Введение к работе
Актуальность работы. Создание, развитие и модернизация машин, агрегатов и элементов металлургических технологических комплексов - важнейшая задача современной промышленности, решение которой обеспечивает повышение производительности и качества выпускаемой металлургической продукции. Выполнение этой задачи напрямую связано с современными высокопроизводительными технологическими системами непрерывной разливки стали.
Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ), являясь сложнейшей транс-портно-технологической системой на базе металлургических агрегатов, оснащенной специализированными манипуляторами, требуют постоянного внимания со стороны не только технологов, но и конструкторов. Оборудование металлургических заводов по мере эксплуатации изнашивается, либо устаревает морально и требует модернизации. Технологический процесс также подвержен старению, что приводит к снижению конкурентоспособности производства (рост издержек, изменение видов продукции и др.). Изменить эту ситуацию можно за счет создания новых и совершенствования существующих конструкций элементов транспортной и технологической подсистем МНЛЗ. Это обеспечит не только качество разливаемого металла, но и существенно увеличит производительность, что особенно важно в современных условиях. МНЛЗ с продолжительным сроком эксплуатации должны либо постепенно, либо радикально подвергаться модернизации на базе инновационных решений, которые будут способствовать и увеличению производительности, и повышению качества продукции.
Главной частью МНЛЗ является комплект металлургических агрегатов, манипуляторов и устройств, обеспечивающих последовательное прохождение потоков жидкой стали через сталеразливочный ковш (СК), промежуточный ковш (ПК) и кристаллизатор. Разработка современных манипуляторов и устройств для этого комплекта металлургических агрегатов имеет существенное значение для обеспечения стабилизации процесса разливки жидкого металла и получения качественной непрерывно-литой заготовки. Промежуточный ковш, установленный на транспортном манипуляторе, выполняет функции рабочего инструмента по подаче жидкого металла через разливочные отверстия в кристаллизатор и одновременно оснащается специализированными манипуляторами и устройствами для распределения потоков жидкой стали по объёму промежуточного ковша. Изменять параметры течения стали в промежуточном ковше можно только путем использования специальных элементов, которые устанавливается во внутреннюю полость ковша. Комбинация их в промежуточном ковше образует систему распределения потоков стали (СРП). Несмотря на то, что отдельные элементы этой системы с успехом применяются на многих металлургических предприятиях, обоснованных методик расчета и конструирования их в научной литературе не представлены.
Сложность экспериментального познания процессов движения потоков жидкой стали непосредственно в металлургических агрегатах, в частности - промежуточных ковшах МНЛЗ, приводит к сдерживанию дальнейшего прогресса создания и
совершенствования существующих машин, агрегатов и манипуляторов комплекса разливки стали. Выходом из создавшегося положения может быть создание адекватных математических моделей поведения потоков стали в агрегатах МНЛЗ
Исследования, направленные на создание и совершенствование методов расчетов и конструирования, а также внедрение новых компонентов машин и агрегатов комплекса разливки стали, обеспечивающих повышение эффективности работы машин и агрегатов в отдельности и комплекса разливки в целом, являются актуальными. Исследования по созданию новых конструкций элементов систем распределения потоков стали промежуточных ковшей и развития методик их расчета и конструирования, имеют научное и практическое значение.
Исследования, представленные в работе, выполнены в рамках госбюджетных и хоздоговорных НИР ФГБОУ ВПО «МГТУ» с ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК), гранта правительства Челябинской области - «Лучший инновационный проект Челябинской области 2006».
Цель работы. Повышение качества непрерывно-литой заготовки путем развития методов конструирования и создания промежуточных ковшей МНЛЗ с эффективными системами распределения потоков стали в его объеме.
Задачи исследований:
Разработать компоновки и основные положения построения конструкций элементов систем распределения потоков стали промежуточного ковша МНЛЗ для обеспечения стабильности функционирования процесса непрерывной разливки стали в процессе использования ковша на МНЛЗ и повышения качества непрерывно-литой заготовки.
Разработать математические модели процесса разливки стали в промежуточных ковшах сортовой (пятиручьевой) и слябовой (одноручьевой) МНЛЗ и провести математическое моделирование течения металла в ковше. Развить методы расчета и конструирования элементов системы распределения потоков стали промежуточных ковшей МНЛЗ.
