Авторы: Е.Н. Лычагин, генеральный директор ООО МЗ «Сталь»                                  
А.К. Никитин, главный конструктор ООО МЗ «Сталь»
С.А. Евсюков, профессор, д.т.н., зав. кафедрой МГТУ им. Н.Э.Баумана
П.А. Цирков, к.т.н., зам. зав. кафедрой МГТУ им. Н.Э.Баумана

 

В статье «Комплексное проектирование машин газовой резки для установок непрерывной разливки сталей», опубликованной в журнале «РИТМ машиностроения» № 3’2024, рассматривалось проектирование машин газовой резки горячего металла в многоручьевых установках непрерывной разливки сталей для получения блюмов и сортовых заготовок различных сечений и особенности работы механизмов, являющихся основными исполнительными элементами этих машин, обеспечивающих многочасовую непрерывную работу в автоматическом режиме (рис. 1, 2).

 

 

Рис. 1

 

Рис. 2

 

В настоящей статье предлагаем ознакомиться с проектированием систем обеспечения машин газовой резки энергоносителями (газами).

 

 

Систему подачи энергоносителей к МГР можно разбить на несколько составных частей, отвечающих за этапы энергоснабжения: первый — оборудование, осуществляющее газорегулирование энергоносителей, второй — аппаратура управления подачей газов, третий — исполнительное оборудование, обеспечивающее выполнение технологической операции — порезки стального слитка. Оборудование каждого этапа выполняет свою роль в обеспечении газами исполнительных элементов МГР.

 

Оборудование первого этапа обеспечивает газорегулирование и подачу газов в объемах, определенных технологическим режимом газовой резки.

 

Аппаратура второго этапа обеспечивает автоматическую подачу (остановку подачи) газов в строгом соответствии с программой порезки непрерывнолитых слитков на заготовки установленного размера.
Оборудование третьего этапа — это оборудование, выполняющее исполнительную функцию, непосредственно порезку слитков.

 

Проектирование оборудования и подбор аппаратуры, используемой для регулирования, автоматизированной подачи газов и процесса газовой резки производится на основании предварительных расчетов потребных объемов газов, основанных на габаритах сечений перерезаемых слитков.

 

К оборудованию первого этапа относятся газораспределительные щиты (рис. 3), выполняющие подготовку подачи газов в магистрали в определенных объемах и под установленным давлением. Обеспечивает поддержание давления газов в магистралях перед резаками в заданных технологических режимах. Газораспределительный щит служит для поддержания постоянными давления и расхода азота, горючего газа, подогревающего и режущего кислорода, что обеспечивает заданные режимы резки.

 

Рис. 3. Щит газораспределительный

 

Газовый щит представляет собой сварную раму, на которой установлена лицевая панель, на которой смонтированы и соединены трубопроводами в определенной последовательности редукторы, регулирующие расход и давление газов, манометры, показывающие давление газов, запорно-­регулирующая аппаратура, а также входные и выходные штуцеры.

 

На лицевой панели газораспределительного щита расположены:
— манометры, контролирующие давление кислорода на входе в газораспределительный щит, давление в магистрали подогревающего кислорода, давление в магистрали режущего кислорода;
— манометры, контролирующие давление азота на входе в газораспределительный щит, давление азота в магистрали продувки магистралей;
— манометры, контролирующие давление природного газа на входе в газораспределительный щит, давление природного газа в магистрали питания резаков, давление природного газа в магистрали питания устройства поджига;
— входные вентили подачи газов, кислорода и природного газа;
— вентили продувочные, в магистрали кислорода и в магистрали горючего газа;
— вентили редукторов, редуктора-­задатчика в магистрали подогревающего кислорода, редукторов-­задатчиков в магистрали режущего кислорода, редуктора сетевого в магистрали азота, редуктора рампового в магистрали питания резаков горючим газом, редуктора сетевого в магистрали питания устройства поджига;
— вентили дренажные (для сброса газов в атмосферу) магистралей подогревающего кислорода, режущего кислорода, горючего газа для резаков и горючего газа для устройств поджига.

 

Подача газов от заводских магистралей к газораспределительным щитам МГР осуществляется по газовым коммуникациям из труб из нержавеющей стали. Для подачи кислорода и горючего от газораспределительных щитов к блокам электромагнитных клапанов используются трубы из нержавеющей стали.

 

К оборудованию второго этапа относятся блоки электромагнитных клапанов (рис. 4), обеспечивающие дистанционное управление подачей газов к резакам и устройству поджига по команде с пульта управления в автоматическом или ручном режимах, а также передачи данных по расходам и давлениям газов в АСУТП и на пульт оператора.

 

Рис. 4. Блок электромагнитных клапанов

 

 

Блок устанавливается на минимально возможном расстоянии от резаков и устройств поджига, что позволяет обеспечить минимальное время для включения дежурного и рабочего пламени резаков, а также иметь в магистралях перед резаком и устройством поджига небольшой объем газов. Кроме этого, установка блоков электромагнитных клапанов на небольшом расстоянии от резаков позволяет получать более точные данные на измерительных приборах о давлении и расходе газов, что важно для обеспечения технологических режимов порезки слитков.

 

Блок представляет собой каркас, имеющий лицевую панель, панель цифровых индикаторов давления газов, панель цифровых индикаторов расхода газов. На раме каркаса установлены штуцера для входа подогревающего кислорода, режущего кислорода, горючего газа к резакам и горючего газа к устройству поджига. На входе в магистрали режущего кислорода, подогревающего кислорода и горючего газа установлены интеллектуальные расходомеры. За расходомерами установлены электромагнитные клапаны, управляющие автоматической подачей газов согласно заложенной программе технологического процесса. Причем магистрали режущего кислорода, подогревающего кислорода и горючего газа имеют байпасные системы, позволяющие газам проходить в обход линий с электромагнитными клапанами. Байпасные линии предназначены для работы резаков на режиме дежурного пламени, когда режим «резки» отключен, для чего в байпасных линиях установлены регулировочные вентили дежурного пламени: подогревающего кислорода и горючего газа. Для режущего кислорода байпасная линия является запасной, которая используется для дублирования при поломке электромагнитного клапана. Далее в газовых магистралях установлены интеллектуальные датчики давления: подогревающего кислорода, режущего кислорода и горючего газа, от которых газы поступают к выходным штуцерам. Питание к электромагнитным клапанам и датчикам давления поступает от блока питания по многожильному кабелю. Потребляемая мощность клапанов: 8 и 12 Вт, постоянное напряжение 24 В, класс защиты 1Р65, разъемы DIN 43 650A.

 

Показания с интеллектуальных расходомеров и интеллектуальных датчиков давления отражаются на автономных цифровых индикаторах, установленных в магистралях режущего кислорода, подогревающего кислорода и горючего газа.

 

Кроме вышеперечисленного данные с интеллектуальных расходомеров и интеллектуальных датчиков давления передаются в АСУТП и на пульт оператора.

 

Магистраль горючего газа для устройства поджига не оснащается электромагнитным клапаном и интеллектуальными датчиками расхода и давления, так как устройство поджига поджигается в начале работы от внешнего источника пламени и выключается по окончании работы машины при остановке разливки металла. Магистраль горючего газа для устройства поджига оснащается запорно-­регулировочным вентилем для включения и выключения подачи газа.

 

К оборудованию третьего этапа относятся резаки МГР МНЛЗ и устройства поджига.

 

Разводка к резакам по МГР ведется металлорукавами, которые располагаются в траках.

 

 

Резак газовый для МГР МНЛЗ

 

Резак для МГР МНЛЗ (рис. 5) работает по принципу внутрисоплового смешения горючего газа и подогревающего кислорода, что обеспечивает ему высокую надежность в сложных условиях работы.

 

Рис. 5.  Резак газовый для МГР МНЛЗ

 

 

Резак крепится к консоли машины газовой резки при помощи кронштейна, позволяющего обеспечивать дополнительную регулировку высоты резака от поверхности разрезаемого металла без учета хода вертикального привода.

 

Резак состоит из корпуса, в состав которого входят: соединительные трубки и кожух, соединяющие между собой головку резака и хвостовик резака, имеющий присоединительные штуцера режущего кислорода, подогревающего кислорода, горючего газа, входа охлаждающей воды, выхода охлаждающей воды и мундштука, присоединенного с помощью накидной гайки к головке резака.

 

Режущий кислород поступает к входному присоединительному штуцеру резака и далее по трубке поступает к головке резака и центральному каналу мундштука, имеющего ковергентно-­дивергентное сопло, обеспечивающее высокую скорость истечения режущей струи и, соответственно, скорость резки.

 

Подогревающий кислород и горючий газ через входные присоединительные штуцера и далее по трубкам, имеющим разветвления на два канала перед входом в головку, подводятся к кольцевым каналам головки резака (4), а из них в соответствующие кольцевые каналы мундштука.

 

Мундштук со стороны кольцевых каналов имеет по две группы отверстий, расположенных под углом друг к другу и входящих в каналы для образования и истечения горючей смеси. Каналы для выхода горючей смеси располагаются диаметрально двумя рядами и концентрично по отношению к каналу режущего кислорода. Так как горючая смесь образуется в отдельных каналах и непосредственно перед выходом, резаки практически исключают возможность образования обратных ударов пламени.

 

Так как резак располагается в непосредственной близости к металлу, нагретому до высоких температур, то он должен интенсивно охлаждаться водой.

 

Резак охлаждается проточной водой, поступающей от входного штуцера по соединительной трубке к головке резака, от головки резака вода поступает под кожух резака, далее из-под кожуха возвращается в хвостовик резака и через выходной штуцер в отводящую водяную магистраль. Техническая характеристика резака приведена в таблице 1.

 

 

На основании данных по давлению и расходу газов, указанных в технической характеристике резаков, производятся расчет и выбор подводящих коммуникаций. Как правило, коммуникации (газовые, водяные и электрические), подводимые к тележкам или кареткам газовой резки, располагаются в траках (кабельшлепах), так как они должны обеспечивать свободное перемещение последних по направляющим в процессе резки слитков. Сами газовые и водяные коммуникации изготавливаются из металлорукавов, надежно работающих при воздействии высоких температур, в зоне которых работает МГР МНЛЗ.

 

Устройства поджига пламени

 

На рис. 6 показано устройство поджига пламени. Оно состоит из газоподводящей трубки c входным штуцером и штуцером для присоединения насадки, которая имеет в монокорпусном исполнении эжектор и смесительную камеру, в которой выполнены отверстия для забора воздуха из атмосферы. На выходе насадка установлен расширительным колпак.

 

Рис. 6.  Устройство поджига пламени

 

На основании подбора оборудования, применяющегося на МГР МНЛЗ для выполнения процесса газовой резки непрерывнолитых слитков, составляется газовая принципиальная схема машины, где указываются все элементы аппаратуры и оборудования, задействованные для осуществления технологического процесса резки металла. Схема позволяет увидеть поэтапную систему работы машины и составить программу работы, включающую последовательность действия всех элементов комплекса оборудования, входящих в МГР. Пример газовой схемы МГР МНЛЗ приведен на рис. 7.

 

Рис. 7. Газовая схема трехручьевой МГР МНЛЗ для резки блюмов

 

Описание газовой схемы показывает поэтапную последовательность работы оборудования газорегулирования и подачи газов комплекса МГР.

Горючий газ из трубопровода через сетевой фильтр и интеллектуальный вихревой расходомер разводится на четыре ветви трубопроводов, каждый из которых индивидуально подводится к одному из трех газораспределительных щитов. Перед входом в газораспределительный щит участок магистрали разделяется на две сходящиеся ветви. На каждой ветви установлены вентиль и сетевой фильтр. Данная конструкция предусмотрена для пропускания горючего газа по одной из ветвей, что позволяет обеспечить непрерывную подачу горючего газа в газораспределительный щит, так как при засорении сетевого фильтра данная ветвь будет перекрыта вентилем, а другая ветвь будет открыта вентилем и горючий газ пойдет через сетевой фильтр. После замены фильтрующих элементов сетевого фильтра, фильтр вновь готов к работе. Аналогичный цикл будет повторяться. Далее горючий газ через запорный вентиль под давлением, величина которого определяется по манометру, часть горючего газа подается в магистраль питания устройства поджига пламени резака, а другая часть в магистраль питания резаков.

Горючий газ для питания устройства поджига пламени резака поступает в редуктор, давление газа на выходе из редуктора определяется по манометру. Далее газ из газораспределительного щита по трубопроводу поступает в блок электромагнитных клапанов и через запорный вентиль, огнепреградительный защитный клапан по трубопроводу подается в устройство поджига пламени резаков.

Горючий газ для питания резаков поступает в редуктор, давление горючего газа на выходе из редуктора определяется по манометру. Далее горючий газ из газораспределительного щита по трубопроводу поступает в блок электромагнитных клапанов, где через интеллектуальный расходомер, электромагнитный клапан, регулировочный вентиль, интеллектуальный датчик давления и блок защитных клапанов поступает по трубопроводу в газовый резак.

Кислород из трубопровода через сетевой фильтр и интеллектуальный вихревой расходомер разводится на четыре ветви трубопроводов, каждый из которых индивидуально подводится к одному из четырех газораспределительных щитов. Перед входом в газораспределительный щит участок магистрали разделяется на две сходящиеся ветви. На каждой ветви установлены вентиль и сетевой фильтр. Данная конструкция предусмотрена для пропускания кислорода по одной из ветвей, что позволяет обеспечить непрерывную подачу кислорода в газораспределительный щит, так как при засорении сетевого фильтра данная ветвь будет перекрыта вентилем, а другая ветвь будет открыта вентилем и кислород пойдет через сетевой фильтр. После замены фильтрующих элементов сетевого фильтра, фильтр вновь готов к работе. Аналогичный цикл будет повторяться. Далее через вентиль запорный под давлением, величина которого определяется по манометру, часть кислорода, предназначенная для подогревающего пламени, поступает в редуктор, рабочее давление на выходе которого устанавливается задатчиком и определяется по манометру. Далее подогревающий кислород из газораспределительного щита по трубопроводу поступает в блок электромагнитных клапанов и через интеллектуальный расходомер, электромагнитный клапан, регулировочный вентиль, интеллектуальный датчик давления и блок защитных клапанов по трубопроводу поступает к штуцеру подогревающего кислорода газового резака.

Другая часть кислорода, предназначенная для резки, поступает в редуктор, рабочее давление на выходе которого задается задатчиком и определяется по манометру. Далее режущий кислород из газораспределительного щита по трубопроводу поступает в блок электромагнитных клапанов, где через электромагнитный клапан и интеллектуальный датчик давления по трубопроводу поступает к штуцеру режущего кислорода газового резака.

Азот из трубопровода через сетевой фильтр поступает в газораспределительный щит. Далее через вентиль запорный под давлением, величина которого определяется по манометру, азот поступает в магистраль, из которой используется для продувки магистралей горючего газа и кислорода после окончания работы или при экстренном гашении пламени (при проходе обратного удара пламени в газовые магистрали).
Дренаж при продувке газовых магистралей осуществляется через запорные вентили, установленные на дренажных выходах из магистралей.

 

 

Фильтр тонкой очистки газов

 

Фильтр тонкой очистки газов (рис. 8) служит для очистки газовых потоков, проходящих по газопроводам и поступающих в газораспределительные щиты от частиц пыли и иных частиц.

 

 

Рис. 8. Фильтр тонкой очистки газов

 

 

Газовые магистрали на металлургических комбинатах имеют большую длину и изготавливаются из труб водогазопроводных, сделанных из малоуглеродистых низколегированных сталей. Это магистрали длительного срока использования. Соответственно в них присутствуют частицы коррозии, попадание которых в газорегулирующую и запорную аппаратуру приводит к ее неисправности. Для защиты газового оборудования от засоряющих частиц применяются фильтры тонкой очистки.

Так как процесс непрерывной разливки сталей длительный и составляет до нескольких десятков часов, необходимо, чтобы оборудование обеспечивало надежную беспрерывную работу в течение всего производственного цикла. На газораспределительных щитах устанавливаются блоки фильтров, позволяющие переключать ветви входных магистралей без остановки подачи газов. Блоки фильтров устанавливаются на входе трубопроводов газовых магистралей кислорода, азота и природного газа в газораспределительный щит.

 

 

Расчет объема потребляемых газов

 

Расчет количества потребления газов МГР МНЛЗ производится на основании технических характеристик резаков, учитывающих размеры сечения непрерывнолитого слитка и параметры поступающих газов. Его необходимо проводить для правильного выбора газорегулирующего и запорно-­регулирующего оборудования, устанавливаемого в газораспределительных щитах и блоках электромагнитных клапанов.
Расходы газов подтверждаются на основании расчета объемов газов, используемых при резке непрерывнолитого слитка, которые, в свою очередь, зависят от толщины разрезаемого металла, его температуры и ряда других параметров.

 

Расход режущего кислорода при механизированной разделительной резке определяется по формуле:

V_кр = К₂ · К_п · К_м^–1 · К_р · δ^0,8,

где:
– К₂ — коэффициент, зависящий от состава и температуры металла, а также от интенсивности ведения процесса резки;
– Кп — коэффициент пространственного положения реза (резака).
– Км — коэффициент состава металла (низколегированная, среднелегированная или высоколегированная сталь);
– Кс — коэффициент сечения (зависит от ширины заготовки);
– δ — толщина металла, мм.

 

Расход горючего газа определяется по следующей формуле:

Vгг = Е · 10^–3 · ψ · Кт^–1 · Кп · Км^–1 · Кр · (δ + 100) м³/час.

Расход подогревающего кислорода определяется по формуле:
Vпк = β ·Vгг м³/час,

где: 
– β — коэффициент объемного соотношения газов в горючей смеси между кислородом и горючим газом;
– ψ — коэффициент замены ацетилена другим горючим газом;
– Е — коэффициент, учитывающий состав метала для данного способа резки;
– Кт — коэффициент температуры металла ((1 + 2Тм · 10) · (1 – 1,5 (δ · 10));
– Кр — коэффициент расстояния мундштука над металлом (1 + 0,01 · (Н – 10)).

 

 

Расчет газовых трубопроводов

 

Производится на основании полученного при расчетах потребного количества газов для обеспечения работоспособности всех исполнительных элементов оборудования МГР МНЛЗ.
В нашем случае для подвода к газораспределительным щитам применяются трубопроводы среднего и высокого давления.

 

Для расчета этих трубопроводов применяется следующая формула:

Р₁² — Р₂² =  1,45 ∙ 10^–3 ∙ ((Kэ / q) + 1922 υ ∙ (d / Q))^0,25 ∙ γ ∙ l ∙ (Q²/d⁵),

где: 
– Р1 — абсолютное давление в начале участка газопровода, кгс/см²;
– Р2 — абсолютное давление в конце участка газопровода, кгс/см²;
– Kэ — абсолютная эквивалентная шероховатость стенок труб, см (принимается 0,01 см для новых труб);
– q — плотность газа, кг/м²;
– Q — расход газа, м³/ч;
– υ — коэффициент кинематической вязкости газа при 0 °C и 760 мм. рт. ст., м²/с;
– l — длина участка постоянного диаметра, м.

 

Расход газа, протекающего через трубу, определяется по формуле:
V = ω ∙  ∙ (d²/4),

где: 
– ω — скорость движения газа, м/с;
– d — внутренний диаметр трубы, мм;
– V— расход газа, м³/ч.

 

Скорость движения кислорода по трубопроводу из стальных бесшовных труб по ГОСТ8732‑70 при давлении 6…16 кгс/см² не должна превышать 10 м/с.

 

Диаметр трубы определяется по следующей формуле:

d = 18,8 ∙ √ (V / ω).

 

Толщина стенки трубы газопровода определяется по формуле:
               p ∙ d ∙ n
S =        ________   ,
                2Rн ∙ r
где: 
– S — толщина стенки трубы, см;
– p — внутреннее избыточное давление газа, кгс/см²;
– d — внутренний диаметр трубы, см;
– n — коэффициент перегрузки, безразмерная величина (= 1,2);
– Rн — нормативный предел текучести металла труб, кгс/см² (= 2200…2400 кгс/ см² для м/у сталей);
– r — коэффициент однородности металла труб, безразмерная величина (= 0,9 для м/у сталей).

 

 

Данная статья показывает, насколько важен системный подход при проектировании каждой составляющей в комплексе оборудования МГР МНЛЗ и насколько актуальны и востребованы для обеспечения работоспособности предварительные расчеты при проектировании оборудования, работающего в длительных временных циклах непрерывного производства, потому что именно благодаря им получается надежное, работающее с оптимальными экономическими показателями и длительным сроком службы оборудование.

 

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2024