автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета и средств контроля механизма качания кристаллизатора криволинейной МНЛЗ

ЧЕРЕПОВЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТИТОВ ОЛЕГ ПАВЛОВИЧ

Совершенствование методики расчета и средств контроля механизма качания кристаллизатора криволинейной МНЛЗ.

Специальность 05.04.04 - Машины и агрегаты

металлургического производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: кандидат технических наук, профессор Кузьминов А.Л. кандидат технических наук, Чумаков С.М.

Череповец 1998г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Состояние вопроса.

1.1. Описание объекта исследования 5

1.2. Современные конструкции МКК и методики их расчета. 11

1.3. Влияние качания кристаллизатора на качество

непрерывно литого слитка. 22

1.4. Анализ отсортировки металла в конвертерном

производстве ОАО "Северсталь". 28

1.5. Существующие методы и средства контроля МКК 31

1.6. Выводы по главе. 38

2. Разработка математической модели объекта и теоретическое исследование МКК.

2.1. Разработка математической модели кинематики. 41

2.2. Разработка математической модели влияния дефектов в подшипниковых узлах и сопряжениях МКК

на качество траектории движения кристаллизатора. 45

2.3. Реализация математических моделей на ЭВМ. 52

2.4. Разработка математической модели влияния зазоров

в подшипниковых узлах на деформацию оболочки слитка 58

2.5. Разработка конечно-элементной модели механизма качания кристаллизатора.

2.5.1. Определение инерционных параметров звеньев. 62

2.5.2. Разработка конечно-элементной модели механизма

качания кристаллизатора. 66

2.6. Выводы по главе. 70

3. Совершенствование экспериментально-диагностических

методик контроля параметров механизма качания кристаллизатора

3.1. Методика контроля качества траектории движения кристаллизатора с использованием опто-электронной системы контроля.

3.1.1. Описание предлагаемой методики. 71

3.1.2. Результаты экспериментальных исследований опто-электронной системы контроля. 76

3.1.3. Определение погрешности измерений амплитуды движения отраженного луча по экрану приемного

устройства. 81

3.1.4. Определение радиуса фактической траектории движения кристаллизатора при частоте 120 кач/мин. 82

3.1.5. Оценка максимального горизонтального отклонения

верхнего края кристаллизатора при уменьшении угла ф6. 83

3.2. Исследование частот вынужденных колебаний МКК и возможности появления резонанса.

3.2.1. Содержание и методы исследований. 89

3.2.2. Экспериментальная база. 92

3.2.3. Результаты экспериментов. 94

3.3. Выводы по главе. 96

4. Совершенствование системы планово-предупредительных ремонтов подшипниковых узлов эксцентрикового вала привода механизма качания кристаллизатора

4.1. Методика проведения исследований и используемое оборудование. 103

4.2. Определение фактической наработки и предлагаемого

периода работы подшипников эксцентрикового вала. 105

4.3. Результаты выбраковки подшипников эксцентрикового

вала привода механизма качания кристаллизатора.

4.4. Рекомендации к совершенствованию системы 111 IP.

4.5. Выводы по главе.

111

112

5. Опытно-промышленная реализация систем контроля оборудования машин непрерывного литья заготовок.

5.1. Опто-электронная система контроля механизма качания кристаллизатора.

5.1.1. Аппаратная реализация опто-электронной системы

контроля механизма качания кристаллизатора. 113

5.1.2. Программное обеспечение аппаратной реализации стационарной системы контроля. 118

5.2. Опто-электронная система контроля положения роликов установок непрерывной разливки стали. 122

5.3. Выводы по главе. 124

Заключение 125

Литература. 128

Приложения

Введение

Разливка стали на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) является одним из самых прогрессивных и производительных технологических процессов в металлургии. Совершенствование конструкций МНЛЗ позволяет увеличить скорость вытягивания слябовой заготовки, получить широкий диапазон сечений слитков, уменьшить энергетические затраты, повысить надежность процесса разливки, выход годного и качество литого металла. Серьезное внимание при этом уделяют оборудованию зоны начального формирования слитка, в частности, механизму качания кристаллизатора (МКК). Механизм качания кристаллизатора служит для сообщения кристаллизатору движения по заданной траектории с фиксированным радиусом с целью предупреждения зависания оболочки слитка. Неудовлетворительная работа МКК, вследствие износа подшипниковых узлов, дефектов в настройке и установке механизма, влияния неучтенных динамических нагрузок, приводит к искажению формы кривой движения кристаллизатора, и, как следствие, увеличению брака и снижению качества литых слябов.

