ШИБЕРНЫЙ ЗАТВОР ЛИТЕЙНОГО КОВША
SLIDE GATE OF FOUNDRY LADLE

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к шиберным затворам для литейных ковшей и предназначено для разливки стали и других жидких металлов.
Известен шиберный затвор литейного ковша (патент РФ №2043856; B22D 41/22). Затвор содержит верхнюю раму с неподвижной огнеупорной плитой и поджатую к верхней раме пружинным механизмом нижнюю раму с окном. На боковых сторонах окна нижней рамы консольно установлены роликовые опоры, по которым перемещаются направляющие выступы каретки с подвижной огнеупорной плитой. Кроме того, на одной из рам шарнирно установлены валы, несущие эксцентрики с возможностью взаимодействия их со второй рамой.
К недостаткам данной конструкции можно отнести ее громоздкость (наличие двух рам), сложность ее сборки, а самое главное - трудность обеспечения контакта всех четырех опорных роликов с направляющими выступами каретки, что не обеспечивает надежного контакта поверхностей двух огнеупорных плит и может привести к прорыву расплавленного разливаемого металла.
Известен шиберный затвор литейного ковша (патент РФ №2048260; В22D 41/22). Затвор содержит монтажную раму П-образной формы с боковыми стенками, расположенными параллельно продольной оси. Неподвижная огнеупорная плита затвора установлена в монтажной раме, а подвижная установлена в каретке. На боковых стенках рамы параллельно и попарно по обе стороны от продольной оси подвижной огнеупорной плиты установлены четыре рычага, взаимодействующие с прижимными блоками и несущие опорные ролики, на которых посредством направляющих выступов установлена каретка, связанная с механизмом ее перемещения шарниром.
К недостаткам данной конструкции можно отнести сложность обеспечения рациональной ее компоновки при заданных оптимальных точках прижима огнеупорных плит, особенно на малых ковшах, ввиду наличия громоздких рычажных прижимных механизмов, а также невозможность применения таких эффективных пружинных механизмов, как газовые пружины. Кроме того, данная конструкция не позволяет организовать эффективную защиту пружинных механизмов от теплового воздействия и их охлаждение.
Из уровня техники известен шиберный затвор, описанный в патенте РФ №2223842 (B22D 41/22).
Затвор имеет корпусную часть, закрепляемую на контейнере с расплавленным металлом, а также блок ползуна, подвижный относительно корпусной части в продольном направлении. В корпусной части установлены клапанные доски, прижимаемые друг к другу пружинными элементами. С помощью нескольких установочных средств, расположенных перпендикулярно блоку ползуна, последний удерживается на корпусной части с возможностью смещения в продольном направлении. Каждое установочное средство имеет направляющее средство, скользящее по направляющей колее, имеющейся на блоке ползуна. Установочные средства могут быть закреплены либо на корпусной части, либо на блоке ползуна. Эти средства имеют штифтовой соединительный элемент, расположенный перпендикулярно продольному направлению корпусной части или блоку ползуна, на котором установлены с возможностью вращения скользящие ролики. Сдвижной затвор является компактным, имеет небольшие размеры, что обеспечивает повышение экономичности при его производстве.
Существенными конструктивными и эксплуатационными недостатками шиберного затвора по патенту РФ №2223842 являются:
- необходимость применения специальных технологических гидроцилиндров с увеличенным ходом штока для совершения вспомогательного (технологического) хода при приведении шиберного затвора в рабочее положение;
- наличие избыточных кинематических связей и пар трения в механизме передачи прижимного усилия на огнеупорные плиты;
- трудность обеспечения точного позиционирования разливочных отверстий, решаемая ужесточением допусков на размеры сопрягаемых деталей значительного усилия привода шиберного затвора, особенно при совершении вспомогательного хода подвижной каретки, возможность заклинивания подвижных частей при взведении упругих элементов, отсутствие приспособлений, обеспечивающих фиксацию огнеупорных плит относительно других деталей затвора в процессе их замены до момента схватывания огнеупорного мертеля и приведения шиберного затвора в рабочее состояние;
- наличие всего 4 пружинных узлов, что затрудняет обеспечение равномерного прижатия огнеупорных шиберных плит, особенно на большегрузных ковшах большой емкости.
