ПОВОРОТНЫЙ КОНВЕРТЕР

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Решение относится к поворотному конвертеру, снабженному охватывающим на расстоянии корпус конвертера опорным кольцом, которое имеет две диаметрально противоположные опорные цапфы, при этом корпус конвертера закреплен с помощью нескольких соединительных элементов на опорном кольце, и каждый соединительный элемент своими противоположными концами жестко соединен с нижней стороной опорного кольца с одной стороны, и с корпусом конвертера с другой стороны.
Конвертеры представляют собой поворотные металлургические емкости с подвеской, в которых получаются и обрабатываются жидкие металлы и металлургические сплавы. Эти корпуса конвертеров во время эксплуатации подвергаются высоким тепловым нагрузкам, которые приводят к значительным тепловым расширениям и деформациям. Поэтому опорное кольцо охватывает корпус конвертера на определенном расстоянии. При принятых сегодня размерах конвертеров наряду с тепловой нагрузкой дополнительно возникают высокие весовые нагрузки в соединительных элементах, причем эти нагрузки колеблются в зависимости от положения поворота корпуса конвертера. Поэтому соединительные элементы должны располагаться так, чтобы ни в каком рабочем положении корпуса конвертера не возникали избыточные нагрузки на отдельных соединительных элементах. Кроме того, соединительные элементы должны располагаться, будучи в значительной степени защищенными от выбросов шлака из горловины конвертера.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для удовлетворения в значительной степени этих требований из уровня техники уже известен ряд соединяющих корпус конвертера с опорным кольцом соединительных элементов или систем соединительных элементов в различных вариантах осуществления.
В одном из вариантов осуществления соединительных элементов они выполнены в виде пакетов ламелей, то есть, они состоят из нескольких находящихся на расстоянии друг от друга ламелей, чаще всего двух или трех, как это, например, показано в AT 504 664 B1. При этом предусмотрено множество элементов ламелей, которые расположены, будучи распределенными по периметру на нижней стороне опорного кольца и соединяют корпус конвертера с опорным кольцом. Этот вид подвески также уже известен из EP 1 061 138 A2. Подвеска посредством ламелей обладает тем преимуществом, что она является податливой в радиальном направлении.
Ламели чаще всего выполняются в виде тонких прямоугольных пластин из стали. Благодаря их малой толщине они очень гибки, благодаря чему при тепловой деформации корпуса конвертера в ламелях возникают только относительно небольшие напряжения. Расположение ламелей в пакетах должно, с одной стороны, распределять нагрузку корпуса конвертера по большему поперечному сечению, с другой стороны, обеспечивать надежность, в случае если произойдет выход из строя отдельных ламелей. Соединение посредством ламелей представляет собой статически неопределимую систему, то есть, возникающие в отдельных ламелях напряжения зависят от деформации всей системы, состоящей из корпуса конвертера, опорного кольца и пакетов ламелей. Численный анализ построенных до сих пор конвертеров отчетливо показывает, что нагрузки между ламелями разных пакетов, а также между ламелями одного пакета и даже внутри одной ламели распределены очень неравномерно. Это значит, что возникают локальные пики напряжений, которые очень сильно снижают срок службы ламелей.
Причина неравномерного распределения нагрузки может быть разной. Во-первых, расположение ламелей в пакетах является причиной того, что находящиеся ближе к горячему корпусу конвертера ламели, то есть внутренние ламели, нагреваются значительно сильнее, чем ламели, огражденные внутренними ламелями. Благодаря этому внутренние ламели расширяются сильнее и несут всего лишь часть нагрузки конвертера или нагружают дополнительно наружные ламели.
Во-вторых, опорное кольцо деформируется, когда нагруженный конвертер стоит прямо (положение 0°, отверстие корпуса конвертера вверху) или перевернут (положение 180°, отверстие корпуса конвертера внизу), под нагрузкой корпуса конвертера, при этом опорное кольцо изгибается вниз при увеличивающемся расстоянии от опорных цапф. Поэтому пакеты ламелей вблизи опорной цапфы несут большие нагрузки, чем те, которые больше удалены от опорных цапф.
