НАКЛОНЯЕМЫЙ КОНВЕРТЕР
INCLINABLE CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к наклоняемому конвертеру, снабженному системой подвески корпуса конвертера, соединяющую указанный корпус с опорным кольцом.
Уровень техники
Конвертеры представляют собой наклоняемые металлургические сосуды, применяемые для производства или обработки жидких металлов и металлических сплавов. Конвертер поддерживают с помощью нескольких элементов подвески, которые расположены под или над опорным кольцом конвертера и прикреплены с одного конца к конвертеру, а с другого конца - к опорному кольцу конвертера.
Основным назначением кислородного конвертера является переработка чугуна, полученного в доменной печи, в жидкую термически необработанную сталь, которая может быть далее переработана в цехе производства стали узкого применения. Конвертеры могут быть также использованы, например, для удаления ванадия или фосфора из жидкого горячего металла для получения так называемого полугорячего металла, который может быть загружен в кислородный конвертер для дальнейшей обработки.
Основными функциями таких конвертеров, также известных как B.O.F. (конвертерная печь с подачей кислорода), являются обезуглероживание и удаление фосфора, ванадия, диоксида кремния из чугуна, а также достижение оптимальной температуры стали для выполнения дальнейшей обработки перед отливкой с минимальным нагревом и охлаждением стали.
Экзотермические окислительные реакции, происходящие в конвертере, производят большое количество тепловой энергии, которое превышает значение, необходимое для достижения установленной температуры стали. Эту дополнительную тепловую энергию используют для расплавления лома и/или черных легирующих металлов.
Конвертер B.O.F. является печью, которая подвержена высокому тепловому расширению. В связи с этим вокруг конвертера устанавливают опорное кольцо с установленным зазором.
В дополнение к тепловым нагрузкам, на соединительные элементы (подвеску) действуют высокие механические нагрузки, создаваемые весом оборудования, причем степень таких механических нагрузок меняется в зависимости от угла наклона конвертера. Следовательно, элементы подвески должны быть расположены таким образом, чтобы такие элементы не испытывали перегрузок при любом угле наклона.
Кроме того, данные элементы должны быть защищены от разлива жидкой стали или шлака из горловины конвертера.
В соответствии с уровнем техники известно несколько типов системы подвески конвертера. Пример известного кислородного конвертера описан в документе DE 1903685 B2.
Известный конвертер содержит корпус или сосуд, образующий реакционную камеру и имеющий практически цилиндрическую форму, поддерживаемый опорным кольцом или опорным поясом, окружающим корпус и установленным на необходимом расстоянии от него, а также имеющим две расположенные диаметрально противоположно опорных цапфы (опорных ролика); при этом всю конструкцию поддерживают две опоры, прикрепленные к земле. Устройство управления поворотом корпуса закреплено клиньями или зафиксировано на одной из двух опорных цапф.
Данный конвертер имеет систему подвески, использующую элементы в виде пластин для создания вертикальной опоры конвертера, установленного в опорном кольце. Указанные пластины расположены под опорным кольцом, когда конвертер находится в вертикальном положении, а его загрузочная горловина направлена вверх.
Опору конвертера в горизонтальном положении, когда конвертер повернут на +90 или -90 градусов из вертикального положения, обеспечивают жесткие опоры, прикрепленные к сосуду, и жесткие опоры, прикрепленные к опорному кольцу.
Другой вариант подвески конвертера раскрыт в документе WO 2008092488, где пластины применены как часть подвески, и жесткий стержень соединен как отвес. Такая подвеска слишком жесткая и создает проблемы в загрязненной среде с высокими температурами, в которой работает конвертер.
В публикации WO 2011069395 описана подвеска, состоящая из блокирующих механизмов и отвесов, которая также создает трудности при использовании в загрязненной среде с высокими температурами, а также подвержена быстрому износу.
Во избежание ударных нагрузок между опорами на сосуде и на опорном кольце должны быть установлены дополнительные контактные элементы, регулировка которых позволяет избежать зазоров. Однако разность температур дополнительных элементов может создать дополнительные нагрузки на элементы подвески.
Следовательно, существует необходимость в создании наклоняемого конвертера, в котором устранены указанные недостатки.
