5. Обоснование выбора материала

Сталь – деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. Сталь – важнейший материал, применяемый в большинстве отраслей промышленности. К стали, в зависимости от применения, предъявляют разнообразные требования. Существует большое число марок сталей, различающихся по химическому составу, структуре, физическим и механическим свойствам.

Основные характеристики стали (плотность стали, модуль упругости и модуль сдвига стали, коэффициент линейного расширения и т.д.) приведены на странице" физические свойства стали".

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистая сталь наряду с железом и углеродом содержит марганец (0,1-1,0%), кремний (до 0,4%).

Сталь содержит также вредные примеси (фосфор, серу, газы - несвязанный азот и кислород). Фосфор придает стали хрупкость (хладноломкость) при низких температурах, уменьшает пластичность при нагревании. Сера вызывает трещиноватость при высоких температурах (красноломкость).

Для изготовления сварных конструкций в основном применяется углеродистая сталь обыкновенного качества, соответствующая ГОСТ 380-71. Для придания стали каких-либо особых свойств – механических, электрических, магнитных, коррозионной устойчивости и т.д. – в нее вводят так называемые легирующие элементы, как правило, металлы: хром, никель, молибден, алюминий и др. Такие стали называют легированными.

Свойства стали можно изменять, применяя различные виды обработки: термическую (закалка, отжиг), химико-термическую (цементизация, азотирование), термо-механическую (прокатка, ковка). При обработке стали для получения необходимой структуры используют свойство полиморфизма, присущее стали так же, как и их основа – железу. Полиморфизм – способность кристаллической решетки менять свое строение при нагреве и охлаждении. Взаимодействие углерода с двумя модификациями (видоизменениями) железа - α и γ – приводит к образованию твердых растворов. Избыточный углерод, не растворяющийся в α-железе, образует с ним химическое соединение - цементит Fe₃C. При закалке стали образуется метастабильная фаза - мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Сталь при этом теряет пластичность и приобретает высокую твердость. Сочетая закалку с последующим нагревом (отпуском), можно добиться оптимального сочетания твердости и пластичности.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяют для изготовления строительных конструкций, деталей машин и механизмов, судовых и вагонных корпусов, паровых котлов. Инструментальные стали служат для изготовления резцов, штампов и других режущих, ударно-штамповых и измерительных инструментов. К сталям с особыми свойствами относятся электротехнические, нержавеющие, кислотостойкие и др.

По способу изготовления сталь бывает мартеновской и кислородно-конверторной (кипящей, спокойной и полуспокойной). Кипящую сталь сразу разливают из ковша в изложницы, она содержит значительное количество растворенных газов. Спокойная сталь - это сталь, выдержанная некоторое время в ковшах вместе с раскислителями (кремний, марганец, алюминий), которые соединяясь с растворенным кислородом, превращаются в оксиды и выплывают на поверхность массы стали. Такая сталь имеет лучший состав и более однородную структуру, но дороже кипящей на 10-15%. Полуспокойная сталь занимает промежуточное положение между спокойной и кипящей.

В современной металлургии сталь выплавляют в основном из чугуна и стального лома. Основные виды агрегатов для ее выплавки: мартеновская печь, кислородный конвертер, электропечи. Наиболее прогрессивным в наши дни считается кислородно-конвертерный способ производства стали. В то же время развиваются новые, перспективные способы ее получения: прямое восстановление стали из руды, электролиз, электрошлаковый переплав и т.д. При выплавке стали в сталеплавильную печь загружают чугун, добавляя к нему металлические отходы и железный лом, содержащий оксиды железа, которые служат источником кислорода. Выплавку ведут при возможно более высоких температурах, чтобы ускорить расплавление твердых исходных материалов. При этом железо, содержащееся в чугуне, частично окисляется:

2Fe + O₂ = 2FeO + Q

Образующийся оксид железа (II) FeO, перемешиваясь с расплавом, окисляет, кремний, марганец, фосфор и углерод, входящие в состав чугуна:

Si +2FeO = SiO₂ + 2 Fe + Q

Mn + FeO = MnO + Fe + Q

2P + 5FeO = P₂O₅ + 5Fe + Q

C + FeO = CO + Fe – Q

Чтобы довести до конца окислительные реакции в расплаве, добавляют так называемые раскислители – ферромарганец, ферросилиций, алюминий.

Марки стали углеродистой.

