Національна металургійна академія України

Міністерство освіти і науки України

БАШМАКОВ Олександр Михайлович

УДК 669.162.267.642:669.721.002.5.083.133

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ РОЗРАХУНКУ, КОНСТРУЮВАННЯ

ТА ВПРОВАДЖЕННЯ МЕХАНІЧНОГО ОБЛАДНАННЯ

УСТАНОВОК ДЕСУЛЬФУРАЦІЇ ЧАВУНУ

Спеціальність - 05.05.08

”Машини для металургійного виробництва”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З. І. Некрасова Національної академії наук України (ІЧМ), м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник:

Член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор

БОЛЬШАКОВ Вадим Іванович,

директор Інституту чорної металургії ім. З.І.Некрасова НАН України,

(м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, старший науковий співробітник

НОСКОВ Валентин Олександрович,

провідний науковий співробітник відділу технологічного обладнання та

систем керування Інституту чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України (м. Дніпропетровськ)

Кандидат технічних наук, доцент

ДОБРОВ Ігор В’ячеславович,

завідувач кафедри прикладної механіки Національної металургійної

академії України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться ”08” квітня 2008 р. о _1230_годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий ”_05 ”_березня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради ______________ Л.В. Камкіна

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В останні роки істотно зросла актуальність вирішення проблеми кардинального підвищення якості сталі за рахунок виробництва низькосірчаних і особливочистих за сіркою марок з одночасним зменшенням витрат на її одержання. Зростаючі вимоги до якості чавуну для конвертерного переробу поставили задачу зменшення в ньому вмісту сірки до 0,005– 0,001 %, вирішення якої може бути досягнуто шляхом подальшого вдосконалення технології й обладнання, які забезпечують глибоку десульфурацію чавуну.

Наприкінці 70-х років минулого сторіччя на основі досвіду експлуатації перших установок десульфурації чавуну й різнопланових комплексних досліджень існуючих технологій і обладнання, фахівцями Інституту чорної металургії (ІЧМ), Інституту титану, НВО ”Інфоком”, ВАТ ”Черметмеханізація”, НВО ”Енергосталь” і Дніпропетровського національного університету були запропоновані технічні рішення, які дозволили розробити нову технологію й створити сучасне обладнання для десульфурації чавуну в ковшах гранульованим магнієм без добавок. Дослідження й розробки, спрямовані на створення методів розрахунку й удосконалення обладнання установок десульфурації чавуну та створення сучасних автоматизованих комплексів машин, актуальні й мають теоретичне й практичне значення.

Дисертаційна робота є продовженням і подальшим розвитком напрямку з удосконалення технології та обладнання установок позапічної десульфурації чавуну гранульованим магнієм, розпочатого в ІЧМ понад сорок років тому під керівництвом докт.техн.наук Н.О.Воронової, і присвячена створенню обладнання сучасних автоматизованих комплексів десульфурації чавуну нового покоління. Створення цих комплексів здійснювалося під керівництвом докторів технічних наук А.П. Шевченка та В.І. Большакова. В дослідження та модернізацію діючих установок, створення обладнання установок десульфурації чавуну, машин для скачування шлаків і засобів автоматизації істотний внесок зробили В.О.Александров, Б.В. Двоскін, Е.А. Троценко, Ю.І. Черевик, О.Г. Бондаренко, В.М. Чумарний, Н.В. Морозов, А.Ю. Рукас, А.Н. Бураков і ін.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, контрактами:

Виконання дисертаційної роботи пов’язане з тематичними планами наукових досліджень ІЧМ, виконаних у рамках пошукових і госпдоговірних робіт таких як: –

ВО.001.03 ”Дослідження впливу умов інжектування реагентів, маючих магній, в рідкий чавун на механізм взаємодії магнію з розплавом і одержання вмісту сірки в чавуні 0,003-0,001 відсотка при десульфурації чавуну у заливальних ковшах”. (Номер державної реєстрації № 01003U007231);

- ТО.0306.04 ”Аналіз стану, дослідження та удосконалення обладнання, яке використовується для десульфурації чавуну”;

а також проектно-конструкторськими розробками, впровадженням і промисловим освоєнням обладнання, виконаними Інститутом титану за контрактами з Китаєм в 2000-2007 роках, в тому числі: № 2000Z/04-1604ДМ-ИТ; № 01BLZB/450046-ИТ;
№ NU300-L6-940-ИТ; №2004–19–ИТ; № 76–157–ИТ та інші.

Мета роботи й задачі досліджень. Розробка нового механічного обладнання й забезпечення його високопродуктивної роботи при зменшенні витрат на ремонти для сучасних автоматизованих комплексів десульфурації чавуну гранульованим магнієм.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі: - виконати аналіз діючого обладнання, оцінивши його переваги й недоліки; - створити методи розрахунку й конструкції машин для позапічної десульфурації чавуну; - на основі аналізу циклограм роботи обладнання визначити раціональні режими їхньої роботи; - вивчити навантаження, які діють на фурму і її привід і розробити заходи для їхнього зменшення; - розробити й дослідити нове механічне обладнання, яке володіє більшою експлуатаційною надійністю.