Известен шиберный затвор для литейного ковша (патент КНР №201320604 КНР на полезную модель), наиболее близкий по технической сущности и выбранный в качестве прототипа.
Шиберный затвор литейного ковша (1) скользящего типа по патенту КНР №201320604 содержит (номера элементов соответствуют номерам из китайского патента) корпус (2), кронштейн (14) для установки привода (19) опорную раму (4), подвижную каретку (5), байонетную гайку (21) для крепления стакан-коллектора (6), фиксатор (10) фиксирующий опорную раму относительно корпуса (2) при работе затвора, ковшевой стакан (1), верхнюю огнеупорную плиту (3), нижнюю огнеупорную плиту (7). При работе затвора пружинные блоки (15), установленные по обе стороны опорной рамы (4), взаимодействуют через ползуны (11) с установленными на последних роликами (13) с корпусом (2) и имеют возможность выхода из пазов корпуса после совершения вспомогательного технологического хода привода путем поворота опорной рамы (4) на петлевых соединениях (13) относительно корпуса (2).
Подвижная каретка (5) с нижней огнеупорной плитой перемещается под воздействием привода (19), передающего усилие на подвижную каретку (50) через тягу (18), взаимодействующую со штоком привода (20).
При совершении технологического хода каретка (5) перемещается вместе с опорной рамой (4).
К преимуществам данного шиберного затвора можно отнести унификацию параметров рабочего и технологического хода приводов, простоту конструкции, отсутствие избыточных кинематических связей и пар трения в механизме передачи прижимного усилия на огнеупорные плиты.
Существенными конструктивными и эксплуатационными недостатками шиберного затвора по патенту КНР №201320604 являются:
- трудность обеспечения точного позиционирования разливочных отверстий, решаемая либо ужесточением допусков на размеры сопрягаемых деталей, либо ограничением хода подвижной плиты до упора подвижной каретки с плитой в корпус затвора, что может значительно снизить ресурс корпуса шиберного затвора за счет ударных нагрузок под действием привода шиберного затвора;
- значительное повышение необходимого усилия привода шиберного затвора, особенно при совершении вспомогательного хода подвижной каретки;
- возможность заклинивания подвижных частей шиберного затвора (подвижной каретки с нижней огнеупорной плитой, ползунов с пружинными блоками) при взведении упругих элементов;
- отсутствие надежной фиксации огнеупорных плит в гнездах затвора, в процессе их замены до момента схватывания огнеупорного мертеля и приведения шиберного затвора в рабочее состояние, что обуславливает риск прохода расплавленного металла в стык огнеупорных изделий.
Изобретение решает техническую задачу:
- повышения точности позиционирования разливочных отверстий огнеупорных плит и, как следствие, точности дозирования металла через шиберный затвор;
- снижения усилий, создаваемых приводом шиберного затвора при создании усилия прижима огнеупорных плит друг к другу;
- увеличения ресурса металлических и огнеупорных деталей и узлов шиберного затвора, снижения требования к точности изготовления деталей;
- минимизации риска прохода расплавленного металла в стык огнеупорных изделий из-за отсутствия приспособлений, обеспечивающих фиксацию огнеупорных плит относительно других деталей затвора, улучшение эргономики труда обслуживающего персонала.
Решение поставленной технической задачи достигается следующим образом.
Шиберный затвор литейного ковша скользящего типа, аналогичный конструкции, описанной в патенте КНР №201320604, содержащий корпус, подвижную каретку, тягу подвижной каретки, привод затвора со штоком, установленный в кронштейне, закрепленном на корпусе, неподвижную и подвижную огнеупорные плиты в металлических оболочках с отверстиями, установленные соответственно в гнездах корпуса и каретки, поджатые одна к другой, подпружиненную опорную раму, стопор, фиксирующей опорную раму на корпусе в процессе работы шиберного затвора на рабочем ходу подвижной огнеупорной плиты, защитный экран, ковшевой стакан, установленный в корпусе, и стакан коллектор, установленный в подвижной каретке посредством байонетной гайки, два пружинных блока, установленные в опорной раме по обе стороны от продольной оси затвора, жаростойкие упругие элементы, установленные в пружинных блоках, две пары ползунов, с установленными на них роликами, закрепленными попарно на соответствующих пружинных блоках, имеющие, в свою очередь, возможность захода в пазы корпуса при повороте опорной рамы на осях относительно корпуса, согласно патентуемому изобретению, подвижная тяга подвижной каретки соединена с приводом затвора через подвижный ползун компенсатор с конической разрезной стопорной гайкой, подвижный ползун компенсатор имеет сферическую поверхность, взаимодействующую с кронштейном, и гнездо для захода штока привода.