В этой связи решение проблемы совершенствования методик расчета, методов и средств диагностики МКК, прогнозирования влияния дефектов на его работу, и, как следствие, деформацию слитка является весьма актуальным.

Вопросам совершенствования конструкций МНЛЗ посвящено значительное количество монографий и научных статей. Наиболее полно указанные вопросы рассмотрены в трудах Д.П.Евтеева, В.И.Лебедева,

A.А.Скворцова, Е.М.Китаева, А.Д.Акименко, В.М.Нисковских,

B.И.Дождикова, В.М.Паршина, В.С.Рутеса, М.Я.. Бровмана, М.С.Бойченко, А.В.Третьякова и др.

Контролю процессов формирования слитка и состояния оборудования на МНЛЗ посвящены работы Б. И. Краснова, В. А. Карлика, А. Л.

Кузьминова, В.А.Тихановского, Д. А. Дюдкина, А. П. Щеголева, О.В. Носоченко, А. А. Целикова, Л. Н. Сорокина и др.

В течение ряда лет кафедрами "Подъемно-транспортные машины" и "Машины и агрегаты металлургических заводов" Череповецкого государственного университета, совместно с ОАО "Северсталь" проводятся работы по исследованию причин появления ребровых трещин на поверхности непрерывнолитого слитка, а также работы по улучшению условий эксплуатации механизма качания кристаллизатора.

Целью работы является повышение ресурса работы и ремонтопригодности МНЛЗ, а также качества металла путем совершенствования методик расчета МКК, аппаратно-программных средств диагностики и прогнозирования нарушений закона движения кристаллизатора механизма качания.

Работа выполнялась на основе комплексных натурных и теоретических исследований работы МКК и процессов взаимодействия слитка с кристаллизатором с применением современного диагностического оборудования, программных средств и математического моделирования на ЭВМ.

Разработаны математические модели кинематики механизма качания кристаллизатора для исследования влияния зазоров в МКК на геометрические параметры траектории движения кристаллизатора, на основе которых выявлены представительные диагностические параметры и точки контроля механизма качания.

С использованием математического моделирования установлены закономерности влияния люфтов в узлах МКК на траекторию перемещения кристаллизатора, и, как следствие, деформацию оболочки слитка.

На основе разработанной конечно-элементной модели с применением современных программных средств определены параметры возможной деформации узлов МКК под действием собственных и вынужденных колебаний системы.

Разработаны рекомендации по практическому применению расчетных методик для определения влияния дефектов в подшипниковых узлах и сопряжениях МКК на геометрические и динамические характеристики траектории движения кристаллизатора и совершенствованию динамических параметров МКК (за счет корректировки приведенных инерционных и квазиупругих коэффициентов) с целью исключения фактов искажения проектной траектории качания кристаллизатора и улучшения условий работы МКК.

Разработана и реализована в опытно-промышленном варианте стационарная опто-электронная система контроля состояния МКК и программное обеспечение для обработки результатов на ЭВМ верхнего уровня на основе анализа отклонений от проектной траектории качания кристаллизатора.

Разработано устройство, позволяющее произвести первоначальную установку криволинейных поверхностей кристаллизатора относительно роликовой проводки МНЛЗ. Устройство признано изобретением.

Разработаны методические основы использования вибродиагностики для определения величины и месторасположения дефектов в подшипниковых узлах МКК. Кроме того, в эксплуатацию оборудования МНЛЗ внедрена система планово-предупредительных ремонтов с использованием средств вибродиагностики.

