Доронин С.В. Проектные расчеты конструкций металлургического оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 17. Механическое оборудование печи с опорой механизмов подъема–

поворота свода на люльку: 1 – поворотная плита; 2 – электродвигатель с редукто-

ром; 3 – зубчатый сектор; 4 – поворотный вал; 5 – подпятник; 6 – роликовый

подшипник; 7 – привод; 8 – люлька; 9 – опорная тумба; 10 – механизм вращения;

11 – цепь; 12 – свод; 13, 16, 18 – ролики; 14 – стойка; 15 – синхронизирующий

вал; 17 – кольцевой рельс; 19 – корпус

Механизм вращения ванны предназначен для поворота печи во-

круг вертикальной оси на 40° в одну и другую сторону относительно

нормального положения. Это позволяет во время плавления при трех по-

ложениях кожуха проплавлять в шихте девять «колодцев» что сокращает

время расплавления шихты. Возможность вращения обеспечивается бла-

годаря тому, что корпус 19 печи посредством прикрепленного к нему

кольцевого рельса 17 опирается на ролики 16 опорных тумб 9. Один или

два механизма вращения 10 установлены на люльке; каждый из них со-

стоит из электродвигателя с редуктором, выходной вал которого входит в

зацепление с закрепленным на корпусе печи зубчатым сектором, благо-

даря чему вращение вала вызывает поворот корпуса. При включении ме-

ханизма 10 и вращении корпуса кольцевой рельс 17 катится по роликам

16, а ролики 18 предотвращают боковое смещение корпуса. На высоко-

мощных печах в таком механизме нет необходимости, поскольку в про-

цессе расплавления вокруг трех электродов образуется общая плавильная

зона или колодец, а не три отдельных проплавляемых колодца, характер-

ных для невысокомощных печей.

Конструкция печи с опорой механизмов подъема и поворота

свода на отдельный фундамент. Печи с опорой механизма поворота на

отдельный фундамент эксплуатируются уже много лет. Имеется несколь-

ко их разновидностей. Современный вариант устройства рассмотрим на

примере отечественной высокомощной печи (ДСП-100И6). Корпус печи

жестко закреплен на люльке 1 (рис. 18). Он включает нижнюю часть 2

(опору ванны) из стального листа, стеновой каркас 3 из труб со стеновы-

ми панелями 4 и рабочим окном 5. Водоохлаждаемый свод 6 с помощью

четырех гибких тяг 7 подвешен к двум консолям 8, которые объединены

в общую жесткую конструкцию с порталом 13 и шахтой 18. В нижнем

положении портал опирается на люльку через закрепленные на ней две

тумбы 14, а свод 6 – на корпус печи. В шахте 18 размещены три гидроци-

линдра, которые перемещают телескопические стойки 12 электродержа-

телей. Электроды в электродержателе зажимают с помощью хомута 9 и

пружинно-гидравлического механизма 10; ток от гибких кабелей 11а к

электрододержателям подводят водоохлаждаемыми медными трубами

11.

Рис. 18. Печь с опорой механизмов подъема–поворота свода на отдельный фун-

дамент: 1 – люлька; 2 – опора ванны; 3 – стеновой каркас; 4 – стеновая панель; 5 –

рабочее окно; 6 – водоохлаждаемый свод; 7 – гибкая тяга; 8 – консоль; 9 – хомут;

10 – пружинно-гидравлический механизм; 11 – медная труба; 11а – гибкий ка-

бель; 12 – телескопическая стойка; 13 – портал; 14 – тумба; 15 – направляющая

колонна; 16 – хвостовик; 17 – каретка; 18 – шахта; 19 – ролик; 20 – поворотная

платформа; 21 – опорный вал; 22 – рельс; 23 – опорный ролик; 24, 25 – гидроци-

линдр; 26 – выступ

Механизм отворота свода с электродами расположен на отдель-

ном фундаменте и включает поворотную платформу 20 с закрепленными

ней двумя направляющими колоннами 15 и перемещаемую по ним вверх-

вниз с помощью системы роликов 19 каретку 17. При открывании рабо-

чего пространства печи вначале из него выводят электроды путем подъе-

ма стоек 12. Одновременно с помощью двух гидроцилиндров 25 переме-

щают каретку 17 вверх; при этом конический хвостовик 16 каретки вхо-

дит в соответствующее отверстие портала, а выступ 26 входит в зацепле-

ние с шахтой. Движущаяся вверх каретка поднимает портал, консоли и

шахту и закрепленные на них свод и электроды. После подъема свода на

200-300 мм каретку 17 останавливают и с помощью гидроцилиндра 24

начинают поворот платформы 20 вокруг опорного вала 21; опорные ро-

лики 23 платформы при этом движутся по дугообразным рельсам 22.

