Доронин С.В. Конструктивные формы металлургического оборудования

Подождите немного. Документ загружается.

110

Именно совершенствованию конструкции опорного кольца по-

священо большинство изобретений конструкций вертикальных конвер-

теров.

Опорное кольцо служит для удержания корпуса конвертера при

его поворотах и должно обладать при минимальном весе и габаритах

достаточной прочностью и жесткостью под действием механических и

термических нагрузок. Обычно опорное кольцо конвертера выполняют в

виде кругового кольца коробчатого сечения с вертикальными и горизон-

тальными ребрами жесткости. Подобные кольца имеют неравномерную

жесткость сечений в окружном направлении. Вертикальные ребра соз-

дают местную жесткость, но область между ними остается гибкой, что

вызывает тенденцию к искривлению и концентрации напряжений. Для

увеличения жесткости в подобных конструкциях толщины верхней и

нижней полок кольца увеличивают, что приводит к росту термических

напряжений.

Целью изобретения [31] является создание кольца с равномер-

ной и повышенной жесткостью. Предлагаемое опорное кольцо отличает-

ся от известных тем, что ребра жесткости располагаются по диагоналям

сечения кольца равномерно по всей окружности. Благодаря этому жест-

кость поперечного сечения кольца значительно возрастает, что позволя-

ет уменьшить толщины стенок кольца и, следовательно, уменьшить вес

кольца в целом.

Рис. 64. Опорное кольцо конвертера: 1 – наружная обечайка; 2 – внутренняя обе-

чайка; 3, 4 – кольцевые пластины; 5 – ребра жесткости

Расчеты и эксперименты показали, что диагональные ребра при

возникающих в опорных кольцах температурных перепадах способст-

вуют снижению максимальных величин как механических, так и терми-

ческих напряжений.

111

Кольцо состоит из двух цилиндрических обечаек, наружной 1 и

внутренней 2, двух кольцевых пластин 3, 4.

Толщины стенок и пластин одинаковы. По окружности кольца в

сечении устанавливаются ряд чередующихся диагональных ребер жест-

кости 5, которые превращают кольцо в конструкцию типа фермы и при-

дают ему повышенную и равномерную жесткость.

В рассмотренном техническом решении выполнено усложнение

структуры системы, повышение пространственной сложности, что пере-

водит опорное кольцо из категории изгибаемых балок в категорию про-

странственных ферм. Увеличение размерности системы способствует

гораздо более эффективному распределению внутренних силовых фак-

торов, повышению надежности и живучести конструкции.

Изобретение [32] относится к конвертерам и может быть ис-

пользовано в черной металлургии.

Известен конвертер, корпус которого выполнен в виде оболочки

вращения с приваренными к ней опорными кронштейнами. При этом

отмечается крепление опорных кронштейнов «внакладку». Вследствие

этого места крепления кронштейнов служат концентраторами напряже-

ний.

В предлагаемом конвертере опорные кронштейны в виде трех-

плечих рычагов устанавливают в вырезах корпуса конвертера соедине-

нием встык с корпусом конвертера. Это уменьшает концентрацию мест-

ных напряжений в корпусе конвертера.

а б в г

Рис. 65. Корпус конвертера: а – общий вид; б – опорный пояс; в – соединение

опорного пояса и корпуса; г – соединение опорного кронштейна с корпусом; 1 –

корпус; 2 – круг жесткости; 3, 4 – пояса жесткости; 5 – сливной носок; 6 – огне-

упорная кладка; 7 – опорное кольцо; 8 – кронштейн; 9 – лист

Корпус 1 конвертера представляет собой оболочку в виде тела

вращения и состоит из коническо-цилиндрических участков и сфериче-

112

ского днища, соединенных между собой плавными переходами. В верх-

ней части имеется усиление в виде круга жесткости 2, а в средней (ци-

линдрической) части – два пояса жесткости 3 и 4. Для выпуска стали

корпус снабжен сливным носком 5. Внутри корпуса расположена огне-

упорная кладка 6.