Раскрытие изобретения
Основной целью настоящего изобретения является создание устройства подвески для корпуса наклоняемого конвертера, соединяющего указанный корпус с опорным кольцом, что позволит избежать как ударных нагрузок, так и перегрузки в зонах между частью устройства, прикрепленного к корпусу, и частями устройства, прикрепленными к опорному кольцу, а также компенсировать тепловое расширение, при этом устройство подвески работает надежно при слабом износе в загрязненной среде и при высоких температурах.
Другой целью изобретения является создание конвертера, имеющего систему подвески, выполненную с возможностью поглощать вибрации, возникающие в процессе плавления.
Таким образом, настоящее изобретение предлагает решение для достижения вышеуказанных целей путем создания наклоняемого конвертера, который содержит:
корпус, определяющий положение первой оси X;
опорное кольцо, имеющее общую ось с корпусом и установленное на расстоянии от указанного корпуса,
при этом опорное кольцо имеет две опорных цапфы, расположенные диаметрально противоположно, определяющие положение второй оси Y, которая расположена перпендикулярно первой оси X, и обеспечивающие поворот конвертера вокруг указанной второй оси Y;
по меньшей мере одну пару первых устройств подвески и несколько вторых устройств подвески, соединяющих указанный корпус с опорным кольцом,
причем вторые устройства подвески представляют собой встроенные элементы подвески в виде пластин, прикрепленные первым концом к корпусу (1), а вторым концом к опорному кольцу,
а каждое первое устройство подвески содержит:
- центральную конструкцию, прикрепленную к корпусу или опорному кольцу,
- первую боковую конструкцию, расположенную у первой стороны указанной центральной конструкции и прикрепленную к поверхности опорного кольца или корпуса, и
- вторую боковую конструкцию, расположенную у второй стороны указанной центральной конструкции, противоположной указанной первой стороне, и прикрепленную к поверхности опорного кольца или корпуса таким же способом, что и первая боковая конструкция,
причем первая боковая конструкция и вторая боковая конструкция соответственно содержат два первых упора, расположенных на расстоянии друг от друга, и группу упругих элементов, расположенных рядом друг с другом и проходящих параллельно друг другу, концы которых поддерживаются двумя первыми упорами,
а указанная центральная конструкция содержит второй упор, расположенный поперек и между группами упругих элементов первой боковой конструкции и второй боковой конструкции,
тем самым упругие элементы (поперечины) выступают в качестве упругой опоры для второго упора в случае отклонения от исходного положения.
Устройства подвески в соответствии с изобретением предназначены для обеспечения горизонтальной опоры конвертера, то есть для устойчивости к нагрузкам, когда конвертер находится в горизонтальном положении (например, для слива плавки и так далее). Благодаря тому, что часть горизонтальных нагрузок, около 20-30%, переходит на пластины, которые преимущественно выдерживают нагрузку, создаваемую конвертером в вертикальном положении, горизонтальная подвеска может быть выполнена из конструктивных элементов меньшего размера.
В связи с тем, что размер зазоров между упругими поперечинами и вторыми упорами, а также степень гибкости упругих поперечин могут быть выбраны конструктором системы подвески, возможно применение различных вариантов опор для поддержания нагрузок, например:
- с низкой гибкостью (очень жесткие поперечины), а также без зазоров между упругими поперечинами и вторым упором, при этом горизонтальные устройства подвески будут работать почти как жесткие опоры;
- с высокой гибкостью упругих элементов и большими зазорами между упругими поперечинами и вторыми упорами, при этом система подвески будет нежесткой, а нагрузка будет приходиться преимущественно на две стороны первых упоров.
Наибольшей эффективности системы подвески можно достичь, если проектное тепловое расширение вторых упоров, прикрепленных к оболочке корпуса, соответствует зазорам между упругими поперечинами и указанными вторыми упорами. Таким образом, тепловое расширение компенсировано зазором, что позволяет избежать перегрузки и затем полного контакта всех компонентов друг с другом.
Кроме того, путем изменения гибкости упругих поперечин можно также варьировать распределение нагрузки между вторыми боковыми упорами и возможным средним боковым упором. Поперечины также могут иметь форму прямоугольных или квадратных плит с соответствующими рассчитанными размерами.