Углеродистая сталь обыкновенного качества в зависимости от назначения подразделяется на три группы:

группа А - поставляемая по механическим свойствам;

группа Б - поставляемая по химическому составу;

группа В - поставляемая по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей стали группы А подразделяются на три категории: А1, А2, А3; стали группы Б на две категории: Б1 и Б2; стали группы В на шесть категорий: В1, В2, В3, В4, В5, В6. Для стали группы А установлены марки Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. Для стали группы Б марки БСт0, БСт1, БСт2, БСт3, БСт4, БСт5, БСт6. Сталь группы В изготовляется мартеновским и конвертерным способом. Для нее установлены марки ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5.

Буквы Ст обозначают сталь, цифры от 0 до 6 - условный номер марки стали в зависимости от химического состава и механических свойств. С повышением номера стали возрастают пределы прочности (σ_в) и текучести (σ_т) и уменьшается относительное удлинение (δ₅).

Марку стали Ст0 присваивают стали, отбракованной по каким-либо признакам. Эту сталь используют в неответственных конструкциях.

В ответственных конструкциях применяют сталь Ст3сп.

Буквы Б и В указывают на группу стали, группа А в обозначении не указывается.

Если сталь относится к кипящей, ставится индекс "кп", если к полустойкой - "пс", к спокойной - "сп". Качественные углеродистые конструкционные стали применяют для изготовления ответственных сварных конструкций. Качественные стали по ГОСТ 1050-74 маркируются двузначными цифрами, обзначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, марки 10, 15, 20 и т.д. означают, что сталь содержит в среднем 0,10%, 0,15%, 0,2% углерода.

Сталь по ГОСТ 1050-74 изготовляют двух групп: группа I - с нормальным содержанием марганца (0,25-0,8%), группа II - с повышенным содержанием марганца (0,7-1,2%). При повышенном содержании марганца в обозначение дополнительно вводится буква Г, указывающая, что сталь имеет повышенное содержание марганца.

Для изготовления барабана печи принимаем сталь марки МСт3, группа А – по механическим свойствам и группой Б – по химическим. Буква М в начале марки говорит о том, что эта марка изготовлена мартеновским способом.

Полученная мартеновским способом сталь отличается высоким качеством. 

6. Механический расчёт

6.1. Расчёт барабана на прочность. Толщина стенки барабана.

S_б = (0,007÷0,01)D_н = 0,007×5000 =35 см,

Где D_н - наружный диаметр барабана.

6.2. Расчёт газовой горелки

Потеря напора от трения:

(Р²_нач – Р²_кон) / L = 0,0132ξ_тр(V²_н / d⁵)γ_н(Т / 273,2) ,

Где Р_нач и Р_кон – абсолютное давление газа в начале и конце газопровода; L – длинна участка в метрах; ξ – коэффициент трения, который равен 0,02 для гладких труб и 0,035 для труб с коррозией.

Местные сопротивления определяются из формулы:

ΔР_м = ξ_м(w² / 2g)γ кГ/м²,

Где ξ_м – коэффициент местного сопротивления; w и γ – скорость в м/с и удельный вес в кг/м³ газа в реальных условиях.

Участок I-II

Потеря напора от трения:

(Р²_нач – 1,0136²) / 0,2 = 0,0132×0,02(10800² / 10⁵)0,745((273,2+5) / 273,2);

Р_нач = 1,0364 кГ/см²

Местное сопротивление:

ΔР_м = 1,0364-1,0136 = 0,0228 кГ/см²

Местное сопротивление в сечении II:

ΔР_м = 0,19(352,7² / 2×9,81)0,734 = 884 кГ/см²,

Где γ = (0,745×273,2×1,0364 / (273,2+5)1,0332) = 0,734 кг/м³

W = (10800(273,2+5)1,0332 )/ (3600×0,1²×1,142×273×0,785) = 352,7 м/с

Абсолютное значение статического давления газа перед сечением II будет равно:

1,0364+0,0884 = 1,1248 кГ/см³

Участок II – III

Потеря напора от трения:

(Р²_нач – 1,1248²) / 6,85 = 0,0132×0,02(10800² / 13⁵)0,745((273,2+5) / 273,2);

Р_нач = 1,303 кГ/см²

Местное сопротивление:

ΔР_м = 1,303-1,1248 = 0,1782 кГ/см²

Местное сопротивление в сечении III:

ΔР_м = 0,19(182,6² / 2×9,81)0,923 = 0,0298 кГ/см²,

Где γ = (0,745×273,2×1,303 / (273,2+5)1,0332) = 0,923 кг/м³

W = (10800(273,2+5)1,0332 )/ (3600×0,13²×1,303×273,2×0,785) = 182,6 м/с

Абсолютное значение статического давления газа перед сечением III будет равно:

1,303+0,0298 = 1,3328 кГ/см³

Участок III – IV

Потеря напора от трения:

(Р²_нач – 1,3328 ²) / 1,8 = 0,0132×0,02(10800² / 15⁵)0,745(278,2 / 273,2);

Р_нач = 1,354 кГ/см²

Местное сопротивление:

ΔР_м = 1,354-1,3328 = 0,0212 кГ/см²

Местное сопротивление в сечении IV:

ΔР_м = 0,19(132² / 2×9,81)0,959 = 0,0,0162 кГ/см²,

Где γ = (0,745×273,2×1,354 / (278,2×1,0332) = 0,959 кг/м³

W = (10800×278,2×1,0332 )/ (3600×0,15²×1,354×273,2×0,785) = 132 м/с

Абсолютное значение статического давления газа перед сечением IV будет равно:

1,354+0,0162 = 1,3702 кГ/см³

Участок IV - V

Потеря напора от трения:

(Р²_нач – 1,3702 ²) / 3,4 = 0,0132×0,02(10800² / 25⁵)0,745(278,2 / 273,2);

Р_нач = 1,373 кГ/см²

Местное сопротивление:

ΔР_м = 1,373-1,3702 = 0,0028 кГ/см²

Абсолютное значение статического давления газа перед сечением IV будет равно:

1,373 кГ/см²

Итого:

1. Потери напора в горелке от трения:

0,0228+0,1782+0,0212+0,0028 = 0,225 кГ/см²

2. Местные сопротивления:

0,0884+0,0298+0,0162 = 0,1344 кГ/см²

Секундный расход газа при заданных условиях из устья сопла горелки:

W = (10800×278,2×1,0332 )/ (3600×273,2×1,0136) = 3,12 м³/с.

6.3. Расчёт усилия, воспринимаемого роликом от бандажа, отнесённое к 1 сантиметру ширины бандажа, в килограммах:

Р = 0,578(Q/b); кг/см,

Где Q- общее давление на опору, равно 400 тонн; b – ширина бандажа, равна 900 миллиметров

Р = 0,578(400000/90) = 2580 кг/см.

6.4. Расчёт ширины площадки смятия металла при контакте с бандажом:

С = 2,16 ; см,

Где Р – усилие, принимаемое роликом от бандажа на 1 сантиметр; Dр, Dб, - внешние диаметры ролика и бандажа; Е – модуль упругости стали, из которой изготовлены ролик и бандаж (для углеродистой стали Е = 2×10⁶ кг/см)

С = 2,16 = 9 см.

6.5. Наибольшее напряжение смятия от соприкосновения ролика с бандажом:

Q₀ = 0,591 ; кг/см²

Q₀ = 0,591 = 3800 кг/см²

Большие контактные напряжения возрастают в 1,5 - 2 раза в случае неравномерного распределения давления на опоры.

6. Расчёт напряжения, действующего на корпус барабана.

D_в = D_н-2S_б = 5000-2×35 = 4930 = 4,930 м

Масса материала в печи:

M_м = ψρ_мLπD_в²/4 = 0.15×2400×150×3.14×4.930²/4 = 821302 кг

Суммарная масса барабана и материала:

M = m_k + m_м = 1500000+821302 = 2321302 кг

Линейная нагрузка:

q = mg/L = 2321302×9.81/150 = 1518313 H/м

Реакция на опорах:

R_A = qL/6+Q_вl₁/l₂ = 1518313×150/6+15000×5/27.5 = 37960552 H

R_Б = qL/6+Q_в(l₂-l₁)/l₂ = 1518313×150/6+15000×(27,5-5)/27.5 = 37970097 H

Максимальный изгибающий момент, действующий на барабан:

М_мах = qL(2l₂-L)/8+Q_в(l₂-l₁)l₁/l₂ = 15183313×150(150-2×27.5)/8+15000×

×(27.5-5)×5/27.5 = 18985048 H×м

Момент сопротивления в сечении корпуса:

W = S_бπD_cp²/4 = 4.65×3.14×0.35/4 = 5.9 м³

Напряжение в корпусе барабана:

σ = М_мах/W = 18985048/5.9 = 3217804 = 3.2 МПа

Условие прочности выполняется: σ≤[ σ] (3.2<10 МПа).