Корпус удерживается в опорном кольце 7 опорными кронштей-

нами. Последние могут собираться и свариваться с листами 9 в опорный

пояс, который приваривается затем к верхней и нижней частям конвер-

тера.

Сплошность конструкции и плавность переходов опорных

кронштейнов в корпус конвертера будут сглаживать явление концентра-

ции напряжений в этих местах. Внутренние пазухи кронштейнов заде-

лываются огнеупорной массой.

В основу формообразования данной конструкции положен об-

щемашиностроительный принцип всемерного снижения концентрации

напряжений несущих элементов.

Известны конструкции подшипниковых опор конвертеров, со-

держащие корпус с подшипниковым узлом, установленный на основа-

нии с возможностью поворота, и устройство, обеспечивающее компен-

сацию осевых перемещений и несоосности опор. Однако при повороте

корпуса опоры в горизонтальной плоскости в этих конструкциях возни-

кает большая сила трения опорных поверхностей, что приводит к их бы-

строму износу.

Рис. 66. Опора конвертера: 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – основание; 4 – промежу-

точная деталь; 5 – вкладыш; 6 – фиксатор; 7 – подшипник; 8 – обойма

Цель изобретения [33] – увеличение надежности и долговечно-

сти подшипниковой опоры. Это достигается за счет того, что промежу-

точные детали опираются на корпус и основание через вкладыши, опор-

113

ные поверхности которых выполнены цилиндрическими и развернуты

под углом 90°. Вкладыши установлены в соответствующие выемки, вы-

полненные в корпусе, основании и промежуточных деталях.

Опора конвертера включает корпус 1 с крышкой 2, между кото-

рыми заключен подшипник, и основание 3, на которое опирается корпус

посредством промежуточных деталей 4, снабженных цилиндрическими

выемками, в выемках размещены вкладыши, каждый из которых ограни-

чен двумя выпуклыми цилиндрическими поверхностями с перекрещи-

вающимися под прямым углом осями. Одна пара вкладышей сопрягается

с корпусом, другая – с основанием. Поворот корпуса вокруг вертикаль-

ной оси осуществляется за счет деталей 4, при этом происходит сколь-

жение по всем опорным поверхностям вкладышей 5. Поворот корпуса

вокруг горизонтальной оси осуществляется за счет скольжения по тем

поверхностям вкладышей, оси которых совпадают с горизонтальной

осью корпуса подшипника.

Для придания устойчивости подшипниковой опоре в плоскости,

образуемой горизонтальной и вертикальной осями, корпус снабжен фик-

сатором 6 с установленными на нем подшипником 7 и обоймой 8.

В данной конструкции обеспечивается надежность и долговеч-

ность системы введением дополнительных структурных элементов –

цилиндрических вкладышей, придающих системе свойства приспосаб-

ливаемости и поиска оптимального пространственного положения.

3.3. ДУГОВЫЕ ПЕЧИ

Вакуумно-дуговой переплав (ВДП) является одним из основных

процессов промышленной спецэлектрометаллургии, он позволяет полу-

чать высококачественные металлы (сталь, титан, цирконий, ниобий, мо-

либден, тантал, вольфрам, ванадий, бериллий и др.) для специальных

отраслей техники.

На рис. 67 показаны принципиальные схемы печей ВДП [20].

Среди них самое широкое применение получили печи с расходуемым

электродом и глухим кристаллизатором (рис. 67, а). Печи с вытягивани-

ем слитка (рис. 67, б) применяются в основном для плавки тугоплавких

металлов, качество которых сильно зависит от величины давления выде-

ляющихся в процессе плавки газов. Для улучшения отсоса газов уровень

расплава поддерживается постоянно в верхней части кристаллизатора.

Так как в печах с нерасходуемым (графитовым, угольным) электродом

(рис. 67, в) невозможно избежать загрязнения слитка материалом элек-

трода, эти печи применяют лишь для производства расходуемых элек-

тродов сплавлением губки.