Наконец, при загрузке и выпуске, когда конвертер повернут на +90° или -90°, пакеты ламелей также несут часть нагрузки, хотя здесь корпус конвертера в основном оперт на опорное кольцо посредством дополнительных элементов, таких как упоры или горизонтальные связи. Благодаря большой ширине ламелей в диапазоне нескольких сотен мм и связанной с этим сдвиговой жесткостьи ламели в этом случае, впрочем, несут часть нагрузки корпуса конвертера. Это приводит к напряжению сдвига в ламелях и очень неравномерному распределению напряжений или, соответственно, к локальным пикам напряжений в ламелях и их креплениях.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поэтому задачей является предоставление поворотного конвертера, с помощью которого нагрузки в соединительных элементах распределяются более равномерно.
Задача решается за счет того, что соединительный элемент включает в себя точно одну ламель, огражденную от корпуса конвертера защитным элементом, который своими противоположными концами также соединен как с корпусом конвертера, так и с опорным кольцом, однако только один из этих концов жестко соединен либо с опорным кольцом, либо с корпусом конвертера.
Благодаря тому, что на каждый соединительный элемент предусмотрена всего лишь одна опорная ламель, все ламели всех соединительных элементов находятся по существу в одинаковых условиях в отношении теплового излучения корпуса конвертера. Поэтому больше не может происходить неравномерное распределение нагрузок между несколькими ламелями одного соединительного элемента.
Под ламелью понимается тонкий, узкий и листовой, то есть плоский элемент. Это значит, что ламель во много раз шире своей толщины, а с другой стороны, также во много раз длиннее своей ширины. Предлагаемая ламель имеет характерные размеры, составляющие 5-20 мм в толщину, 200-600 мм в ширину и 1000-2000 мм в длину.
Ламель, как правило, ориентирована так, что плоскость ламели проходит параллельно к тангенциальной плоскости конвертера, так же, как это происходит и у пакетов ламелей по уровню техники. Ламели проходят под наклоном в несколько градусов к вертикали, когда отверстие корпуса конвертера находится вверху.
Жесткое крепление ламели на корпусе конвертера и на опорном кольце может осуществляться с помощью винтового, пальцевого или сварного соединения.
Посредством защитного элемента, который сам не выполняет несущую функцию, единственная ламель теперь лучше защищается от жара корпуса конвертера, так что ламель теперь расширяется менее интенсивно. Это обусловливает более долгий срок службы ламели и повышение эксплуатационной надежности подвески.
Так как защитный элемент не выполняет несущей функции, другой - не соединенный жестко - конец защитного элемента может быть соединен с зазором в продольном направлении с опорным кольцом или корпусом конвертера, чтобы допускать свободное тепловое расширение защитного элемента в его продольном направлении.
Другой - не соединенный жестко - конец защитного элемента может быть посредством ограничительного фиксатора соединен с опорным кольцом или корпусом конвертера, так чтобы защитный элемент при отказе ламели мог воспринимать ее нагрузку.
Чтобы обеспечить наилучшее возможное ограждение ламели от жара, может предусматриваться, чтобы защитный элемент имел большую толщину, чем ламель. Для этого защитный элемент, например, в два-три раза толще, чем ламель.
Чтобы обеспечить наилучшее возможное ограждение всей ламели от жара, может предусматриваться, чтобы защитный элемент имел по меньшей мере длину и ширину ламели. При этом вся ламель защищена от непосредственного теплового излучения корпуса конвертера. Защитный элемент при этом смонтирован заподлицо с ламелью перед ней и вместе с тем между ней и корпусом конвертера.
Один из возможных вариантов осуществления предусматривает, что защитный элемент по меньшей мере частично расположен параллельно ламели. Когда защитный элемент и ламель, например, в области их крепления проходят параллельно друг другу, тогда они могут просто крепиться в одном и том же крепежном устройстве - например, посредством проставки.
