Металлургический агрегат как объект конструирования

 

1.1. Особенности, металлургических агрегатов, как объектов индивидуального машиностроения.

Металлургический агрегат является системой высокой категории сложности, многие параметры которой динамически изменяются в процессе эксплуатации, а важнейшие составные элементы (машины, крупные узлы) относятся к области индивидуального машиностроения, поскольку имеют уникальные конструктивные параметры, в связи с чем возможность повторяемости, стандартизации и серийного выпуска их минимальна. По данным работы [21], классификация основных металлургических агрегатов по видам, моделям, типоразмерам показала, что действующие на металлургических предприятиях 208 коксовых батарей подразделяются на 94 варианта конструкции, 171 агломашина - на 20 вариантов, 131 доменная печь - на 49 вариантов, 567 сталеразливочных агрегатов - на 126 вариантов и 369 прокатных станов на 149 вариантов.

Таким образом, в коксохимическом, доменном, сталеплавильном и прокатном производствах повторяемость каждого варианта конструкции составляет в среднем 2-3 агрегата и только в агломерационном производстве этот показатель достигает 6-8 агрегатов.

Для сравнения - в крупносерийном и массовом производстве (автомобилестроении, производстве бытовой техники и т. д.) повторяемость каждого варианта конструкции достигает сотен тысяч и миллионов экземпляров; поэтому процесс конструирования металлургического оборудования требует разработки собственной методологии, многие подходы, используемые в проектно-конструкторской деятельности предприятий других отраслей промышленности, в сфере металлургического машиностроения неприемлемы.

Рассматривая металлургические агрегаты как объекты конструирования, можно выделить ряд их характерных особенностей.

1.1.1. Современные металлургические агрегаты имеют высокую производительность: от сотен тысяч до нескольких миллионов тонн металла в год, в связи с чем их называют агрегатамибольшой единичной мощности.

К концу ХХ века определились две основных категории металлургических предприятий [22]:

1) интегрированные заводы мощностью 5-10 млн. т / год готовой продукции, работающие в цикле "руда-прокат", включающие коксохимические, агломерационные агрегаты, доменные печи, сталеплавильное и прокатное производства;

2) мини-заводы производительностью 1,0 - 1,5 млн. т / год, работающие в цикле "скрап-прокат", исключающем коксохимические, агломерационные агрегаты и доменные печи.

1.1.2. Большая единичная мощность определяет существенное влияние металлургических агрегатов на окружающую среду: атмосферу, воду и почву, в связи с чем один из главных критериев эффективности их проектирования - экологическая безопасность производства.

1.1.3. Высокая производительность и необходимость последовательной переработки большого количества сырьевых материалов, чугуна, стали и проката, наличие развитой сети подъемно-транспортных машин и механизмов, сложных систем их тепло- и энергоснабжения – все это определяет большие габариты и массу металлургических агрегатов. В результате крупные металлургические агрегаты оказываются настолько взаимозависимыми в масштабах предприятий и даже отдельного цеха, что вывод из строя морально устаревших установок представляет сложную, а порой и трудноразрешимую проблему.

Поэтому преобладающий метод обновления оборудования и технологии в металлургическом производстве - реконструкция агрегатов, частичная, поэтапная замена устаревших машин и механизмов, что обуславливает параллельное функционирование установок разных поколений. Методология САПР должна учитывать эту особенность металлургических агрегатов: предусматривать возможность как частичной, так и полной реконструкции действующих машин, узлов и механизмов.

1.1.4. Следствием указанных выше особенностей металлургических агрегатов (п.п. 1.1.1-1.1.3) являются значительные интервалы времени, разделяющие срок ввода их в действие и прекращение эксплуатации в связи с заменой на установки нового поколения. Если в крупносерийном и массовом производствах смена моделей многих машин происходит с интервалом 1-2 года, то сроки эксплуатации коксовых батарей, агломашин, доменных печей, сталеплавильных агрегатов и прокатных станов измеряются несколькими десятилетиями.

