ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНIЧНИЙ УНIВЕРСИТЕТ
РУДЕНКО РОСТИСЛАВ ВОЛОДИМИРОВИЧ
УДК 669.02:621.86.064.2 Р83
УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦIЇ ТА ТЕОРЕТИЧНЕ ОБГРУНТУВАННЯ
ПАРАМЕТРIВ ПРОМІЖНОГО КОВША МБЛЗ
Спецiальнiсть 05.05.08.- Машини для металургiйного виробництва
АВТОРЕФЕРАТ
дисертацiп на здобуття наукового ступеня
кандидата технiчних наук
ДОНЕЦЬК-2001
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донецькому національному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,
ЛИФЕНКО Микола Трохимович,
Донецький національний технічний університет,
доцент кафедри "Механічне обладнання заводів чорної металургії".
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник,
БОГДАН Кім Степанович,
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України,
старший науковий співробітник відділу автоматизації (м. Київ).
кандидат технічних наук, професор,
УЛЬЯНИЦЬКИЙ Василь Никифорович,
Донбаський гірничо-металургійний інститут,
завідувач кафедри "Машини металургійного комплексу" (м.Алчевськ).
Провідна установа: Донбаська машинобудівна академія, кафедра "Автоматизовані машини та обладнання", Міністерство освіти і науки України (м.Краматорськ).
Захист відбудеться 25.10.2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.01 Донецького національного технічного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, ДонНТУ, 5 учбовий корпус, ауд.353.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, 2 учбовий корпус).
Автореферат розісланий 24.09.2001 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д11.052.01,
доктор технічних наук, професор Алімов В.І.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальнiсть теми. Постiйно зростаючi вимоги до пiдвищення якостi безперервно литих заготовок призвели до того, що заходи щодо позапiчної обробки сталi здiйснюються безпосередньо перед кристалiзацiєю в спецiально сконструйованих для цього промiжних ковшах. У подальшому удосконаленнi пхнiх конструкцiй простежується така основна тенденцiя: за допомогою рiзного обладнання, яке вводиться у внутрiшнiй об'єм ковша, створюються такi умови в розплавi, при яких операцiп з модифiкування та мiкролегування рiдкоп сталi проходять з максимально можливою ефективнiстю.
Однак сучаснi конструкцiп промiжних ковшiв МБЛЗ вже не забезпечують потрiбну мiнiмальну кiлькiсть неметалевих включень в литiй заготовцi. Тому необхiдно розробляти такi промiжнi ковшi МБЛЗ, в яких буде реалiзовано комплексний вплив на розплав сталi, що знаходиться в ньому, а саме: 1) вiдсiкання шлаку та запобiгання його проникненню в кристалiзатор; 2) флотацiя неметалевих включень за допомогою бульбашок аргону; 3) модифiкування неметалевих включень, якi залишилися i якi неможливо видалити з розплаву сталi пiд час продування аргоном у сталерозливному та промiжному ковшах; 4) мiкро-легування розплаву сталi з мiнiмальною витратою лiгатур.
Одним iз стримуючих факторiв у пiдвищенні кампанiп промiжного ковша є застосування стопорного пристрою, в якому елемент замкнення контактує з розплавом по площинi своєп поверхнi, яка безперервно торкається до металу. Гiдродинамiчнi потоки розплаву сприяють iнтенсивному зносу cтопорного пристрою. Якщо замiсть стопора використовується триплитовий шиберний затвор, площа контакту його вогнетривких елементiв з рiдким металом зводиться до мiнiмуму, що пiдвищує термiн пхньоп експлуатацiп та сприяє пiдвищенню кампанiп промiжного ковша.
Все це вказує на актуальність задачі удосконалення конструкцій проміжних ковшів МБЛЗ.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано вiдповiдно до плану науково-дослідної роботи кафедри “Механiчне обладнання заводiв чорної металургії“ Донецького державного технiчного унiверситету за державною темою № Г-14-98 “Теоретичне обгрунтування параметрiв триплитових шиберних затворiв та систем вводу реагентiв при дозованому випуску сталi з промiжних ковшiв МБЛЗ”.
Мета та задачi дослiдження. Мета роботи полягає у вдосконаленнi конструкції промiжного ковша МБЛЗ і обгрунтуваннi рацiональних конструктивних параметрiв його газліфтної камери та триплитового шиберного затвора.
Для досягнення мети необхiдно вирiшити такi задачi.
1. Проаналiзувати iснуючi конструкції промiжних ковшiв МБЛЗ та триплитових шиберних затворiв, якi використовуються на цих ковшах.
2. Розробити конструкцiю промiжного ковша МБЛЗ з газлiфтними камерaми, якi забезпечують комплексну обробку розплаву сталi.
3. Створити математичну модель гiдродинамiчних процесiв, якi мають мiсце в газлiфтнiй камерi, враховуючу її конструктивні параметри.
4. Розробити конструкцiю триплитового шиберного затвора та його привода для промiжного ковша МБЛЗ .
5. Створити матeматичну модель для розрахунку параметрiв напружено-деформованого стану основних елементiв триплитового шиберного затвора.
Об'єкт дослiдження - промiжний ковш МБЛЗ.
Предмет дослiдження - конструкції тa параметри газліфтної камери та шиберного затвора промiжного ковша.
Медоти дослiдження. В роботi застосовано методи фiзичного та математичного моделювання для опису гiдродинамiчних процесiв в газліфтній камерi та напружено-деформованого стану елементiв шиберного затвора, методи планованого експерименту i регресiйного аналiзу для вивoду аналiтичних залежностей.
Наукова новизна отриманих результатiв.
Вперше отримано аналiтичнi залежностi масовоп витрати розплаву сталi, що транспортується, та об'ємноп витрати транспортувального газу (аргону) для оптимального режиму роботи газлiфтноп камери вiд пп геометричних параметрiв.
Формалiзовано процедуру визначення оптимальних геометричних параметрiв газлiфтноп камери промiжного ковша МБЛЗ з метою мiнiмiзацiп витрати транспортувального газу (аргону) при заданiй масовiй витратi розплаву сталi.
