автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.04, диссертация на тему:Создание и промышленное освоение передвижных миксеров нового типа для жидкого чугуна с механизированным обслуживанием

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ ПЕРЩВИЖНЫХ МИКСЕРОВ И

МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА.II

1.1. Схемы подачи жидкого чугуна к сталеплавильным агрегатам.II

1.2. Развитие конструкций передвижных миксеров.

1.3. Методы расчета передвижных миксеров.

1.4. Задачи диссертации.

Глава 2. РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Расчет бандажа.

2.1.1. Определение изгибающих моментов.

2.1.2. Определение радиальных деформаций.

2.2. Расчет основания опоры

2.3. Определение перемещений элементов поводкового механизма привода наклона.

2.4. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния кэдэцуса миксера

2.4.1. Исследование влийния-'разогретой кладки на оболочку миксера ^.трябчй&Ш корпусом.

2.4.2. Исследование на модели напряжений в средней части корпуса миксера.

2.4.3. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния корпуса на промышленных образцах.

2.5. Исследование напряженно-деформированного состояния основания опоры

2.6. Пример выбора параметров и расчета элементов передвижного миксера емкостью 600 т.

2.6.1. Расчет бандажа на прочность и жесткость.

2.6.2. Расчет основания опоры на прочность.

2.6.3. Определение перемещений элементов поводкового механизма привода наклона

2.7. Сравнение экспериментальных и расчетных данных

2.8. Выводы.

Глава 3. РАЗРАБОТКА. ПЕРЩВИЖНЫХ МИКСЕРОВ НОВОГО ТИПА И СТЕЦЦОВ ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННОГО РЕМОНТА ОГНЕУПОРНОЙ ФУТЕРОВКИ.

3.1. Передвижной миксер емкостью 600 т.

3.2. Стенд ремонта футеровки.

3.3. Подъемник корпуса миксера.

3.4. Унифицированный ряд передвижных миксеров

3.5. Выводы.

Глава 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ПЕРЕДВИЖНЫХ МИКСЕРОВ

ЕМКОСТЬЮ 600 Т НА ЧЕРЕПОВЕЦКОЙ И ЗАПАДНО-СИЕИР-СКОМ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДАХ.

4.1. Опыт начального периода эксплуатации передвижных миксеров и стенда ремонта футеровки.

4.2. Выводы.

Проектом ЦК КПСС к ХШ съезду Коммунистической партии Советского Союза "Основные направления экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" предусмотрены широкое техническое перевооружение предприятий черной металлургии, дальнейшая интенсификация производства, создание агрегатов большой единичной мощности, а также машин и оборудования, позволяющих улучшить условия и производительность труда. Это в полной мере относится к сталеплавильному производству,которое существенно влияет на эффективность и темпы роста выпуска черных металлов.

Жидкий чугун занимает значительную часть объема транспортных перевозок сталеплавильного производства, поэтому выбор технологии и оборудования для его подачи существенно влияет на капитальные затраты при строительстве и эксплуатационные расходы.

Для доставки жидкого доменного чугуна в сталеплавильные цехи на заводах с небольшой производственной программой использовали размещенные на рельсовых тележках открытые ковши емкостью 50.140 т, состав которых транспортировали локомотивом. Хранился чугун в стационарных миксерах, что позволяло снизить резкие колебания химического состава чугуна /I/. Кроме того небольшой выпуск чугуна из домны не всегда мог обеспечить загрузку мартеновской печи и миксер выполнял также роль накопителя металла. С ростом единичной мощности сталеплавильных агрегатов возрастала и емкость стационарных миксеров, которая достигла 2500 тонн.

С развитием кислородно-конверторного процесса, по мере увеличения садки конверторов и повышения интенсивности плавки, существенно возросло потребление чугуна, а отношение его суточного расхода к емкости миксера на ряде заводов достигло трех /2/. В этих условиях роль миксера как усреднителя химического состава чугуна значительно снизилась. Даже при высокой степени наполнения сокращение области разброса химсостава не превышало 30$, а снижение температуры составляло 28.50°С /3/.

Улучшение качества чугуна, снижение колебаний его химического состава и внедрение автоматических систем управления металлургическим процессом повлекло за собой изменение требований к схеме подачи чугуна. На первый план выдвинулись вопросы повышения температуры заливаемого в конвертор чугуна, снижения капитальных и эксплуатационных расходов, а требования к миксеру как усреднителю в значительной степени сократились.

