Конструирование машин для металлургических процессов

 

С – оборудование для  порезки заготовки на заданные

длины, транспортировки  и охлаждения готовой продукции.

В составе этой части  – режущее устройство (ножницы  или газорезка), маркировщик с  помощью которого маркируется каждая заготовка, рольганги, толкатели, холодильники.

Заготовки охлаждаются  от температуры 900 С до температуры  окружающей среды. На агрегатах совмещения разливки и прокатки оставшееся после  технологической линии тепло  используется в технологическом  процессе.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4. Технологическая линия ( чудесная линия )

4.4.1.Взаимодействия

 

Независимо от формы  технологической линии, взаимодействие можно разделить на три составляющие:

А – «заготовка – кристаллизатор»

В – «заготовка – валки  ТПУ»

С – «заготовка – ролики поддерживающих и направляющих секции вторичного охлаждения (ВО) и участка между ВО и ТПУ».

 

А. Определяется силой трения между корочкой заготовки и охлаждаемыми медными стенками кристаллизатора.

Величины силы трения вычисляется как произведение ферростатического  давления со стороны корочки на коэффициент трения между корочкой заготовки и кристаллизатора (fтр к)

Fтр = Рфс *fтрк

Перед металлургами, осваивающими процесс НРС, всегда стояла задача снижения   fтрк,  которая решалась в двух направлениях – поиска смазки, поступающей между корочкой и стенкой кристаллизатора, и закона движения кристаллизатора относительно заготовки.

В качестве смазки применяют  рапсовое масло и разные порошковые смеси, подаваемые на поверхность мениска  в кристаллизаторе, которые при  температуре жидкой стали становятся жидкотекучими.

За несколько десятилетий  в результате научно – исследовательских  работ удалось снизить   fтрк   от 0,5 до 0,2, т.е. в 2,5 раза.

Движением кристаллизатора  управляют с помощью механизма  качения (МК), конструкция которого определяет закон движения кристаллизатора и возможности его изменения.

Наиболее распространенный закон движения по синусоиде, но есть и другие законы, дифференцирующие движение кристаллизатора – вверх  и вниз.

В любом случае кристаллизатор совершает возвратно – поступательное движение вдоль оси заготовки.

В начале освоения НРС, ход  кристаллизатора был большим  – (около 15 мм), а число качений  был относительно низким (60 качений  в минуту). Синусоида подбиралась  таким образом, чтобы при движении кристаллизатора вниз в корочке создавались бы напряжения сжатия. В результате поверхность заготовки получалась складчатой, а шаг складок был равен ходу кристаллизатора.

Эволюция шла в направлении  уменьшения хода кристаллизатора и  увеличения числа качения в единицу  времени.

Современные параметры – ход кристаллизатора до 5 мм, частота качения до 300 в мин.

В таком режиме уже  невозможно определить, где возникают  сжимающие напряжения, но качество поверхности заготовки стало  лучше,

Критерием правильности выбора режима движения кристаллизатора и является качество поверхности заготовки.

 

В. С помощью ТПУ решаются три задачи: заведение, затравки в кристаллизатор, вытягивание и правка криволинейной заготовки.

Усилие давления тянущих  валков ТПУ на заготовку должны быть не ниже значений, позволяющих «вести» заготовку без скольжения, и создать момент в точке правки выше пластического момента заготовки.

   Особое значение  имеет вибрация (колебания) создаваемые  МК через силы трения между  кристаллизатором и корочкой  заготовки. В результате окружные усилия на валках ТПУ имеют переменную составляющую, направленную согласно движению заготовки при движении кристаллизатора вниз и направленную против движения заготовки при движении кристаллизатора вверх.

Создается колебательный  процесс на технологической линии благодаря вынужденным колебаниям, вызывающим возвратно – поступательное движение кристаллизатора.

Параметры этого процесса зависят от упругости рамы, упругости  заготовки на участке между кристаллизатором и валками ТПУ, жесткости рамы ТПУ и привода вращения валков.

Указанный колебательный  процесс теоретически не исследован. На практике управление им достигается  гибкостью конструкции МНЛЗ, позволяющей  изменять такие параметры технологического процесса как скорость разливки и  качания кристаллизатора, не останавливая движение заготовки.