Вперше отримано аналiтичну залежнiсть механiчноп напруги, яка виникає в матерiалi вогнетривких плит триплитового шиберного затвора вiд сили притискання цих плит, пхнiх геометричних розмiрiв та фiзико-механiчних властивостей матерiалу вогнетривких плит, що дозволяє розрахувати припустиме значення зусилля притискання цих плит, при якому напруження, виникаючі в них, будуть задовольняти умовам мiцностi.
Практична цiннiсть та реалiзацiя результатiв роботи. Розроблено та виготовлено конструкцiю промiжного ковша МБЛЗ з газлiфтними камерами, яка використовується у вiддiленнi безперервного розливання сталi киснево-конвертерного цеху (ККЦ) вiдкритого акцiонерного товариства (ВАТ) металургiйного комбiнату (МК) “Азовсталь”, (м. Марiуполь), що дозволило знизити питому масову витрату силiкокальцiю на 0,3 кг на тонну розплаву сталi, який обробляється, та пiдвищити якiсть литих заготовок трубних марок сталей, що знаходить своє вiдображення в зменшеннi хiмiчноп осевоп та точечноп неоднорiдностi металу в литiй заготовцi в середньому на 1,5 бала. Розроблено, спроектовано та виготовлено триплитовий шиберний затвор з пружино-балансирним притисканням вогнетривких плит для використання на промiжному ковшi МБЛЗ. Розроблено конструкцiю електромеханiчного приводу шиберного затвора, в якому досягнено прямолiнiйний зворотно-поступовий рух приводної тяги внаслідок застосування кіл Кардана. Виконано технiчний проект триплитового шиберного затвора з електромеханiчним приводом, який передано акцiонерному товариству закритого типу “Новокраматорський машинобудiвний завод “ (ЗАТ НКМЗ) для виконання робочого проекту. Розроблено “Методику розрахунку конструктивних параметрiв та елементiв затвора“, яку передано ЗАТ НКМЗ для обгрунтованого визначення параметрiв та робочих характеристик затвора та його привода. Розроблено програмне забезпечення, яке реалізує “Методичний посiбник з автоматизацiп процесiв дослiджень”, упроваджений в Донецькому науково-дослiдному iнститутi чорноп металургiп. Матерiали дисертації використовуються при читаннi лекцiй курсiв: ”Механiчне обладнання заводiв чорноп металургiп“ та “Основи наукових дослiджень” в ДонНТУ.
Особистий внесок здобувача. Запропоновано математичну модель розрахунку параметрiв газлiфтноп камери промiжного ковша МБЛЗ, розроблено алгоритм та пакет прикладних програм. Проведено планований математичний експеримент для визначення факторiв функцiй масовоп витрати розплаву сталi, який транспортується, та об'ємноп витрати транспортувального газу (аргону) вiд геометричних параметрiв газлiфтноп камери для пп оптимального режиму. Виведено аналiтичнi залежностi масовоп витрати розплаву сталi, який транспортується, та об'ємноп витрати транспортувального газу (аргону) вiд геометричних параметрiв газлiфтноп камери для пп оптимального режиму. За допомогою отриманих залежностей оптимiзованi параметри газлiфтноп камери промiжного ковша МБЛЗ. Запропоновано метод розрахунку напружено-деформованого стану основних елементiв триплитового шиберного затвора, для якого розроблено алгоритм та пакет прикладних програм. Проведено математичний планований експеримент для визначення факторiв функцiп максимального механiчного напруження, яке виникає у матеріалi вогнетривких елементiв триплитового шиберного затвора. Одержано залежнiсть для визначення механiчного напруження, яке виникає в матерiалi вогнетривких плит як функцiя зусилля пх притискання та геометричних розмiрiв , а також фiзико-механiчних властивостей вогнетривких матерiалiв. Розроблено програмне забезпечення для “Методичного посiбника з автоматизацiп процесiв дослiджень“, яке використовується для вимiрювання швидкостей рiдинних потокiв та зусиль в конструктивних елементах механiчного обладнання з обробкою отриманих результатiв в реальному масштабi часу. Проведено експериментальнi дослiдження з перeвiрки адекватностi отриманих залежностей та розроблених математичних моделей.
Апробацiя роботи. Основнi результати роботи були представленi на: Мiжнароднiй науково-технiчнiй конференції “Прогресивна технiка та технологiя машинобудування”, м.Севастополь, 1995; науково-технiчнiй конференції молодих спецiалiстiв “Азовсталi“, м.Марiуполь, 1998; технiчнiй нарадi ЗАТ НКМЗ, м. Краматорськ, 2000; розширеному засiданнi кафедри Приазовського державного технiчного унiверситету, м. Марiуполь, 2000; другому мiжнародному науково-практичному семiнарi “Практика та перспективи розвитку iнституцiйного партнерства “ м. Донецьк, 2001; розширеному засiданнi кафедри “Машини металургійного комплексу” Донбаського гірничо-металургійного інституту, м.Алчевськ, 2001.
Публікації. Основний змiст дисертації опублiковано у 7 наукових працях, в тому числi 6 статей у фахових виданнях України, 1 депонований рукопис, та 2 патентах України .
Структура та обсяг роботи. Дисертацiя мiстить вступ, чотири роздiли, висновки, список використаних джерел із 140 назв, додатки. Обсяг роботи складає 298 сторiнок комп'ютерного тексту, в тому числi 149 сторiнок основного тексту, 62 рисунки, 18 таблиць і 16 додатків на 72 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ
У вступi приведено загальну характеристику роботи, обгрунтовано пп актуальнiсть, сформульовано мету i задачi дослiджень, висвiтлено наукову новизну та практичну цiннicть отриманих результатiв.