В частности, горизонтальные устройства подвески конвертера в соответствии с изобретением имеют следующие преимущества:
- тепловое расширение конвертера может быть компенсировано исключительно с помощью гибкости упругих элементов;
- обеспечение теплового расширения конструкции, в том числе несимметричного, без перегрузки механических частей;
- эффективное поглощение вибраций, создаваемых во время подачи кислорода в корпус;
- эффективное поглощение сил, создаваемых инерцией корпуса в начале и конце поворота корпуса;
- обеспечение центрирования корпуса относительно опорного кольца с высокой точностью при любых наклонах;
- максимально простая сборка;
- применимость для конвертеров любых размеров.
Также обеспечивается превосходное центрирование между корпусом и опорным кольцом, что делает возможным тепловое расширение корпуса, вызываемое высокими температурами во время процесса конверсии, без каких-либо помех между корпусом и опорным кольцом.
Дополнительное преимущество состоит в том, что вся конструкция конвертера, включая выступы, расположена таким образом, чтобы быть вписанной в окружность, радиус которой определен требованиями схемы расположения оборудования, содержащего конвертер.
В зависимым пунктах формулы описаны предпочтительные варианты реализации изобретения.
Краткое описание чертежей
Дополнительные отличительные признаки и преимущества изобретения рассмотрены в подробном описании предпочтительного, но не исключительного варианта реализации кислородного конвертера, описанного в качестве неограничивающего примера со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1а представлен вид сбоку первого варианта реализации конвертера в соответствии с изобретением в вертикальном положении в процессе плавления;
на фиг. 1b представлен вид сверху с частичным разрезом конвертера по фиг. 1а;
на фиг. 2а представлен вид сбоку второго варианта реализации конвертера в соответствии с изобретением в вертикальном положении в процессе плавления;
на фиг. 2b представлен вид сверху с частичным разрезом конвертера по фиг. 2а;
на фиг. 3 представлен вид в разрезе части конвертера в соответствии с плоскостью, определенной линией В-В с фиг. 1b и фиг. 2b;
на фиг. 4 представлен вид сбоку с частичным разрезом части конвертера по фиг. 2b;
на фиг. 5 изображен вид сбоку с частичным разрезом части конвертера по фиг. 4.
Осуществление изобретения
Предпочтительные варианты реализации кислородного конвертера описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи. Конвертер содержит:
- корпус или сосуд 1, определяющий положение оси X и имеющий загрузочную горловину 7 для металлолома и жидкого металла или жидкого чугуна и боковое спускное отверстие (не показано) для жидкой стали, получаемой по завершении процесса переработки;
- опорное кольцо 2 для поддержки корпуса 1, причем данное кольцо 2 установлено на одной оси с корпусом 1 и расположено на определенном расстоянии от него;
- две опорные или наклоняемые цапфы 3, 4, известные как опорные ролики указанного опорного кольца 2, расположенные диаметрально противоположно друг другу и определяющие положение оси Y, перпендикулярной оси X; при этом по меньшей мере одна из указанных опорных цапф соединена с механизмом наклона (не показан);
- первые и вторые устройства подвески, которые соединяют корпус 1 с опорным кольцом 2 и которые также выполняют функцию центрирования корпуса относительно кольца.
Первые устройства подвески выполнены с возможностью обеспечения горизонтальной опоры конвертера, когда конвертер повернут до +90 или -90 градусов относительно положения по Фиг. 1а или 2а.
Вторые устройства подвески выполнены с возможностью выдерживать нагрузки конвертера в вертикальном положении, то есть когда горловина 7 корпуса направлена вверх (Фиг. 1а или 2а). Благодаря конструкции и расположению вторые устройства подвески также могут выдерживать часть нагрузок, создаваемых конвертером, когда он повернут на +90 или -90 градусов относительно положения по Фиг. 1а или 2а, что позволяет уменьшить размер первых устройств подвески.