 

С. Поддерживающие ролики секции ВО удерживают корочку заготовки (ещё тонкую и непрочную под кристаллизатором) от разрушения, воспринимая ферростатическое давление столба жидкого металла выше конкретного ролика. В контакте ролика с заготовкой возникают силы сопротивления движению величина которых определяется потерями не трение качения между роликом и заготовкой и трение в подшипниках, на которые опирается ролик.

Другие поддерживающие ролики на технологической линии  позволяют направлять заготовку по заданной траектории, воспринимая соответствующие доли массы слитка. В контакте этих роликов и заготовки также возникают силы сопротивления движению заготовки, величины которых зависят от коэффициента трения качения ролика по заготовке и коэффициента трения подшипников качения, на которые они опираются.

 

 

4.4.2 Затравка

 

На радиальных (или  в общем случае на криволинейных) МНЛЗ применяется гибкая, шарнирная, многозвенная (цепная) затравка (Рис.32)

Головка затравки входит в кристаллизатор до половины его высоты с зазором по сечению. Форма головки позволяет легко отделить затравку от слитка после прохождения затравкой последнего валка ТПУ.

Шарниры, соединяющие  звенья, выполнены износостойкими.

Поверхность звеньев (контактную) обрабатывают механическим путем с высокой чистотой. Материал звеньев и их термообработку при изготовлении подбирают исходя из высокой прочности с тем, чтобы иметь как можно шире диапазон назначения усилий давления валков ТПУ на затравку и заготовку при их транспортировке.

Шаг звеньев, если стремиться к максимальной равномерности движения затравки, должен быть как можно меньше, а если исходить из минимального количества шарниров, то как можно больше.

Компромисс состоит в выборе такой величины шага, при которой  конструктор ещё допускает неравномерность хода и суммарный зазор в шарнирах.

4.4.3 Анализ сил, действующих  на технологической линии

 

Рассмотрим технологическую линию  радиального типа. (Рис.30)

Выделим три режима работы:

А – заведение затравки в кристаллизатор;

В – выведение затравки из кристаллизатора вместе с 

заготовкой;

С – выведение непрерывно – литой заготовки в 

режиме работы машины «К-Н-К».

Схема взаимодействий на технологической линии показана на рисунке.

Принятые условные обозначения:

Fтр к –сила трения в кристаллизаторе

Fсопр во –сила сопротивления в поддерживающих секциях вторичного охлаждения

Fсопр нр –сила сопротивления на направляющих рамках

Fсопр тпу –сила сопротивления движения заготовки в ТПУ

Vр –направление движение заготовки, (скорость разливки)

Gзаг –все заготовки на дуге технологической линии

Р1, Р2, Р3 –силы давление верхних валков ТК на заготовку, создаваемые  гидроцилиндрами, встроенными в  конструкцию ТК.

Rм1,Rм2,Rм3 –опорные реакции на нижних валках ТК

Fсопр –суммарное сила сопротивления движению заготовки

Fдв –максимальное движущая сила, создаваемая приводными валками ТК

fзаг–коэффициент трения скольжения  между валком и заготовкой.

        fзаг = 0,18 (опытные данные)

fт –коэффициент трения скольжения между валком и затравкой.

fт = 0,12 (опытные данные)

fк –коэффициент трения скольжения между  корочкой заготовки и стенками   кристаллизатора.

  fк = 0,12

Gпм –масса одного погонного метра заготовки.

Gпмз –масса одного погонного метра затравки.

 Дв -диаметр бочки валка ТК.

-Сила трения в кристаллизаторе  определяется ферростатическом  давлением на стенки кристаллизатора  и коэффициентом трения между  корочкой заготовки и медными   стенками кристаллизатора.

-Сила сопротивления секции Во  определяется по ферростатическому давлению на каждый опорный ролик. И далее по стандартной методике вычисляют силу сопротивления по потерям на трение качения между опорным роликом и заготовкой и по потерям на трение в подшипниках тех же роликов.

- Сила сопротивления направляющих роликов определяются по доле массы заготовки или затравки, приходящие на эти ролики. Далее по стандартной методике определяют силу сопротивления по аналогии с вычислением Fсопр Во.