Вместе с платформой вокруг оси 21 поворачивается все приподнятое ка-

реткой оборудование, включая свод и электроды; поворот ведут до пол-

ного открывания рабочего пространства печи.

Эта печь, как и все новые высокомощные, имеет гидравлические

приводы основных печных механизмов, которые являются более быстро-

действующими, чем электромеханические.

Конструкции механизмов для зажима и перемещения электро-

дов. Каждый из трех электродов имеет свой независимый механизм за-

жима и перемещения. Механизм состоит из электрододержателя и уст-

ройств, обеспечивающих перемещение его с электродом в вертикальном

направлении. Применяются механизмы перемещения электродов с карет-

кой, передвигающейся по неподвижной стойке и с подвижной телеско-

пической стойкой электрододержателя.

В зависимости от типа привода различают механизмы с гидрав-

лическим приводом и электромеханическим, последний может быть ре-

ечным или канатным. На рис. 19 показаны конструктивные схемы меха-

низмов перемещения электродов.

В первой схеме (рис. 19, а) по неподвижной вертикальной стойке

3 перемещается каретка 5, к которой крепится рукав 7 электрододержате-

ля с электродом 8. Передача движения от привода 1 (барабанная лебедка)

к каретке осуществляется канатом 4, перекинутым через ролики 6; про-

тивовес 2 частично уравновешивает каретку. Кинематическая схема тако-

го механизма и ее описание даны на рис. 21.

В механизме с электромеханическим реечным приводом (рис. 19,

б) каретка с электрододержателем и электродом перемещается по непод-

вижной стойке с помощью рейки 9, приводимой в движение приводом 1

(электродвигатель и редуктор реечной передачи). Здесь также преду-

смотрен противовес 2, частично уравновешивающий каретку через блок

а б в

Рис. 19. Схема механизмов перемещения электродов: а – с электромеханическим

канатным приводом; б – с электромеханическим реечным приводом; в – с под-

вижной стойкой и гидравлическим приводом; 1 – привод; 2 – противовес; 3 –

неподвижная стойка; 4 – канат; 5 – каретка; 6 – ролик; 7 – рукав; 8 – электрод; 9 –

рейка; 10 – подвижная стойка; 11 – гидроцилиндр; 12 – поршень

В механизме с подвижной стойкой и гидравлическим приводом

(рис. 19, в) рукав 7 электрододержателя жестко закреплен на подвижной

вертикальной стойке 10, перемещаемой внутри полой неподвижной

стойки 3 гидроцилиндром 11 (в результате движения поршня 12).

Электрододержателъ служит для зажима и удержания электро-

да в заданном положении и для подвода к нему тока. Он состоит из рука-

ва и закрепленных на нем головки зажимного механизма и токоподвода.

Наибольшее применение получили электрододержатели с пружинно-

пневматическим механизмом зажима электрода. Конструктивное испол-

нение электрододержателей отличается многообразием, но в зависимости

от способа зажима электрода в головке их можно свести к двум разно-

видностям.

В одной (рис. 20, а) головка выполнена в виде кольца или полу-

кольца 1 и подвижной нажимной колодки 3. Электрод 2 в рабочем поло-

жении зажат в кольце колодкой за счет усилия пружины 5, установлен-

ной на штоке 4. Если нужно освободить электрод, то в пневмоцилиндр 6

подают воздух, поршень и рычажный механизм 7 сжимают пружину,

перемещают колодку вправо, освобождая электрод.

Во второй разновидности (рис. 20, б) головка состоит из непод-

вижной колодки 5, закрепленной на рукаве 9, и хомута 8, охватывающего

электрод 2. Электрод прижат к токоведущей колодке с помощью хомута

за счет усилия пружины 5, передаваемого рычажной системой 7. При

подаче воздуха в пневмоцилиндр 6 хомут смещается влево, освобождая

электрод.