Определим дополнительную ось Z как ось, перпендикулярную плоскости X-Y и проходящую через точку пересечения осей X и Y, плоскость Y-Z, которая может считаться экваториальной плоскостью конвертера, и плоскость X-Z, причем обе плоскости перпендикулярны плоскости X-Y.
Корпус 1 содержит цилиндрическую центральную область и две области в форме усеченного конуса, каждая из которых расположена сбоку от указанной цилиндрической центральной области. Первая область в форме усеченного конуса приварена или прикреплена другим способом к одному концу цилиндрической центральной области, а на другом конце она содержит загрузочную горловину 7 корпуса. Вторая область в форме усеченного конуса приварена или прикреплена другим способом к одному концу цилиндрической центральной области на противоположной стороне относительно первой области в форме усеченного конуса, а на другом конце она содержит дно корпуса 1. Другие примеры выполнения корпуса могут предусматривать указанную вторую область, имеющую форму, отличную от формы усеченного конуса, например, сферическую чашевидную форму или другую подходящую геометрическую форму.
Опорное кольцо 2, расположенное на центральной области корпуса 1, является полым и предпочтительно имеет прямоугольное поперечное сечение. Кольцо 2 имеет первую поверхность 20, направленную к части корпуса, содержащей загрузочную горловину 7; вторую поверхность 21, находящуюся на противоположной стороне от первой поверхности 20 и направленную к части корпуса 1, содержащей дно корпуса; третью внутреннюю поверхность, направленную к центральной части корпуса; и четвертую внешнюю поверхность, находящуюся на противоположной стороне от внутренней поверхности.
Предпочтительно конвертер снабжен по меньшей мере двумя первыми устройствами подвески, выполненными с возможностью обеспечения горизонтальной опоры конвертера. Первые устройства подвески расположены практически параллельно к плоскости Y-Z, являющейся практически перпендикулярной плоскости Y-X, при этом первые устройства подвески расположены практически симметрично относительно плоскости X-Z под (Фиг. 1а) или над (Фиг. 2а) опорным кольцом 2. По варианту реализации изобретения (не показан) конвертер содержит две пары первых устройств подвески: первая пара первых устройств подвески расположена на первой стороне плоскости Y-Z, а вторая пара первых устройств подвески расположена на второй стороне плоскости Y-Z.
Первые устройства подвески содержат (см., в частности, Фиг. 4 и 5):
- центральную конструкцию, прикрепленную, например, с помощью сварки, к корпусу 1 конвертера;
- первую боковую конструкцию, расположенную у первой стороны указанной центральной конструкции и прикрепленную, например, с помощью сварки, к поверхности 20 или 21 (Фиг. 1а или 2а) опорного кольца 2 корпуса 1;
- вторую боковую конструкцию, расположенную у второй стороны указанной центральной конструкции, противоположной первой стороне, и прикрепленную, например, с помощью сварки, к поверхности 20 (Фиг. 2а) или 21 (Фиг. 1а) опорного кольца 2.
Первая и вторая боковые конструкции расположены практически симметрично относительно центральной конструкции.
Предпочтительно каждая боковая конструкция содержит два первых упора 14, 15, расположенных на расстоянии друг от друга, и группу упругих поперечин 11, расположенных рядом друг с другом и проходящих параллельно друг другу, при этом концы поперечин поддерживаются двумя первыми упорами 14, 15. Кроме того, центральная конструкция содержит второй упор 12, расположенный поперек или между двух групп упругих поперечин 11 указанных боковых конструкций, и тем самым упругие поперечины 11 выступают в качестве упругой опоры или амортизатора для второго упора 12 в случае отклонения от исходного положения, определенного положением конвертера при направленной вверх горловине (Фиг. 1а, 2а). Упругие поперечины могут при необходимости иметь форму плит, например, прямоугольных, толщина которых меньше, чем их длина и высота.
Каждое первое устройство подвески (горизонтальное устройство подвески) расположено у соответствующей опорной цапфы 3, 4 и проходит поперек относительно плоскости X-Y.
Второй упор 12 каждого первого устройства подвески практически параллелен поверхностям 20, 21 опорного кольца 2 и практически перпендикулярен соответствующим группам упругих поперечин 11. Следовательно, поперечины 12 расположены перпендикулярно относительно поверхностей 20, 21 опорного кольца 2. В предпочтительном варианте реализации изобретения упругие поперечины 11 имеют форму металлических плит.