Чтобы более равномерно распределять нагрузку между расположенными по периметру предлагаемыми ламелями, может предусматриваться, чтобы соединительные элементы были расположены как можно ближе к опорной цапфе или, соответственно, к отверстию для опорной цапфы в опорном кольце. Ведь соединительные элементы могут располагаться только рядом друг с другом, но не друг над другом. Поэтому они наилучшим образом располагаются непосредственно под опорной цапфой, а другие на наименьшем возможном расстоянии от этих ламелей слева и справа от них. При этом, например, слева и справа от вертикальной оси, проходящей через центральную точку опорной цапфы, или, соответственно, от отверстия в опорном кольце, где она подвешивается, на нижней стороне опорного кольца располагается по одному соединительному элементу с одной ламелью, и сразу вплотную слева и справа, еще один другой соединительный элемент.
Когда соединительные элементы все расположены вблизи опорной цапфы, должны предусматриваться дополнительные элементы для восприятия нагрузки корпуса конвертера в повернутом на плюс или минус 90° положении (при загрузке или, соответственно, выпуске), а именно, вышеупомянутые горизонтальные связи или, соответственно, упоры. При этом в частности, расположенные ближе к опорной цапфе соединительные элементы могут быть выполнены шире, чем соседние другие соединительные элементы. То есть ламели могут выполняться с различной шириной с целью выравнивания распределения нагрузки между ламелями.
Чтобы сократить до минимума напряжения ламелей вследствие сил сдвига в повернутом на плюс или минус 90° положении корпуса конвертера, возможна оптимизация формы ламели, например, численными методами. Максимальные напряжения в ламели сокращаются до минимума, при этом нормальная жесткость в основном направлении (продольном направлении) увеличивается до максимума, а сдвиговая жесткость сокращается до минимума. Это может предпочтительно достигаться за счет того, что ламель сужается от ее противоположных концов к середине.
Не только в случае сужающейся в середине ламели может предусматриваться, что ламель выполнена симметрично как относительно своей продольной оси, так и относительно ее центральной поперечной оси. В случае сужающейся ламели это означает, что контуры сужения как на двух продольных сторонах ламели симметричны относительно продольной оси, так и симметричны относительно центральной поперечной оси, то есть что сужение удалено на одинаковое расстояние от обоих концов ламели и выполнено одинаково. Ламель в этом случае при повороте на 180° в плоскости ламели снова располагалась бы заподлицо сама с собой.
Но ламель не должна выполняться симметрично, а она может также выполняться так, чтобы она обладала только парной вращательной симметрией без симметрии относительно ее продольной или поперечной оси. Ламель может быть, например, в своей средней области сужена до лишь одной перегородки с одинаковой шириной, которая проходит от продольной кромки не суженной области к не суженной продольной кромке на другом конце ламели.
Такие «асимметричные» ламели могут, однако, располагаться попарно симметрично друг другу, в частности, симметрично относительно вертикальной оси, проходящей через отверстие для опорной цапфы.
Благодаря предлагаемому разделению функций, при котором ламель только несет нагрузку, а защитный элемент служит защитой от жара и аварийным фиксатором, возможна оптимизация каждого из них по его функции. В ламели не возникают напряжения вследствие неодинакового теплового расширения, как внутри пакета ламелей по уровню техники. Ламель, защитный элемент и крепления (чаще всего резьбовые соединения) могут быть благодаря этому выполнены более легкими и менее дорогостоящими. Кроме того, благодаря этому повышается надежность подвески корпуса конвертера в отношении выхода из строя и срок ее службы.
Благодаря расположению ламелей вблизи опорной цапфы достигается более равномерное распределение нагрузки между ламелями. Максимальные напряжения в ламелях благодаря этому уменьшаются. Это повышает, с одной стороны, надежность и срок службы подвески конвертера, с другой стороны, ламели могут выполняться более легкими и менее дорогостоящими.
За счет оптимизации формы ламели свойства жесткости, то есть сдвиговая жесткость и жесткость в продольном направлении ламели, подвергаются воздействию в том отношении, что возникающие во время загрузки или, соответственно, выпуска максимальные напряжения в ламелях и в креплениях значительно уменьшаются. Это также повышает срок службы подвески конвертера, и ламели могут выполняться более легкими и менее дорогостоящими.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Настоящее решение поясняется в качестве примера с помощью схематичных фигур.