На крупных металлургических предприятиях России и Украины в 90-х годах ХХ века ряд обжимных, крупносортных, толстолистовых станов эксплуатируется после пуска или последней по времени реконструкции от 20 до 40 и более лет; последний по времени широкополосный стан горячей прокатки был введен в эксплуатацию в России в середине 70-х годов, а последний непрерывный широкополосный стан холодной прокатки - во второй половине 80-х годов.

Таким образом, в металлургическом машиностроении характерной является ситуация, когда разработку очередного крупного агрегата осуществляет новое поколение проектировщиков.

Поэтому сохранение, накопление и обобщение созданных предыдущими поколениями специалистов методов конструирования и расчета, алгоритмов, математических моделей, нормативно-справочной информации, данных экспериментальных измерений, осуществленных во время эксплуатации действующего оборудования, сведений о качестве продукции и надежности машин и узлов - важная проблема организации процесса проектирования нового металлургического оборудования.

Решение этой проблемы - в создании мощных компьютерных баз данных, способных накапливать, систематизировать, обновлять и выдавать разработчикам указанную информацию.

1.1.5. При эксплуатации металлургических агрегатов обеспечение надежности и безотказности функционирования оборудования зависит не только от его механических характеристик, определяемых с использованием методов технической механики (теории упругости, сопротивления материалов, теории механизмов и машин, деталей машин и др.), но и от комплекса физических, химических, теплоэнергетических и электро - энергетических характеристик, определяющих технологические процессы последовательных стадий переработки сырья в готовый прокат.

Поэтому расчет машин и узлов на стадии разработки нового или реконструкции существующего металлургического оборудования должен выполняться с использованием разнообразных математических моделей - механических, тепловых, физико-химических, электроэнергетических. Для разработки таких моделей и для их квалифицированного применения в конструкторских подразделениях заводов металлургического машиностроения и непосредственно на металлургических предприятиях должны совместно работать специалисты широкого спектра профессий - "чистые" механики, технологи, теплотехники, специалисты в области пневмо - и гидропривода, энергетики, электрики, физики, материаловеды, химики. Алгоритмы организации взаимодействия, взаимопонимания разнородных специалистов, согласования и увязки их точек зрения и результатов использования ими разных моделей и подчас противоречащих друг другу критериев - одна из реальных проблем технологии конструирования металлургических агрегатов.

В решении этой проблемы важным является определение последовательности выполнения проектов и особая роль предварительных стадий проектирования: проведение НИОКР, разработка и согласование технического задания. На предварительных стадиях с использованием моделей вырабатываются и согласовываются комплексные критерии качества выполняемого проекта, основные параметры разрабатываемой машины и ограничения - по тепловому режиму, энерго- и водоснабжению, производительности, себестоимости, экологическим характеристикам, ремонтопригодности и т.д.

Именно на этих стадиях разработки производится основной объем работ по взаимной увязке требований со стороны разнородных специалистов и определению параметров для выполнения технического и рабочего проектов.

1.1.6. Индивидуальный, единичный характер металлургических агрегатов не исключает возможностей типизации и стандартизации при конструировании многих машин и узлов, повторяющихся на разных стадиях производства проекта.

К таким машинам и узлам относятся:

- крупные корпуса и станины, характерные для машин аглодоменного, сталеплавильного и прокатного производства;

- ленточные конвейеры, широко используемые на складах металлургического сырья и в аглодоменном производстве;

- тяжелонагруженные редукторы, характерные для всех переделов металлургического предприятия;

- скребковые, пластинчатые конвейеры, шлепперы, канатные передачи, широко применяемые во многих цехах металлургического предприятия;

- ролики различных типов рольгангов, составляющие значительную долю от общей массы оборудования прокатных цехов;

- самоходные механизмы для перемещения сырья, жидкого металла и проката: передаточные тележки, чугуновозы, шлаковозы, слитковозы, скраповозы;

- валковые узлы с опорами на тяжелонагруженных подшипниках качения и жидкостного трения, используемые на прокатных станах;

- тяжелонагруженные шпиндельные соединения и муфты для привода технологических агрегатов сталеплавильного и прокатного производств;

- тяжелые мостовые краны и другие подъемно-транспортные машины, работающие в условиях высоких температур, больших нагрузок и загрязненной атмосферы;

- оборудование систем гидропривода высокого давления и пневмопривода, используемое практически во всех цехах металлургического предприятия, и ряд других видов машин.