Изобретением предусмотрено, что в корпусе затвора по обе стороны от продольной оси затвора попарно от соответствующих пазов корпуса установлены направляющие опорных роликов, закрепленные на корпусе затвора и взаимодействующие с опорными роликами ползунов. Направляющие опорных роликов имеют конические заходные фаски.
Предусмотрено, что размер фаски по вертикали должен превышать максимально допустимый ход упругих элементов, а соотношение радиуса ролика R к вертикальной высоте фаски должно находится в диапазоне 2,5-4,5.
Согласно патентуемому изобретению, фаски направляющих выполнены сферической формы, а соотношение радиуса ролика R к радиусу фаски r должно находиться в диапазоне 2,5-4,5.
Изобретением предусмотрено, что гнезда под установку подвижной и неподвижной плит содержат как минимум 2 жаростойких магнита, заключенные в оболочку из немагнитного металла, расположенных по обе стороны от разливочного отверстия и имеющих возможность взаимодействовать с одним своим свободным торцом с металлической оболочкой огнеупорных плит.
Согласно патентуемой разработке, количество упругих элементов, установленных в пружинных блоках, составляет от 6 до 18 в зависимости от типоразмера шиберного затвора.
Технический результат от использования патентуемого изобретения заключается в следующем.
Применение подвижного ползуна- компенсатора с конической разрезной стопорной гайкой позволяет обеспечить точную центровку (позиционирование) отверстий огнеупорных плит независимо от точности изготовления и износа деталей затвора посредством возможности проворота ползуна-компенсатора в тяге при проведении процедуры обслуживания планового технического обслуживания затвора.
Это позволяет:
- обеспечить требуемую скорость разливки металла при совмещении отверстий шиберных плит, особенно при старте разливки,
- обеспечить требуемую точность дозирования при применении средств автоматического управления ходом разливки металла из шиберного затвора,
- и снизить скорость размыва огнеупорного материала шиберных плит в районе отверстия в процессе разливки.
Снижение требований к точности изготовления и степени износа деталей, влияющих на ход подвижной огнеупорной плиты, а в частности тяги затвора, хвостовика, подвижной каретки, корпуса, позволяет повысить их ресурс и снизить стоимость изготовления.
Наличие сферической поверхности на ползуне-компенсаторе позволяет обеспечить направление движения тяги и ползуна-компенсатора в хвостовике затвора, снизить силы трения, возникающие при работе деталей привода затвора и соответственно снизить нагрузку на привод затвора и износ деталей затвора и привода.
Применение направляющих для опорных роликов, имеющих конические или сферические заходные фаски с заданными геометрическими параметрами по отношению к радиусу опорных роликов и ходу упругих элементов, позволяет снизить необходимое усилие привода затвора и исключить вероятность заклинивания подвижных частей затвора в процессе перемещения подвижной каретки с опорной рамой на вспомогательном ходу привода шиберного затвора, в процессе захода опорных роликов ползунов на направляющие для опорных роликов.
Выполнение конструктивных параметров роликов и фасок направляющих в заданных пределах обеспечивает более плавную передачу усилия, создаваемого упругими элементами на огнеупорные плиты, и минимизировать риск разрушения огнеупорных плит под действием привода затвора в процессе взведения упругих элементов.
Применение как минимум двух жаростойких магнитов, заключенных в оболочку из немагнитного металла, позволяет надежно фиксировать и удерживать и огнеупорные плиты при их установке в гнездах корпуса затвора и подвижной каретки до схватывания и затвердевания огнеупорного мертеля (огнеупорный клей), который применяется для заполнения и герметизации стыков между неподвижной плитой и ковшевым стаканом и подвижной плитой и стакан-коллектором соответственно.
При отсутствии жаростойких магнитов существует высокая вероятность смещения огнеупорных плит под собственной массой или вследствие ошибки оператора, что, в свою очередь, может привести к разрушению слоя незатвердевшего мертеля, потере герметичности стыков огнеупоров.
Сущность патентуемого изобретения поясняется примером описания конструктивной реализации шиберного затвора и графическими материалами, на которых представлены:
Фиг. 1. Патентуемый шиберный затвор (главный вид);
Фиг. 2. Патентуемый шиберный затвор (сечение А-А);
Фиг. 3. Патентуемый шиберный затвор (вид снизу);
Фиг. 4. Ползун-компенсатор 12 с тягой затора, кронштейном и приводом (вид Д);
Фиг. 5. Взаимодействие опорного ролика и направляющей в процессе захода ролика на направляющую (сечение Б-Б);
Фиг. 6. Взаимодействие опорного ролика и направляющей в процессе захода ролика на направляющую (сечение Б-Б);
Фиг. 7. Взаимодействие опорного ролика и направляющей, ролик на направляющей (сечение Б-Б);
Фиг. 8. Фиксация шиберных плит магнитом (вид Г);
Фиг. 9. Корпус затвора с уставленными магнитами и пазами для захода опорных роликов ползунов;
Фиг. 10. Пружинный блок с установленными на нем жаростойкими упругими элементами и ползунами с опорными роликами.
Патентуемый шиберный затвор 1 литейного ковша скользящего типа содержит (фиг. 1) корпус 2, подвижную каретку 3, тягу 16 подвижной каретки 3, привод затвора 18 со штоком 32, установленный в кронштейне 17, закрепленном на корпусе 2, неподвижную 4 и подвижную огнеупорные плиты 5 в металлических оболочках 30 с отверстиями, установленные соответственно в гнездах 27 корпуса 2 и каретки 3, поджатые одна к другой, подпружиненную опорную раму 6, стопор 14, фиксирующий опорную раму 6 на корпусе 2 в процессе работы шиберного затвора на рабочем ходу подвижной огнеупорной плиты 5, защитный экран 7, ковшевой стакан 10, установленный в корпусе 2 и стакан коллектор 9, установленный в подвижной каретке посредством байонетной гайки 8, два пружинных блока 20, установленные в опорной раме 6 по обе стороны от продольной оси затвора.
Конструкция содержит (фиг. 10) жаростойкие упругие элементы 19, количество которых составляет от 6 до 18 в зависимости от типоразмера шиберного затвора, установленные в пружинных блоках 20, две пары ползунов 21, с установленными на них роликами 22, закрепленными попарно на соответствующих пружинных блоках 20, имеющие, в свою очередь, возможность захода в пазы корпуса 15 при повороте опорной рамы на осях 24 относительно корпуса 2.
Подвижная тяга 16 подвижной каретки 3 соединена с приводом затвоpa 18 через подвижный ползун компенсатор 12 с конической разрезной стопорной гайкой 13.
Подвижный ползун-компенсатор имеет сферическую поверхность 31, взаимодействующую с кронштейном 17 и гнездо 33 для захода штока привода 32 (Фиг. 1, 2, 3, 4, 9).
В корпусе затвора 2 по обе стороны от продольной оси затвора попарно от соответствующих пазов корпуса 15 установлены направляющие 11 опорных роликов 22, закрепленные на корпусе затвора и взаимодействующие с опорными роликами 22 ползунов 21.
Направляющие 11 опорных роликов 22 имеют конические заходные фаски 25. Размер фаски по вертикали должен превышать максимально допустимый ход упругих элементов, а соотношение радиуса ролика 22 к вертикальной высоте фаски 25 должно находится в диапазоне 2,5-4,5 (Фиг. 6, 7).
Фаски 26 направляющих 11 выполнены сферической формы, а соотношение радиуса ролика 22 к вертикальной высоте фаски должно находиться в диапазоне 2,5-4,5 (Фиг. 5, 7).