- Р3 определяют так:

- Р3 =1,25 Рпл , где Рпл  –сила необходимое для создания пластической деформации в точке разгиба (приводной ролик ТК -2)

Рпл

 – предел текучести материала  заготовки при tºС =900ºС

     - пластический момент сопротивления.

Р3>Pпл, т.к. необходимо заготовку прижать к нижнему валку ТК-3.

- Р1=Р3

- Р2 выбирают в пределах 0,5 Р3

При задаче затравке силы равны между собой (Р1=Р2−Р3), а  их величина определяется из условия  создания на приводных валкам силы трения, необходимой для устойчивого движения затравки.

- Силы сопротивления  ТПУ определяется по силам  давления (Р1,Р2,Р3) их опорным реакциям Rн₁,Rн₂,Rн₃ и по стандартной методике аналогично

Fсопр нр.

- На заготовку (затравку) действует также скатывающее сила, определяемая массой и расстоянием до центра тяжести (ℓ3).

Составляя уравнение  моментов относительно точки О, определяем из условия равновесия необходимую  величину силы движения, которая должна быть обеспечена приводными валками  ТК -1, ТК -2, ТК -3.

Составляем график этой силы (Fдв).

При расчетах пользуемся таблицей. Привод выбираем по максимальным нагрузкам.

 

Таблица №3

№ п/п

Режим работы

G (кг)

Fтрк (кг)

FсопрВО (кг)

FсопрНР (кг)

P1 (кг)

P2 (кг)

P3 (кг)

RМ1 (кг)

RМ2 (кг)

RМ3 (кг)

FсопрТПУ (кг)

Fсопр (кг)

Fдвиж (кг)

R мм

l1 мм

l2 мм

l3 мм

а мм

в мм

1

Ⓐ Заведение затравки в кристаллизатор

2

Ⓑ Выведение затравки и заготовки

3

Ⓒ Выведение заготовки

Рис.32 Таблица  к схеме взаимодействия заготовки и элементов машин 

4.4.4 Выбор радиуса технологической  линии

 

При R = ∞ (прямолинейная заготовка, вертикальная машина) формование заготовки происходит наиболее просто. С другой стороны есть такая минимальная величина R, при которой разливка невозможна, из –за образующихся в корочке трещин.

Компромисс    найден практикой:

R ≥ 40а, где а –меньший размер сечения заготовки.

Например, если разливают  заготовку у которой а ≤ 300, то R принимают равным R =1200 мм, если а ≥ 300, но не более 350, то R принимает R14000 мм.

4.4.5 Выбор приводных  валков

 

Возможны при варианте:

А –приводной валок верхний

В –приводной валок нижний

С - оба валка приводные.

Для ввода и вывода затравки оптимальным является вариант  С, т.к. при прочих равных условиях давления валков на затравку в этом варианте значительно меньше, чем в вариантах А и В, что увеличивает в конечном счете долговечность затравки.

Если приводные валки  верхние, то давление от валки на заготовку  или затравку на всех приводных валках одинаково и приводы вращения валков загружены равномерно.

Но в этом случае привод верхнего валка приходится располагать  на верхней подвижной траверсе, соединенной  через шарнир с гидроцилиндром прижима, т.е. в горячей зоне, над расколенными заготовками. В состав привода входят электродвигатель с контрольным и управляющими приборами (тахогенератор + сельсин) и его защита от интенсивного теплоизлучения требует дополнительных затрат, а иногда и не выполнима. Но кинематически  вариант А прост и надежен.

В варианте В нижние валки испытывало  давление равное опорным реакциям. Давление передается от гидроцилиндра прижима через верхний валок и заготовку. Приводные валки загружены неравномерно: максимальный крутящий момент будет на среднем валке, на который приходится максимальная опорная реакция.

Но привод располагается  вне ручьев, вне горячей зоны, на стационарной раме и не требует  дополнительных затрат на защиту от теплоизлучения.

В варианте С конструктивно  удобнее привод валков располагать  на верхней подвижной траверсе тянущей  клети, а передачу вращения на верхний и нижний валки передавать с помощью сконструированных для этого случая передаточных механизмов (редукторов).

 В практике встречаются  все три варианта. Критерием для  выбора является баланс затрат.

Чаще других используются вариант В благодаря его главному достоинству –простоте конструкции и высокой надежности.