Фиг. 1: показан фрагмент конвертера, снабженного предлагаемой ламелью и параллельно расположенным защитным элементом;
фиг. 2: показан фрагмент конвертера, снабженного предлагаемой ламелью и расположенным наискосок к ней защитным элементом;
фиг. 3: показан фрагмент конвертера, снабженного предлагаемой ламелью и отогнутым защитным элементом;
фиг. 4: показан конвертер на виде сбоку;
фиг. 5: показан конвертер на виде сбоку, снабженный разными предлагаемыми ламелями;
фиг. 6: показан конвертер на виде сбоку, снабженный предлагаемыми асимметричными ламелями.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг. 1 изображен фрагмент продольного сечения корпуса 1 конвертера, а также опорного кольца 2. У корпуса 1 конвертера видна боковая стенка. Опорное кольцо 2 имеет коробчатое поперечное сечение. Ламель 3 одним концом посредством винтового соединения жестко соединена с верхней крепежной консолью 4, которая приварена к нижней стороне опорного кольца 2, будучи смещена насколько наружу от середины опорного кольца. Ламель 3 своим другим (нижним) концом посредством винтового соединения жестко соединена с нижней крепежной консолью 5, которая приварена к корпусу 1 конвертера. Ламель 3 проходит больше чем половиной своей длины несколько больше, чем на нижнюю треть прямой цилиндрической боковой стенки корпуса 1 конвертера. Нижняя часть ламели 3 проходит приблизительно параллельно имеющей форму боковой поверхности конуса нижней боковой стенке корпуса 1 конвертера.
На расстоянии от ламели 3 параллельно ламели 3 расположен прямой тонкий защитный элемент 6, причем этот защитный элемент 6 имеет такую же длину и такую же ширину, что и ламель 3, однако имеет большую толщину. Защитный элемент 6 примерно в 1,5-2 раза толще ламели 3. Своим верхним концом он жестко закреплен с помощью того же винтового соединения, что и ламель 3, на верхней крепежной консоли 4. Нижним концом защитный элемент 6 посредством ограничительного фиксатора 7 закреплен, скользя, в нижней крепежной консоли 5. Если ламель 3 сломается, защитный элемент 6 благодаря ограничительному фиксатору 7, который как бы представляет собой утолщение защитного элемента, так что он не может выскользнуть из крепежной консоли 5, будет воспринимать нагрузку, несомую ранее ламелью 3.
На фиг. 2 изображен тот же самый фрагмент корпуса 1 конвертера и опорного кольца 2, что и на фиг. 1, однако ламель 3 дальше отодвинута от корпуса 1 конвертера наружу, но с тем же наклоном относительно корпуса 1 конвертера, что и на фиг. 1. Соответственно верхняя крепежная консоль 4 расположена вблизи наружного края опорного кольца 2, а нижняя крепежная консоль 5 выполнена длиннее. Прямой или, соответственно, плоский защитный элемент 8 здесь выполнен толще, чем этот элемент на фиг. 1 (примерно в 2-3 раза толще, чем ламель 3) и, будучи смещен несколько внутрь от середины опорного кольца 2, приварен к нему. Своим нижнем концом защитный элемент 8 снова посредством ограничительного фиксатора 7, скользя, закреплен в нижней крепежной консоли 5.
На фиг. 3 крепление ламели 3 выполнено так же, как и на фиг. 1, впрочем, на фиг. 3 предусмотрен отогнутый защитный элемент 9. Обе полки защитного элемента 9 выполнены так, что верхняя полка проходит параллельно цилиндрической боковой стенке корпуса 1 конвертера, а нижняя полка приблизительно параллельно имеющей форму боковой поверхности конуса нижней боковой стенке корпуса 1 конвертера. Верхний конец защитного элемента 9 приварен очень близко к внутреннему концу нижней стороны опорного кольца 2. Нижний конец защитного элемента 9, как в вариантах осуществления на фиг. 1 и 2, посредством ограничительного фиксатора 7 удерживается в нижней крепежной консоли 5.
Предлагаемые ламели изготовлены из очень высококачественной, высокопрочной и термостойкой стали. Защитные элементы могут изготавливаться из того же материала или из менее дорогостоящего материала, что предполагает соответствующее увеличение толщины последнего.
