Министерство образования и науки Республики Казахстан
Карагандинский государственный технический университет
Кафедра:ТОМиС
НАУЧНАЯ СТУДЕНЧЕСКАЯ РАБОТА
Проектирование и конструирование технологических машин
Тема: Разработка модели доменных медных фурм
Руководитель:
д.т.н. доц. Бейсембаев К.М.
Выполнил:
ст. гр. АиУС 16-1м
Айдаров Е.А.
Караганда 2017
Введение
1. Понятие фурмы деменной печи, конструктивные схемы
2. Сварка доменной фурмы
3. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)
4. Сварка меди и ее сплавов
5. Проектирование доменной фурмы
6. Проектирование модели в ANSYS
Заключение
Введение
Интенсификация производства чугуна во многом зависит отстойкости воздушных доменных фурм (ВДФ), на замену которых приходится до 40% простоев доменных печей. Срок службы фурм на заводах СНГ составляет от нескольких часов до260 суток.
Причинами выхода ВДФ из строя являются износ, трещины и прогар. На долю трещин (иразрывов) приходится порядка 30% случаев повреждения фурм. Вероятность трещинообразования возрастает с увеличением температуры дутья и диаметра фурм. Другой причиной появлений трещин, помимо чрезмерной тепловой нагрузки, является наличие раковин, литейныхскладок, сильная разнотолщинность элементов фурмы, особенно носка. Основная масса повреждений типа трещин и разрывов фурм приходится на сварные соединения.
1. Понятие фурмы доменной печи, конструктивные схемы
Фурма -- приспособление для вдувания газа в металлургическую печь или ковш. В горне доменной печи размещают устройства для подвода дутья и выпуска продуктов плавки. Это -- фурмы с фурменными приборами для подачи в горн горячего дутья и топливных добавок, шлаковые летки для выпуска накапливающегося в верхней части металлоприемника верхнего шлака и чугунные летки для выпуска чугуна и нижнего шлака, вытекающего из печи вместе с чугуном.
Фурмы равномерно располагаются по окружности горна в верхней его части на 400--500 мм ниже перехода горна в заплечики.Число фурм определяется из расчета: n = 2d + 1, или в последнее время из расчета: n = 2d, где d -- внутренний диаметр горна в метрах. Некоторое сокращение числа фурм во вновь проектируемых печах максимального объема связано с тем, что при значительном повышении давления в печи уменьшается кинетическая энергия дутья, изменяется зона его реагирования у фурм.
Рис.1. Фурменный прибор
Расстояние между осями фурм по внутренней окружности горна находится в пределах 1,3-2,0 м. При этом зоны воздействия дутья (зоны разрыхления) у смежных фурм смыкаются или касаются друг друга, создавая общую зону воздействия дутья. Ее протяженность в глубь горна в большой мере зависит от линейных скоростей и кинетической энергии подаваемого дутья. При больших диаметрах горна рекомендуется линейная скорость дутья до 200 м/сек.
Горячее дутье к фурмам поступает из кольцевого футерованного воздухопровода, опоясывающего печь на уровне верха заплечиков и имеющего диаметр в свету до 1500 мм. К каждой фурме идет воздухоподводящий рукав.
Фурменный прибор (рис. 1) состоит из полой водоохлаждаемой медной фурмы 1, литого медного холодильника 2, чугунного холодильника с залитой стальной спиральной трубкой (амбразуры) 3, сопла 4, примыкающего к фурме, подвижного колена 5 с неподвижного колена с шарниром 6. Конструкция позволяет сменить фурму за 4-7 мин. Фурма, сопло, подвижное и неподвижное колено соединены на шлифованных шаровых заточках, что компенсирует возможные неточности сборки прибора. Подвижное колено подвешивают к неподвижному колену на двух шарнирных подвесках с клиньями. Натяжной болт 7 прижимает сопло к фурме, а подвижное колено -- к соплу.
Охлаждение фурмы доменной печи производится водой, которая подается с расходом 15 - 25 мі/час непосредственно на внутренний торец фурмы(Рис.2.). При этом нагрев отводимой охлаждающей воды не должен превышать 15 °C. Давление охлаждающей воды, подаваемой на торец фурмы и фурменный холодильник, не превышает 5 - 10 атм. Использование в качестве материала медь с содержанием не ниже 99,5 % Cu позволяет эффективно осуществлять отвод тепла от рабочего конуса фурмы, работающего в экстремально горячих условиях.