Головка электрически изолирована от рукава 9, на средних и

крупных печах элементы головки охлаждают водой. Рукав делают из

толстостенной трубы или сварной коробчатой балки. Ток к головке по-

дают с помощью шин или медных водоохлаждаемых труб, закрепленных

на изоляторах сверху рукава (рис. 18).

а б

Рис. 20. Схема электрододержателей: а – с подвижной колодкой; б – с неподвиж-

ной колодкой; 1 – кольцо (полукольцо); 2 – электрод; 3 – нажимная колодка; 4 –

шток; 5 – пружина; 6 – пневмоцилиндр; 7 – рычажный механизм; 8 – хомут; 9 –

рукав; 10 – каретка

На новых высокомощных печах вместо пружинно-

пневматических устанавливают схожие с ними пружинно-

гидравлические механизмы зажима электродов (общий вид такого меха-

низма представлен на рис. 18).

За рубежом широко применяют так называемые токоведущие

электрододержатели. В них рукав выполнен в виде полой прямоугольно-

го сечения балки из алюминия, служащей также токоподводом от гибких

кабелей до головки электрододержателя, иногда применяют полые сталь-

ные балки, покрытые слоем меди (плакированные медью). Медь и алю-

миний используют в связи с их высокой электропроводностью. При этом

не требуются токоподводы из медных водоохлаждаемых труб. Преиму-

ществом алюминиевых токоведущих электрододержателей является их

значительно меньшая масса.

На рис. 21 показана кинематическая схема одной из конструкций

механизмов подъема и поворота свода, а также перемещения электродов

для печи с опорой этих механизмов на люльку.

Механизм подъема свода. Подъем и опускание свода осуществ-

ляют два синхронно работающих механизма, приводом которых являют-

ся электродвигатели 25 и червячно-винтовые редукторы 24. Свод 21 под-

вешен к полупорталу 19 на перекинутых через блоки 5 и 18 цепях 20 и

тягах 4, связанных с червячно-винтовыми редукторами. При работе элек-

тродвигателя 25 и червячно-винтового редуктора 24 тяговый винт 24а

редуктора получает поступательное движение вверх или вниз, перемещая

тяги 4 цепи 20 и, тем самым, свод 21 (на высоту до 500 мм). Для синхро-

низации работы двух механизмов предусмотрен уравнительный вал 31,

связанный с редукторами через муфты 32.

Механизм поворота свода. Для отворота свода от рабочего про-

странства печи вращают вал 27 с жестко закрепленной на нем плитой 30,

являющейся опорой полупортала 19 и подвешенного к нему свода 21;

поворотный вал 27 опирается на люльку печи через два радиальных 29 и

один упорный 26 подшипники. Приводом поворота являются электро-

двигатель 22 и трехступенчатый цилиндрический редуктор 23, на выход-

ном валу которого посажена коническая зубчатая шестерня, входящая в

зацепление с зубчатым сектором 28, жестко насаженным на вал 27. По-

лучая вращения от привода, зубчатая шестерня вызывает поворот зубча-

того сектора 28 и вала 27 вокруг его вертикальной оси и, тем самым, по-

ворот плиты 30 и свода печи.

Рис. 21. Кинематическая схема механизмов подъёма, и поворота свода и переме-

щения электродов для печи с их опорой на люльку: 1, 22, 25 – электродвигатель;

2, 23, 24 – редуктор; 3 – барабан; 4 – тяга; 5, 10, 11, 13, 18 – блок; 6 – колонна; 7,

12 – канат; 8 – каретка; 9 – груз; 14 – ходовой ролик; 15 – рукав; 16 – электродо-

держатель; 17 – электрод; 19 – полупортал; 20 – цепь; 21 – свод; 24а – тяговый

винт; 26 – упорный подшипник; 27 – поворотный вал; 28 – зубчатый сектор; 29 –

радиальный подшипник; 30 – плита; 31 – уравнительный вал; 32 - муфта

Механизм перемещения электродов. Приводом этого механизма

служит барабанная лебедка, включающая электродвигатель 1, червячный

редуктор 2 и барабан 3. Вращение барабана вызывает перемещение вверх

или вниз каната 7, перекинутого через блоки 10 и через закрепленный на

рукаве 15 блок 13, и тем самым вертикальное перемещение каретки 8 с

рукавом 15, несущим электрододержатель 16 с электродом 17. Каретка на

ходовых роликах 14 передвигается по колонне 6; блоки 10 называют не-

подвижными, а перемещающийся в вертикальном направлении блок 13 –

подвижным. Груз 9 с помощью перекинутого через блоки 11 каната 12

частично уравновешивает силу тяжести каретки 8.