Результаты теоретических, практических и экспериментальных исследований, расчетные и экспериментально-диагностические методики, а также оборудование для их осуществления прошли проверку в промышленных условиях и рекомендованы к внедрению в конвертерном производстве ОАО "Северсталь", а также организациях, занимающихся проектированием и изготовлением оборудования МНЛЗ.

Практическая ценность и перспективность разработок подтверждены актами промышленных испытаний.

На защиту выносятся:

1. Математические модели кинематики МКК для исследования влияния зазоров в подшипниковых узлах и сопряжениях на геометрические параметры траектории движения кристаллизатора.

2. Математическая модель влияния зазоров в подшипниковых узлах МКК на деформацию оболочки слитка.

3. Трехмерная конечно-элементная модель МКК.

4. Способы, алгоритмы и технические средства контроля оборудования механизма качания кристаллизатора.

Основные разделы работы докладывались на первой международной конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец 1998 год), на VII международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий», а также на семинарах кафедр «Машины и агрегаты металлургических заводов» и «Подьемно-транспортных машин» Череповецкого государственного университета, совещаниях специалистов ОАО «Северсталь», АО «Уралмаш», ОАО «Южуралмаш», АО «Ленгипромез».

По результатам диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ и 1 техническое решение признано изобретением.

1. Состояние вопроса.

1.1. Описание объекта исследований.

Зона начального формирования слитка рис. 1.1. может быть условно выделена в технологической линии МНЛЗ. Она включает в себя кристаллизатор с водоохлаждаемыми медными стенками, который совершает возвратно-поступательное движение относительно слитка [1].

Ниже кристаллизатора расположена зона подбоя, где производится охлаждение слитка водой или водовоздушной смесью из распылителей конструкций характеризующихся на этом участке высокой плотностью орошения. Ролики роликовой проводки МНЛЗ выполняют направляюще-поддерживающую функцию, предотвращая раздутие (выпучивание) сляба от ферростатического давления и обеспечивают транспортирование металла в зону разгиба.

В кристаллизаторе МНЛЗ формируется твердая фаза металла (оболочка), которая должна обладать достаточной прочностью, чтобы исключить прорыв жидкого металла на выходе из зоны первичного охлаждения.

Параметры возвратно-поступательного движения кристаллизатора по синусоидальному закону определяются следующими выражениями:

где 8кр, укр , акр - соответственно текущее перемещение, скорость перемещения и ускорения кристаллизатора; А-амплитуда перемещения (равная половине хода кристаллизатора); со - круговая частота вращения механизма перемещения кристаллизатора; т - текущее время перемещения кристаллизатора.

8кр = А бш (сот + 2л:); укр = А со соб (сот + 2л); акр = -со А эт (сот + 2л),

(1.1) (1.2) (1.3)

Рис.1.1 Схема зоны начального формирования слитка на криволинейной МНЛЗ.

Объектом исследований является механизм качания кристаллизатора, который служит для сообщения кристаллизатору возвратного движения для предупреждения зависания оболочки слитка и переноса смазки в зону трения.

Механизм качания кристаллизатора представляет собой сварную раму 1 (рис. 1.2), которая устанавливается на параллелограммное устройство, состоящее из двуплечего рычага 2, кинематических рычагов 3,4. Двуплечий рычаг совершает качательное движение относительно оси О цапф, закрепленных на раме съемного блока. Это движение передается на двуплечий рычаг от электропривода с эксцентриковым валом 5 через шатун 6. Для притяжки кристаллизатора к базовым поверхностям рамы в последнюю встроены два пружинно-гидравлических цилиндра. В шатун, соединяющий эксцентриковый вал с двуплечим рычагом, встроен датчик для измерения усилия вытягивания слитка из кристаллизатора.

Вертикальное перемещение конца кривошипа определяется по формуле:

Say1 = ej cos а , (1.4)

где S'ay - горизонтальное перемещение конца кривошипа, ej = OA; - значение эксцентриситета для данного варианта (рис. 1.3.); а - текущий угол поворота эксцентрикового вала;

По параметрам движения точки А (рис. 1.3) можно судить о траектории и скорости движения кристаллизатора. Вместе с тем, из равенства плеч двуплечего рычага следует равенство:

Sey—Say, (1-5)

т. е. амплитуда качания точки Е равна вертикальному перемещению точки А, а направление движения этих точек в некоторый момент времени будет противоположным (если точка А начинает движение из крайнего верхнего

Рис.1.2 Механизм качания кристаллизатора

у

ЦТ Ао

А

За х-

О

А1 Ы

Уах

1г

\ I !

_уау Эау

......\ !

х

Рис .1.3 Кинематическая схема движения кривошипа механизма качания кристаллизатора

положения, то точка Е в это время находится в крайнем нижнем положении).

Вертикальную составляющую окружной скорости УАУ рис. 1.3) определяют по формуле:

Уау= Уокр8таЬ (1.6)

где Уокр - окружная скорость точки А:

где СО} - угловая скорость эксцентрикового вала.

Механизм качания кристаллизатора (конструкции ПО "Уралмаш") криволинейной МНЛЗ конвертерного производства ОАО "Северсталь" должен обеспечивать движение кристаллизатора по фиксированной траектории с радиусом 10м и амплитудой качания 6-12 мм. Для достижения хорошей эксплуатационной надежности МНЛЗ и требуемого качества формируемого слитка качание кристаллизатора должно происходить по четко фиксированной траектории.

По своему составу указанный механизм качания состоит из ведущего звена (кривошипа) и двух присоединенных групп Ассура II класса (число кинематических пар, образующих наиболее сложный замкнутый контур группы) 2-го порядка (число элементов звеньев, которыми она присоединяется к имеющемуся механизму).

Для того чтобы иметь возможность применять разработанные методики теории механизмов и машин механизм необходимо разбить на две части, представляющие собой два шарнирных четырехзвенника. В силу того, что механизм качания кристаллизатора является сложным, необходимо расчитать отдельные шарнирные четырезвенники, составляющие его структуру.

В результате проведенного предварительного кинематического и силового расчета механизма были получены теоретические значения перемещений, скоростей и ускорений точек механизма, при этом, силовой расчет механизма проведен в порядке от последнего четырехзвенника к кри-

вошипу, от конечного звена в четырехзвеннике к начальному. Знание приведенного момента, приложенного к кривошипу, позволило найти действительный закон движения механизма, на основе которого можно судить о степени неравномерности движения машины. Анализируя значения действующих в механизме сил можно сказать о том, что самым высоко нагруженным шарниром является шарнир в точке О (рис. 1.2), так как по своей сути он играет роль опоры, уравновешивающей две части механизма.

Для нахождения закона движения механизма под действием заданных сил определены инерционные и силовые характеристики механизма. К ним относятся приведенные к валу кривошипа моменты инерции и момент движущих сил, действующих на механизм.

В результате исследования закона движения механизма под действием заданных сил были получены выражения зависимостей суммарного приведенного момента, суммарного приведенного момента инерции, суммарной работы механизма за цикл, угловых скоростей и ускорений кривошипа.

Установлено, что модель механизма обладает довольно большим коэффициентом неравномерности вращения, что свидетельствует о малой инерционности машины и наличии больших отклонений, которые, как будет описано ниже, прямым образом отражаются на качестве траектории, скорости и ускорении точек звена. Динамические процессы, имеющие место при работе машины, могут значительно изменять результаты, полученные при кинематическом расчете механизма. Следует обратить внимание на большие различия коэффициента неравномерности вращения кривошипа на холостом и рабочем ходу, так как получение значительно более низкого влияния динамики на ход машины при ее экспериментальных запусках (при холостом ходу на заводе-изготовителе и на холостом ходу при монтаже и ремонте, на месте ее эксплуатации), не дает адекватной оценки этих параметров в реальных условиях работы.

Необхо