На фиг. 4 изображен вид сбоку предлагаемого конвертера. В опорном кольце 2 корпуса 1 конвертера можно различить отверстие 10 для опорной цапфы. Слева и справа от вертикальной оси, проходящей через центр отверстия 10, на нижней стороне опорного кольца 2 расположено по одному соединительному элементу с ламелью 3, сразу вплотную слева и справа еще одна другая. На противоположной стороне конвертера, где вставляется вторая опорная цапфа, тоже расположены четыре ламели 3. Кроме этого, не предусмотрено никаких других ламелей 3. То есть, ламели 3 расположены не на равных расстояниях друг от друга на опорном кольце 2 или, соответственно, на корпусе 1 конвертера, а только в области под опорной цапфой и непосредственно вплотную к ней. В этом случае обе внутренние ламели, то есть те, что ближе к опорной цапфе, выполнены шире, чем наружные.
На фиг. 5 также можно видеть конвертер на виде сбоку, при этом здесь изображены четыре разные предлагаемые формы ламелей. Каждая изображенная ламель имеет два разных боковых контура, причем в реальном исполнении ламель 3 в каждом случае имеет только один из боковых контуров, симметричных с двух продольных сторон.
При контуре 11, имеющем форму части эллипса, на остальной прямой продольной стороне ламели 3 предусмотрен эллиптический вырез, при этом взятый за основу эллипс своей главной осью ориентирован в продольном направлении ламели 3, но главная ось лежит вне первоначально прямой продольной стороны ламели.
При трапецеидальном контуре 12 продольная сторона ламели 3 в середине имеет трапецеидальный вырез.
Имеющий форму сегмента окружности контур 13 имеет глубину меньше радиуса образуемой окружности, предпочтительно глубину, равную примерно 30% радиуса окружности.
При полуэллиптическом контуре 14 взятый за основу эллипс своей главной осью лежит в продолжение прямого верхнего и нижнего продольного контура ламели 3.
На фиг. 6 изображен один из вариантов осуществления с асимметричными ламелями 15. Асимметричная ламель 15 имеет сужение в форме перегородки, которая имеет примерно половину ширины не суженной ламели, и которая проходит от одной продольной кромки верхнего конца ламели к другой продольной кромке нижнего конца. Получается Z-образная форма, которая обладает парной вращательной симметрией без симметрии относительно ее продольной или поперечной оси.
Вторая ламель 15 расположена зеркально-симметрично относительно вертикальной оси, проходящей через отверстие 10 для опорной цапфы. Разумеется, слева и справа от обеих изображенных ламелей 15 могут располагаться и другие пары ламелей, состоящие из асимметричных ламелей, которые, в свою очередь, тоже расположены друг относительно друга симметрично относительно вертикальной оси, проходящей через отверстие 10 опорной цапфы.
У конвертера симметричные ламели 3 могут также комбинироваться с асимметричными ламелями 15. В идеальном случае осуществляется численная оптимизация формы ламелей - результатом являются чаще всего кривые высшего порядка, которые, однако, очень сложны в изготовлении. Тогда для упрощения используется наиболее близко соответствующий этому расчетному контуру упрощенный контур, состоящий из прямых, окружностей и эллипсов.
Для всех показанных боковых контуров общим является то, что они образуют сужение в середине ламели 3. Это сужение, если смотреть от концов ламели, в каждом случае увеличивается к середине. В середине ламель имеет самое узкое место. Примерно от четверти до трети длины ламели (части ламели в крепежной консоли не видны на фиг. 5 и фиг. 6) на верхнем и нижнем конце ламели не имеет сужения, а имеет прямой боковой контур. Все показанные ламели симметричны относительно их продольной оси и относительно поперечной оси, проходящей через центр ламели.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1 Корпус конвертера
2 Опорное кольцо
3 Ламель
4 Верхняя крепежная консоль
5 Нижняя крепежная консоль
6 Прямой тонкий защитный элемент
7 Ограничительный фиксатор
8 Прямой толстый защитный элемент
9 Отогнутый защитный элемент
10 Отверстие для опорной цапфы
11 Контур в форме части эллипса
12 Трапецеидальный контур
13 Контур, имеющий форму сегмента окружности
14 Полуэллиптический контур
15 Ламель с парной вращательной симметрией