к преждевременному блокированию выпускного канала плавильного агрегата и к дополнительным потерям металла в скрап. Амплитуда для исследуемых моделей отсечных элементов составляла 8-45 % от высоты головной части элемента, а частота колебаний  1-7 Гц.

Получены зависимости для расчета баланса сил, действующих на отсечной элемент в заключительной стадии процесса выпуска стали из кислородного конвертера. Определено что, для обеспечения степени отсечки шлака не менее 70% отсечной элемент должен соответствовать следующим параметрам: отношение запаса плавучести к силе тяжести (3-3,2):1, объем 0,033 м3, площадь миделевого сечения 0,14 м2, плотность материала не более 2000 кг/м3. Указанному требованию в наибольшей мере отвечают отсечные элементы поплавкового типа, имеющие форму усеченного эллипсоида, а также ступенчатого цилиндра.

Математическим моделированием установлена предельная длительность нахождения в рабочем пространстве конвертера полой штанги манипулятора, несущей отсечной элемент, которая составляет не более 40 с, что обусловлено ее нагревом до 300оС и появлением термических напряжений свыше 250 МПа. Проверку адекватности математической модели температурных полей выполняли в лаборатории на физической модели. Относительное отклонение измеренных и полученных значений для периода нагрева и периода охлаждения составило 3,6…6,4 %.

В результате исследования кинематики манипуляторов для ввода отсечных элементов предложена конструктивная схема, основанная на использовании зубчатых передач для отработки заданной траектории движения исполнительного органа, не требующая для этого применения дорогостоящих средств автоматизации и обеспечивающая компактность механической системы в исходной позиции и возможность ее размещения на рабочей площадке в любом доступном месте относительно корпуса кислородного конвертера при неизменной базовой комплектации составных узлов, что в итоге позволило достичь высокого уровня универсальности и рациональности конструкции. На основании аналитического метода расчета нагрузок, действующих на элементы предложенной системы манипулятора, разработана прикладная программа, позволяющая определить ее энергосиловые параметры с учетом производственных условий эксплуатации задействованного комплекса оборудования. Расчетная мощность привода манипулятора в зависимости от его модификации соответственно составляет 2,7 и 3 кВт при общей массе механической системы от 2,7 – 3,8 т, а относительная погрешность позиционирования – соответственно 0,4 и 0,17 %.

Выполнена экспериментальная проверка правильности принятых технических решений и оценка технико-экономической эффективности промышленного использования предложенной разработки. Поскольку расхождение между расчетными и зафиксированными в ходе лабораторных экспериментов данными не превышает 10 % предложенные методики теоретических и экспериментальных исследований энергосиловых параметров разработанной манипуляционной системы пригодны для практического использования.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенной разработки, полученный за счет снижения угара дорогостоящих раскислителей и лигатур и расхода огнеупорных изделий в условиях кислородно-конвертерного цеха с  годовым производством стали  2,55 млн.т составил 4,2 млн. грн., что позволит окупить в течение 3 месяцев затраты, связанные с изготовлением необходимых 3-х манипуляционных систем. Доля автора 5% (210 тыс. грн).

С использованием результатов диссертации при разработке и проектировании НПО «ДОНИКС» систем отсечки конвертерного шлака для ряда металлургических предприятий Украины в период с 2007 по 2009г., получен экономический эффект в размере 150 тыс. грн. Доля автора 30% (50 тыс. грн).

Ключевые слова. Конвертер, отсечка шлака, манипулятор, отсечной элемент, запас плавучести, энергосиловые параметры.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

ABSTRACT

Bedarev S.A. Justification parameters and improvement of converter slag cutoff system by float-type slag darts during steel tapping. - Manuscript.

The dissertation is presented for awarding the scientific degree in engineering science on specialty 05.05.08 – Machines for Metallurgical Production. – State institute of higher education “Donetsk National Technical University”, Donetsk, 2011.