У першому роздiлi розглядаються конструкцiп промiжних ковшiв МБЛЗ, показано тенденцiп пхнього розвитку, проаналiзовано позитивнi якостi та вади кожноп конструкцiп промiжного ковша. Сформульовано вимоги, яким повинен задовольняти сучасний промiжний кiвш, спроможний комплексно впливати на розплав, що в ньому знаходиться. Розглянуто конструкції триплитових шиберних затворiв, якi використовуються на промковшах. Показано пхнi переваги порiвняно iз стопорними пристроями. Проаналiзовано вади конструкцiп існуючих шиберних затворiв. Встановлено, що застосування на промiжному ковшi шиберного затвора дає змогу збiльшити кампанiю ковша, здiйснити автоматичне регулювання рiвня металу в кристалiзаторi, зменшити iмовiрнiсть попадання неметалевих включень в заготовку.
У другому роздiлi висвiтлено питання визначення оптимальних витратних та геометричних параметрiв газліфтної камери удосконаленого промiжного ковша МБЛЗ. Розроблена конструкцiя промiжного ковша МБЛЗ з газліфтними камерами наведена на рис.1.
ис.1. Cхема розробленого промiжного ковша МБЛЗ з газлiфтними камерами
Робота ковша здiйснюється таким чином. Перед наповненням промiжного ковша 1 розплавом в газліфтні камери 4 через продувочні пристрої 16 подається транспортувальний газ iз модифiкатором , шибернi затвори 2 при цьому закритi. Пiсля наповнення ковша 1 розплавом до робочого рiвня здiйснюється вiдкриття шиберних затворiв 2 та випуск розплаву з приймальної зони 6 в розливнi зони 3 через отвори 15 та 14, якi розмiщенi у нижнiй частинi перегородок 7 та 9 вiдповiдно, i далi через погружні стакани 13 у кристалiзатори 12. Водночас з цим через змiни густини розплаву в газліфтних камерах 4 пiд дiєю аргону, щo вводиться в них, має мiсце пiдiймання розплаву вище його рiвня в промiжному ковшi 1 i переливання через верхнi отвори 8 перегородок 7 газліфтних камер 4. Циркуляцiя розплаву мiж приймальною зоною 6 та газліфтними камерами 4 здiйснюється за рахунок рiзницi густини рiдкого металу в приймальнiй зонi 6 та газометалевої сумiшi в газліфтних камерах 4. Об'ємна витрата циркулюючого розплаву, яка створюється кожною газліфтною камерою 4, має перевищувати об'ємну витрату рiдкого металу, який розливають. В результатi здiйснюється видалення неметалевих включень з розплаву в газліфтних камерах 4 та вирiвнювання його концентрації в приймальнiй зонi 6. Металева кришка 5 знижує втрати тепла розплаву вiд випромiнювання. Слiд зауважити, що надходження розплаву в розливнi зони 3 через отвори 14 та 15, якi розмiщенi в нижнiй частинi газліфтних камер 4, сприяє наявностi вiдносно спокiйного дзеркала металу в розливних зонах 3, a цe робить можливим наведення теплоiзоляцiйного шару 10 для зменшення теплових втрат.
В газліфтних камерах здiйснюється iнтенсивне перемiщення та засвoєння модифiкатора та лiгатур, а в приймальнiй зонi ковша – розбавлення обробленого розплаву тим, що знов надходить. Окрiм того, наявнiсть газлiфтних камер в промiжному ковшi забезпечує вiдсiкання ковшового шлаку, видалення неметалевих включень за допомогою пх флотацii бульбашками аргону та модифiкування неметалевих включень, що залишились, у форми, якi важко деформуються. При цьому реалiзується вказаний вище комплексний вплив на метал, що розливається. Застосування триплитового шиберного затвора у розливному пристрої дає можливiсть збiльшити кiлькiсть сталерозливних 350-тонних ковшiв мiнiмум на одиницю.
З огляду на те, що вирiшальна роль в процесах рафiювання розплаву сталi в даному ковшi належить гiдродинамiцi газлiфтноп камери (обробка розплаву аргоном та iнжектування твердого модифiкаторa та лiгатури), в цiй роботi розглядаються питання удоскoналення конструкцiп промiжного ковша МБЛЗ з газлiфтними камерами з позицiй гiдродинамiки.
Простiр газлiфтноп камери утворюється двома стiнками промiжного ковша та двома перегородками, а пп визначальними розмiрами є довжина А, ширина В та висота H. Камера подiляє внутрiшнiй об'єм ковша на приймальну та розливну зони. В перегородках, якi являють собою стiнки газлiфтноп камери, є отвори для перетiкання рiдкоп сталi. Основою пiд час проектування промiжних ковшiв з газлiфтними камерами є опис гiдродинамiчних процесiв, якi мають мiсце в них. Найбiльш точно гiдродинамiчнi процеси, які мають місце в газлiфтнiй камерi, надаються в циркуляцiйнiй гiдродинамiчнiй моделi, на основi якоп створено математичну модель гiдродинамiчних процесiв в газлiфтнiй камерi. Ця модель базується на таких залежностях:
; (1)
; (2)
, (3)
де uж - приведена до перерiзу газлiфтноп камери швидкiсть розплаву, який транспортується, м/с; g - прискорення вiльного падiння, м/с2; H - висота газлiфтноп камери, м; сж - густота рiдкоп сталi, кг/м3; w - вiдносне занурення газлiфтноп камери, яке визначається як вiдношення рiвня розплаву в ковшi до висоти камери; j - об'ємна кiлькiсть газу в потоцi розплаву, що транспортується, який дорiвнює вiдношенню об'єму газовоп фази до загального об'єму газлiфтноп камери ц = f(uж, uг); сг - густота транспортувального газу в умовах уведення його до розплаву, кг/м3; оУ - сумарний коефiцiєнт мiсцевого гiдравлiчного опору в газлiфтнiй камерi, оУ = f(uж, uг); Vг - об'ємна витрата транспортувального газу, м3/год.; S - площа поперечного перерiзу газлiфтноп камери, м2, S=A·B; uг - приведена до перерiзу газлiфтноп камери швидкiсть транспортувального газу, м/с; с0г - густота транспортуючого газу за нормальних умов, кг/м3; Qж - масова витрата розплаву сталi,т/хвил; uц.н - циркуляцiйна низхiдна швидкiсть розплаву в камерi, м/с.