На основании методов расчета и конструирования, и результатов математического моделирования создать новые конструкции элементов системы распределения потоков стали промежуточных ковшей, обеспечивающих повышение стабильности работы и увеличение производительности МНЛЗ.
4. Провести опытно -промышленное опробование созданных конструкций
элементов систем распределения потоков стали промежуточных ковшей для оценки
эффективности их работы и внедрить в производство.
5. Создать новые конструкции манипуляторов для отсечки шлака, поступающего из конвертера в сталеразливочный ковш, при выпуске металла. Развить методы расчета манипуляторов для отсечки шлака и их элементов, работающих в экстремальных условиях выпуска жидкой стали. Разработать принципы построения манипуляторов с гибкими приводными элементами систем отсечки шлака, модели приводных элементов.
6. Разработать усовершенствованные гибкие приводные элементы манипуляторов для отсечки шлака при выпуске металла.
Развитие основ конструирования и создание промежуточных ковшей машин непрерывного литья заготовок с эффективными системами распределения потоков стали
Цель работы: Повышение качества непрерывно-литой заготовки путем развития методов конструирования и создания промежуточных ковшей МНЛЗ с эффектнвнымн системами распределения потоков стали в его объеме
Рациональное распределение потоков стали
Развитие основ конструирования эффективных систем промежуточного ковша
Конечно-элементное моделирование процесса непрерывной разливки в ПК с нечетной кратностью ручьев и различными компоновками конструкций систем ковша
*
Развитие основ конструирования манипуляторов для отсечки шлака
Принципы построения манипуляторов с гибкими элементами для отсечки шлака
Методика расчета гибких приводных элементов, аналитические зависимости для силового расчета приводных элементов
Методика расчета параметров перемещающихся жидкой стали и шлака при повороте конвертера
Основные положения построения конструкций ПК
Методика расчета параметров порогов и перегородок
Методика расчета параметров донного металлоприёмника
Методика расчета параметров элементов разливочной камеры
\
Модели Т-образного ПК сортовой МНЛЗ с различными компоновками конструкций
Определение
начальных
условий
Модели ПК слябовой МНЛЗ с различными компоновками
Определение
граничных
условий
Т \р га а
Алгоритм процедуры конструирования элементов промежуточного ковша на всех стадиях проектирования конструкций ковшей
Конструкции манипуляторов для отсечки шлака
Создание эффективных систем промежуточных ковшей МНЛЗ на основе рационального распределения потоков стали
Конструкции с подачей аргона в приемной и разливочной камерах ПК сортовой МНЛЗ
Конструкции манипуляторов для отсечки шлака при выпуске стали модульного типа с телескопической стрелой
пат на изобр. РФ
патента на ПМ РФ 12А.С.СССР
Конструкции манипуляторов для отсечки шлака при выпуске стали с гибкими элементами
Ресурсосбережение - снижение шлака и НВ поступающих в сталеразливочный ковш
Акт внедрения в учебный процесс
Конструкции
приемной и
разливочной
камер ПК
сортовой
7 патентов наПМРФ
МНЛЗ
Повышение качества непр еры вно -лито й сортовой заготовки. Снижение показателя КТЗ
Акты внедрения
патентов.
Эконом эфф. 1,9 млн. руб. по пат 60411
—^Л^ n
Конструкции Конструкции
разливочных отверстий ПК сортовой МНЛЗ
приемной и
разливочной
камер ПК
слябовой
МНЛЗ
щкщгага__
7 патентов на ПМ РФ; 2 пат на изобо. РФ
Повышение качества непрерывно-литой слябовой заготовки
Ресурсосбережение - стабильность процесса разливки -снижение количества дефекта «веер»
Акты внедрения
Опытно-промыш ленные испытания
патентов.
Эконом эфф. 1,9 млн.
руб. по пат. 76836
\?(і^^ШЬ'}Ш\Ш]_ РиС- 7. Структура диссертации
Основные положения, выносимые на защиту:
Принципиально новые компоновки систем распределения потоков стали в промежуточных ковшах с нечетным числом ручьёв: пятиручьевого Т-образного и одноручьевого, основанные на рациональном распределении движения потоков стали в ковше.
Математические модели процесса разливки стали через промежуточный ковш сортовой (пятиручьевой) и слябовой (одноручьевой) МНЛЗ, разработанные с учетом особенностей, созданных компоновок систем и конструкций элементов промежуточного ковша, позволяющие определять характер распределения потоков стали по объему ковша и параметры их скорости.
Установленные рациональные формы конструкций элементов приемной и разливочной камер Т-образного пятиручьевого промежуточного ковша сортовой МНЛЗ и конструкций элементов систем распределения потоков стали одноручьевого ковша слябовой МНЛЗ, на основе моделирования гидродинамических процессов, а также параметры конструкций систем: высота порога, диаметр приемного отверстия металлоприемника, угол наклона отверстий перегородок и порогов, обеспечивающие распределение потоков жидкого металла в ковше, повышение стабильности работы и увеличение производительности МНЛЗ.
Комплекс разработанных конструкций промежуточных ковшей, обеспечивающих сохранность сплошности покровного шлака в ковше, эффективность и стабильности функционирования процессов непрерывной разливки стали и повышение качества получаемой непрерывно-литой заготовки.
Конструкции манипуляторов системы отсечки шлака, поступающего из сталеплавильного агрегата в сталеразливочный ковш при выпуске стали, позволяющие обеспечить эффективное отделение шлака при выпуске металла и снизить количество неметаллических включений в промежуточном ковше.
Научная новизна. Научная новизна заключается в следующем:
Развиты основные положения конструирования промежуточных ковшей МНЛЗ, что позволило создать ряд компоновок ковшей с нечетным числом ручьёв, отличающихся учетом условий: сохранения сплошности покровного шлака и не превышения допустимой скорости потока металла на границе раздела металл -шлак, что обеспечивает снижение неметаллических включений в металле, повышение качества непрерывно-литой заготовки.
Получены аналитические зависимости для определения размеров элементов систем распределения потоков стали в промежуточных ковшах: высоты порога, диаметра приемного отверстия металло приемника, угла наклона отверстий перегородки, которые целесообразно использовать при конструировании элементов промежуточных ковшей.
3. Составлен алгоритм процедуры конструирования элементов промежуточ
ных ковшей, позволяющий сделать выбор конструкций, разрабатываемых элементов
ковша на всех стадиях проектирования опытных и серийных изделий, обеспечи
вающих рациональное прохождение стали между элементами, повышение эффек
тивности процесса разливки и стабильности работы всей МНЛЗ.
4. Сформулирована и решена задача создания конструкций системы распре
деления потоков стали, в том числе с подачей инертного газа, в промежуточном
ковше пятиручьевой сортовой МНЛЗ, что позволило разработать ряд новых эффек
тивных систем распределения потоков стали.
5. Установлено на основе результатов компьютерного моделирования влия
ние рабочего инструмента - стопора разливочной камеры промежуточного ковша
слябовой МНЛЗ на параметры движения потоков стали в ковше, и разработаны
конструкции ковша, обеспечивающие прохождение затопленных струй стали вне
пространства работы стопора, что исключает образование вихрей за стопором и
уменьшает попадание неметаллических включений в кристаллизатор.
Впервые представлена классификация рафинирующих устройств промежуточных ковшей по конструкции элементов ковшей и способам рафинирования.
Разработаны методы расчета гибких приводных элементов манипуляторов комплекса разливки стали и получены аналитические зависимости для силового расчета приводных элементов и их отдельных узлов. Компоновки манипуляторов и расчетные методы являются научной основой для разработки новых перспективных конструкций манипуляторов сталеплавильного производства.
Методы исследований и достоверность результатов работы.
Работа представляет комплексное исследование, основанное на использовании современных методов в области конструирования машин, базирующееся на фундаментальных законах сохранения массы, энергии, импульса, уравнениях математической физики, известных и апробированных математических методах. При решении поставленных задач использовано современное оборудование. Достоверность работы основана на проведении экспериментов в производственных условиях на действующем оборудовании, использовании современной аттестованной аналитической аппаратуры при анализе материалов, соответствии результатов расчетов известным закономерностям, внедрении в производстве с положительным эффектом. Адекватность созданных моделей подтверждается сопоставлением результатов математического моделирования и теоретических исследований с промышленными экспериментами и внедрением в производство созданных конструкций.