Расчет механизма зажима электродов заключается в выборе

усилия Р

пр

зажинающей пружины: P

пр

= K

/fi

, где K

= 1,5–1,8 – коэф-

фициент запаса; G

– сила тяжести электрода; f = 0,20–0,25 – коэффици-

ент трения между электродом и колодкой; i

– отношение плеч рычажной

системы.

Расчет мощности электродвигателя подъема свода. Мощность

одного двигателя подъема свода, кВт: N = 0,5Q

св

/(1000), где Q

св

–

сила тяжести свода, Н; V

св

– скорость подъема свода, м/с;  – к. п. д. при-

вода,  = 



в.ч

; 

– к. п. д. блоков; 

в.ч

– к. п. д. винтовой и червячной

передачи, 

в.ч

= tg/tg( + );  – угол подъема винта редуктора,  =

arctgt/(d

ср

); t – шаг винта со средним диаметром резьбы d

;  – угол тре-

ния в резьбе,  = arctg;  – коэффициент трения.

Расчет мощности электродвигателя поворота свода. Для вы-

бора двигателя поворота свода последовательно определяются следую-

щие параметры.

Центр тяжести механизма поворота

Gп







 ,

где G

– сила тяжести отдельных поворачивающихся деталей: свода, по-

лупортала, плиты, вала, приводов и т. п.; G

= G

– сила тяжести всех

поворачивающихся деталей; x

– центр тяжести всех поворачивающихся

деталей.

Статический момент поворота

 

33п2211

пп

rGrr

М  ,

где r

, r

– радиусы опор в верхнем и нижним радиальных и в упорном

подшипниках с соответствующими коэффициентами трения 

, 

; h –

расстояние между радиальными подшипниками.

Момент, приведенный к валу электродвигателя M

дв

= M

/i, где i –

передаточное отношение привода.

Мощность электродвигателя поворота, кВт N = M

дв

/(9550),

где  – к. п. д. привода; n

дв

– частота вращения двигателя.

Расчет мощности электродвигателя механизма перемещения

электродов. Для выбора мощности электродвигателя механизма переме-

щения электродов последовательно определяются следующие величины.

Усилие Р на подвижном блоке 13 (рис. 21)









W2bl5,0m

W2bl5,0cGW2bl5,0aG

прпрк











 ,

где G

– общая сила тяжести каретки, электрода, механизма зажима и

части токоподводящих шин; G

пр

– сила тяжести противовеса; а – расстоя-

ние от центра тяжести поднимаемых масс G

до оси ближних к центру

тяжести ходовых роликов; l – расстояние между осями роликов, распо-

ложенных на разных сторонах колонны; b – расстояние между осями ро-

ликов, расположенных на одной стороне колонны; m – расстояние между

осью подвижного блока и осями ближних к блоку ходовых роликов; W –

коэффициент тяги, W = (d + 2f)K

;  – коэффициент трения в цапфах

роликов диаметром d; f – коэффициент трения на ободе роликов диамет-

ром D

; К

– коэффициент реборд; 

пр

– к. п. д. противовесов.

Момент на валу электродвигателя M

пер

= PR

/(2i

пер



пер

), где R

–

радиус барабана; i

пер

, 

пер

– передаточное отношение и к. п. д. привода

лебедки.

Мощность привода N

пер

= М

пер

дв

/9550, кВт, где n

дв

– частота

вращения двигателя.

При реечном приводе момент на валу электродвигателя

перпер

шi

дв

DP1,1





где D

– диаметр шестерни; i

пер

, 

пер

– передаточное отношение и к. п. д.

привода реечной передачи.

Мощность электродвигателя при реечном приводе, кВт N =

дв

/9550.

Момент сопротивления вращению ванны печи с металлом с сум-

марной силой тяжести G

печи

+ G

мет

зависит от сопротивления в цапфах

диаметром d

ходовых роликов и от трения на ободе ходовых роликов

диаметром D

 

метпечивр

f2d

GGM

















где , f, K

– коэффициенты трения в цапфах, на ободе роликов и на ре-

бордах; R

– средний радиус опорного кольца.