Об’єкт дослідження. Механічне обладнання установок десульфурації чавуну гранульованим магнієм у доменних і заливальних ковшах.

Предмет дослідження. Величина і характер зміни навантажень, які діють на фурму та елементи її приводу. Силові та конструктивні параметри механізму фіксації фурми і пристрою введення фурми в розплав.

Методи дослідження. При теоретичних дослідженнях використовувалися сучасні методи математичного аналізу й обчислювальна техніка. Експериментальні дослідження проводилися з використанням як стандартних, так і спеціально виготовлених силовимірювальних датчиків і контрольно-вимірювальної апаратури.

Наукова новизна отриманих результатів. Отримано аналітичні залежності, які дозволяють визначати характер зміни навантажень, що діють на фурму, їх абсолютні значення та встановлено взаємозв’язок між статичним тиском рідкого розплаву, тиском парогазової суміші у випарній камері й тиском транспортуючого газу. На цій основі розроблено математичну модель приводу фурми, дослідження динамічних процесів на якій показали, що застосування в приводі гнучкого зворотного зв’язку з нижньою пружною опорою гарантує роботу приводу з постійно натягнутою ланцюговою передачею й виключає появу ривків. Це дало змогу визначити величини й характер зміни зусиль у галузях ланцюгової передачі приводу як зі зворотним зв’язком, так і без нього, а також опорних реакцій у колісних парах каретки.

Експериментальними дослідженнями встановлено, що технологічні навантаження, які діють на фурму і її привід при десульфурації, носять динамічний характер і залежать від масової швидкості подачі магнію, тиску транспортуючого газу й глибини занурення фурми, а їхня величина змінюється в межах 60,0-90,0 кН, а частота коливань від 3,0 до 5,0 Гц. При розгоні й гальмуванні фурми навантаження в її приводі досягають 120,0ч150,0 кН, а реакції в напрямних опорах - 10,0 кН. Показано, що, при діючих співвідношеннях частот вимушених та власних коливань, поява резонансних явищ при роботі обладнання виключена.

Вперше розроблено теоретично-обґрунтовану методику розрахунку, на базі якої створено оригінальну конструкцію механізму фіксації фурми у її робочому стані, що дало змогу суттєво зменшити вимушені коливання фурми під час дуття, а також виключити дію цих коливань на металоконструкції естакади.

Вперше, на основі аналізу різних промислових ситуацій, розроблено теоретичне обґрунтування і отримані аналітичні залежності, які дозволяють ще на стадії проектування визначити ступінь стійкості різних конструктивних варіантів пристрою введення фурми у розплав, а також визначити їх основні конструктивні параметри.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень і розробок, виконаних у дисертаційній роботі, стали основою для створення принципово нового механічного обладнання сучасних комплексів позапічної десульфурації чавуну гранульованим магнієм, практичне використання якого почалося в 1998-99 роках на меткомбінаті ”Азовсталь” в 140-тонних чавуновозних ковшах при вдуванні гранульованого магнію в струмені природного газу й в 350-тонних заливальних ковшах шляхом вдування гранульованого магнію в струмені аргону, які підтвердили високу ефективність удосконаленої технології й нового обладнання.

Розробка й реалізація нових технічних рішень, конструкцій і науково-обґрунтованих методів розрахунку параметрів механічного обладнання сучасного комплексу для десульфурації чавуну дозволили забезпечити його високопродуктивну й довговічну експлуатацію. В Китаї в 2000-2007 роках реалізовані 56 нових установок на 34-х меткомбінатах із сумарною виробничою потужністю більше 50,0 млн.т чавуну на рік.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що, як відповідальний виконавець та керівник науково-дослідних робіт і проектно-конструкторських розробок, він брав безпосередню участь у створенні методик розрахунку, модернізації обладнання діючих установок, постановці задачі й підготовці технічних рішень при розробці механічного обладнання знову створюваних комплексів, брав участь у теоретичних і експериментальних дослідженнях і обробці отриманих результатів, керував розробкою проектно-конструкторської документації, очолював авторський нагляд за виготовленням, монтажем і освоєнням обладнання. Брав активну участь в узагальненні результатів досліджень, підготовці статей і доповідей на конференціях і конгресах. Основні ідеї методик розрахунку навантажень і параметрів з розробки й компонування обладнання сформульовані автором особисто.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації повідомлені й обговорені на: VІ-ому Міжнародному симпозіумі з десульфурації чавуну та сталі, Магдебург, Німеччина, 2000 р.; VII-ому Міжнародному симпозіумі з десульфурації чавуну й сталі, АНІФ, Австрія, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції ”Спеціальна металургія: Вчора, сьогодні, завтра”, Київ, Україна, 2002 р.; Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 70-річчю КДГМК, Кривий Ріг, Україна, 2004 р.; VI-ому Інтернаціональному конгресі виробників сталі, Пекін, КНР, 2005 р.; Iх-ому Міжнародному симпозіумі з десульфурації чавуну й сталі, Галоті, Румунія, 2006 р.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в 15-ти наукових роботах,

з яких 12 опубліковані у фахових виданнях, 3, в тому числі 1 патент на винахід, у додаткових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Матеріали роботи викладені на 198 сторінках, з яких 129 – основний машинописний текст, містять 37 рисунків, 17 таблиць і 14 сторінок – список використаних літературних джерел зі 123 найменувань та додатків 6.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, наукову новизну й достовірність виконаних у роботі досліджень. Викладено мету роботи і задачі досліджень, показано практичну значимість отриманих результатів і особистий внесок автора, представлено положення, що виносяться на захист, а також відомісті про реалізацію розробок у промисловості, публікаціях і апробації роботи.

У першому розділі виконано аналітичний огляд сучасного розвитку у світовій практиці технології й обладнання позапічної обробки чавуну в ковшах. Показано, що позапічна обробка чавуну одержала широке поширення на металургійних заводах Європи, США і Японії, а в останні десятиліття почала активно використовуватися на метзаводах Китаю. Основними реагентами, що вдувають при десульфурації чавуну, є порошкові вапно або карбід кальцію, кальцинована сода, магнійвмісні суміші та гранульований магній. Останній реагент є найбільш прогресивним і одержав широке практичне використання на металургійних комбінатах України й за її межами.

Обладнання, яке забезпечує вдування цих реагентів у рідкий чавун, являє собою досить складні багатоповерхові споруди з бункерними естакадами, складськими приміщеннями, занурювальними фурмами, системами пневмотранспорту та газоочистки, технологічне обладнання й контрольно–вимірювальні прилади (КВП). При вдуванні гранульованого магнію на глибину до 2-х метрів використовуються фурми, виконані з випарними камерами на виході. Загальним недоліком цих фурм є низька термостійкість, через що час однієї продувки не перевищує 5-ти хвилин.

Експлуатація цього обладнання показала, що під час десульфурації, у металоконструкціях естакад виникають коливання високої частоти й амплітуди, які передаються на приміщення, прилади, пульти управління. Це приводить до виникнення небезпечних напруг у зварних з’єднань і вузлах металоконструкцій, їх втомлювальних руйнувань, спотворює показання приладів, ускладнює роботу обслуговуючого персоналу, сприяє швидкому виходу з ладу апаратури.

Проведений аналіз сучасного стану технології й обладнання показав, що найбільш перспективною є технологія десульфурації чавуну гранульованим магнієм, а обладнання, що реалізує цю технологію, має ряд істотних недоліків, наявність яких знижує його техніко-економічні показники.

Другий розділ присвячений створенню сучасних комплексів десульфурації чавуну. Аналіз циклограм роботи існуючих установок показав, що їхнім загальним недоліком є ручне керування роботою обладнання й технологічним процесом, наявність пауз між операціями, низька стійкість вогнетривких футерівок фурм і довготривалість підготовчих операцій. Це призводить до того, що середньостатистичний час одного циклу роботи обладнання при обробці доменних і заливальних ковшів, становить близько 37 хвилин. Показано, що зменшення цього часу може бути реалізоване шляхом скорочення часу виконання окремих операцій і їх суміщення, ліквідацією пауз між операціями, використання фурм із футерівкою, виконаною з вогнетривких бетонів.

Сформульовано технічні вимоги до складу й компонування обладнання комплексу, які забезпечують його ефективну роботу і які включають: розробку полегшеної термостійкої легкозамінної конструкції фурменого пристрою; реалізацію примусового занурення фурми в рідкий чавун на задану глибину; створення методів розрахунку й вибір оптимальних конструктивних параметрів механізму фіксації фурми й пристрою введення фурм у розплав; розробку раціональних компонувальних рішень обладнання; застосування сучасної апаратури автоматизованого управління та контролю параметрів робочих процесів; забезпечення високого ступеня надійності використовуваного обладнання й стабільного одержання кінцевих результатів. На підставі цих вимог розроблено принципову схему сучасного комплексу (рис.1), запропоновано ряд компонувальних рішень розташування обладнання, його склад і технічна характеристика.

Рис. 1. Принципова схема комплексу десульфурації чавуну гранульованим

магнієм нового покоління.

Сучасний комплекс складається із завантажувального модуля 1, мостового крану 2 вантажопідйомністю 5,0 т, завантажувальної лійки 3, контейнера 4 типу ”біг-бег”, осаджувача пилу 5, бункера 6, мостових кранів 7 і 8 вантажопідйомністю 100/32 т, фурменого пристрою 9, пристрою введення фурми в розплав 10, пристрою фіксації фурми в нижньому положенні 11, модуля-дозатора 12, чавуновоза 13, візка переміщення шлакової чаші 14, доменного ковша 15, системи газовидалення 16, стенду для обслуговування фурм 17, машини скачування шлаків 18, пристрою для обмивки фурм 19 і розпилювача 20. Ця схема реалізована на комплексах десульфурації чавуну й скачування шлаків різних металургійних комбінатів при обробці чавуну в ковшах з масою розплаву від 40 до 280 т.

Одна з особливостей реалізованого технологічного процесу полягає в тому, що обробка чавуну магнієм здійснюється за одне занурення фурми. Це скоротило кількість підготовчих операцій. Крім того, сполучення ряду підготовчих операцій при обробці чавуну в доменних ковшах скоротило загальний час циклів на 3,0 хвилини, а в заливальних - на 16,0ч19,0 хвилин. Оснащення установок системами автоматичного контролю й управління звело до мінімуму наявність пауз між операціями, що скоротило час робочого циклу на 7 %.