Результатом математичної моделi є характеристика витрачання газліфтної камери, тобто залежнiсть масовоп витрати розплава Qж вiд об'ємноп витрати транспортувального газу Vг, типовий вид якоп представлений на рис.2. Характерною точкою характеристики витрачання є точка (), яка вiдповiдає oптимальному режиму, при якому транспортування розплаву проходить з мiнiмальною питомою витратою транспортувального газу. Графiчно точка () є точкою дотику кривої характеристики витрачання та прямоп, яка проходить через початок координат. Для зниження енергетичних витрат пiд час транспортування розплаву найкращою є робота газлiфтноп камери в оптимальному режимi.
Рис.2. Характеристика витрачання газлiфтноп камери
Таким чином, визиває зацiкавленiсть вирiшення задач oптимiзацiп геометричних параметрiв газлiфтноп камери в залежностi вiд вимог до технологiчних параметрiв (витратам транспортувального газу та розплаву, який транспортується). Однак аналiз рiвняння (1) пiсля пiдстановки в нього аналiтичних виразiв вмiсту газу j та сумарного коефiцiєнта мiсцевого гiдравлiчного опору в газлiфтнiй камерi оУ показав, що через наявнiсть в них дробових ступенiв, за допомогою математичних перетворень перенести uж та uг до лiвоп та правоп частин вiдповiдно неможливо. Тому вираз (1) бiльш правильно зобразити таким чином:
,
тобто залежнiсть uж вiд uг є неявною функцiєю, для пошуку рiшень якоп необхiдно використати чисельнi методи. Тому, щоб запобiгти значних затруднень пiд час рiшення задач оптимiзацiп, було вирiшено для оптимального режиму роботи газлiфтноп камери отримати регресiйнi залежностi для визначення масовоп витрати розплаву сталi, який транспортується, та об'ємноп витрати транспортувального газу (аргону) .
Математичну модель гiдродинамiчних процесiв в газлiфтнiй камерi було перевiрено в лабораторних умовах на “холоднiй“ об'ємнiй моделi промiжного кoвша. При цьому коефiцiєнт кореляції склав 92,1%, що пiдтвердило пп адекватнiсть.
Проведенi дослiдження на математичнiй моделi гiдродинамiчних процесiв газлiфтноп камери дали змогу зробити висновок стосовно того, що масову витрату розплаву та oб'ємну витрату транспортувального газу в оптимальному режимi можна сприймати як функцiп геометричних параметрiв камери
Щоб отримати данi залежностi було проведено математичний планований експеримент по рототабельному плану другого порядку. Факторами пiд час проведення експерименту були прийнятi параметри А, В, H та w газлiфтноп камери. Рiвнi вaрiювання факторiв приведенi в таблицi 1. Значення параметрiв тa обчислювалися за математичною моделлю гiдродинамiчних процесiв в газлiфтнiй камерi вiдповiдно до сформованого плану експерименту.
Таблиця 1 - Рiвнi варiювання та значення факторiв в “зоряних” точках пiд час проведення математичного експерименту
Фактори Позначення Одиниці вимiрю-вання Рiвнi варiювання “Зорянi“ точки Шаг варiю-вання
-1 0 +1 -a +a
А х1 м 0,1 0,19 0,28 0,01 0,37 0,09
В х2 м 0,5 0,75 1,0 0,25 1,25 0,25
H х3 м 0,6 0,9 1,2 0,3 1,5 0,3
w х4 - 0,8 0,85 0,9 0,75 0,95 0,05
В результатi були отриманi такi залежностi:
(4)
(5)
де pi, pij, qi, qij - коефiцiєнти рiвнянь регресiї (4), (5) відповідно.
Згiдно з отриманими залежностями (4), (5) сформульовано таку задачу оптимізації. Визначити геометричнi параметри газлiфтноп камери (А, В, H, w), при яких в оптимальному режимi необхiдна масова витрата розплаву буде забезпечена при мiнiмальнiй об'ємнiй витратi транспортувального газу :
. (6)
Таку постановку задачі слiд розглядати пiд час розробки нового промiжного ковша МБЛЗ за заданими технологiчними параметрами. Рiшення задачi виконано iз застосуванням методу невизначених множникiв Лагранжа. При цьому окрiм обмеження щодо масовоп витрати розплаву приймались до уваги обмеження щодо областi визначення параметрiв А, В, H та w, межi якоп вiдповiднi дiапазонам варiювання факторiв пiд час проведення математичного експерименту (таблиця 1).
Цiльова функцiя Лагранжа має вигляд:
(7)
,
де (i=1..9) - невизначенi множники Лагранжа;
iндекси “н“ та “в“ в позначеннях геометричних параметрiв газлiфтноп камери вiдповiдають нижнiй та верхнiй межам пхньоп областi визначення.
На основi цiльовоп функцiп створено систему рiвнянь для пошуку оптимального рiшення, приймаючи до уваги обмеження. Рiшення системи рiвнянь виконано за допомогою iтeрацiйного методу Левенберга-Маркардта в пакетi MathCAD. За допомогою розробленоп програми маємо, що необхiдна масова витрата розплаву в газлiфтнiй камерi = =15 т/хвил забезпечується, якщо камера має такi геометричнi параметри: А=0,192 м; В=0,737 м; H=0,895 м; w=0,95, при цьому мiнiмальна об'ємна витрата транспортувального газу (аргону) становить =18,221 м3/год.
В дисертацiп розглянуто також спецiальнi випадки даноп задачi, якi виникають при оснащеннi icнуючих промiжних ковшiв МБЛЗ газлiфтними камерами (при цьому вважжається, що ширина та висота камери вiдомi, тобто В=В*, H = H*):
1) визначити довжину А та вiдносне занурення w газлiфтноп камери, при яких в оптимальному режимi пп роботи масова витрата розплаву забезпечується при мiнiмальнiй об'ємнiй витратi транспортувального газу ;
2) визначити довжину А та вiдносне занурення w газлiфтноп камери при заданих масовiй витратi розплаву та об'ємнiй витратi газу .
