Механизмы электротехнологических установок. Учебное пособие

схема донного эксцентричного слива. Выпускное отверстие расположено в днище, но вынесено из центра подины в специальный выступ (эркер), расположенный со стороны слива металла, напротив рабочего окна. Уровень выпускного отверстия расположен несколько выше уровня подины печи (рис. 3.2 и 3.3, б). Такую конструкцию в зарубежной литературе называют печью с эксцентричным, или эркерным, выпуском. При такой схеме слива струя металла на выпуске более короткая и компактная, металл меньше остывает и меньше окисляется.

Рис. 3.3. Схемы слива металла из ДСП:

а – традиционный слив; б – эркерный слив

Технология плавки стали в СВМ ДСП предполагает работу с «болотом», а значит, каждую плавку сливается не весь металл. Наклон печи при выпуске уменьшается до 10…12°. Время от времени печь опорожняется полностью, для чего предусматривается наклон печи до

20…25°.

Скорость наклона у малых печей составляет до 1,5 град/с, а у круп-

ных – 0,4…0,8 град/с.

Авария с механизмом наклона может привести к тяжелым последствиям, связанным с выплеском металла или его застыванием в ванне. Поэтому механизм наклона должен обеспечивать [8]:

1)надежность и безопасность в работе;

2)плавный и легкий наклон с заданной скоростью без толчков и заеданий, возможность останова при наклоне на любой угол;

3)невозможность опрокидывания печи при наклоне;

41

4)конец сливного носка при наклоне должен иметь минимальное горизонтальное, а иногда и вертикальное перемещение, определяемое выбранной технологией разлива металла;

5)удобство осмотра и ремонта привода.

Во всех современных печах наклон осуществляют качением опорных секторов люльки ванны по горизонтальным направляющим – опорным балкам (см. рис. 3.2).

Основным узлом механизма наклона является жесткая сварная люлька с двумя опорными секторами. На люльку опирается ванна электропечи. У малых печей секторы часто крепятся к ужесточенному кожуху.

Непосредственно на кожухе или промежуточной конструкции, закрепленной на люльке, называемой порталом, крепятся механизмы перемещения электродов.

В зависимости от конструкции электропечи на люльке могут быть также закреплены механизмы подъема и отворота свода.

Секторы люльки опираются на горизонтальные опорные балки, закрепленные на фундаменте. Во избежание сдвига люльки по опорной балке на печах малой емкости опорные балки выполняются обычно литыми, в виде зубчатой рейки, а опорная часть секторов люльки – в виде зубчатых сегментов. На печах средней и большой емкости в опорных балках выполнены отверстия, в которые входят при перекатывании специальные конусные штыри, приваренные к опорным поверхностям секторов люльки.

Наклон ванны осуществляется электромеханическим либо гидравлическим приводом, расположенным снизу от печи.

Нижний привод представляет собой два гидроцилиндра, расположенных в приямках и соединенных шарнирно с секторами люльки. Последнее время электропечи снабжаются гидравлическими приводами, причем рассчитанными таким образом, чтобы в случае необходимости наклон и возврат ванны в исходное положение можно было бы произвести одним цилиндром.

Для расчета механизма наклона необходимо знать координаты центра тяжести наклоняющихся частей печи. Координаты центра тяжести определяют в положении, когда ванна подготовлена для наклона на слив металла или скачивание шлака, т. е. свод опирается на ванну печи; электроды приподняты на величину, обеспечивающую некасание ими жидкого металла.

42

Система координат обычно выбирается следующим образом: ось х проходит под центром ванны печи на уровне верхней плоскости опорных балок вдоль их; ось у – под центром ванны печи; ось z – вертикально по оси ванны печи, т. е. центр координат расположен на уровне верхней плоскости опорных балок под центром ванны печи. При расположении центра тяжести узлов печи вправо от оси z координаты по осям х и у принимаются со знаком «+», при расположении влево от оси z – со знаком «–». Система координат может быть принята и в другом положении.

Производится расчет координат центра тяжести и веса наклоняющихся частей печи, при этом вес отдельных частей – узлов печи принимается по данным спецификаций, а координаты центра тяжести отдельных узлов определяют по чертежам этих узлов. Координаты центра тяжести находят по формулам:

ординаты центров тяжести узлов по соответствующим осям.

Для устойчивого положения ванны во избежание ее опрокидывания в процессе наклона необходимо, чтобы центр тяжести наклоняющихся частей печи был расположен ниже центра кривизны люльки – центра окружности, описанной по образующей секторов люльки. Но в то же время излишне высокое расположение центра кривизны люльки увеличивает усилие, необходимое для наклона печи, и удлиняет траекторию движения сливного носка, что также нежелательно.