114

а б в

Рис. 67. Печи ВДП: а – с расходуемым электродом и глухим кристаллизатором; б

– с расходуемым электродом и вытягиванием слитка; в – с нерасходуемым элек-

тродом; 1 – водоохлаждаемый поддон; 2 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 3 –

соленоид; 4 – слиток; 5 – расходуемый электрод; 6 – вакуумная рабочая камера;

7 – смотровое окно; 8 – шток электрода; 9 – токоподвод; 10 – патрубок к вакуум-

ной системе; 11 – бункер для шихты; 12 – питатель; 13 – течка; 14 – нерасходуе-

мый электрод; 15 – камера слитка; 16 – шток слитка

На рис. 68 показана схема типовой печи ВДП для выплавки ти-

тановых слитков. Печь установлена в защитной камере и работает сле-

дующим образом. Кристаллизатор 10 с соленоидом 11, поддоном 13 и

темплетом посредством крана устанавливается на выкатную тележку 12.

После этого в кристаллизатор тем же краном устанавливается расходуе-

мый электрод, и кристаллизатор подается гидроцилиндром 15 под рабо-

чую камеру. Включают подъемный стол 18 и перемещают кристаллиза-

тор с электродом вверх. В это время шток 3 электрода находится в ниж-

нем положении. При сближении электрода со штоком их соединяют по-

средством зажима 8, и затем электрод 9 поднимают в крайнее верхнее

положение. Шток снабжен вакуумным уплотнением 6. После центровки

электрода поднимают окончательно кристаллизатор до его полной сты-

ковки с фланцем рабочей камеры 7, которая трубопроводом 19 присое-

динена к вакуумной системе. Разводку ванны, как правило, ведут при

ручном управлении двигателем механизма перемещения электрода, а

затем переключают на автоматическое управление. Для повышения бы-

стродействия системы управления механизм перемещения электрода

115

снабжен противовесом 22. Наблюдение за процессом проводят с элек-

тропульта 20 через перископ 21 и окно 5. После выплавки слитка стол 18

опускается вместе с кристаллизатором и слитком. Кристаллизатор опи-

рается своими упорами на тележку 12, выкатывается за пределы печи и

посредством крана транспортируется на специальный стенд для извле-

чения слитка. На этом стенде также установлено устройство для чистки

внутренней поверхности кристаллизатора. В ряде случаев разборка и

сборка кристаллизатора осуществляется на столе 17, при этом открыва-

ют площадку 14 с помощью гидроцилиндра 16.

Рис. 68. Типовая печь ВДП для выплавки титановых слитков: 1, 2 – электродви-

гатели; 3 – шток; 4 – шлейф; 5 – окно; 6 – уплотнение; 7 – рабочая камера; 8 –

зажим; 9 – электрод; 10 – кристаллизатор; 11 – соленоид; 12 – тележка; 13 – под-

дон; 14 – площадка; 15, 16 – гидроцилиндр; 17 – стол; 18 – подъемный стол; 19 –

трубопровод; 20 – электропульт; 21 – перископ; 22 – противовес

116

К числу основных механизмов печей относятся механизмы по-

дачи электрода и вытягивания слитка. В небольших печах для подачи

электрода применяют винтовые механизмы с электромеханическим при-

водом, а в крупных – механизмы с цепной подвеской и аналогичным

приводом. Скоротечность процессов в дуговом промежутке, малая длина

дуги (20–50 мм) и, в то же время, небольшая скорость подачи электрода

при сплавлении вызывают необходимость изменять скорость механизма:

для нормального режима – миллиметры в минуту, а в момент ликвида-

ции короткого замыкания – метры в минуту. Наиболее распространен-

ным приводом механизмов подачи является электрический привод с

дифференциальным редуктором. Для реализации рабочей скорости слу-

жит двигатель постоянного тока, для маршевой – двигатель переменного

тока.

К числу наиболее ответственных узлов печей относятся рабочая

камера и кристаллизатор. Камеру выполняют цилиндрической для об-

легчения очистки от конденсата и брызг металла, а также из соображе-

ний прочности. Размеры ее определяются диаметром патрубка для при-

соединения вакуумной системы. Для защиты от перегрева камеру снаб-

жают водяным охлаждением в виде водяных рубашек или змеевиков.

Кристаллизатор современных печей выполняют разборным, он состоит

из медной рабочей гильзы и стального кожуха. В пространстве между

ними циркулирует охлаждающая вода, которая подводится снизу, а от-

водится сверху кристаллизатора. Толщину гильзы для малых печей при-

нимают равной 8–10, а для крупных – 15–20 мм.

Основными приемами формообразования для традиционных

конструкций печей ВДП являются

выбор цилиндрической формы рабочей камеры и кристаллиза-

тора из условий максимальной прочности и удобства обслуживания;

разделение кинематических функций между расходуемым элек-

тродом и кристаллизатором исходя из требуемого качества слитка и

обеспечения соответствующих условий функционирования вакуумной

системы.

Изобретение [34] относится к области конструирования закры-

тых дуговых печен и может быть использовано в лабораторных условиях

при проведении исследовании с целью получении стали и сплавов с пре-

цизионными свойствами.

Известна закрытая дуговая печь, включающая корпус печи,

верхний и нижний токоподводы, плавильный тигель и шлюзовую каме-

ру. Плавку в такой печи можно нести в контролируемой атмосфере или

вакууме. При этом плавку нескольких образцов можно вести непрерыв-

но, не нарушая герметизации печи, за счет того, что она снабжена уст-

117

ройством, позволяющим извлекать готовые и загружать новые образцы,

не нарушая герметизации печи. Однако недостатком такой печи является

то, что исключена возможность присадки в печь и добавочных материа-

лов и замены расходуемых электродов без ее разгерметизации. Кроме

этого, известная печь малопроизводительна.

С целью получения в лабораторной практике образцов различ-

ными методами плавлении, в том числе последовательным плавлением

нескольких образцов, не прерывая горения дуги, а также замены верхне-

го электрода и загрузки (выгрузки) образцов без разгерметизации печи в

предлагаемой печи верхний токоподвод снабжен шаровым сочленением,

уплотненные резиновой диафрагмой, нижний токоподвод выполнен в

виде горизонтальной сквозной поворотной трубы, на которой крепится

плавильный тигель, а корпус печи снабжен герметично прилегающей

крышкой с перчаточным рукавом и герметичным бункером со шнеко-

вым спиральным питателем на боковой поверхности корпуса.

Рис. 69. Дуговая печь: 1 – корпус; 2, 10 – токоподводы; 3 – зажим; 4 – электрод; 5

– контакт; 6, 19 – смотровые окна; 7 – шаровое сочленение; 8 – диафрагма; 9 –

реечный механизм; 11 – бункер; 12 – питатель; 13 – тигль; 14 – ручка; 15, 22 –

прижимное устройство; 16, 17 – люки; 18 – шлюзовая камера; 20 – патрубок; 21,

25 – крышки; 23 – рукав; 24 – экран

Электродуговая печь (рис. 69) состоит из водоохлаждаемого,

118

металлического, герметического корпуса 1 печи, нижнего токоподвода 2,

зажима 3 для крепления токоведущих проводов, верхнего электрода 4,

неохлаждаемого контакта 5 для зажима верхнего электрода, смотрового

окна 6, шарового сочленения 7 резиновой диафрагмы 8, реечного меха-

низма 9 вертикального перемещения верхнего токоподвода, верхнего

токоподвода 10, герметического бункера 11 для загрузки материала,

шнекового спирального питателя 12, съемного плавильного тигля 13,

ручки 14 поворота нижнего токоподвода, съемного прижимного устрой-

ства 15, верхнего люка 16 шлюзовой камеры, бокового люка 17 шлюзо-

вой камеры, шлюзовой камеры 18, смотрового окна 19, патрубка 20 ва-

куумирования и впуска газа, герметичной крышки 21, съемного при-

жимного устройства 22, резинового перчаточного рукава 23, теплоза-

щитного съемного экрана 24 и передней крышки 25 печи.