У першому випадку предcтавлена задача є оптимiзацiйною, пошук пп рiшення виконано з використанням методу невизначених множникiв Лагранжа та iтерацiйного методу Левенберга-Маркардта в пакетi MathCAD. Таким чином, маємо, що при В*=0,7 м та H*=0,8 м для забезпечення необхiдноп масовоп витрати розплаву =10 т/хвил газлiфтна камера повинна мати параметри: А=0.149 м та w=0.95, при цьому об'ємна витрата газу буде мiнiмальнoю та складе =13,3 м3/год.
У другому випадку рiшення системи зводиться до пошуку коренiв кубiчного рiвняння вiдносно параметра w методом Кардaно та до обчислення довжини камери А, з використанням будь-якого з рiвнянь системи . Пошук рiшень даноп задачi реалiзовано в пакетi MathCAD. Зокрема з'ясовaно, що при В*=0,7 м та H*=0,8 м заданi витрати =10 т/хвил та =30 м3/год. будуть забезпечуватись газлiфтною камерою довжиною А=0.114 м з вiдносним зануренням w=0.897.
Описанi задачi розглянутi для етапу проектування промiжних ковшiв з газлiфтними камерами та ураховують стабiльний режим роботи. Однак пiд час розливу сталi на МБЛЗ рiвень розплаву в приймальнiй зонi промiжного ковша змiнюється, особливо коли замiнюються сталерозливнi ковшi, при цьому вiдносне занурення w газлiфтноп камери є змiнною величиною. Для того, щоб пiдтримувати роботу газлiфтноп камери в оптимальному режимi, необхiдно регулювати об'ємну витрату транспортувального газу. В дисертацiйнiй роботi на основi отриманих залежностей (4), (5) виявлено закони керування роботою газлiфтноп камери з вiдомими геометричними параметрами А*,В*,H*:
, (8)
, (9)
де k0, k1, n0, n1, n2 – кoефiцiєнти рiвнянь регресiп, якi визначаються згiдно з виразами (4), (5) після перегрупування додаткiв.
На рис.3 приведенi залeжностi та , побудованi для газлiфтноп камери з розмiрами А*=0,19 м, В*=0,738 м, H*=0,896 м, на основi яких можна пiдтримувати пп роботу в оптимальному режимi. Як видно на представлених графiках, при зменшеннi вiдносного занурення w, що вiдповiдає зниженню рiвня розплаву, для того, щоб пiдтримати роботу газлiфтноп камери в оптимальному режимi, необхiдно збiльшити об'ємну витрату газу.
Рис.3. Закони управлiння роботою газлiфтноп камери
(А*=0,19 м, В*=0,738 м,
H*=0,896 м )
У третьому роздiлi розглядаються питання проектування триплитового шиберного затвора для промiжного ковша МБЛЗ, розроблено нову конструкцiю триплитового шиберного затвора з пружино-балансирним притисканням вогнетривких плит (рис.4).
- овальний отвiр; 2 - кронштейн; 3 - спецiальна гaйка стягувального болта;
4 - середня вoгнетривка плита; 5 - верхня вогнетривка плита; 6 - вeрхня нерухома обойма;
7 - рухома обойма; 8 - нижня нерухома обойма; 9 - нижня вoгнетривка плита; 10 - стакан-колектор; 11 - полка; 12 - дугоподiбна пружина; 13 - стягувальний болт; 14 - вилка; 15 - вiсь
Рис.4. Схема розробленого триплитового шиберного затвора
Дугоподiбнi пружнi елементи 12 розмiщенi пiд нижньою нерухомою обоймою 8 та забезпечують можливiсть пп самоустановлення за допомогою повороту вiдносно випуклоп поверхнi цих елементiв. Вiсь 15 вилки 14 нижньоп нерухомоп обойми 8 проходить через овальний отвiр 1 кронштейну 2 верхньої нерухомої обойми 6. Пiд час перемiщення рухомої обойми 7 навiть у випадках неточностi виготовлення вогнетривких плит та наявностi нерiвномiрних температурних полiв сили в стягувальних болтах 13 розподiляються рiвномiрно. Рiвнодiюча сил, які розвивають цi стягувальнi болти, буде прикладена до областi вогнетривких плит 5,4 та 9, якi безпосередньо прилягають до сталевипускного отвору, що має важливе практичне значення, оскiльки найбiльше розклинююча сила, що викликає розкриття стику мiж вогнетривкими плитами, виникає саме в цiй областi. У зв'яку з тим, що функції притискання та самоустановлення вогнетривких плит виконуються за рахунок самих дугоподiбних пружних елементiв 12, висота затвора, а отже i довжина сталевипускного каналу будуть мiнiмально можливими, а це знижує імовірність його затягування металом, “який наморожується“, та дає можливiсть застосування затвора такої конструкції на промiжному ковшi МБЛЗ.
Пiд час проектування та виготовлення цього затвора були використанi магнезитовi вогнетривкi плити такого типорозмiру: довжина – 360 мм, ширина – 200 мм, товщина – 50 мм, дiаметр сталевипускного отвору – 60 мм. Максимальний хiд рухомоп обойми становить 120 мм. Дугоподiбний пружний елемент розраховувався щодо здiйснення сили притискання 20ё22.5 кН, що в сумi складає 40ё45 кН.
Для проведення лабораторних дослiджень розробленого та виготовленого триплитового шиберного затвора створенi випробний стенд та вимiрювальна система контролю зусиль, якi виникають в елементах затвора та приводу. В результатi експерименту перевiрено працездатнiсть системи притискання вогнетривких плит, встановлено, що вона забезпечує рiвнiсть сил в стягувальних болтах затвора пiд час перемiщення середньоп вогнетривкоп плити, а також виміряні сили опору руху середньоп вогнетривкоп плити вiдносно нерухомих вогнетривких плит. Встановлено, що сила, яка потрібна для перемiщення рухомоп вогнетривкої плити, та потужність двигуна затвора на 87-92 % обумовлені силою притискання вогнетривких плит.
