IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Разработка модели доменных медных фурм

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 м³/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 200-300^oC, 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 300-400^oC 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 200-300^oC 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 электронно-лучевой 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.

Техника сварки

При сварке электронным лучом проплавление имеет форму конуса (рисунок 5). Плавление металла происходит на передней стенке кратера, а расплавляемый металл перемещается по боковым стенкам к задней стенке, где он и кристаллизуется.

Рисунок 5. Схема переноса жидкого металла при электронно-лучевой сварке

1- электронный луч; 2- передняя стенка кратера;

3- зона кристаллизации; 4- путь движения жидкого металла

Основные типы сварных соединений, рекомендуемые для электронно-лучевой сварки, приведены на рисунке 2. Перед сваркой требуется точная сборка деталей (при толщине металла до 5 мм зазор не более 0,07 мм, при толщине до 20 мм зазор до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклонение не больше 0,2 ... 0,3 мм).

Рисунок 6. Типы сварных соединений при сварке электронным лучем:

а- стыковое (может быть с бортиком для получения выпуклости шва );

б-замковое;в- стыковое деталей разной толщины;

г-угловые;д и е- стыковые при сварке шестерен;

ж- стыковые с отбортовкой кромок

Сварка электронным лучом имеет значительные преимущества:

• Высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая выделяется не только на поверхности изделия, но и на некоторой глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронного луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002 ... 5 мм, что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от десятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить швы, в которых соотношение глубины провара к ширине до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение протяженности зоны термического влияния снижает вероятность рекристаллизации основного металла в этой зоне.

• Малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получения равной глубины проплавления при электронно-лучевой сварке требуется вводить теплоты в 4 ... 5 раз меньше, чем при дуговой. В результате рез ко снижаются коробления изделия.

• Отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдается дегазация металла шва и повышение его пластических свойств. В результате достигается высокое качество сварных соединений на химически активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан, молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки достигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких сталях, меди и медных, никелевых, алюминиевых сплавах.

Недостатки электронно-лучевой сварки:

• Возможность образования несплавлений и полостей в корне шва на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим отношением глубины к ширине;

• Для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий требуется длительное время.

4.Сварка меди и ее сплавов

Сварка деталей из меди достаточно затруднена из-за ее специфических теплофизических свойств. Медь отличается высокой теплопроводностью (в шесть раз больше, чем у железа), увеличенным коэффициентом линейного расширения и жидкотекучестью.

При сварке она легко окисляется, образуя оксид Си2О, который выделяется по границам зерен меди при ее остывании и, имея более низкую температуру плавления, чем медь, способствует образованию кристаллитных трещин. Расплавленная медь хорошо растворяет водород, который при кристаллизации шва (с большой скоростью охлаждения вследствие высокой теплопроводности) выделяется и образует пористость. Соединяясь с оксидом меди, водород, кроме того, образует воду

Вода превращается в пар, который при затвердевании металла не успевает выделиться.

Находясь в порах под большим давлением, пары ЕОДЫ способствуют образованию трещин. Такой дефект сварки называют «водородной болезнью», так как первопричиной его был водород.

Несмотря на указанные трудности сварки, медь широко применяют в качестве конструкционного материала при изготовлении химической аппаратуры, электротехнических устройств и других изделий. Это объясняется ее высокими механическими свойствами (сув в отожженном состоянии 200 МПа, 65=50%, ан—160—180 Дж/см2), которые сохраняются в условиях самых низких температур, коррозионной стойкостью, высокой электропроводностью и хорошей обрабатываемостью.

При сварке меди основной задачей является уменьшение содержания в сварочной ванне кислорода и водорода.

ГОСТ 859—78* предусматривает ограничение содержания в меди висмута, свинца, серы и фосфора, которые ухудшают свариваемость. Для сварки конструкций содержание кислорода должно быть не более 0,01%.

Большая теплопроводность меди вызывает быстрое остывание ванны, вследствие чего для удаления из нее газов и шлаков требуются увеличенная погонная энергия, а также в большинстве случаев предварительный подогрев и применение более активных раскислителей, чем при сварке стали. В связи с повышенным линейным расширением меди при сварке требуется жесткое закрепление сварных соединений или же сборка их на прихватках. Жидкотекучесть ванны ограничивает сварку только в нижнем или слегка наклонном положениях и требует применения подкладок из графита, асбеста, флюса и других материалов.

При сварке меди металлическими покрытыми электродами применяют электроды марки ЗТ, К-ЮО («Комсомолец-100»), ММЗ-2 и др. Медь толщиной до 4 мм сваривают без скоса кромок, при большей толщине делают разделку с общим углом 70—90°. Сварку ведут постоянным током обратной полярности, силу тока подбирают по формуле /CB = 50d3. При сварке поддерживают короткую дугу без колебаний электрода. После сварки следует проковать шов: при толщине 4^-5 мм — в холодном состоянии и при большей толщине — после подогрева до 300—400 °Сс последующим отжигом.

Предварительный подогрев до 300—500 °С применяют при толщине металла более 4—5 мм.

Электродами ММЗ-2 можно вести сварку на переменном токе, но при этом разбрызгивание увеличивается.

Металл шва, выполненный покрытыми электродами, обладает хорошими механическими свойствами (ав=200 МПа, б5=18—20%,

Код для цитирования: Скопировать