При выплавке металлов или сплавов в вакууме подготовка печи

заключается в следующем.

При открытой передней крышке 25 печи на нижний токоподвод

2 навинчивается необходимой формы плавильный тигель 13. Если обра-

зец постепенно наращивается по высоте, то материал загружается в бун-

кер 11 для подачи во время плавки в тигель. При плавке без наращива-

ния образца материал может быть загружен непосредственно в тигель.

Для повышения производительности печи плавильный тигель может

иметь несколько расположенных по окружности лунок, в которых по-

мещается материал. При производстве отливок из расплавленного мате-

риала форма устанавливается перед тиглем. Верхний электрод зажима-

ется в контакте верхнего токоподвода. Шлюзовая камера 18 герметиче-

ски закрывается. Перчаточный рукав находится в положении, изобра-

женном на боковом виде. В этом случае устройство 22 герметически

плотно прижимает крышку 21. Крышка 25 печи герметически закрыва-

ется, после чего осуществляется вакуумирование объема печи. Для со-

хранения целостности резинового рукава одновременно вакуумируется

пространство под крышкой 21 через патрубок 20. По достижении вакуу-

ма печь готова для проведения плавки.

В случае плавки в атмосфере инертного газа после вакуумиро-

вания в печь впускается газ. Для выравнивания давлении в печи и под

крышкой 21 патрубок 20 соединяется с атмосферой. После этого крышка

21 отжимается и снимается. Наличие перчаточного рукава обеспечивает

проведение необходимых операций внутри печи без ее разгерметизации.

Загрузка и выгрузка образцов через шлюзовую камеру осущест-

вляется в следующем порядке.

Через люк 17 образец вносится внутрь шлюзовой камеры. Затем

люк закрывается, камера вакуумируется и заполняется инертным газом.

119

С помощью перчаточного рукава крышка верхнего люка отжимается и

снимается. Образец переносится внутрь печи. Верхний люк закрывается

крышкой 26, которая герметически поджимается устройством 15.

Перед проведением плавки во избежание сильного разогрева ре-

зиновый рукав закрывается теплозащитным экраном 24. Верхний токо-

подвод имеет шаровое сочленение с корпусом, для герметизации которо-

го при сохранении свободы перемещения электрода имеется резиновая

диафрагма.

В предлагаемой конструкции введение дополнительных струк-

турных элементов, обладающих функциями кинематической подвижно-

сти и герметизации, значительно улучшает технико-экономические ха-

рактеристики всей системы, придавая ей ряд новых функций.

3.4. ЭЛЕКТРОЛИЗЕРЫ

В зависимости от производимого металла и единичной мощно-

сти электролизеров их конструкции существенно различаются [20, 35].

На отечественных заводах применяют медные электролизеры

двух типов: ящичные и блочные, причем лучшие характеристики имеет

прямоточный электролизер блочного типа. Один блок включает 10 ванн

(рис. 70). Обычная длина ванны 3-6, глубина 1,1-1,3 м. Ширина ванны

определяется шириной катодов и составляет 1,0-1,2 м.

Электролизеры бывают товарные (для получения товарного

электролитического металла в виде катодов) и матричные (используе-

мые для производства катодных основ). В матричных электролизерах

применяют нерасходуемые аноды, а в качестве катодов – матрицы (рис.

71, а).

Рис. 70. Электролизер для электролиза меди: 1 – корпус ванны; 2 – футеровка; 3

– изолятор; 4 – катод; 5 – анод; 6 – коллектор; 7 – токоподводящая шина

Матрицы изготовляют из катаной меди марок Ml и М2, корро-

зионностойкой стали Х18Н9Т и титана ВТ1-1. Наиболее эффективными

являются титановые матрицы, отличающиеся большей долговечностью