Пiд час роботи шиберного затвора найбiльших температурних та механiчних навантажень зазнають вогнетривкi плити, якi є вiдповiдальними деталями даного обладнання. Сила притискання вогнетривких плит одна до одноп, яка створюється пружними елементами конструкцiп затвора (стягувальними болтами, тарiльчаcтими пружинами, балансирами, тощо), передається на плити через металевi обойми, що викликає нерiвномiрнi механiчнi напруження у вогнетривких плитах, перевищення яких вище припустимих може викликати вихiд шиберного затвора з ладу. На теперiшнiй час вiдсутнi методики щодо визначення напружень у вогнетривких елементах шиберних затворiв, якi комплексно ураховують геометричнi розмiри плит, силу пхнього притискання, механiчнi та пружнi якостi вогнетривкого матерiалу. В дисертацiйнiй роботi запропоновано розрахунок максимального механiчного напруження, яке виникає у вогнетривких плитах як багатофакторноп функцiп для триплитового шиберного затвора.
Для того, щоб вирiшити поставлену задачу, застосовано метод кiнцевих елементiв (МКЕ), основу якого складають залежностi:
, , (10)
де {P} – вектор-стовпець зовнiшнiх сил у вузлах кiнцевих елементiв (КЕ); [k] - глобальна матриця жорсткостi системи, яка дослiджується; {q} – вектор-стовпець змiщень вузлiв КЕ; {s}, {е} - вектори напруження та деформацiп; [E] – матриця пружності; [D] - матриця диференцiйних функцiй,якi описують форму КЕ.
В дисертацiп складено матрицю жорсткостi [k] кiнцевих елементiв на випадок плоского напруженого стану, яка ураховує корегування закону Гука у застосуваннi до фактичного об'ємного напружено-деформованого стану. З урахуванням положень МКЕ складено програму на мовi Object Pascal для середовища вiзуального програмування Delphi 4. Результатами розрахунку є еквiвалентне напруження в кожному КЕ розрахунковоп схеми. На рис.5 приведено розрахункову схему елементiв шиберного затвора, дo складу якоп входять 780 КЕ.
Проведенi розрахунки за МКЕ та дослiдження напружено-деформованого стану основних елементiв триплитового шиберного затвора показали, що напруження s, яке виникає у вогнетривких плитах, є складною функцiєю i залежить вiд 6 змiнних (факторiв):
s=¦(Bп, Hп, Lх, E, m, P) , (11)
де Вп, Нп - ширина та висота вогнетривкоп плити; Lx, E, m - найбiльша довжина ходу середньоп вогнетривкоп плити, модуль пружностi матерiалу плити та коефіцієнт Пуассона для використаних вогнетривких плит; Р - сила притискання плит.
1 - сталева обойма (верхня);
2 - нерухома верхня плита;
3 - рухома середня плита;
4 - нерухома нижня плита;
5 - сталева обойма (нижня)
Рис.5. Розранхункова схема елементiв шиберного затвора
З метою виявлення значущих змiнних та отримання залежностi для визначення максимального напруження у вогнетривких плитах при найбiльшiй довжинi ходу середньоп вогнетривкоп плити Lx, проведено планований математичний експеримент згiдно з планом 1-го порядку (26). Максимальне напруження у вoгнетривких плитах smax прийняте як параметр, тому що саме це значення напруження обумовлює безвiдмовну роботу шиберного затвора з позицiп дотримання умов мiцностi. Перелiк факторiв функцiп (11) з зазначенням пхнiх рiвней варiювання приведений в таблицi 2.
Таблиця 2 – Фактори математичного експерименту
Назва Фак-тори Позначення Одиниці вимiрю-вання Рiвнi варiювання Шаг варiю-вання
-1 0 +1
Ширина плити x1 B м 0,154 0,227 0,3 0,073
Товщина плити x2 H м 0,03 0,045 0,06 0,015
Величина ходу плити x3 Lx м 0,08 0,16 0,24 0,08
Модуль пружності матеріалу плити x4 E Па 6,8Ч1010 7,75Ч1010 8,7Ч1010 9,5Ч109
Коефiцiєнт Пуассона x5 m - 0,16 0,29 0,42 0,13
Сила притискання плит x6 P Н 45000 142500 240000 97500
Вiдповiдно до методики планування експерименту складено матрицю планування, згiдно з якою виконано 64 математичнi дослiди щодо визначення smax у плитах iз застосуванням розробленоп програми за МКЕ. Первинний аналiз результатiв експерименту показав необхiднiсть перетворення змiнноп вiдгуку smax до lnsmax.
Подальша обробка отриманих результатiв виконувалась у прикладному пакетi STATISTICA, за допомогою якого розрахованi значення коефiцiєнтiв рiвняння регресiп, виконана перевiрка пхньоп значностi за критерiєм Стьюдента та отримано рiвняння регресiп в кодованому виглядi, яке адекватно описує результати математичного експерименту. Коефiцiєнт кореляції R мiж значеннями параметра, які розраховані відповідно цьому рiвнянню, та отриманими МКЕ, становить 0,927.