Изменение требований к схеме снабжения сталеплавильных агрегатов чугуном явилось причиной широкого распространения большегрузных передвижных миксеров и резкого сокращения строительства стационарных миксеров. К достоинствам применения передвижных миксеров большой емкости следует отнести:

1. Сокращение потерь тепла и углерода, за счет исключения одного перелива, позволившее при имеющемся количестве передельного чугуна увеличить выплавку стали на 2$ за счет повышения доли скрапа или руды /4,5/.

2. Снижение капитальных затрат на объекты доставки и хранения чугуна до 67$ и эксплуатационных расходов на 46$ (при производстве около 6 млн.т стали) /6/.

3. Снижение объема строительно-монтажных работ и веса оборудования /88/. г

4. Упрощение работ в доменном цехе за счет выпуска чугуна в один или два предварительно установленных миксера.

В СССР задача создания оборудования для этой технологии доставки чугуна была поставлена в начале 70-х годов при проектировании кислородно-конверторного цеха № 2 Западно-Сибирского металлургического завода (г.Новокузнецк). Для этого ВНИИметмашем совместно с ВНИИВагоностроения и Ново-Краматорским машиностроительным заводом, на основе выполненных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, был создан передвижной миксер емкостью 420 т. Также как и зарубежные аналоги этот миксер имел замкнутый сигарообразный корпус, поэтому изношенную футеровку разрушали после полного охлаждения кладки, а бой кирпича удаляли вручную через горловину. Агрегаты и системы могли ремонтировать лишь после замены футеровки, что существенно снижало коэффициент технического использования миксера.

Различными организациями и предприятиями было выполнено большое число исследовательских и поисковых проектных разработок, направленных на улучшение параметров, конструкции, технологии изготовления, а также обслуживания передвижных миксеров. Результатом этих важных в научном и практическом плане работ явилось повышение надежности машин, появление их модернизированных модификаций, получение новых научных данных. Большой творческий вклад в них внесли.Майоров А.И., Решетов В.И., Кокорев В.А., Миронов Н.И., Яковлев В.Ф., Дудкин Е.П., Грузинов В.К.

Однако эффективность этих работ оказалась недостаточной, поскольку исследования и конструкторские разработки выполнялись, в основном, в рамках традиционных схемных решений, возможности которых ограничены.

Наиболее целесообразным, с точки зрения механизации опера-, ций обслуживания, является цилиндрический корпус с отъемными торцевыми днищами. Однако ограниченные поперечные размеры не.позволили наращивать емкость миксеров, которая не превышала 450 т даже. при неотъемных днищах и тележках с большой жесткой базой. Миксер с отъемными днищами и тележками с малой базой, которые характеризуются малыми усилиями воздействия на путь при прохождении крутых поворотов /43/, имел емкость 300 т. Кроме того не были в полной мере использованы преимущества миксера с таким корпусом, так как не удавалось совместить операции по техническому обслуживанию оборудования с ремонтом футеровки, механизировать съем торцевых днищ, обеспечить необходимую долговечность оборудования. Открытым оставался вопрос отсоединения корпуса для ремонта и расположения опорных плит, так как традиционные места в нижней части оболочки у миксера с цилиндрическим корпусом заняты тележками.

Таким образом научно-конструкторская база в области строительства передвижных миксеров не была подготовлена к созданию для общезаводских железнодорожных путей агрегатов емкостью 600.т, необходимость в которых была продиктована строительством на Череповецком металлургическом заводе крупнейших доменного и конверторного цехов.

Кроме того программой технического перевооружения предпринятой черной металлургией предусматривается замена мартеновских цехов на высокопроизводительные конверторные. Для доставки к ним чугуна на заводах, которые имеют доменные печи полезным объемом 1000, 2000 и 3000 м3, целесообразно црименить соответствующие их выпуску передвижные миксеры емкостью соответственно 200, 300 или 450 т. Проект такой реконструкции Магнитогорского металлургического комбината разработан местным филиалом Гипромеза.

Изложенное обусловило необходимость в настоящей работе. Цель ее - разработка методов выбора параметров и расчета основных несущих элементов миксера, разработка рекомендаций по проектированию, разработка надежных большегрузных передвижных миксеров, позволяющих механизировать и сократить продолжительность ремонтных операций; разработка основного технологического оборудования для механизации обслуживания; внедрение разработанных машин в промышленность.

Диссертация выполнена на базе проведенных в 1976-1982 гг. во ВНИИметмаш научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ, в которых автор принимал участие как руководитель и непосредственный исполнитель.

Разработка и обоснование новых конструкций, методов расчета, рекомендаций по оптимизации геометрических параметров основных -узлов миксера, новых методов механизации трудоемких работ, промышленная реализация и исследование новых технических решений являются содержанием диссертации и предметом защиты.

