Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №9

Физическое моделирование некоторых технических состояний механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ и их влияние на процесс волнообразования в кристаллизаторе

О.В. АНТЫКУЗ (канд.техн.наук)
Донецкий национальный технический университет, Донецк

УДК 669.018.258

Разработана физическая модель механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ, позволяющая осуществлять исследования работы механизма. На этой установке было проведено моделирование работы механизма качания кристаллизатора в различных его технических состояниях. Установлено влияние технического состояния механизма качания кристаллизатора на явления образования волновых колебаний на поверхности жидкости в нем. Определены частоты качания кристаллизатора, при которых в нем образуются волны и частоты, при которых происходит увеличение высоты волн.

Ключевые слова: механизм качания кристаллизатора, физическое моделирование, волновые колебания, техническое состояние.

Введение

Исследования процесса качания кристаллизатора и его влияние на поведение жидкого металла в полости кристаллизатора в производственных условиях достаточно усложнённо. Это связано с тем, что не всегда есть возможность установки необходимой измерительной аппаратуры во время разливки на МНЛЗ, не все режимы качания из доступных применяются на промышленной МНЛЗ. Кроме того, во время исследований высока вероятность увеличения образования брака непрерывнолитой заготовки и возникновения аварийной ситуации, что может повлечь за собой снижение производительности и прибыли.

Цель работы

В связи с этим представляется целесообразным проведение физического моделирования работы механизма качания с целью расширения практических знаний о влиянии качания кристаллизатора на процессы, происходящие при разливе стали на МНЛЗ.

Для исследования режимов качания кристаллизатора, а также их влияния на процесс волнообразования на поверхности металла в кристаллизаторе, была разработана и изготовлена физическая модель механизма качания слябовой МНЛЗ, кинематическая схема и внешний вид которой представлены на рисунке 1.

Кинематическая схема лабораторной установки и внешний вид физической модели механизма качания кристаллизатора

Рисунок 1 – Кинематическая схема лабораторной установки (а) и внешний вид физической модели механизма качания кристаллизатора.

При разработке физической модели механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ было обеспечено геометрическое, кинематическое и динамическое подобие модели и натурного объекта [1, 2]. Геометрический масштаб физической модели и натурного механизма качания составляет 1:5. Принцип работы физической модели заключается в следующем: при подключении установки в сеть переменного тока, происходит пуск электродвигателя (1), подключённого к сети через линейный автотрансформатор (ЛАТР) (12). Функция автотрансформатора заключается в изменении напряжения, которое подаётся в цепь питания электродвигателя. Это позволяет изменять скорость вращения ротора двигателя. На валу электродвигателя жёстко закреплённый шкив клиноременной передачи (11). С помощью ремня вращение передаётся ведомому валу (2), который закреплён в подшипниковых опорах (3). На этом же валу закреплён эксцентрик (кулачок) (5), с помощью которого вращательное движение кулачка преобразуется в возвратно-поступательное движение подпружиненного толкателя (8). Тяга (10) шарнирно соединена с коромыслом (9). При перемещении толкателя (8), происходит передача движения на коромысло и тягу. Тяги (10) жёстко закреплённые с металлической платформой, на которую устанавливается ёмкость, которая имитирует кристаллизатор с жидкой сталью. В качестве моделирующей жидкости используется вода.

Для моделирования различных технических состояний механизма качания кристаллизатора с целью определения характерных временных и спектральных сигналов движения кристаллизатора при определённых неисправностях, а также изучения влияния технического состояния механизма на процессы волнообразования в кристаллизаторе, применялись кулачки с различным повреждением их профиля. Было изготовлено пять характерных кулачков (рисунок 2), которые обеспечивают работу физической модели, характерную различного рода неисправностям механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ.

Набор кулачков для физической модели механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ

Рисунок 2 – Набор кулачков для физической модели механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ.