Далее выбирается электродвигатель по требуемой мощности N =

вp

/(9550

вр

), где n

вр

– частота вращения ванны печи, мин

-1

; 

вр

– к. п.

д. механизма.

Расчет привода механизма наклона печи предполагает последо-

вательное определение следующих характеристик.

Момент сопротивления опрокидыванию порожней печи имею-

щей массу G

равен М

= G

sin( ± ), где r

– величина радиуса вектора

от центра кривизны люльки до центра тяжести печи;  – угол наклона

радиуса вектора к вертикальной оси печи;  – угол поворота, при враще-

нии по часовой стрелке знак «+», против «–».

Момент от сил трения качения люльки радиусом R





 

EbGGR2

GG54,0

мпл

мп





где G

, G

– сила тяжести порожней печи и металла; R

– радиус сегмен-

тов люльки; Е – модуль упругости материала колеса; b – суммарная тол-

щина двух сегментов люльки.

Внутренний профиль пода печи представляет собой шаровой

сегмент с начальным объемом металла V

= h

вн

– h/3), где h – высота

сегмента металла; R

вн

– внутренний радиус шарового сегмента.

Сила тяжести металла G

= V



, где 

– удельная масса распла-

ва.

Опрокидывающий момент от жидкого металла при повороте на

угол  равен М

= G

nsin, где n – расстояние между центрами кривизны

люльки и шарового сегмента.

Отсюда общий момент сопротивления наклону печи М

об

= М

+ М

Максимальный общий момент будет при наклоне печи 

max

= 40

– 45°, когда из печи будет слит весь металл, М

об.max

= М

+ М

Обозначим угол между вертикалью печи и прямой отрезка, со-

единяющего центры кривизны сегментов люльки печи и точки подвески

рейки, через . Находим усилие наклона печи Р

, приложенное к одной

рейке:

 





sinRsinl2

об

где l – расстояние между центром кривизны сегмента люльки и точкой

подвески рейки.

Максимальное усилие на рейке









 

maxл

плmax0п

max.p

sinRsinl2

EbGR2954sinrG





 .

По максимальной силе определяется момент на валу каждого из

двух электродвигателей: M

дв

= P

p.max

/(2i), где г

– радиус начальной

окружности приводной шестерни; i,  – передаточное отношение и к. п.

д. привода.

Статическая мощность двигателя, кВт: N = М

дв

/9550, где n

дв

–

частота вращения двигателя, мин

-1

При расчете механического оборудования и исполнительных ме-

ханизмов печей к проектным расчетам предъявляются повышенные тре-

бования с точки зрения точности и качества, так как при работе с боль-

шими массами жидкого металла недопустимы сбои и отказы в работе

техники.

2.4. РАСЧЕТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УБОРКИ И

РАЗЛИВКИ ЖИДКОГО МЕТАЛЛА

Оборудование, применяемое на заключительных стадиях полу-

чения металлических материалов, предназначено для их транспортировки

и формирования готовых изделий в виде отливок, слитков, чушек и т. п.

Основной нагрузкой на механическое оборудование в этом слу-

чае оказывается вес жидкого металла. Типичными конструкциями, рас-

считываемыми на такие нагрузки, являются шлаковозы различных типо-

размеров [7].

По устройству механизма кантования чаши различают шлаково-

зы двух различных конструкций: с винтовым (рис. 22) и с зубчатым (рис.

23) механизмами кантования чаши.

Шлаковозы с винтовым механизмом кантования чаши состоят из

опорного кольца 1, двух комплектов опорных бегунов 3, зубчатых сек-

торов 4 и цапфы 5, которые представляют собой одно целое. В опорном

кольце закреплена литая чаша 2. Цапфа свободно входит в траверсу 10.

Бегуны 3 перемещаются по направляющим 6, а зубчатые секторы нахо-

дятся в зацеплении с зубчатыми рейками 7, установленными на лафете

шлаковоза. От электродвигателя 13 через зубчатые передачи 12 и 11 вра-

щение передается двум винтам 8. Траверса 10 с расположенными в ней

двумя гайками 9 перемещается поступательно, а зубчатые секторы вра-

щаются вокруг оси цапфы 5 опорного кольца чаши, в результате чего

чаша получает поступательно-вращательное движение в сторону ее оп-