The thesis solve the scientific and technical problem of increasing the degree cutoff final converter slag more than 70% by improving of slag cutoff system by study design and power parameters of manipulators for input of float type elements in steel tapping channel of steelmaking unit. The peculiarities of interaction of liquid metal with cutoff elements are established, the causes of their oscillations, which lead to premature lock of converter tapping channel and additional steel losses in scrap, are disclosed using physical modeling.

The constructive scheme of the mechanical manipulator, which does not require of complex automation for practicing the desired trajectory of the executive element and provides accommodation to its compact on jobsite relatively oxygen converter, is proposed. The dependences for calculating the power-force parameters of the proposed manipulator are received, practical verification of the developed technical solutions and the effect of its industrial applications are made.

Key words. Converter, slag cutoff, manipulator, slag dart, buoyancy, power-force parameters.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

14451. Приготування страв із молока й молочних продуктів 52 KB
  Тема. Приготування страв із молока й молочних продуктів. Мета: ознайомити учнів із видами молочних продуктів їхнім значенням у харчуванні людини навчити готувати страви з молочних продуктів подавати й оформлювати страви сервірувати стіл до вечері; формувати чіткість...
14452. Показники та методи фундаментального аналізу 327 KB
  Головною метою та результатом фундаментального аналізу є визначення «дійсної», справедливої ціни товару, що досліджується. Визначення справедливої ціни потребує не тільки багато зусиль, наявності правильної моделі визначення вартості, але і своєчасної та якісної інформації.
14453. Вирощування плодоягідних рослин 222 KB
  Тема. Вирощування плодоягідних рослин. Мета: ознайомити учнів з особливостями вирощування та догляду за плодоягідними кущами; виховувати бережливе ставлення до обладнання та інструментів; розвивати логічне мислення моторику рухів. Основні поняття: плодівництво пл...
14454. Енергетичні засоби у сільському господарстві 112 KB
  Тема. Енергетичні засоби у сільському господарстві. Мета : ознайомити учнів з енергетичними засобами які використовуються в с/г підприємствах класифікацією найбільш поширених тракторів як основних засобів енергетики мобільних процесів виховувати бережливе ставле
14455. Професійна діяльність людини та її вибір. Професіограма 56.5 KB
  Тема: Професійна діяльність людини та її вибір. Професіограма. Мета: Навчальна: сформувати знання про види професій. Виховна: виховувати в повагу до людей всіх професій. Розвиваюча: розвивати у школярів світогляд професійне спрямування. Надати широку інформацію п
14456. Технічне конструювання. Поняття про розрізи та перерізи 40 KB
  Тема: Технічне конструювання. Поняття про розрізи та перерізи. Мета: Навчальна: ознайомити з особливостями виконання розрізу та перерізу навчити виконувати і читати креслення предмета при виконанні розрізів та перерізів; Виховна: виховувати відпов
14457. Оздоблення виробів з металів 53 KB
  ТЕМА ЗАНЯТТЯ: Оздоблення виробів з металів. МЕТА ЗАНЯТТЯ: Навчальна: Сформувати знання про основні види оздоблення металів. Виховна: виховувати культуру праці працелюбність бережне відношення до майна; Розвиваюча: розвивати технічне мислення сприяти розвитку
14458. Робоче місце фрезерувальника. Підготовка верстата НГФ-110 Ш4 до роботи. Фрезерування плоских поверхонь, пазів 67.5 KB
  Тема. Робоче місце фрезерувальника. Підготовка верстата НГФ110 Ш4 до роботи. Фрезерування плоских поверхонь пазів. Мета:ознайомити учнів з технологічним процесом утворення плоских поверхонь уступів виступів канавок навчити виконувати плоскі поверхні на фрезерному в...
14459. Будова деревини. Характеристика порід деревини. Фізичні, механічні і технологічні властивості деревини 72 KB
  Тема Будова деревини. Характеристика порід деревини. Фізичні механічні і технологічні властивості деревини. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички пов’язані з даними поняттями. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до ч