В качестве объектов исследования выбраны:.

Конструктивные схемы передвижных миксеров; основные несущие элементы корпуса и опоры; механизмы передачи крутящего момента привода наклона миксера; способы и устройства механизированного выполнения операций обслуживания миксера.

Новыми элементами работы являются:

- Результаты численного анализа полученных расчетных зависимостей, позволившие получить оптимальные геометрические параметры схемы силового взаимодействия бандажа и опоры.

- Данные сравнительного анализа результатов вычисления по разработанным зависимостям напряжений и деформаций бандажа с результатами тензометрирования на натурном образце и впервые проведенного измерения радиальных деформаций при наполнении и сливе чугуна из миксеров с новой и выгоревшей футеровкой, позволившие установить степень подкрепления бандажа футеровкой, а также опасные с точки зрения целостности кладки, режим работы и зону футеровки. Результаты экспериментальных исследований напряжений на моделях и промышленном образце кольца основания опоры с углом наклона сечений до 20°, позволившие установить расположение опасных точек и пригодность коэффициентов С.П.Демидова для приближенных расчетов степени увеличения в них напряжений.

- Метод усиления среднего участка корпуса,не требующий увеличения высоты горловины и увеличения металлоемкости оболочки, основанный на результатах экспериментального исследования на моделях, позволившего определить места расположения опасных точек, соотношения в них величин составляющих напряжений, характер цикла изменения напряжений при наклоне на слив чугуна.

- Результаты натурных экспериментальных исследований, позволившие получить применительно к трубчатому корпусу с рядной кладкой расчетные зависимости для определения силового воздействия футеровки на центральную часть оболочки.

- Конструкция и метод расчета кинематики механизма передачи крутящего момента на корпус миксера от закрепленного на тележке привода наклона.

- Конструкция подъемника корпуса; рекомендация по размещению опорных плит.

- Конструкция, узла крепления торцевых днищ корпуса и гидроприспособления.

- Конструкция опор миксера.

- Конструкция многоосной тележки и эффективной тормозной системы.

- Схема и конструкция механизированного стенда для выполнения ремонтных работ.

Материалы диссертации доложены и обсуждены на заседании Научно-технического совета Минтяжмаша в 1977 г., заседании секции отделения плавильных и непрерывно-литейных машин Научно-технического совета ВНИИметмаш в 1982 г., на секции Научно-технического совета ВНИИметмаш "Машины и агрегаты металлургического производства" в 1984 г.

По теме диссертации опубликовано 4 работы, получено восемь авторских свидетельств на изобретения.

За оказанную помощь в работе автор выражает благодарность т.т. Решетову В.И., Грушину Н.В., Шусторовичу В.М., Колбиной М.А. (ВНИИметмаш), Кокореву В.А., Парамонову В.К. (ШИИВагоностроения), Карасеву Б.С., Ващуку А.Н. (Ново- Краматорский машиностроительный завод), Шинкаренко А.С. (Западно-Сибирский металлургический завод), Мокрушину К.Д. (Череповецкий металлургический завод).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Использование передвижных миксеров для транспортировки жидкого чугуна наиболее предпочтительно, а увеличение емкости до величины выпуска доменной печи существенно повышает их технико-экономические показатели. Однако в пределах стандартного поперечного габарита подвижного состава не было создано миксера емкостью более 450 тонн.

2. Традиционная конструкция передвижных миксеров не позволяла совместить ремонт футеровки с операциями технического обслуживания оборудования, механизировать трудоемкие операции. В результате продолжительность вспомогательных операций составляла половину общего фонда времени работы миксера.

3. В целях механизации и снижения продолжительности операций обслуживания разработана схема миксера, съемный трубчатый корпус которого опирается четырьмя бандажами на 16 катков двух опор, а привод закреплен на одной из тележек и соединен с корпусом поводковым механизмом.

4. С целью создания большегрузных передвижных миксеров по новой прогрессивной схеме проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, в результате которых:

- получены формулы для определения внутренних силовых факторов в бандаже корпуса и основании опоры в зависимости от углового шага катков, численный анализ которых показал, что при обусловленных стандартным поперечным габаритом подвижного состава сечениях этих деталей их одинаковый запас прочности имеет место при угловом шаге равном 22°;

- наибольшие нормальные напряжения в корпусе выявлены на внутренней поверхности сливного носка в транспортном положении, они обусловлены деформацией несущего пояса горловины как кольца и могут быть снижены за счет местного увеличения его ширины без увеличения высоты и металлоемкости оболочки;

- установлено, что наибольшее силовое воздействие футеровка оказывает на участок между коническими порогами в конце сушки ф7теровки, снижая напряжения в опасных точках горловины на

56.-.-.70$, износ кладки сопровождается снижением ее воздействия примерно в два раза, вместе с тем на массивный бандаж миксера ( ^й/оРд ^5 <§ф/(§ь42. ) распор разогретой кладки оказывает незначительное подкрепляющее действие;

- разработан аналитический метод определения геометрических параметров поводкового механизма привода наклона миксера по заданной кривизне и просадке железнодорожного пути, на основе которого создан механизм, обеспечивающий при минимальной массе и габаритах необходимую компенсацию перемещений корпуса относительно привода наклона, стационарно расположенного на тележке.

