VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Устройство для автоматического удаления пенки и окислов с поверхности слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский цинковый завод»
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Наша статья посвящена описанию процесса решения инженерной задачи посредством проектной деятельности. Инженерная задача была поставлена публичным акционерным обществом «Челябинский цинковый завод» и была связана с реальным производственным процессом этого завода-гиганта.
Публичное акционерное общество «Челябинский цинковый завод» (ПАО «ЧЦЗ») – вертикально-интегрированная компания, в которой представлен полный технологический цикл производства металлического цинка: от добычи и обогащения руды до выпуска готовой продукции в виде рафинированного цинка и сплавов на его основе. На долю компании приходится около 2% мирового объема производства цинка. Челябинский цинковый завод, крупнейший завод в России по производству цинка, входит в холдинг «Уральская Горно-Металлургическая Компания».
Проблема, лежащая в основе проекта - устранение физического труда рабочих (проблема автоматизации) при удалении образовавшейся смеси пенки и окислов на поверхности свежеотлитых слитков металлического цинка в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский цинковый завод». В настоящий момент работу по удалению пенки выполняет персонал цеха вручную. Процесс удаления трудозатратен и имеет повышенную опасность для человека. Мы предприняли попытку его автоматизировать.
Наша гипотеза сводится к тому, чтовозможно создание автоматического устройства, которое будетудалять пенку и окислы с поверхности слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский цинковый завод» без участия человека.
Цель проекта - создание прототипа создание автоматического устройства, которое будетудалять пенку и окислы с поверхности слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский цинковый завод» без участия человека.
Нами был использован методпрототипирования (англ. prototyping), активно применяющийся в машиностроении - быстрая «черновая» реализация базовой функциональности для анализа работы системы в целом. На этапе прототипирования малыми усилиями создается работающая система (возможно неэффективно, с ошибками, и не в полной мере). Во время прототипирования видна более детальная картина устройства системы. Прототипирование – самый важный этап разработки устройства. После этапа прототипирования обязательно следуют этапы пересмотра архитектуры системы, разработки, реализации и тестирования конечного продукта.
Для реализации проекта был разработан и реализован следующий сценарий реализации проекта:
Экскурсия в плавильное отделение цеха «Комплекс электролиза цинка» ПАО «Челябинский цинковый завод». Изучение текущей ситуации по удаления пенки и окислов с поверхности цинковых слитков.
Рассмотрение научно-обоснованных различных вариантов механизмов удаления пенки и окислов с поверхности цинковых слитков и выбор наилучшего из них.
Оценка мирового опыта и применяемого оборудования. Подбор оптимального конструктора для создания макета устройства.
Изучение требований ГОСТ к качеству металлического цинка.
Разработка технических условий, которым должно удовлетворять пенкоокислосъемное устройство (определение тангенциальной скорости вращения, синхронизация с разливочной машиной, определение количества пар зубчатых передач и др.);
Определение требований по соответствию конечного устройства всем необходимым нормам электробезопасности, охраны труда и др.
Рассмотрение различных вариантов материалов для изготовления лопаток сгребающего (пенкоокислосъемного) устройства и выбор оптимального.
Создание прототипа сгребающего (пенкоокислосъемного) устройства.
Проведение серии экспериментов.
Разработка системы управления конечным устройством.
Расчёт затрат на реализацию проекта.
Экспертная оценка проекта.
На каждом этапе реализации проекта мной проводились консультации со специалистами ПАО «Челябинский цинковый завод».
Так как доскональное описание нашей работы не уместится в определённый положением о данном конкурсе формат, то мы осветим основные вехи нашей работы над данным проектом.
Изучение вопроса мы начали с краткого исторического экскурса и экскурсии на предприятие. Первая разливная машина кругового типа диаметром 3850 мм, созданная по проекту инженера И.И. Котбыла, была установлена на Усть-Каменогорском заводе в 1956 году. В настоящий момент на ПАО «Челябинский Цинковый Завод» работает разливочная машина карусельного типа диаметром 8900 мм проекта «Снапроджетти».