Пiсля переводу рiвняння регресiп iз кодованого виду в натуральний отримано залежнiсть мiж максимальним напруженням, яке виникає в плитах затвора, та факторами планованого експерименту:
. (12)
Перевiрка залежностi (12) виконувалась стосовно випадкiв виникнення небезпечних напружень за умов мiцностi вогнетривких плит. Заздалегiдь для вогнетривких плит (H=0,03 м), що мали бути дослiдженi в лабораторних умовах (t=20 °C), були визначенi: межа мiцностi sв=43,6 МПа та показники Е=8,7Ч1010 Па, m=0,36. Пiсля пiдстановки отриманого значення sв у вираз (12) та пiсля виконання необхiдних перетворень визначена сила притискання вогнетривких плит, яка склала Р=91,8 кН. Далi на спроектованому триплитовому шиберному затворi з положенням середньої вогнетривкої плити Lх=0,12 м за допомогою стягувальних болтiв поступово збiльшували силу притискання, значення якої безперервно контролювались вимiрювальною системою до моменту руйнування однієї з вогнетривких плит. При цьому вимiряне зусилля притискання вогнетривких плит, що призвело до руйнування, становило 101,4 кН, що вiдповiдає помилцi близько 11 %.
На основi залежностi (12) для рiзних розмiрiв (ТУ 14-8-555-87) магнезитових вогнетривких плит (Е=8,7Ч1010 Па, m=0,36, [s]=27 МПа при t=20 °С) визначена пхня припустима сила притискання (таблиця 3). Потужнiсть електродвигуна приводу при даних значеннях сил притискання знаходиться в дiапазонi 0,6ё1,7 кВт.
Таблиця 3 – Припустима сила притискання вогнетривких плит
Ширина вогнетривкої плити Вп, м Висота вогнетривкоп плити Hп, м Довжина вогнетривкоп плити Lп, м Хiд рухомоп вогнетривкоп плити Lх, м Припустима сила притискання плит Рдоп, кН
0,19 0,045 0,37 0,10 106,6
0,20 0,055 0,45 0,14 200,0
0,22 0,060 0,49 0,18 261,9
0,25 0,050 0,45 0,20 214,4
0,20 0,050 0,45 0,16 183,8
0,20 0,030 0,37 0,14 43,0
Для виготовленого затвора було розроблено нову конструкцiю електромеханiчного привода, яка на основi кiл Кардана забезпечує прямолiнiйне зворотно-поступальне перемiщення шатуна, що дає змогу усунути перекоси рухомих деталей затвора, пiдвищити надiйнiсть роботи та безпеку його експлуатації i мати при цьому компактну конструкцiю. Такi властивостi особливо важливi пiд час використання цього приводу триплитового шиберного затвора на промiжному ковшi МБЛЗ.
У четвертому роздiлi викладено обгрунтування технiко-економiчної ефективності розробленого обладнання в умовах вiддiлення безперервного розливання сталi киснево-конвертерного цеху ВАТ МК “Азовсталь”.
В результатi впровадження розробленого обладнання для промiжного ковша МБЛЗ з газлiфтним реактором пiдвищилась якiсть литоп заготовки, що виражається у зменшеннi хiмiчноп осевоп та точковоп неоднорiдностi металу у литiй заготовцi в середньому на 1,5 бала, а також зменшилась витрата силiкокальцiю до 0,3 кг на тонну сталi, що обробляється. Застосування триплитового шиберного затвора дає можливiсть збiльшити кампанiю промiжного ковша. Згідно досягнутих показників розраховано очікуваний загальний економiчний ефект вiд створеного обладнання, який при обробцi 800 тис.т в рiк трубних марок сталей становить 848 тис.грн.
ЗАГАЛЬНI ВИСНОВКИ ТА ОСНОВНI РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ
1. Проаналiзовано iснуючi конструкцiп промiжних ковшiв МБЛЗ, в яких проводяться операцiп позапiчноп обробки розплаву сталi, сформульовано вимоги, яким повинна вiдповiдати сучасна конструкцiя промiжного ковша. На основi цих вимог показано необхiднiсть удосконалення конструкцiп промiжних ковшiв за допомогою введення у пхнiй внутрiшнiй об'єм газлiфтноп камери для полiпшення гiдродинамiчних умов обробки сталi, яку розливають. Проаналiзованo конструктивнi особливостi сучасних затворiв, показано доцiльнiсть оснащення промiжних ковшiв МБЛЗ триплитовими шиберними затворами.
2. Розроблено конструкцiю промiжного ковша двопотокової МБЛЗ, що мiстить двi газлiфтнi камери, якi подiляють ковш на приймальну та двi розливнi зони. Характерною особливiстю ковша є забезпечення спрямованоп циркуляції розплаву в приймальнiй зонi та можливiсть обробки його твердими модифiкаторами i лiгатурами, якi подаються аргоном.
3. З використанням вiдомих закономiрностей гiдродинамiки створено математичну модель гiдродинамiчних процесiв газлiфтноп камери, за допомогою якоп у математичному планованому експериментi вперше отримано аналiтичнi залежностi масовоп витрати розплаву сталi, який транспортується, та об'ємноп витрати транспортувального газу (аргону) вiд геометричних параметрiв газлiфтноп камери для пп оптимального режиму. Лаборатор-ний експеримент на “холоднiй” об'ємнiй моделi промiжного ковша пiдтвердив адекватнiсть розробленоп математичноп моделi гiдродинамiки газлiфтноп камери. Коефiцiєнт кореляцiп становить 92,1%.
4. На основi отриманих залежностей вперше формалiзовано процедуру находження оптимальних геометричних параметрiв газлiфтноп камери промiжного ковша МБЛЗ з метою мiнiмiзацiп витрати транспортувального газу (аргону) для заданоп масовоп витрати розплаву сталi в оптимальному режимi та виконано розрахунок геометричних i розходних параметрiв газлiфтноп камери для промiжного ковша МБЛЗ.
5. Розроблено, спроектовано та виготовлено триплитовий шиберний затвор з пружино-балансирною системою притискання вогнетривких плит, в якому пружний елемент, що деформується, одночасно виконує роль пружини та балансира i забезпечує постiйну силу притискання вогнетривких плит у процесi роботи затвору. Також розроблено електромеханiчний привод затвора на основi кiл Кардана, який здiйснює прямолiнiйне зворотно-поступальне перемiщення приводноп тяги.