На рисунке 2:

  • кулачок № 1 – кулачек без повреждений рабочего профиля, характеризующий исправное техническое состояние механизма качания кристаллизатора;
  • кулачок № 2 - кулачок имеет две глубоких выемки на рабочем профиле, которые позволяют смоделировать удовлетворительное техническое состояние механизма качания кристаллизатора (применительно к реальной МНЛЗ – эксплуатация возможна, но при ближайшем техническом обслуживании необходимо устранить неисправность);
  • кулачок № 3 - кулачок с повреждённым рабочим профилем, имеющим 3 глубоких (5-7 мм) выбоины. Этот кулачек характеризует неудовлетворительное состояние механизма качания кристаллизатора (применительно к реальной МНЛЗ – при эксплуатации в таком техническом состоянии повышен износ узлов механизма качания и не гарантируется стабильность процесса непрерывной разливки);
  • кулачок № 4 - кулачок с повреждённым рабочим профилем, имеющим 5 неглубоких (2-5 мм) выбоин. Этот кулачек характеризует неудовлетворительное состояние механизма качания кристаллизатора (применительно к реальной МНЛЗ – при эксплуатации в таком техническом состоянии повышен износ узлов механизма качания, увеличивается вероятность образования волновых колебаний на поверхности металла в кристаллизаторе;
  • кулачок № 5 - кулачок с повреждённым рабочим профилем, имеющим 7 протяженных выбоин. Этот кулачек характеризует неудовлетворительное состояние механизма качания кристаллизатора, при котором не выдерживается синусоидальный закон движения.

В качестве измерительных средств, с помощью которых определялись параметры движения платформы, использовались виброанализаторы СД-21 и 795М, которые дают возможность получить в результате измерений временные сигналы ускорения, скорости движения и перемещения, а также частотные сигналы (спектры) ускорения, скорости движения и перемещения. Эти сигналы позволяют оценить качество отработки заданных режимов качания и техническое состояние механизма качания кристаллизатора, сделать количественные оценки динамических нагрузок на механизм качания (за счёт изменения реального ускорения движения кристаллизатора).

Целями моделирования работы механизма качания слябовой МНЛЗ являлись выявление характерных форм временных и частотных сигналов скорости движения кристаллизатора, соответствующих различным техническим состояниям и определения частот качания кристаллизатора, при которых в нем происходит зарождение волновых колебаний поверхности жидкости для различных технических состояний механизма. Характерные формы сигналов скорости движения кристаллизатора представлены на рисунке 3.

На рисунке 3 представленные временные и частотные формы сигналов скорости движения кристаллизатора, соответствующие техническим состояниям, описанным ранее, которые реализуются на физической модели за счёт использования определённого кулачка. Применительно к рисунку 3:

  • а) и б) – временной и частотный сигнал скорости движения платформы, реализуемый с использованием кулачка №1;
  • в) и г) – временной и частотный сигнал скорости движения платформы, реализуемый с использованием кулачка №2;
  • д) и е) – временной и частотный сигнал скорости движения платформы, реализуемый с использованием кулачка №3;
  • ж) и з) – временной и частотный сигнал скорости движения платформы, реализуемый с использованием кулачка №4;
  • и) и к) – временной и частотный сигнал скорости движения платформы, реализуемый с использованием кулачка №5.

Следует отметить, что исходя из данных, представленных на рисунке 3, в случае использования кулачка №1 временной сигнал скорости движения кристаллизатора наиболее сходен с идеальной синусоидой, котораядолжна быть при исправном техническом состоянии механизма качания. Некоторые отклонения от синусоиды обуславливаются особенностями конструкции физической модели.

Характерные временные и частотные формы скорости движения кристаллизатора

закон качания кристаллизатора мнлз

Рисунок 3 – Характерные временные и частотные формы скорости движения кристаллизатора, полученные в результате физического моделирования различных технических состояний механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ.

При использовании кулачков № 2-4, на временном сигнале скорости просматривается синусоидальный закон изменения скорости движения платформы. Но сходства этих сигналов с теоретическим законом невелико, так как при эксплуатации этих кулачков на временных сигналах наблюдается большое количество «паразитных биений», обусловленных повреждением профиля кулачка. Частоты и амплитуды этих биений также проявляются на соответствующих спектральных сигналах скорости движения платформы в виде гармоник основного сигнала. Эти биения оказывают негативное влияние на ресурс элементов механизма качания, а также на качество поверхности непрерывнолитой заготовки.