На предприятии существует задача – это удаление образовавшейся смеси пенки и окислов на поверхности свежеотлитых слитков. Это делается для придания товарного вида слитку цинка. В настоящий момент работу удаление пенки и окислов с поверхности слитка выполняет персонал цеха, но этот процесс трудозатратен и имеет повышенную опасность. Для исключения человеческого труда, мы, как было сказано выше, решили использовать метод создания рабочего прототипа.
Нами был исследован вопрос о вариантах решения данной инженерной задачи в отечественной и мировой науке. Мы изучили работы учёных-теоретиков середины и второй половины прошлого века (Артоболевский И.И., Литинский Б.Д., Стригин И.А., Басов А.И., Ельцев Ф.П., Троицкий А.В), современные исследования, но, к нашему сожалению, не обнаружили таких изобретений ни в теории, ни на практике (нет патентов).
ГЛАВА 1. ПРОЕКТНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РАБОЧЕЙ ГРУППЫ
Первоначальная модель прототипа или версия I (Приложение 1, рисунок 1-2) была изготовлена из конструктора LEGO Mindstorm NXT. Наш инженерный замысел, заключался в том, что для удаления пены и оксилов был предложен и использован механизм захвата типа «клешня».
Программное обеспечение для первоначальной модели прототипа или версии I (Приложение 1, рисунок 3) первоначального прототипа была написана в среде LEGO Mindstorm EV3.
Промежуточные эксперименты показали, что изначально предложенный нами механизм захвата для удаления пены и оксилов типа «клешня» имеет низкую продуктивность. По причине этого был создана усовершенствованная модель прототипа - версия II (Приложение 1, рисунок 4-5). В нем механизм захвата типа «клешня» был заменен на сгребательный механизм: плёнку гораздо эффективнее было сгребать, чем захватывать.
Также в новую версию был добавлен датчик освещённости, предназначенный для обнаружения подъезжающих изложниц.
В ходеработы нами было установлено, что функционал конструктора LEGO Mindstorm NXT перестал удовлетворять нашим техническим запросам (причина - низкие устойчивость и прочность готового изделия). Поэтому мы решили использовать конструктор TETRIX от компании Pitsco education, который дал нам возможность решать более сложные технические задачи.
Очевидным преимуществом нового инструмента проектной деятельности стали более совершенный контроллер Tetrix Prizm, созданный на базе Arduino IDE, и металлические детали вместо использовавшихся ранее пластиковых.
Из конструктора TETRIX была собрана модель карусельной разливочной машины - версия III (Приложение 1, рисунок 6).
Тангенциальная скорость вращения карусельной разливочной машины была рассчитана таким образом (Приложение 1, рисунок 8)., чтобы данная скорость вращения была идентична тангециальной скорости вращения разливочной машине, установленной в цехе «Комплекс Электролиза Цинка» ПАО «Челябинский цинковый завод». Для синхронизации этих механизмов расчеты проводились при помощи курса детали машин. По результатам расчета было определено количество пар зубчатых передач в устройстве (Приложение 1, рисунок 7-8).
Из-за отсутствия подходящих деталей было принято решение отказаться от первоначальной концепции «наклона» захвата к изложнице и заменить её на комбинацию из двух перпендикулярных зубчатых реек и шестерней (Приложение 1, рисунок 9).
Были опробованы три различных варианта датчиков, предназначенных для отслеживания перемещения изложниц: ультразвуковой, инфракрасный и датчик касания.
Выбор пал на ультразвуковой датчик, расположенный на расстоянии около полутора сантиметров от линии перемещения изложниц (Приложение 1, рисунок 10).
Далее нами был собран макет сгребающего устройства. С помощью программы Компас 3D были созданы 3D-модели изложниц (Приложение 1, рисунок 11) и сгребающих лопаток, которые позже были распечатаны на 3D-принтере (Приложение 1, рисунок 12).
Следующая проблема, с которой мы столкнулись, - выбор материала, из которого надо было изготовить лопатки сгребающего устройства. В конечном варианте механизма лопатки сгребающего устройства должны быть выполнены из тугоплавкого материала, инертного по отношению к цинку.