6. Проведено лабораторнi дослiдження роботи триплитового шиберного затвора, результати яких дали змогу довести його працездатнiсть та дозволили зробити висновок про те, що сила, яка витрачається для перемiщення рухомоп вогнетривкоп плити затвора, та потужнiсть двигуна, на 87-92 % зумовленi силою притискання вогнетривких плит.
7. На основi вiдомого методу кiнцевих елементiв створено математичну модель для визначення параметрiв напружено-деформованого стану основних елементiв триплитового шиберного затвора, в якому останнiй розглядається в межах задач плоскoп деформації. Дослiдження на цiй моделi показали, що напруження в матерiалi вогнетривких плит затвора розподiляються нерiвномiрно, при цьому в мiру його вiдкриття максимальнi значення напруження збiльшуються. За допомогою методу планованого математичного експерименту на основi розрахункових даних математичнoп моделi вперше отримано аналiтичну залежнiсть мiж механiчним напруженням, яке виникає у матерiалi вогнетривких плит триплитового шиберного затвора, та силою притискання цих плит, пхнiх геометричних розмiрiв та фiзико-механiчних властивостей матерiалу (модуль Юнга та коефiцiєнт Пуассона), яка дозволяє обгрунтовано розрахувати припустиму силу притискання плит, при якої напруження в них буде задовольняти умовам мiцностi. В лабораторних умовах оцiнено похибку розрахунку за цiєю залежністю на рiвнi близько 11 %.
8. Розроблено методику автоматизацiп процесiв дослiджень, яка дає змогу проводити вимiрювання швидкостей рiдинних потокiв та зусиль в конструктивних елементах механiчного обладнання з обробкою отриманих результатiв в реальному масштабi часу, а також пiдвищує точнiсть реєстрації вимiрюваних сигналiв. За допомогою цієї методики у дисертаційній роботі виконані експериментальні дослідження. Методику впроваджено у Донецькому науково-дослiдному iнститутi чорноп металургiп.
9. Розроблено технiчний проект триплитового шиберного затвора з пружино-балансирним притисканням вогнетривких плит та електромеханiчним приводом для використання на промiжному ковшi МБЛЗ та ”Методика розрахунку конструктивних параметрів та елементів затвора”, які передано ЗАТ НКМЗ для виконання робочого проекту.
10. Промiжний кiвш МБЛЗ розробленоп конструкцiп використовується у вiддiленнi безперервного розливу сталi киснево-конвертерного цеху ВАТ МК “Азовсталь”, що дозволило знизити питому масову витрату силiкокальцiю на 0,3 кг на тонну розплаву сталi, яка оброблюється, та пiдвищити якiсть литих заготовок трубних марок сталей, що знаходить свoє вiдображення в зменшеннi хiмiчноп осевоп та точковоп неоднорiдностi металу в литiй заготовцi в середньому на 1,5 бала порiвняно з конструкцiями промiжних ковшiв, якi використовувались ранiше. Загальний економiчний ефект створеного обладнання промiжного ковша становить 848 тис. грн.
Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:
1. Руденко Р.В., Лифенко Н.Т., Гаркуша А.А. Определение оптимальных геометрических параметров газлифтной камеры промежуточного ковша МНЛЗ // Прогрессивная технология и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. - Донецк: ДонГТУ. - 2001. Вып. 11.- С.92-101.
2. Исследование предельно-опасных нагрузок в элементах трехплитного ковшевого затвора / Еронько С.П., Руденко Р.В., Ошовская Е.В., Богацкий В.М., Красулин С.Н.// Защита металлургических машин от поломок: Сб. научных трудов. Вып.4.- Мариуполь: ПГТУ. - 1999. - С.100-108.
3. Исследование напряженно-деформированного состояния элементов трехплитного шиберного затвора / С.П.Еронько, Н.Т.Лифенко, Р.В.Руденко, Е.В.Ошовская // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2000. - №2. - С.90-93.
4. Определение максимальных напряжений в огнеупорных элементах трехплитного шибeрного затвора / Р.В.Руденко, Е.В.Ошовская, С.П.Еронько, Н.Т.Лифенко //Сборник трудов ДГМИ. Вып.5. - Алчевск: ДГМИ, 2000. - С.226-231.
5. Повышение эффективности технологии донной продувки стали в разливочном ковше / Еронько С.П., Рыженков А.Н., Быковских С.В., Дадонов М.К., Руденко Р.В.// Сталь. - 1997. - №11. - С.12-16.
6. Сопилкин Г.В., Руденко Р.В., Нижник А.В. Автоматизированная обработка сигналов измерения в реальном масштабе времени // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов.- Донецк: ДонГТУ. - 1998. - Вып. 5. - С. 206-209.
7. Методическое руководство к автоматизации процессов исследований / Г.В.Сопилкин, А.В.Нижник. Р.В.Руденко; Донец. гос.техн. ун-т.-Донецк, 1997.- 16 с.-Рус.-Деп. В ГНТБ Украины 08.12.97, № 616- Ук 97 // Анот. В РЖ “ Депонованi науковi роботи” , № 1, 1998.
8. Пат. 39788А. Украина, МКИ B22D41/14. Кiвшовий затвор/ С.П. Єронько, Р.В. Руденко, М.Т. Лифенко і др. Заявл. 21.04.98; Опубл. 15.06.01, Бюл. №5. – 3 с.
9. Пат. 39728А. Украина, МКИ B22D41/08. Електромеханічний привід шиберного затвора/ С.П. Єронько, Р.В. Руденко, Ю.М. Білобров і др. Заявл. 22.01.01; Опубл. 15.06.01, Бюл. №5. – 3 с.
У наведених роботах автору належить наступне.
[1] Виведення аналiтичних залежностей масовоп витрати розплаву сталi, який транспортується, та об'ємноп витрати транспортувального газу (аргону) вiд геoметричних параметрiв газлiфтноп камери для пп оптимального режиму. Постановка та рiшення задач для визначення оптимальних параметрiв газлiфтноп камери промiжного ковша МБЛЗ з метою мiнiмiзацiп витрати транспортувального газу (аргону) для заданоп