У результаті реалізації запропонованих заходів вдалося так організувати роботу сучасних комплексів десульфурації чавуну, що загальний час робочого циклу обробки чавуну в доменних ковшах не перевищує 22-х хвилин, а в заливальних - залежно від їхньої ємності, коливається від 26-ти до 34-х хвилин. Це забезпечило максимальну пропускну здатність цих комплексів.

Третій розділ присвячено дослідженню навантажень, які діють на фурму і її привід. Показано (рис. 2, а), що на фурму, занурену в рідкий чавун під час десульфурації, діють три виштовхні сили: сила Архімеда (F1) , сила барботажних паромагнієвих бульбашок (F2) і реактивні сили газомагнієвого швидкісного потоку (F3) , аналітичні залежності для визначення яких мають вигляд:

, (1)

(2)

. (3)

де = 7200 кг/м3 - щільність чавуну при температурі 12000С; g – 9,81 м/сек2 – прискорення сили тяжіння; Hi = 2,0 м - глибина занурення фурми; D = 0,70 м; D1 = 0,45 м; d = 0,35 м; H = 0,75 м - конструктивні параметри фурми; Gг і Gм – секундні вагові витрати газу й магнію; Vсм - середня швидкість витікання газомагнієвого струменя у випарній камері.

а б

в г

Рис. 2. Схема сил, що діють на фурму.

а - принципова схема дії сил;

б – характер зміни реактивної сили: криві 1-7 і 1/-7/ - реактивна сила газу й газомагнієвої суміші при швидкостях витікання 50, 100, 150, 200, 250, 300 і 350 м/с;

в - величина й характер зміни сил, викликаних барботажем;

г - опорні реакції в колісних парах каретки.

У фурми з такими параметрами сила Архімеда F1 на глибині Hi ,0 м дорівнює 21,9 кН. Величина й характер зміни виштовхної сили F2 від барботажу представлена на рис. 2, в, а реактивної сили F3 – на рис. 2, б. Сила F2 діє циклічно, змінюючись від нуля до максимуму, і досягає 4,4 кН. Частота зміни цієї сили залежить від обсягу паромагнієвої суміші й глибини занурення фурми й у нашому випадку становить біля трьох циклів у секунду. Аналіз величини реактивної сили F3 показує, що при продувці фурми чистим газом її величина досягає 0,8 кН, а – газомагнієвою сумішшю вона збільшується до 1,6 кН.

Однією з умов, які визначають стійкість протікання процесу рафінування, є встановлення взаємозв’язку між тиском газомагнієвої суміші в системі подачі пневмотранспорту (рт), тиском насичених парів магнію у випарній камері (рн) і феростатичним тиском рідкого чавуну (рф) у зоні нижнього зрізу дзвона. Якісно цей зв’язок для будь-якої глибини занурення фурми виглядає в такий спосіб:

рт >рн >рф. (4)

При виконанні цієї умови процес десульфурації може здійснюватися з різним ступенем активності. Дотримання цього відношення забезпечує стабільне протікання процесу десульфурації.

Особливий інтерес представляє експериментальне визначення навантажень, що діють у приводі. Експериментальні дослідження проводилися на установках меткомбінатів ”Криворіжсталь” і ім. Ілліча, під час яких вимірялися зусилля в тросі привода фурми й навантаження в напрямних опорної основи при продувці чавуну в ковшах, у яких рівень наливу змінювався від 50 до 95 тонн, масова швидкість подачі магнію - від 5,0 до 25 кг/хв, а тиск транспортуючого газу - від 0,20 до 0,26 МПа. Встановлено, що навантаження, які діють на фурму і її привід, носять динамічний характер, величина яких змінюється в межах 60,0ч90,0 кН, а частота коливань від 3,0 до 5,0 Гц. При розгоні й гальмуванні навантаження в приводі досягають 120,0ч150,0 кН, а реакції в напрямних опорах - 10,0 кН.

а б

Рис. 3. Розрахункові схеми:

а - привода фурми; б - навантажень каретки

Створення нового привода фурми вимагає оцінки динамічних навантажень, які діють у його гнучких зв’язках і опорах каретки. Розрахункові схеми цього приводу й каретки з опорами наведені на рис. 3. Примусове занурення фурми в ньому досягається завдяки використанню механічної системи, виконаної у вигляді спарених блоків і гнучких зв’язків, що замикаються безпосередньо на каретці з обох її сторін. Жорсткості цих гнучких зв’язків С5 і С6 змінюються, коли каретка перебуває в точках А1, А2 і А3 (рис. 3, а). Система диференціальних рівнянь, які описують математичну модель цієї розрахункової схеми, має наступний вигляд:

(5)