Гнезда 27 под установку подвижной 5 и неподвижной плит 4 содержат как минимум 2 жаростойких магнита 23, заключенных в оболочку из немагнитного металла 28, расположенных по обе стороны от разливочного отверстия и имеющих возможность взаимодействовать с одним своим свободным торцом 29 с металлической 30 оболочкой огнеупорных плит (Фиг.7).
Подвижный ползун-компенсатор 12 имеет сферическую поверхность 31, взаимодействующую с кронштейном 17, и гнездо 33 для захода штока привода 32 (Фиг. 1, 2, 3, 4, 9).
Выполнение вышеприведенных конструктивных параметров фасок 25 направляющих 11 и роликов 22 в указанном диапазоне размеров позволяет обеспечить:
- Снижение усилия на приводе подвижной каретки 3 при совершении вспомогательного хода, до значений, не превышающих максимально необходимое усилие на рабочем ходу, что, в свою очередь, исключит необходимость увеличения мощности привода на стендах обслуживания.
- Снижение вероятности заклинивания подвижной каретки 3.
Увеличение радиуса ролика 22 более рекомендуемого приведет к необходимости увеличения хода привода затвора и росту габаритов шиберного затвора в целом.
Фаски 26 выполнены сферической формы, а соотношение радиуса ролика 22 к вертикальной высоте фаски должно находится в диапазоне 2,5-4,5 (Фиг. 5, 7).
Выполнение вышеприведенных конструктивных параметров фасок 26 направляющих 11 и роликов 22 в указанном диапазоне размеров позволяет обеспечить:
- Снижение усилия на приводе подвижной каретки 3 при совершении вспомогательного хода до значений, не превышающих максимально необходимое усилие на рабочем ходу, что, в свою очередь, исключит необходимость увеличения мощности привода на стендах обслуживания.
- Снижение вероятности заклинивания подвижной каретки 3.
Увеличение радиуса ролика 22 более рекомендуемого приведет к необходимости увеличения хода привода затвора и росту габаритов шиберного затвора в целом.
Корпус 2 и подвижная каретка 3 шиберного затвора содержат гнезда 27 под установку подвижной 5 и неподвижной 4 огнеупорных плит.
Гнезда 27 содержат как минимум 2 жаростойких магнита 23, заключенные в оболочку из немагнитного металла 28 (например, из бронзовых сплавов), расположенных по обе стороны от разливочного отверстия и имеющих возможность взаимодействовать с одним своим свободным торцом 29 с металлической оболочкой огнеупорных плит 30 (фиг. 8, 9).
Патентуемая конструкция шиберного затвора работает следующим образом.
Установка шиберного затвора и замена огнеупоров производится в горизонтальном положении ковша на специальном стенде обслуживания, затвор на днище ковша при этом располагается приводом 18 вертикально вверх или вниз. В исходном состоянии шиберный затвор не укомплектован ковшевым стаканом 10, стаканом-коллектором, байонетной гайкой, плитами, приводом затвора.
Корпус затвора 2 закрепляется болтами на днище ковша и опорная рама 6 с подвижной кареткой 3 проворачивается оператором на осях 15 для доступа к гнездам 27. Ковшевой стакан 10 устанавливается на огнеупорном мертеле в корпус 2, неподвижная огнеупорная плита 4 устанавливаются в гнездо 27 корпуса 2, стык ковшевого стакана 10 и огнеупорной плиты 4 герметизируется огнеупорным мертелем.
От выпадания из гнезда 27 и смещения плита 4 удерживается магнитами 23 за металлическую обечайку плиты 30, что, в свою очередь, предохраняет слой мертеля от разрушения до его затвердевания.
Подвижная огнеупорная плита 5 устанавливается в подвижную каретку 3.
Привод затвора 18 устанавливается в кронштейн 17, при этом шток привода 32 входит в гнездо 33 на ползуне компенсаторе 12. После этого опорная рама 6 с подвижной кареткой 3 проворачивается оператором на осях 15 до захода роликов 22 ползунов 21 в соответствующие пазы корпуса 2 и шиберный затвор закрывается по аналогии с книжкой.
Стопор 14 перемещается в положение, позволяющее перемещать опорную раму совместно с подвижной кареткой и под действием привода опорные ролики 22 подпружиненных ползунов 21 заходят на направляющие 11, первоначально гарантированно касаясь заходных фасок направляющих 25 и 26, благодаря заданным конструктивным параметрам.