Для использования устройства в условиях реального производства мы рассмотрели несколько вариантов материала для изготовления лопаток:
- Вариант 1: различные виды керамических материалов (BN керамика). К плюсам данного материала можно отнести термостойкость, инертность и «скользкость». К минусам данного материала можно отнести хрупкость некоторых видов и высокая стоимость;
- Вариант 2: сталь конструкционная. К плюсам данного материала можно отнести его дешевизну. К минусам данного материала можно отнести наличие высокого коэффициента трения и высокого коэффициента теплового расширения;
- Вариант 3: титан. На наш взгляд, титан - идеальный материал для изготовления лопаток, так как он достаточно лёгкий, термостойкий, прочный и инертный. Один из недостатков титана - это его цена, которая выше относительно цены конструкционной стали больше чем в десять раз.
Финальным решением при создании сгребательных лопаткок стала идея подвести к лопаткам систему охлаждения в виде гибких тугоплавких шлангов во избежание перегрева механизма.
Итогом нашей работы стал конечный вариант модели пенкоокислосъемного устройства (Приложение 1, рисунок 13-14).
Программное обеспечение данного устройства (конечная программа) было написано в среде программирования Arduino IDE на модифицированном языке программирования C++. Вы можете видеть код искомой модели сгребающего устройства, написанный на языке С++ (Приложение 1, рисунок 15).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, мы последовательно прошли все этапы проектной работы, намеченные нами заранее, и, последовательно решая все поставленные задачи, достигли поставленной цели.
Внедрение устройства автоматического удаления окислов с поверхности слитков в плавильном отделении цеха «Комплекс электролиза цинка» на ПАО «Челябинский цинковый завод», прототип которого мы разработали в ходе нашей работы, даст предприятию следующие преимущества по отношению к конкурентам:
позволит оптимизировать численность персонала;
устранит ручной труд;
автоматизирует технологический процесс разливки металла;
позволит стабилизировать качества готового продукта;
значительно сократит травматизм персонала.
Результаты нашей работы получили высокую оценку технологов ПАО «Челябинский цинковый завод» и приняты для дальнейшего рассмотрения.
Мы очень верим в том, что итогом наших трудов станет готовое устройство, которое будет включено в производственный цикл на ПАО «Челябинский цинковый завод».
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
Артоболевский И.И. Теория и методы расчета и проектирования механизмов машин-автоматов и автоматических линий. Сборник статей. – М.: Изд-во АН СССР, 1957. – 211 с.
ГОСТ 3640-94. Цинк. Технические условия. – Минск, 1994.
Литинский Б.Д. Машина карусельного типа для центробежной отливки. Патент № 61435. - М., Типография Оборонгиза, 1949.
Машины карусельные // Машины и агрегаты металлургического производства / Расчет и конструирование машин / Машиностроение. Энциклопедия. Издание 2-ое.- М., 2004 – Т. IV-5. – Раздел IV. - c. 282.
Стригин И.А., Басов А.И., Ельцев Ф.П., Троицкий А.В. (отв. ред.). Основы металлургии. Т.7. Технологическое оборудование предприятий цветной металлургии. - М., Металлургия, 1975. - 1008 с.
Цветные металлы. Никель. Цинк. Технические условия. Марки: Сборник национальных стандартов. - М.: Стандартинформ, 2011.
Приложение 1
Рисунок 1-2. Первоначальный прототип (версия I).
Рисунок 3. Программа захвата (первоначальный вариант).
Рисунок 4. Усовершенствованный прототип (версия II).
Рисунок 5. Усовершенствованный прототип (версия II).
Рисунок 6. Модель карусельной разливочной машины
(материал – конструктор Tetrix).
Рисунок 7. Редукторная система модели карусельной разливочной машины.
Рисунок 8. Вычисления, произведённые для определения количества шестерней, необходимого для достижения искомой тангенциальной скорости.
Рисунок 9. Усовершенствованный прототип (версия III).
Рисунок 10. Усовершенствованный прототип (версия III).
Рисунок 11. Трёхмерная модель изложницы (создана в программе Kompas-3D).
Рисунок 12. Трёхмерная модель изложницы (напечатана на 3D-принтере).
Рисунок 13. Конечное устройство.
Рисунок 14. Конечное устройство. Схема.
Рисунок 15. Программное обеспечение конечного устройства.
Создано в среде программирования Arduino IDEна модифицированном языке программирования C++.