Во избежание при каких-то аварийных ситуациях с приводом механизма наклона ухода печи в сторону сливного носка, а следовательно, выплеска жидкого металла, центр тяжести смещают на небольшую величину в сторону рабочего окна.

По координате х центр тяжести оказывается смещенным в сторону механизма перемещения электродов, отворота и подъема свода.

Поэтому ванну электропечи располагают несимметрично относительно секторов люльки, насколько это допустимо конструктивно.

43

В процессе конструирования необходимо также произвести проверку устойчивости печи во время ее монтажа, ремонтных работ и т. д.

На рис. 3.4 изображена схема действия сил при наклоне ванны для электропечи с нижним расположением привода механизма наклона.

Пусть О – это центр кривизны сегментов люльки: Сq – центр тяжести

наклоняемой системы; А – точка крепления оси шарнира корпуса гидроцилиндра к фундаменту (основанию); В – точка крепления (ось шарнира) штока гидроцилиндра к сегменту люльки; С – точка соприкосновения сегмента люльки с направляющей (мгновенный центр вращения наклоняемой системы).

Исходными данными для расчета рабочего усилия механизма наклона являются вес наклоняемой системы G и конструктивные размеры:

R и b – радиус кривизны и суммарная ширина сегментов люльки; L – расстояние по горизонтали от оси сегментов люльки до нижней

точки крепления гидродвигателя; L1 – расстояние по вертикали от

нижней точки крепления гидродвигателя до опорной плоскости направляющих; L2 – расстояние от центра кривизны сегментов люль-

ки (точка О) до верхней точки крепления гидродвигателя (точка В);2 – угол между отрезком ОВ и осью симметрии сегмента люльки.

Рабочее усилие, необходимое для наклона дуговой сталеплавильной печи, может быть определено, если известен момент сопротивле-

ния перекатыванию наклоняемой системы по направляющим Мр и плечо Н рабочего усилия относительно мгновенного центра вращения С (точки соприкосновения сегмента люльки с направляющими):

Fр Мр / Н .

В любом из промежуточных положений ванны от начала до конца наклона на систему действуют следующие усилия:

усилие Fр , направленное по продольной оси штока цилиндра;

вес системы G, приложенный в центре тяжести;

реакция RС опоры балки на люльку, в состоянии покоя действу-

ет от точки С вверх по оси печи, при наклоне сдвинута относительно оси печи на величину K в сторону наклона.

44

При наклоне печи должно соблюдаться равновесие моментов этих сил. Момент Мр компенсирует момент силы тяжести от веса печи и

момент трения качения сегментов люльки по направляющим:

Момент силы тяжести Мq зависит от веса наклоняемых частей пе-

чи G и длины плеча силы тяжести относительно мгновенного центра вращения С:

Мq Grq sin( ),

где rq – радиус-вектор центра тяжести наклоняемой системы относи-

тельно центра кривизны люльки; – угол, образованный радиусомвектором rq и осью симметрии сегмента люльки, рад; – угол наклона

системы, рад.

Длина радиуса-вектора rq определяется по формуле

rq xq2 zq2 ,

где xq и zq – координаты центра тяжести наклоняемой системы отно-

сительно центра кривизны сегментов люльки.

Момент трения качения сегментов по направляющим определяется следующим выражением:

Мтр GK,

где K – коэффициент трения качения сегментов люльки по направляющим, м; E – приведенный модуль упругости материалов сегментов и

направляющих, Н/м2.

Плечо Н определяется геометрией системы. Рассмотрим тре-

угольник АВС (рис. 3.4) и обозначим его стороны: АВ = с, АС = b, ВС = а. Очевидно, искомое плечо Н является высотой треугольника

АВС, опущенной из вершины С на сторону АВ. Значение Н при

46

известных значениях площади треугольника Sabc и стороны АВ = с, может быть определено как

Н 2Sabc / с.

Значение площади Sabc можно найти по формуле Герона:

Sabc p(p a)(p b)(p c),

где р = (а + b + с)/2 – полупериметр треугольника АВС.

Для определения длин сторон треугольника АВС воспользуемся формулами аналитической геометрии:

а = (xc xb )2 (zc zb )2 ,

в= (xc xa )2 (zc za )2 ,

с= (xb xa )2 (zb za )2 ,

где ха, хb , хс, za , zb , zc – координаты точек (вершин треугольника

АВС) А, В, С в выбранной системе координат хOz.

Из рис. 3.4 видно, что ха za const 0; zc const L1. Тогда xb L R L2sin( 2 ),

zb L1 R L2cos( 2 ), xc L R .