Рис 2. Чертеж доменной фурмы
Наиболее распространены фурмы с внутренним коническим суживающимся каналом, выступающие внутрь горна на 200-- 300 мм. Это расстояние называют высовом фурмы. Внутренний диаметр фурм в свету составляет от 120 до 300 мм.
В работах [1, 2] сообщается об успешной эксплуатации фурм с внутренними конусами из углеродистых и легированных сталей. О снижении теплопотерь от стальных конусов говорит тот факт [3], что замена материала внутреннего конуса (толщина стенки - 10 мм) с меди на углеродистую и легированную сталь приводит к повышению температуры поверхности конуса со стороны горячего дутья со 108 до 300 и 5600С соответственно.
Но со временем сложилось мнение [4], что конструкции фурм со стальными внутренними конусами недолговечны, так как, испытывая ударные нагрузки при постановке фурмы в печь и термические (при постановке печи на «тягу») стальные конуса «текут» в местах сварки с медной частью и (иногда) с фланцем. Кроме того, высокая температура дутья вызывает преждевременную коррозию и износ стального конуса
В настоящее время на большинстве заводов стандартная конструкция фурмы состоит из медной части (рыло и оба конуса) и стального фланца. Внутренний медный конус такой фурмы при ее эксплуатации разогревается до 84-89° С со стороны горячего дутья и до 67-80° С на поверхности контакта с охлаждающей водой [5], обеспечивая интенсивный отвод тепла от горячего дутья охлаждающей воде.
Распределение теплового потока на различные участки фурмы при ее эксплуатации трактуется неоднозначно. Большинство исследователей утверждает, что наиболее теплонапряженный участок - торцевая часть (рыло), на которую приходится 70% воспринимаемого фурмой тепла.
Абразивному износу, т.е. механическому истиранию поверхности ВДФ циркулирующими перед ней материалами подвержена, в основном, верхняя часть носка фурмы. При абразивном износе длина носка может уменьшаться на 40-70 мм за 4 месяца, одновременно увеличивается выходное сечение фурмы, особенно при вдувании порошков и пыли. В связи с этим, переднюю часть носка ВДФ выполняют утолщенной, что не только увеличивает время ее износа, но и способствует эффекту «растекания тепла» при точечном контакте носка фурмы с каплями жидких продуктов плавки.
Основные причины прогара ВДФ - контакт поверхности фурмы с жидким чугуном. Среднестатистический процент прогаров составляет 58-63%, причем превалируют случаи прогара носка снизу. Эффективным способом борьбы с прогарами считается утолщение носка. Однако увеличение толщины носка приводит к ухудшению отвода тепла от его поверхности потоком охлаждающей воды, циркулирующей под давлением (как правило, не свыше 0,6 МПа) в полости между наружным, внутренним кожухами и носком.
2. Сварка доменной фурмы
Фурма доменной печи содержит соединенные между собой сварными швами рыльную часть, фланец, наружный и внутренний корпус, при этом сварной шов, соединяющий наружный корпус фурмы с ее рыльной частью, имеет с наружной стороны защитный слой толщиной 0,6-1,2 толщины стенки наружного корпуса и шириной 1,5-3,0 ширины покрываемого сварного шва. Способ получения защитного слоя включает подготовку поверхности, подогрев до 200-300oC, в процессе плазменной наплавки фурму поворачивают на 65% ее диаметра, затем плавно уменьшают ток к концу наплавки на 10-20% от его первоначального значения, при этом подогрев и наплавку осуществляют в течение времени не более двух часов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является фурма металлургической печи, содержащая рыльную часть, фланец, наружный и внутренний корпус, которые соединены между собой сварными швами Недостатком известной фурмы является ее низкая стойкость из-за разрушения по околошовной зоне шва, соединяющего наружный корпус и рыльную ее часть.
Повышение стойкости фурмы достигается тем, что фурма содержит соединенные между собой сварными швами рыльную часть, фланец, наружный и внутренний корпус, причем на сварном шве, соединяющем наружный корпус с рыльной частью с наружной стороны, выполнен защитный слой толщиной 0,6-1,2 толщины стенки наружного корпуса и шириной 1,5-3,0 ширины этого сварного шва.