Упругие поперечины 11 каждой группы расположены на одной линии и свободно размещены между первыми упорами 14, 15 и механическими ограничителями 16 и 17. Механические ограничители 16 и 17 расположены, например, на концах и/или на верхней части упругих поперечин 11 и частично перекрывают внешние поверхности упоров 14 и 15.
Поперечины 11 расположены более или менее свободно для того, чтобы сделать возможной любую деформацию. Таким образом, поперечины 11 не закреплены жестко, а просто удерживаются в положении механическими ограничителями 16 и 17. Это создает максимальную гибкость и позволяет избежать дополнительного напряжения, создаваемого при ограничении теплового расширения. Данная особенность создает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что данные упругие поперечины 11 могут быть заменены или отрегулированы по истечении определенного периода эксплуатации для того, чтобы изменить или отрегулировать механическую характеристику амортизатора.
Когда конвертер находится в положении, в котором горловина 7 направлена вверх, между упругими поперечинами 11 каждой группы и соответствующим вторым упором 12 предусмотрен зазор или они находятся в непосредственном контакте. В обоих случаях тепловое расширение упоров 12, прикрепленных к оболочке корпуса, компенсируется за счет упругой деформации упругих поперечин 11.
Как показано на Фиг. 5, предпочтительно, чтобы второй упор 12 имел основание 22 рядом с оболочкой конвертера и головку 23 такой формы, чтобы она могла быть вставлена в пространство между двумя группами упругих поперечин 11.
Стороны головки 23 вторых упоров 12 имеют выпуклую форму 24, которая позволяет войти в контакт с по меньшей мере одной из соответствующих групп упругих поперечин 11. Для того чтобы обеспечить трехкоординатное перемещение упоров 12, прикрепленных к сосуду конвертера, в условиях эксплуатации, область контакта стороны упоров 12 с поперечинами 11 имеет сферическую, предпочтительно сферическую чашевидную форму. Следовательно, упоры 12 могут перемещаться в направлениях, параллельных трем осям X, Y и Z.
Опора на опорном кольце 2 выполнена из двух упоров 14, 15, по одному на каждом конце упругих поперечин 11, которые постоянно находятся в контакте с указанными упругими поперечинами 11.
В вариантах осуществления изобретения по Фиг. 4 и 5 третий упор 12 расположен в обеих боковых конструкциях и между двух первых упоров 14, 15. Предпочтительно, чтобы третий упор 13 был расположен параллельно и по центру относительно соответствующих двух первых упоров 14, 15.
Когда конвертер находится в положении, в котором горловина 7 направлена вверх, между каждым третьим упором 13 и соответствующей группой упругих поперечин 11 предпочтительно предусмотрен зазор. При деформации упругих поперечин 11 в результате действия нагрузки, создаваемой корпусом конвертера при наклоне, средние упоры 13 входят в контакт с упругими поперечинами 11 под определенным углом наклона, ограничивая деформацию упругих поперечин 11 и принимая на себя часть нагрузки.
По варианту реализации изобретения каждый третий упор 13, также и в исходном положении, непосредственно контактирует с соответствующей группой упругих поперечин 11. В этом случае можно получить более или менее жесткую или нежесткую конструкцию в зависимости от конкретного проекта.
Другой вариант реализации изобретения (не показан подробно), подходящий, например, для конвертеров уменьшенных размеров, не требует наличия третьего упора 13, и следовательно, указанные упоры 13 могут быть исключены.
Во всех показанных вариантах реализации изобретения представлены группы вертикальных устройств подвески, расположенных практически на одинаковом расстоянии друг от друга на опорном кольце 2 и содержащих элементы 9 подвески в виде встроенных пластин 10, прикрепленных первым концом к корпусу 1, и вторым концом к опорному кольцу 2.
Указанные группы вертикальных устройств подвески могут содержать встроенные упругие брусья (не показаны), прикрепленные первым концом к корпусу 1, и вторым концом к опорному кольцу 2.