На розрахунковій схемі привода (рис. 3, а) і в системі рівнянь (5) прийняті наступні позначення: F1, F2 і F3 – сили, що виштовхують, діючі на фурму; F4 , F5 і F6 , F7 - сили натягу гілок верхньої й нижньої ланцюгової передач; F8 і С8 - зусилля натягу тарілчастих пружин і їх жорсткість; F9 і С9 - зусилля, сприймане фіксатором, і його приведена жорсткість; Gк,Gф і mк і mф – вага й маса каретки та фурми; С4,С5, С6 і С7 - жорсткості верхньої й нижньої гілок ланцюгової передачі; MD, VD і JD – приведені момент, швидкість і момент інерції двигуна; i – передатне відношення редуктора; V1 і V2, J1 і J2, m1 і m2 – швидкість, момент інерції й маса зірочок; R – радіус зірочок; Mo і Vo - момент і швидкість двигуна при опусканні фурми; a і в – коефіцієнти коректування Mo і Vo; n – коефіцієнт включення гальмового моменту; g - прискорення сили тяжіння; Н – хід каретки; Н1- частина ходу каретки до поверхні розплаву; Н2 – глибина занурення фурми в розплав; L – довжина навантаженої частини ланцюга; Lо – довжина маятника.

Приведена розрахункова схема привода й математичне описування її роботи являють собою універсальну математичну модель, використання якої дозволяє досліджувати різні варіанти конструкції привода. Коли фурма занурюється під дією власної ваги, виключаються рівняння (4), (6), (9), (10) і (11), які описують роботу її зворотних зв’язків і пружного блоку, а замість маси каретки (mк) використовується маса баластового вантажу (mб).

Виконано аналіз динамічних процесів, які відбуваються в гнучких зв’язках привода, у якого: mф = 2250 кг, mк = 1750 кг, С4 = С7 = 4,92.107 н/м, [С5=2,41.108 н/м і С6 = 3,16.107 н/м]А1, [С5 = 4,12.107 н/м і С6 = 8,67.107 н/м] А2, [С5 = 3,16.107 н/м і С6 = 2,41.108 н/м ]А3, ND = 8,5 кВт, nD = 943 об/хв,
і = 50, V1=V2 = 11,6 м/хв, m1=m2 = 200 кг, R = 255 мм, L = 11000 мм,
L2 =7450 мм, Н1 = 5450 мм, Н2 = 2000 мм, L1 = 1275 мм.

Результати визначення зусиль у гілках ланцюга (F4 і F5 ) для привода з однобічним зв’язком, коли фурма піднімається з розплаву, представлені на рис. , а та б. Аналіз кривих показує, що навантаження між правою й лівою гілками ланцюга розподіляється практично однаково, але на початку руху фурми спостерігаються ривки, у результаті чого навантаження в них значно перевершує статичне. Так, якщо приведена сила тяжіння фурми (Gф + Gб) становить 30 кН, то зафіксоване навантаження в ланцюзі перевершує 60 кН.

Для виключення появи ривків, запропоновано замкнути привід знизу гнучким зворотним зв’язком через підпружинену опору. У цьому випадку ланцюг залишається постійно натягнутим, а максимальне зусилля в ній зменшується до 50 кН, що свідчить про значне зниження навантаження в провідній гілці ланцюга (рис. , в). Навантаження у зворотному зв’язку при цьому не перевищує 11,0 кН (рис. , г).

а) б)

в) г)

Рис. 4. Зусилля в гілках ланцюгової передачі

а й б - при однобічному зв’язку до й після зірочки;

в і г - при наявності зворотного зв’язку до й після каретки

Основні навантаження в процесі переміщення каретки сприймають її колісні пари. Розрахункова схема, яка дозволяє визначити опорні реакції, приведена на рис. , б, у якій фурма зі штангою представлені у вигляді маятника, закріпленого в точці О. У цьому випадку кут повороту штанги (ц) щодо точки О можна представити рівнянням:

, (6)

де Jф. – приведений момент інерції каретки й фурми зі штангою щодо точки О; Fк – горизонтальна реакція на осі коліс каретки; і – кутові швидкість і прискорення штанги й фурми; – коефіцієнт тертя у в’язкому середовищі розплаву; h1 = OD = 1,0 м; h2 = ОА = 0,43 м; h = 1,07 м.

Розглянемо випадок, коли каретка перебуває в стані спокою або переміщується з постійною швидкістю. У цьому випадку й 0. Тоді з рівняння (6) з урахуванням рівноваги сил, що діють на каретку, коли F6 - F5 = Gк+ +Gф- F1 -F2 - F3, після перетворень одержимо:

. (7)

Аналіз кривої (рис. , г), показує, що з моменту початку руху каретки опорні реакції на її колесах досягають величини - 20,0 кН і залишаються практично постійними до моменту контакту фурми з поверхнею розплаву. Після початку занурення фурми в розплав навантаження на колеса поступово падає до - 10,0 кН. При захопленні фурми фіксатором відбувається перерозподіл навантаження між колесами, а її максимальне значення може досягати 30,0 кН, потім навантаження стабілізується на рівні 4,0-5,0 кН.

Четвертий розділ присвячений розробці фурм нового покоління, створенню механізму фіксації фурми при продувці й методики його розрахунку, а також розробці й вибору оптимальних конструктивних параметрів пристрою введення фурм у розплав.