Очевидно, что в процессе наклона существенно меняется как плечо силы тяжести, так и плечо рабочего усилия, а значит, зависимость ра-

бочего усилия от угла наклона Fр( ) является сложной функцией и заранее неизвестно, при каком угле наклона рабочее усилие Fр мак-

симально.

Описанная методика может быть реализована в среде MS Excel. На рис. 3.5 представлена зависимость Fр( ) для следующих исходных

47

данных, характерных для печей емкостью 100 т: Q = 490 кН, xq = 0,7 м, yq 1 м , R = 5,7 м, L = 5,54 м, L1 = 5,7 м, L2 = 5,96м, b = 1,48 м.

Рис. 3.5. Зависимость рабочего усилия механизма наклона ДСП (а) и его плеча (б) от угла наклона

Видно, что для указанных исходных данных Fр максимально при

= 20 град.

3.2.МЕХАНИЗМ ПОДЪЕМА И ОТВОРОТА СВОДА ДСП

Вприменяемом способе механизированной загрузки печи сверху свод и расположенные над сводом механизмы каким-либо способом отводят, и в ванну опускают корзину с загруженным в нее скрапом. Днище корзины раскрывается, и скрап вываливается в ванну.

Схема открытия и закрытия сводом ванны электропечи принципиально может быть сведена к трем вариантам.

1. Над печью устанавливается портал с закрепляемым к нему сводом, с механизмом его подъема и шахтой с механизмами перемещения электродов. При необходимости загрузки свод приподнимается на высоту, необходимую для дальнейшего свободного движения; приподнимаются на требуемую высоту и электрододержатели с электродами. После этого портал откатывается в сторону сливного носка или рабочей площадки (есть проработки с наклоняющимся порталом). Этот вариант практически не нашел применения.

2. Портал с механизмами перемещения электродов и механизмом подъема свода закреплен неподвижно на опорной люльке печи. Для

48

загрузки ванна электропечи выкатывается в сторону рабочей площадки или сливного носка. До 1960-х гг. эта схема была довольно широко распространена, но в настоящее время ее применение ограничено.

3. Шахта с механизмами перемещения электродов и портал со сводом, поднимаемым при необходимости открытия ванны, закрепляются на мощной поворотной опоре. Перед загрузкой свод приподнимают и вместе с шахтой и электродами отворачивают на необходимый угол обычно в сторону сливного носка. Этот вариант наиболее распространен сейчас как у нас в стране, так и за рубежом. При применении данного варианта металлоконструкции электропечи компактнее, менее металлоемки, для размещения электропечи требуются меньшие площади.

Механизм подъема и поворота свода может располагаться либо на люльке печи, либо на отдельном фундаменте. Вариант с расположением механизма подъема и поворота свода на люльке встречается редко, так как в этом случае усложняется компоновка механизма, утяжеляется и усложняется механизм наклона ванны печи, для удержания ванны печи в горизонтальном положении при отвороте свода требуется снабжать печь специальным стопорным механизмом. В то же время значительно облегчается механизм подъема свода, так как поднимается один свод (беспортальная конструкция).

На рис. 3.6 изображена электропечь с механизмом подъема и поворота свода толкательного типа, осуществленным в серии электропечей ДСП емкостью 6, 12, 25, 50, 100 т [9]. Во время работы электропечи под напряжением шахта печи 1 с расположенными в ней стойками 2, на которых закреплены электрододержатели 3 с зажатыми в них электродами 4, опирается посадочными местами 5 на специальные тумбы 6, расположенные на люльке печи. На шахте закреплен также полупортал 7, к которому подвешивается свод 6. На отдельном фундаменте располагается корпус 9 механизма подъема и поворота свода. Толкатель 10 рассоединен с шахтой печи, чем обеспечивается свобода наклона ванны печи.

При необходимости подъема свода в плунжер подъема свода 11 подается рабочая жидкость и происходит подъем толкателя до входа его в обойму шахты 12. Одновременно упор 13 касается упора 14 шахты. При дальнейшем движении вверх толкателя происходит подъем шахты и сочлененного с ней полупортала до обеспечения необходимого для нормальной работы зазора. Ограничение хода вверх происходит при упоре ограничительной шайбы в нижний лист корпуса 9.

49

Рис. 3.6. Механизм подъема и отворота свода

Отворот свода осуществляется воздействием на поворотную рейку 15, входящую в зацепление с нарезанными на необходимую высоту зубьями на толкателе 10. Отворот свода и возврат его на место происходит при переменном действии плунжерных цилиндров 16. Для умень-

50