В процессе захода роликов по фаскам на направляющие два пружинных блока 20, установленные в опорной раме, поднимаются вместе с ползунами и поджимают пружинные элементы на величину рабочего хода, определяемого как разница между верхней поверхностью направляющей 11 и нижней точкой ролика 22. После окончания вспомогательного хода привода ролики 22 втянуты на направляющие 11, рабочее усилие прижима плит создано.
Одновременно с началом захода роликов на направляющие начинают соприкасаться поверхности огнеупорных плит, при этом усилие привода не должно превышать усилие привода, необходимое на рабочем ходу затвора, и благодаря наличию заходных фасок с заданными параметрами обеспечивается плавная передача усилия пружин на плиты и уменьшается риск повреждения огнеупорных плит.
Стопор 14 возвращается в рабочее положение и оператором совершается несколько контрольных перемещений подвижной каретки на рабочем ходу. При этом сферическая поверхность 31 ползуна компенсатора скользит по внутренней поверхности кронштейна 17 и направляет тягу 16, минимизируя силы трения, возникающие между тягой 16 и корпусом.
Если при полностью втянутом штоке 32 привода 18 отверстия огнеупорных плит 4, 5 не совмещены более чем на 2 мм, контргайка 13 освобождается, ползун-компенсатор 12 проворачивается на резьбе тяги 16 на нужное количество оборотов и снова фиксируется контргайкой 13.
После регулировки привода устанавливается стакан-коллектор 9 и фиксируется байонетной гайкой 8. Стык стакан-коллектор 9 и огнеупорной плиты 5 герметизируется огнеупорным мертелем. От выпадания из гнезда 27 и смещения плита 5 удерживается магнитами 23 за металлическую обечайку плиты 30, что, в свою очередь, предохраняет слой мертеля от разрушения до его затвердевания. Далее устанавливается защитный экран 7, служащий для защиты затвора от теплового излучения и брызг металла.
Разборка и открытие затвора для замены огнеупорных частей после эксплуатации происходит в обратном порядке.
После приведения затвора в рабочее состояние в канал затвора при закрытом отверстии верхней плиты 4 засыпается технологическая стартовая смесь и заливается жидкий металл. При совмещении отверстий плит 4, 5 стартовая смесь высыпается и происходит разливка жидкого металла.
С помощью привода 18 происходит управление скоростью разливки металла путем частичного (дросселирование) или полного перекрытия разливочных отверстий. Точная центровка отверстий огнеупорных плит 4, 5 обеспечивает нужную точность дозирования металла, что особенно важно при применении систем автоматизации управления потоком разливаемого металла.
Направляющие (планки) 11 и ролики 22 выполнены из специальных сплавов, обеспечивающих минимальный абразивный износ при высоких температурах и обеспечивают стабильное, плавное открытие затвора, долговечность конструкции.
Проведенная заявителем апробация патентуемого шиберного затвора подтверждает, что его использование в металлургическом производстве позволяет:
- обеспечить точную центровку (позиционирование) отверстий огнеупорных плит независимо от точности изготовления и износа деталей затвора, тем самым разработанная конструкция позволяет обеспечить требуемую скорость разливки металла при совмещении отверстий шиберных плит, особенно при старте разливки, обеспечить требуемую точность дозирования при применении средств автоматического управления ходом разливки металла из шиберного затвора, снизить скорость размыва огнеупорного материала шиберных плит в районе отверстия в процессе разливки;
- существенно повысить экономическую эффективность получения высококачественного металла в процессе выплавки стали;
Исследования научно-технической, патентной и реферативной информации, а также проведенные экспериментальные исследования подтверждают новизну и высокую технико-экономическую эффективность реализации в металлургическом производстве патентуемого шиберного затвора и несомненные технологические и эксплуатационные преимущества разработанной конструкции шиберного затвора по сравнению с известными конструкциями аналогичного назначения.
Высокая технико-экономическая эффективность опытного использования разработанного шиберного затвора подтверждают технологическую перспективность и коммерческую значимость настоящей разработки.