При моделировании неисправного состояния механизма качания кристаллизатора с использованием кулачка № 5 (рисунок 3и и 3к), отмечаем, что закон изменения скорости движения платформы носит полигармонический характер. Частотный сигнал характеризуется наличием большого числа гармоник, амплитуда которых превышает амплитуду основного сигнала. Эксплуатация в таком режиме механизма качания кристаллизатора приводит к ускоренному выходу из строя элементов механизма, а также к нарушению процессов образования твёрдой корочки в кристаллизаторе. Это может привести к возникновению аварийной ситуации типа прорыв металла под кристаллизатором.

Проводя описанные ранее исследования, связанные с моделированием технического состояния механизма качания кристаллизатора МНЛЗ на лабораторных установках, представляется возможной разработка методик выявления неисправностей и неправильной работы механизма в промышленных условиях [3].

С использованием физической модели механизма качания кристаллизатора в лабораторных условиях были проведены исследования процесса волнообразования на поверхности жидкости в кристаллизаторе, и изучено влияние технического состояния механизма качания кристаллизатора на эффект волнообразования. Для этого на качающуюся платформу, которая выполняет роль стола качания, была установлена и жёстко закреплённая ёмкость, имитирующая кристаллизатор. В качестве жидкости, имитирующей жидкую сталь, в экспериментальных исследованиях использовалась вода.

Во время экспериментальных исследований изменялись частота качания платформы и форма движения этой платформы (путём использования пяти кулачков с разными повреждениями профиля). В ходе эксперимента для различных кулачков фиксировались частоты качания платформы, при которых происходило зарождение волновых колебаний поверхности жидкости в кристаллизаторе, а также частоты, при которых происходило увеличение высоты волн. Значения этих частот представлены в сводной таблице 1.

Таблица 1 - Частоты качания платформы, при которых происходит образование волновых колебаний на поверхности жидкости в кристаллизаторе.

Частоты качания платформы, при которых происходит образование волновых колебаний на поверхности жидкости в кристаллизаторе.

На рисунке 4 представлены фотографии волновых колебаний поверхности жидкости, соответствующие периоду зарождения (рисунок 4а) и периоду увеличения высоты волновых колебаний (рисунок 4б) жидкости.

Волновые колебания жидкости в кристаллизаторе, возникающие под воздействием возвратно-поступательного движения кристаллизатора

Рисунок 4 – Волновые колебания жидкости в кристаллизаторе, возникающие под воздействием возвратно-поступательного движения кристаллизатора.

Выводы

В результате физического моделирования образования волновых колебаний на поверхности жидкости можно сделать следующий вывод: ухудшение технического состояния механизма качания кристаллизатора слябовой МНЛЗ ведет к снижению частоты волнообразования в кристаллизаторе. Рабочий диапазон частот качания кристаллизаторов промышленных МНЛЗ составляет 0,8-2,5 Гц. Таким образом, при снижении частот волнообразования (вызванных изменением технического состояния механизма качания), повышается вероятность совпадения её значения с рабочей частотой качания кристаллизатора (эффект резонанса), что приведёт к образованию волновых колебаний поверхности металла. Следствием этих колебаний могут быть сбои в автоматизированной системе поддержания уровня металла в кристаллизаторе, что в свою очередь повлечёт снижение скорости разливки, вплоть до полной остановки ручья. Кроме того, при волновых колебаниях поверхности металла происходит затягивание шлаковых частиц в металл, что приводит к увеличению неметаллических включений в заготовке [4].

  • 1. Еронько С.П. Физическое моделирование процессов внепечной обработки стали / С.П. Еронько, С.В. Быковских. – К.: Техника, 1998. – 136с.
  • 2. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике / Л.И. Седов. – М.: Наука, 1981. – 447с.
  • 3. Оценка параметров качания кристаллизатора МНЛЗ и их влияния на качество поверхности заготовки / А.Н. Смирнов, О.В. Антыкуз, А.Ю. Цупрун, Е.Ю. Жибоедов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2006. – №3. – С.17-21.
  • 4. Смирнов А.Н. Влияние возвратно-поступательного движения кристаллизатора на образование волн / А.Н. Смирнов, О.В. Антыкуз // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2010. – №7. – С.235-237.
  Публикация №9
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