Фурма доменной печи работает в сложных условиях: в условиях воздействия высоких температур, агрессивной среды и истирания шихтовыми материалами. При этом составные части фурмы и сварные швы выполнены из меди и часто фурма разрушается по околошовной зоне, не выработав и 50% своего ресурса. Для повышения срока службы фурмы поверхность сварного шва (при изготовлении фурмы или при отработке 30% своего ресурса) имеет защитное покрытие из сплава типа бронзы. Толщина защитного покрытия взята в зависимости от толщины стенки наружного корпуса для обеспечения равномерного износа покрытия и стенки. Так, при выполнении толщины покрытия менее 0,6 толщины стенки покрытие изнашивается быстрее, чем стенки и фурма разрушается по околошовной зоне, а при толщине покрытия более 1,2 толщины стенки фурма выходит из строя вследствие износа стенки наружного корпуса и дальнейшее повышение толщины покрытия нецелесообразно.
Ширина покрытия взята в зависимости от ширины защищаемого сварного шва. При ширине покрытия менее 1,5 ширины шва не защищена полностью зона термического влияния на рыльной части и наружном корпусе и фурма быстро выходит из строя. Повышение ширины покрытия более 3,0 ширины шва уже является нецелесообразным, так как полностью покрывает шов и зону термического влияния.
Рис 3 фурма доменной печи
1-наружный стакан, 2-внутренний стакан, 3-нос фурмы, 4-фланец, 5-втулка
При соединении фланца с втулкой на резьбе с последующей обваркой торцевых частей ввинчиваемых деталей на плотность на автомате (Рис 4). Вначале к внутреннему стакану 2 приваривается носок 3. Сварка ведется на автомате медным электродом. К внутреннему стакану 2 крепится сваркой трубка подвода газа а к фланцу 4 - трубка для подвода и отвода охлаждающей воды. Затем уже к собранным внутреннему стакану 2 и носку 3 приваривается наружный стакан 1. Сварка ведется на автомате медной проволокой. Полученная водоохлаждаемая полость насаживается на фланец 4, наружный стакан 1 крепится к фланцу 4 сваркой на автомате, а внутренний стакан 2 крепится к втулке 5 ручной электродуговой сваркой в среде аргона.
Рис 4. Узел Iна рисунке 2
Порядок сборки фурмы при соединении фланца с втулкой с натягом меняется. К внутреннему стакану 2 крепиться сваркой на автомате медная втулка 5 и носок 3 ,приваривается вручную труба для подвода газа. Наружный стакан 1 крепится сваркой на автомате к носку 3. Собранная таким образом полость насаживается на фланец 4, к которому предварительно прикреплены трубы для подвода и отвода охлаждающей воды. На месте посадки втулки нанесен слой эпоксидного клея. Наружный стакан 1 крепится к фланцу 4 посредством сварного шва на автомате. Медная втулка 5 садится на фланец 4 на плотную посадку, а слой эпоксидного клея, нанесенный на торцевые поверхности соединяемых элементов, служит для уплотнения внутренней полости фурмы.
Пример. Рыльная часть фурмы, фланец, корпус внутренний и наружный выполнены из меди марки М1 и соединены между собой сваркой под флюсом. В качестве присадочного материала использовалась медная проволока. Толщина стенки наружного корпуса составляет 4 мм, ширина сварного шва 10 мм. Защитный слой выполнен из бронзы состава: 8,2% Sn, 1% Si, 0,8% B, 5% Ni, медь остальное. Толщина защитного слоя 3,7 мм, ширина 25 мм.
Известен способ сварки и наплавки меди а защитных газах неплавящимся электродом, включающий зачистку электродной проволоки и основного металла до блеска, предварительно подогрев до 300-400oC и последующую сварку или наплавку.
Недостатком известного способа является разрушение сварного шва деталей, пребывающих длительное время при повышенной температуре. При этом способе не учитываются тепловложения в основной металл и не регламентируется корректировка режимов сварки.
Наиболее близким к предлагаемому является способ сварки в защитных газах неплавящимся электродом включающий предварительную подготовку поверхности, предварительный подогрев до 200-300oC и сварку в защитных газах.
Недостатком известного способа является низкое качество сварного шва, особенно при наплавке плазменно-дуговым способом на деталь, пребывающую длительное время при повышенной температуре. В прототипе также не учитывается влияние тепловложений от сварочной дуги на качество сварного шва.
Поскольку износ фурмы происходит в сварном шве соединяющию внешний корпус с носом изза соприкосновения с чугуном при большых температурах то это соединение можно производить методом электроннолучевой сваркой (ЭЛС)
3. Электронно-лучевая сварка (ЭЛС)
Сущность процесса состоит в использовании кинетической энергии потока электронов, движущихся с высокими скоростями в вакууме. Для уменьшения потери кинетической энергии электронов за счет соударения с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты катода в электронной пушке создают вакуум порядка 10-4... 10-6 мм рт. ст.