При всех конструктивных различиях машин, относящихся к тому или иному из указанных видов оборудования, они имеют ряд типовых элементов, разрабатываемых на основе общих принципов, алгоритмов и математических моделей.

Так, например, для крупных станин и корпусов металлургических агрегатов общим является специфический подход к определению их надежности и запаса прочности: выход из строя станины, например, крупного прокатного стана, вызывает огромные потери из-за длительной остановки цеха или даже всего завода, поэтому при их конструировании принимают запасы прочности, в 2-3 раза превышающие запасы прочности более мелких, относительно быстро заменяемых узлов.

Для валковых узлов и роликов рольгангов общим признаком является сочетание высоких механических нагрузок, в том числе динамических, с температурными воздействиями, вызванными высоким уровнем температур и их колебаниями в процессе эксплуатации оборудования. Эта особенность требует использования при конструировании указанных узлов математических моделей теплового режима и комплексных критериев прочности и надежности, учитывающих совместное действие механических и температурных напряжений. Кроме того, эти узлы, независимо от специфики их использования и конкретных размеров, имеют общие элементы: технологическую часть (бочку), контактирующую с обрабатываемым металлом, опорные части (шейки), контактирующие с подшипниками, и приводные концы, служащие для передачи рабочих моментов от привода.

Следовательно, для определения действующих в валках механических напряжений может быть использована единая расчетная методика, а для выполнения чертежей - однотипный графический аналог.

Графические аналоги и прототипы типовых машин, узлов и деталей, а также типовые методы расчета и конструирования могут быть выявлены для каждой группы металлургического оборудования.

 

1.2. Классификация оборудования крупных металлургических агрегатов для целей автоматизированного конструирования.

Как правило, металлургическое оборудование классифицируют по технологическим, производственным признакам: основное, вспомогательное, подъемно-транспортное, смазочное, охлаждающее, энергетическое.

Однако методология разработки САПР требует осуществить классификацию металлургических машин по признакам общности устройства и принципа действия, наличия однотипных узлов и механизмов, использования одинаковых методов расчета и конструирования.

В таблице 1, исходя из указанных признаков классификации, представлены наиболее широко используемые на металлургических предприятиях виды машин, механизмов и крупных узлов с указанием основных производственных переделов, где они эксплуатируются.

Как видно из таблицы, целый ряд машин, механизмов и систем используется на всех или на нескольких переделах металлургического предприятия. Конечно, они отличаются по своим технико-производственным характеристикам - мощности, производительности, нагрузочной способности, габаритам и т. д.

Однако в каждой группе таких машин, механизмов имеются однотипные элементы, они близки по принципу действия, а следовательно, и по алгоритмам конструирования и расчета.

Отсюда вытекают постановка задач и определение направлений разработки систем автоматизированного конструирования металлургического оборудования.

Во-первых, необходимо создать базы данных графических изображений аналогов типовых машин, узлов, механизмов с классификацией их по признакам производительности, мощности, энергосиловых параметров и т. д.

Во-вторых, необходимо создать базы данных, содержащие математические модели, описывающие процессы конструирования и расчета типовых машин, узлов и механизмов, с использованием в качестве отправной точки указанные графические аналоги.

В-третьих, необходимо разработать программное обеспечение САПР, которое бы дало возможность конструктору эффективно работать с указанными базами данных, подключая к графическим аналогам математические модели, преобразовывать их размеры и форму, исходя из сформулированных целей, и создавать новые, модернизированные конструкции машин, узлов и механизмов.

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: