В цветной металлургии широко применяются ковши для транспортирования жидких продуктов плавки, для заливки металла, шлака и штейна в печи, для выпуска жидких продуктов плавки и т. п.

На рис. 2.94 показана конструкция подобных металлургических ковшей. Обычно ковши вместимостью до 2м3 изготовляются литыми. Эти ковши (рис. 2.94, а) имеют конусообразны^ симметричный внутренней профиль с плоским горизонтальным днищем. Для разливки они снабжены одним или двумя разливочными носиками.

О

У сварных ковшей (рис. 2.94, б) корпус 1 состоит из отдельных обичаек. Толщина сварного днища 8 несколько больше чем у корпуса. Днище выполнено со слегка сферическим профилем, повышающим жесткость ковша. С этой же целью на уровне цапфы 4 расположены верхний 3 и нижний 7 пояса жесткости в виде толстых кольцевых плит. Между ними заложены две цапфовые плиты с расклинивающими поперечными стойками 6. В плиту запрессованы цапфы 4- Дополнительно цапфы по наружному контуру сваривают со стойками. Ковш изнутри футерован огнеупорным кирпичем с внутренним профилем в виде симметричного конуса с плоским дном. Сверху кладка закрепляется предохранительным кольцом 2. Для разливки жидкого металла, используется носик 10 и для кантовки ковшей две проушины 9 с пальцем между ними. Как правило, обичайки выполнены из сталей 09Г2С и СтЗ, пояса жесткости и днище из стали 09Г2С, цапфы, цапфовые плиты из сталей 20 и 30.

Основным параметром ковшей является их объем:

V = (тг ■ h/3)(R2 + г2 + R ■ г),

где R, г — радиусы верхнего и нижнего оснований жидкого металла; h — высота от днища до сливного носка.

Разливка металла приводится в две стадии. При кантовании до угла ір (рис. 2.94) металл из ковша активно выливается. При достижении угла ірі в ковше металла не должно оставаться. Для ковшей со стандартным соотношением размеров угол ц> = = 57° и угол ірі — 77°, отношение г/R — 0,477 и h/R — 2,28. Откуда для любого угла поворота ip < ip j оставшийся объем жидкого металла в ковше равен

1/м = 4,57Я3[(4,35 - tg ^)3/7(4,35 + tg ipf'2 - 0,11].

При последующем кантовании оставшийся в ковше объем металла составит:

VM = 1,45Л3[Л(4,35 - tg <^)3/2/(4,35 + tg ^)3/2 - 0,11В.

Ниже представлены значения коэффициентов А и В и объемы VM при различных углах наклона ковша:

£, град............ О 10 20 30 40 50 57 67 77

А....... ............. - - - - - - 3,14 2,5 1,57

В..................... - - - - - - 3,14 1,42 0

К,/Я3 ............. 4,05 3,52 3,08 2,5 1,98 1,46 1,05 0,59 0

Приближенно объем VM = 4,05Я3(1 — ip/ip-i).

Для более общих задач, когда соотношения размеров ковшей отличается от стан­дартных, необходимо провести графоаналитический расчет объема жидкого металла в ковше.

С этой целью последовательно вычисляем моменты кантования порожнего ковша М,„ жидкого металла Мм и момент трения на цапфах Мтр. Их сумма определяет общий момент кантования ковша MGg = Мп + Мм + А/тр и усилие Т канатов крана, осуществляющего заливку жидкого металла в печь:

Т — Mog/h,

где h — расстояние от цапфы до оси кантующего каната.

Момент кантования порожнего ковша МП определяется его центром тяжести Уц Т. равным отношению суммы всех статических моментов отдельных его элементов (стенок, поясов, футеровки ит. д.):

к к

Уц. т. =

і— 1 г=1

где yi — центр тяжести г-го элемента массой Gj.

По величине Уц. т. вычисляется момент Мп = Gn • Уц. т. • sin (р.

Момент сопротивления кантованию от сопротивления повороту жидкого ме­талла вычисляется графоаналитическим методом. При этом расчете условно ковш (рис. 2.95) принимается неподвижным, а зеркало металла наклоняющемся на угол ір.

Объем металла между зеркалом и корпусом ковша разбивается на п элементарных объемов (рис. 2.95, а) с равной высотой Ah = h/n. Конический сегмент приводится к равновеликому цилиндрическому. При этом точность приведения повышается с увеличением числа п. Для каждого объема вычисляется центр тяжести

Xi — R — 4Гі ■ sin3 aj/3(2аг — sin2 аД и yi — Ah(2i — 1)/2,

где а і — половина угла сегмента каждого элемента; R — радиус начального наиболь­шего элемента высотой Ah. Тогда при угле поворота <р общий центр тяжести:

П П 71 П

Жм = з? і • Vi Vi и Ум = Уі • Vi Vi,

i=3 г~1 i~Y і=1

где Vi = Гі ■ (2аг - - sin2at ) • Ah/2.

Соответственно общий центр тяжести ковша с металлом при угле поворота ip составит

хс ~ (GM ■ я? и Т GK • xK)/(GM Т GK) и у@ (GM * ум 4- GK • Ук)/{Gм Т GK),

где для симметричного ковша координаты ум = уц. т. • sin <р и хм = уц. т. ■ cos tp где GK, GM — сила тяжести ковша и металла.

В соответствии с принятой методикой в центре тяжести ковша с металлом, точке С (ж с, ус) приложена их суммарная сила тяжести G = GM 4- GK, направленная перпендикулярно зеркалу металла (рис 2.95, б).

Откуда момент кантования металла и ковша

МКан = G ■ [{уА ~ Ус) ■ sin ip + (ХС ~ XА) ■ COS <р],

где у а и X а — положение оси цапфы.

Положение устойчивого равновесия при кантовании характеризуется тем, что в случае отклонения системы от равновесия, она сама возвращается в исходное положение, так как ЛДан > 0 или (уА — Ус) > (ха ~~ хс) ' С^К Ч>- Учитывая, что хА — = R, получаем у а > ус + {R ~ хс) ' ctg <Р-

Подбором положений ус и хс для любых углов ip устанавливается положение цапфы, обеспечивающее устойчивость ковша с металлом.

Для стандартных конструкций ковшей с точностью до 5 % моменты кантования определяются зависимостями:

Мы = 5,4 • sin (2,34 • ip) ■ Я4 • 7м — жидкого металла;

Мп = 96,7 • R4 ■ sin р — порожнего ковша;

(G„ + VM

фах, где (р — угол кантования в градусах; 7М — удельный вес жидкого металла; / —■ коэффициент трения крюка о цапфу (/ и 0,15); dn — диаметр цапф (dn и 0,23 • R).

Для удельного веса жидкого металла 70 кН/м3 указанные моменты соответствен­но равны:

На рис. 2.96 приведены моменты кантования и их общая величина

Моб = А4М + Мп + Мтр.

Прочность ковша рассчитывают по основным его элементам — днищу, кольцам жесїкости и кожуху.

Напряжение в плоском днище определяются по зависимости: а = 0,86 ■ р ■ R/{8A - с) < [сг],

где р — гидростатическое давление жидкого расплава, р = h • 7М; <5Д — толщина днища; с — уменьшение толщины днища при эксплуатации вследствие коррозии (с = = 2 - г - 3 мм); [сг] — допускаемое напряжение материала, [сг] = 100 г-110 МПа.

При сферическом днище

а = р ■ R ■ ккр/2 ■ ёД>

где R — радиус ковша; ккр — коэффициент кривизны, ккр = 0,9 - Ї-1,3. Меридианальные сг(, кольцевые сгг напряжения в нижней обечайке:

о-1 ~(р - г/2 • б) + [1,5 • (2 - v) ■ р/2 • б2] < [сг],
сг2 = (р • г/6) + [3 • (2 - т) • р • г/8 4- [1,5 - V - (2-v) ■ р/82 • А2] < [сг],

где v — коэффициент Пуассона; г — радиус нижней обечайки толщиной б; А — параметр, А = 1,45^(1 — v2)/r ■ ё2 .

С удалением от дна о = р • г/28 и сг2 = р • г/8.

Напряжение в нижнем кольце жесткости

стн = G ■ (L - 1,27 • RK) ■ (0,70 ■ гн - гп) • хн ■ а/8{а ■ SH + SB) ■ J„ < [сг].

Напряжение в верхнем кольце жесткости

сгв = G (L - 1,27 • RK) ■ (0,70 • гв - гп) • хИ ■ а/8(а ■ SH + SB) ■ JB < [сг],

где G — суммарный вес ковша и жидкого металла; L — расстояние между центрами цапф; RK — радиус кольца жесткости; гв, гн — радиусы центров тяжести верхнего и нижнего колец жесткости; JB, ./„ — моменты инерции сечений верхнего и нижнего колец; iS'b, iS'h — расстояние от центра тяжести колец до стыка кожуха с днищем; хн, жв — расстояние от наиболее удаленных точек колец жесткости до центров тяжести сечения колец; гп = 0,5 • В — при расчете колец в месте расположения цапфовой плиты, гп = 0,25 ■ В — при расчете колец в области коробчатого сечения; В — ширина цапфовой плиты; а — коэффициент неравномерности нагружений: а = = JB-SB - rl/JK ■ SH ■ rf.

k