Каждое горизонтальное устройство подвески расположено между соответствующими группами вертикальных устройств подвески непосредственно под опорным кольцом 2 (Фиг. 1a, 1b) или между двумя соответствующими группами вертикальных устройств подвески в выступающей области над опорным кольцом 2 (Фиг. 2а, 2b).
Две опорных цапфы 3, 4 могут быть приведены в движение по меньшей мере одним механизмом наклона, обеспечивая поворот конвертера вокруг оси Y.
Конвертер, как правило, перемещается из первого положения, в котором он находится в вертикальном положении, при этом его загрузочная горловина 7 направлена вверх (Фиг. 1а или 2а), во второе положение, в котором он наклонен приблизительно на 30° относительно вертикали, с помощью поворота опорных цапф 3, 4 в первом направлении вращения. В данном втором положении происходит загрузка жидкого чугуна и металлолома через горловину 7.
После загрузки конвертер возвращают в первое положение, показанное на Фиг. 1а. С помощью одной или нескольких фурм, введенных в корпус через горловину 7, происходит подача кислорода в течение заданного периода времени таким образом, чтобы значительно снизить содержание углерода, а также уменьшить концентрацию примесей, таких как сера и фосфор.
По завершении переработки до состояния жидкой термически необработанной стали конвертер перемещают из первого положения по Фиг. 1а, в третье положение, в котором конвертер наклонен до +90 или -90° относительно вертикали, посредством вращения опорных цапф 3, 4 во втором направлении вращения, противоположном первому направлению. В данном третьем положении происходит выпуск жидкой стали, как правило, через спускное отверстие в корпусе конвертера.
Во всех вариантах реализации изобретения нагрузка, определяемая общим весом корпуса 1, жидкого чугуна и металлолома, направлена на землю с помощью опорного кольца 2, горизонтальных и вертикальных устройств подвески, наклоняемых цапф 3, 4 и соответствующих опор.
В частности, конструкция горизонтальных и вертикальных устройств подвески позволяет поглощать вес при любом наклоне корпуса 1.
Вертикальные устройства подвески выступают практически в качестве, например, соединительных тяг при угле наклона конвертера относительно вертикали, равном 0°, в то же время они выступают исключительно в качестве распорок при угле наклона, равном 180°, и последовательно вместе выступают в качестве как соединительных тяг, так и распорок при различных углах от 0° до 180°.
Положение при угле наклона, равном 180°, когда загрузочная горловина 4 направлена вниз, предназначено для слива шлака, чистки корпуса после его опорожнения или для других целей (например, сохранение конвертера горячим).
Горизонтальные устройства подвески обеспечивают оптимальную опору, устойчивость и жесткость корпуса. Основной целью горизонтальных устройств подвески является поддержка веса корпуса в направлении, пересекающем ось Y, при наклоне корпуса на +90 или -90° (положение выпуска плавки) и поддержка компонента нагрузки, перпендикулярного оси X конвертера во всех других случаях.
В общем случае, таким образом, нагрузка на вертикальные устройства подвески постепенно переходит от максимального значения, когда конвертер находится в вертикальном положении, к минимальному значению, когда конвертер находится в горизонтальном положении, в то время как нагрузка на горизонтальные устройства подвески постепенно переходит от уровня, практически равного нулю, к максимальному значению по мере перехода конвертера из горизонтального положения в вертикальное.
Вращающие моменты, возникающие при повороте конвертера вокруг оси Y, могут быть полностью поглощены горизонтальными и вертикальными устройствами подвески.
По варианту реализации изобретения (не показан) единственным отличием от вышеописанных вариантов реализации является то, что первые устройства подвески содержат:
- центральную конструкцию, прикрепленную, например, с помощью сварки, к поверхности 20 или 21 опорного кольца 2 корпуса 1;
- первую боковую конструкцию, расположенную у первой стороны указанной центральной конструкции и прикрепленную, например, с помощью сварки, к корпусу 1 конвертера; и
- вторую боковую конструкцию, расположенную у второй стороны указанной центральной конструкции, противоположной первой стороне, и прикрепленную, например, с помощью сварки, к корпусу 1.
В этом случае первая и вторая боковые конструкции также расположены практически симметрично относительно центральной конструкции.