Фурми, занурювані у розплав під дією власної ваги, повинні в процесі експлуатації зберігати свою вагу постійною. Для виконання цієї умови запропоновано на фурменому пристрої в області штанги розташовувати спеціальний баластовий вантаж, виконаний у вигляді металевих секцій або сипучого матеріалу, що при експлуатації фурми зменшується в міру збільшення її ваги.

Для фурм, занурюваних у розплав примусово, маса не має принципового значення, тому у сучасної фурми вона не перевищує 1600-1650 кг. Реалізовано це за рахунок модернізації її кістякової частини при збереженні необхідних міцностних характеристик. Конструкція вузла кріплення фурменого пристрою до каретки повинна забезпечувати оперативну його заміну. У запропонованій конструкції ця задача вирішується шляхом установки на консольній частині каретки двох затискачів замкового типу з відкидними захватами й фіксуючими штурвалами. Після розробки й практичного використання фурм із футерівкою, виконаною з вогнетривких бетонів, армованих металевою фіброю, час однієї продувки вдалося збільшити до 20 хвилин.

Особливістю українських установок є застосування, вперше у світовій практиці, механізму фіксації фурми в її робочому положенні. Розроблено механізм затискача типу ”ножиці” з розведеними осями обертання О1 й О2 двоплечих важелів АО1В1 і АО2В2 і методика його розрахунку. Розрахункова схема такого механізму приведена на рис. 5, а, з якої видно, що цей механізм формується із двох паралельних симетричних силових гілок, у яких СВ1В2 = СВ2В1=, В1С=В2СL, а rВ1=rВ2=rС. При таких параметрах механізму, вираз для визначення зусилля Р, досягаємого гідроциліндром, визначається залежністю:

(8)

а рівняння для визначення коефіцієнта підсилення цього механізму має вигляд:

, (9)

де Р - зусилля, діюче на поршень гідроциліндра; Т – зусилля затискача штанги;  _ коефіцієнт тертя; rВ1, rВ2 і rС - радіус осей шарнірів; а - запас ходу; L1 і L2 – розміри плечей двоплечого важеля; 1 і 2 - кути їхнього нахилу до горизонталі; L – довжина ланок С В1 і С В2.

Одержані залежності дозволяють вибрати параметри механізму затискача з наступними вихідними даними: Т = 2250 кН; dВ=dС =60, 80, 100, 120 мм; а , 10, 20, 40, 60, 80 мм; L1 = 650 мм; L = 400, 500, 600, 700 мм; 1 = 120, 2 0; = 0,1. Характер зміни коефіцієнта підсилення для цього механізму приведено на рис. 5, б. Аналіз приведених кривих показує, що кожна величина відстані а характеризується деякою областю зміни Ку, яка розширюється в міру зменшення цієї відстані. Встановлено, що при проектуванні такого механізму розміри його ланок необхідно вибирати таким чином, щоб величина відстані а не перевищувала 10 мм. Практична реалізація механізму затискача, що працює в режимі самогальмування, у якого L = 500 мм, rВ=rС = 40 мм, а запас ходу становить 5,0 мм, забезпечує йому коефіцієнт підсилення, що дорівнює 31,5. Знаючи Ку, бачимо, що невідомою величиною у рівнянні (8) є розмір плеча L2, для визначення якого найбільш кращим є варіант, коли L1<L2cos1/cos2, тому що він дозволяє застосовувати гідропривід з меншими тиском масла та діаметром циліндра.

Особливості процесу десульфурації й конструкції фурми, яка має розвинені лінійні розміри й виконує значні переміщення у вертикальній площині, визначають індивідуальні вимоги до конструкції пристрою введення фурм у розплав, принципова схема якого приведена на рис. 6. При проектуванні пристрою такої конструкції необхідно враховувати ряд факторів, від яких залежать навантаження і його стійкість у статичному стані, при переміщенні, а також під час десульфурації. Для вирішення поставленої задачі розроблено методику, яка дозволяє оцінювати ступінь стійкості конструкції через коефіцієнт стійкості (КУ), який характеризує собою частку між протилежними опорними реакціями. Для кожної площини об’ємної конструкції він оцінюється окремо й позначається КУх і КУу. Спочатку він визначається для пристрою в статичному положенні (рис. , а), потім уточнюється під час руху (рис. , б), а також при виконанні технологічної операції.

а б

Рис. 5. Механізм фіксації фурми

а - кінематична схема з гідроприводом;

б - характер зміни коефіцієнта підсилення: області 1, 2, 3, 4 і 5 – значення коефіцієнта підсилення при величині а рівної 10, 20, 40, 60 і 80 мм.

Коли пристрій перебуває в статичному положенні коефіцієнти стійкості конструкції в площинах x-z і y-z визначаються залежностями:

. = . (10)

Тут, G1…G7–відповідно, вага металоконструкції, фурменого пристрою, привода візка, привода каретки, направляючої колони, каретки, візка; Gу - вага контрвантажу.

При русі пристрою або дії технологічного навантаження коефіцієнти стійкості конструкції в площинах x-z і y-z визначаються залежностями:

. = . (11)

У виразах (10) -(11) прийняті наступні позначення: і - моменти в площині x-z, а й - моменти в площині y-z від сил ваги елементів конструкції й устаткування, центри ваги яких розташовані усередині периметра опорної основи; і - моменти в площині x-z від сил ваги елементів конструкції й обладнання, центри ваги яких розташовані поза периметром опорної основи; - моменти в площині y-z від сил інерції елементів конструкції й обладнання; - моменти в площині x-z від технологічного навантаження.

а б

Рис. 6. Принципова схема пристрою введення фурми в розплав:

а - профільна проекція в статичному положенні;

б - фронтальна проекція у русі.

Результати визначення значень опорних реакцій у статичному положенні пристрою в реальних границях зміни його конструктивних параметрів показали, що їх величина в опорах А2 і В2 змінюється в інтервалі від 145 до 165 кН, у той час як в опорах А1 і В1 вона не перевищує 40-55 кН, а величина КУх при цьому коливається від 0,247 до 0,272. Навіть при найбільш оптимальних конструктивних параметрах пристрою величина КУх пристрою в статичному положенні не перевищує 0,35.

Прикладання технологічного навантаження приводить до того, що реакції в опорах А2 і В2 збільшуються до 180-260 кН, у той час як в опорах А1 і В1 вони зменшуються до 12-40 кН. У результаті цього величина КУх зменшується до 0,224 і 0,126. Це свідчить про те, що дія технологічного навантаження різко погіршує стійкість пристрою в площині x-z. Стійкість пристрою в площині y-z оцінюється статичною й динамічною складовими. З огляду на симетричність розташування обладнання щодо осі z, КУу в статичному положенні становить 0,95, що свідчить про високу статичну стійкість пристрою в цій площині. Встановлено, що сумарний перекидний момент від сил інерції (), дорівнює 37,7 кНм, спостерігається при величині ходу, що дорівнює 1,5 м і швидкості руху 30 м/хв. Величина КУу з урахуванням дії цього перекидного моменту склала 0,84. Вплив інерційного навантаження приводить до зменшення стійкості пристрою, але зберігає її досить високою.

Проведені дослідження показали, що КУх пристрою в площині x-z у вільному стані має бути не менше 0,5. Домогтися цього можна шляхом використання візка із шириною колії (а), близькою до 4-х метрів і базовим конструктивним параметром консолі х5=0,5а. Необхідна також установка контрвантажу з масою не менше 6000 кг.

П’ятий розділ присвячений аналізу досвіду промислового використання технології й обладнання нового покоління, які були апробовані на МК ”Азовсталь” в 140-тонних чавуновозних ковшах вдуванням гранульованого магнію в струмені природного газу в 1998 році й в 350-тонних заливальних ковшах вдуванням гранульованого магнію в струмені аргону в 1999 році. Промислова перевірка оновленої технології й обладнання підтвердила їхню високу ефективність. Так, використання запропонованого комплексу забезпечило збільшення ступеня засвоєння магнію в середньому з 54,5 % до 90 %, досягнуті найменші питомі витрати реагенту, а також надійна й глибока десульфурація чавуну в необхідних межах.

У Китаї протягом 2000-2007 рр. реалізовано 56 нових установок на 34-х меткомбінатах із сумарною виробничою потужністю понад 50,0 млн. т знесірченого чавуну на рік.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Аналіз стану обладнання, використовуваного для десульфурації чавуну, показав, що воно має ряд істотних недоліків, а його окремі механізми й вузли не мають достатньої надійності і довговічності, тому часто виходять з ладу.

2. Вивчення циклограм процесів десульфурації чавуну в доменних і заливальних ковшах показало, що зменшити їх тривалість можна шляхом використання фурм із футерівкою з вогнетривких бетонів, скорочення часу виконання окремих підготовчих операцій і пауз між ними, а також їхнього суміщення. Сформульовано вимоги до складу й компонування обладнання комплексів десульфурації чавуну гранульованим магнієм нового покоління, розроблено принципову схему й проектну документацію.

3. Отримано аналітичні залежності, які дозволяють визначати величину й характер зміни навантажень, які діють на фурму при будь-якій глибині занурення. Встановлено, що зусилля, які діють на фурму і її привід при продувці, носять динамічний характер, амплітуда коливань яких залежить від масової швидкості подачі магнію, тиску транспортуючого газу, глибини занурення фурми й змінюються в межах 60,0-90,0 кН, а частота коливань - від 3,0 до 5,0 Гц. Максимальні значення цих зусиль спостерігаються під час початку підйому фурми й досягають 120-150 кН, а реакції в напрямних опорах каретки - 10,0 кН.

4. Встановлено співвідношення між статичним тиском рідкого розплаву, тиском парогазової суміші у випарній камері й тиском транспортуючого газу, що дозволило визначити умови, які забезпечують стабільне введення фурми в розплав на задану глибину.

5. Показано, що ланцюговий привід, який здійснює примусове занурення фурми в рідкий чавун, надійний в експлуатації, має кращі динамічні характеристики й рекомендується для широкого практичного використання. Розроблено математичну модель, яка дозволяє визначати навантаження в приводі при будь-якому положенні фурми й різної інтенсивності процесу. Створено нові полегшені фурми з швидкороз’ємним механізмом кріплення.

6. Створено, випробувано і реалізовано у промисловості оригінальний механізм фіксації фурми при продувці; розроблено методику визначення основних силових і конструктивних параметрів його важільної системи; отримані аналітичні залежності, які дозволяють визначати коефіцієнт підсилення механізму; показані доцільність і можливість забезпечення його роботи в режимі самогальмування. Застосування механічної фіксації фурми в робочому положенні забезпечує стабільний режим продувки й запобігає передачі динамічних навантажень на привід пересування фурми і металоконструкції.

7. Розроблено методику визначення величини коефіцієнта стійкості пристрою введення фурм. Показано, що в статичному положенні цього пристрою величина його коефіцієнта стійкості не перевищує 0,35, а дія технологічного навантаження зменшує його до 0,17. Для забезпечення надійної стійкості пристрою при експлуатації, рекомендовано коефіцієнт стійкості задавати не нижче 0,5, що досягається установкою врівноважувального контрвантажу, масою не менше 6000 кг. Встановлено, що вплив перекидаючих моментів, викликаних інерційними навантаженнями при зміні швидкості пересування пристрою від 10,0 до 30,0 м/хв, не робить істотного впливу на стійкість пристрою.

8. До закінчення 2007 року українські технології й обладнання 56 нових установок десульфурації чавуну реалізовані на 34-х меткомбінатах Китаю. Отримано високі техніко-економічні й експлуатаційні показники. Ці розробки включені Укрдіпромезом у проекти реконструкції меткомбінатів ”Запоріжсталь” і ”Азовсталь”.

У результаті досліджень розроблені нові технічні рішення й методики розрахунку, спрямовані на удосконалення конструкції обладнання установок десульфурації чавуну магнієм. Практична реалізація результатів дозволила істотно підвищити техніко-економічні показники процесу десульфурації, поліпшити експлуатаційні характеристики обладнання й збільшити його надійність і довговічність.

Основний зміст дисертації відображений у публікаціях:

1. Развитие внепечной обработки чугуна и создание современного оборудования для десульфурации чугуна магнием /А.Ф.Шевченко, В.И.Большаков, Б.В.Двоскин, Л.П.Курилова, В.А.Александров, А.М.Башмаков, Э.А.Троценко //Новини науки Придніпров’я. - 2002. - № 6. - С. 48-56.

2. Аппаратурно-технологический комплекс нового поколения десульфурации чугуна в заливочных ковшах вдуванием гранулированного магния / А.Ф. Шевченко, Б.В.Двоскин, В.А.Александров, А.М.Башмаков, В.И.Чумарный, Э.А.Троценко , Лю Дун Ие, Чжао Динь Юй //Сталь. – 2003. – № 8. – С. 21–25.

3. Создание и промышленное применение современных аппаратурно–технологических комплексов десульфурации чугуна на металлургических комбинатах Китая / В.И.Большаков, А.Ф.Шевченко, В.А.Александров, Э.А.Троценко, А.М.Башмаков, А.А.Поленов, А.Н.Бураков, Чжао Динь Юй, Лю Дун Ие, Лю Лай Лун, Чу Шиз Гон, Чен Фузай, Лин Гуо Кин //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2004. – № 4. – С. 6–12.

4. Анализ конструкций фурм и устройств, используемых для десульфурации чугуна /В.И.Большаков, А.М.Башмаков, А.Ф.Шевченко, Ю.И.Черевик //Фундаментальные и прикладные проблемы металлургии. Вып. 8. Тр. ИЧМ. – Днепропетровск, – 2004. – С. 381–389.

5. Анализ циклограмм работы оборудования для десульфурации чугуна на установках нового поколения / В.И.Большаков, А.Ф.Шевченко, А.М.Башмаков, Ю.И.Черевик // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2005. – № 5. – С. 66–69.

6. Оборудование установок десульфурации чугуна / В.И.Большаков, А.М.Башмаков, А.Ф.Шевченко, Ю.И.Черевик //Фундаментальные и прикладные проблемы металлургии, Вып. 10. Тр. ИЧМ. – Днепропетровск, – 2005. – С. 286–291.

7. Особенности силового нагружения фурм с испарительными камерами, используемых для десульфурации чугуна /В.И.Большаков, А.М.Башмаков, А.Ф.Шевченко, Ю.И.Черевик //Фундаментальные и прикладные проблемы металлургии, Вып. 11. Сб. тр. ИЧМ. – Днепропетровск, – 2005. – С. 254–263.

8. Новое оборудование комплексов внепечной обработки чугуна гранулированным магнием / В.И.Большаков, А.Ф.Шевченко, Ю.И.Черевик, А.М.Башмаков, // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. – № 1. – С. 95–99.

9. Технологические нагрузки, действующие на фурму при десульфурации чугуна магнием / А.М.Башмаков, В.И.Большаков, А.Ф.Шевченко, Ю.И.Черевик // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. – № 3. – С. 11–15.

10. Большаков В.И., Черевик Ю.И., Башмаков А.М. Создание механизма фиксации фурм и выбор методики его расчета //Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. – № 4. – С. 104–107.

11. Разработка и исследование фурм нового поколения, используемых