5. На основании предложенных технических решений и рекомендаций разработаны унифицированный ряд передвижных миксеров нового типа емкостью 200, 300, 450 и 600 т, стенды для их механизированного ремонта и технического обслуживания, подъемники сошедших с рельс миксеров. Их конструкция защищена восемью авторскими свидетельствами на изобретения.

6. Эксплуатационные испытания показали соответствие фактических и проектных характеристик созданных машин. За время эксплуатации в передвижных миксерах перевезено более 7 млн.т чугуна. Годовой народнохозяйственный эффект от реализации результатов работы составляет 380 тыс.рублей.

1. En^M&SCtf^ 1968 г., 205, № 5311, с. 195

2. Сталь, 1968 г., № 2, с.122-125

3. Черный металл, 1976 г., № 3, с.17-21

4. Черная металлургия, 1968 г., № 35, реферат 181 экспр. информ.

5. Техника, 24/14, 1975 г., C.IIII-III2.

6. Сталь, 1970 г., № 7, с.650-654

7. Черные металлы, 1970 г., № 2

8. Черметинформация, 1970 г., № 26-4

9. Черметинформация, 1972 г., 1Ь 28, с.34-37ю. foo/ь and 1973 г., Ш1, с.71-75п. foon, ал/t J%et£< 1975 г., №8, с.91

10. Черметинформация, 1974 г., № 23

11. Черметинформация, 1971 г., № 10

12. Bltf Ли&ПМе'С; I97I г., 37; № I, с.25-27

13. Проспект фирмы J6 ОСФОЛОСС

14. Н'еоуЪ-y ^/bow&txies 6/gtfct- 1976 г.

15. Черные металлы, 1977 г., № 3

16. Черные металлы, 197I г., № 22

17. Черметинформация, 1971 г., № 19, информ. № 219. зз те£с/& fitooUuUsip, 1978 г., и

18. Черметинформация, 1971 г., № 34-И

19. JiaAft алсб £<~sea 1971 г., № 2222. OSLO6 ^дилл/хЛ а/ 8&&еЛ

20. Cetamic dootet^ 1974 г., 73, № 7 с.227-238

21. Черные металлы, 1973 г., № 25

22. Nippon Steetf t,eapJ 1977, & 10

23. Черметинформация, 1973 г., № 27-И

24. Иеь-осе oU MetoMu/o^ce) 1973, № 7-8, 171-E- 184

25. Металлургическое оборудование, выпуск 1-78-31. Нииинформ-тяжмаш.28 . 33 1973 г., В 729. fton, оиюС Steel, г., № 9

26. Черные металлы, 1975 г., № 231. died Umes 1976 г., № i

27. Майоров А.И., Решетов В.И. и др. "Передвижной миксер емкостью 150 т". Сб. "Создание и исследование плавильных и коксовых машин". Труды ЕНИИметмаш № 45 /под ред. А.И.Цели-кова 1976 г., с.67-72/

28. Черные металлы, 1978 г., № 34

29. У ton оиъоС JteeS, 1977 г., № п

30. Черметинформация, 1976 г., № 34

31. Ве/ф илсб Ми&е/ьлоалп Moncots^ 1979 г.,124, № 7, с.324-325

32. FouJJetdoA>te Huite/bpuuxce McctaJ^u/ect181 г., 19, № I, с.59

33. Fou>Met6&kfe Нибб&ъръа/Хос, /iocta&wf&i1980 г., 18, № I, с.82

34. Бюллетени ЦНИИЧМ, 1980 г., J& 5, с.45-46

35. Патент № 1299.669 (ФРГ) Кл.18В, 1/06 опубл. 15.04.1971г.

36. Патент № 2138.005 (ФРГ) Кл.В61Д, 3/14 опубл.

37. Заявка № 2404.868 (ФРГ) Кл.С21 с, 1/06, В2ЗД, 41/12 опубл. 31.06.1975 г46,47,48,49,50,51,52