Практическая ценность работы.
Созданы конструкции элементов системы распределения потоков стали для пятиручьевого Т-образного промежуточного ковша сортовой МНЛЗ, обеспечивающие повышение стабильности работы и увеличение производительности машины. На разработанные элементы промежуточного ковша выданы патенты РФ №№ 44557, 51290, 54320, 60411, 62852, 76836, 78712, 80373, 84277, 91016.
Созданы конструкции для Т - образного промежуточного ковша с подачей аргона, обеспечивающие стабильную работу его на МНЛЗ. Они защищены патентами РФ №№ 62851, 84277.
Разработаны новые конструкции систем распределения потоков стали для промежуточного ковша слябовой МНЛЗ. На них получены патенты РФ №№ 33340, 34416, 36784, 37476, 38654, 38655. На шлакообразующую и теплоизолирующую смеси для МНЛЗ получены патенты РФ №№ 2369463, 2366535.
Разработаны конструкции узлов и деталей гибких приводных элементов, защищенных авторскими свидетельствами СССР №№ 898180, 1021596, 1085802, 1127763, 1283079, 1348164. На их базе созданы опытные конструкции манипуляторов, являющиеся основой для разработки новых перспективных конструкций манипуляторов сталеплавильного производства.
Разработаны компоновки и принципы построения манипуляторов с гибкими элементами для отсечки шлака при выпуске металла из сталеплавильного агрегата. Разработаны конструкции манипуляторов для отсечки конвертерного шлака при выпуске металла. На конструкции получены: патент на изобретение РФ 2005063; патенты РФ 41017, 41463.
Представленные в диссертации практические разработки включены в технологическую инструкцию по непрерывной разливке стали на сортовых МНЛЗ ЭСПЦ ОАОММК.
Научные аспекты исследований нашли отражение в учебно-методическом материале и используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГТУ».
Научная разработка - «Конструкции конвертера, отдельных его узлов и устройств для его обслуживания» награждена серебряной медалью VIII Московского международного салона промышленной собственности «Архимед - 2005» (Москва).
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: третьей Всесоюзной конференции «Роботы и ро-бототехнические системы» (Челябинск, 1983); третьем Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Воронеж, 1984); шестом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986); пятом Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Геленджик, 1990); на шестой международной научно-технической конференции «Робототехника для экстремальных условий» (Санкт-Петербург, 1995); международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (Санкт-Петербург, 2006); международном научно-техническом симпозиуме «60 лет непрерывной разливки в России» (Москва, ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина», 2007); на X Международном конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск 2008); ежегодных научно-технических конференциях ФГБОУ ВПО «МГТУ» (1981-2011 г.г.); научном семинаре (Москва, кафедра НТО НИТУ «МИ-СиС», 2011).
Личный вклад автора. В представленных работах автором определены основные идеи и направления проводимых исследований [1, 2, 7-11, 28], предложены и обоснованны новые положения и расчетные зависимости для создания элементов промежуточных ковшей МНЛЗ [10, 15, 23, 24], новые технические решения [35-70], проанализированы, обобщены и систематизированы результаты собственных исследований, а также других ученых и специалистов в области конструирования элементов промежуточных ковшей МНЛЗ [3-6, 11-34]. При проведении исследований, результаты которых опубликованы в соавторстве, диссертантом предложены основные идеи и направления проведенных исследований; выполнены теоретические, технические и технологические решения, а также анализ результатов промышлен-
ных экспериментов. Под руководством и при личном участии автора выполнены промышленные испытания и внедрены результаты работы.
Публикации. Результаты работы представлены в 70 публикациях, в числе которых 18 работ опубликовано в журналах, рекомендованных ВАК, две монографии, 3 патента Российской Федерации на изобретение, 21 патент РФ на полезные модели, 12 авторских свидетельств СССР, 4 учебных пособиях с грифом УМО.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 277 наименований и 9 приложений; содержит 355 страниц машинописного текста, 180 иллюстраций, 18 таблиц.
