1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)

Вiстi Академiї iнженерних наук України
Спецiальний тематичний додаток вiддiлення "Важкого i транспортного машинобудування"
(збiрник наукових статей)
1998р.

 

ВИБIР КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРIВ ЕЛЕМЕНТIВ ВЕЛИКОГАБАРИТНИХ ОХОЛОДЖУВАЛЬНИХ МОДУЛIВ 

Чеченєв В.А. - первый заместитель генерального директора ОАО "Днепродомнаремонт", к.т.н., чл.-корр. АИНУ


        Досвiд застосування великогабаритних модулiв у шахтах доменних печей |1| свiдчить про те, що використання для охолодження товстостiнних труб iз ст. 20, що володiє значним запасом пластичних властивостей, у цiлому забезпечує достатньо добру газощiльнiсть та стiйкiсть кожухiв при довжинi скоб 0.5, 1.0 та 1.5 м.
        Разом з тим показано [2], що отвори пiд труби, що виготовляються у кожусi модуля, є концентраторами напруг, якi при певних умовах можуть стати мiсцем початку утворення трiщин у кожусi. При досить великiй кiлькостi отворiв (що вiдповiдає застосуванню скоб з меншою довжиною), ймовiрнiсть утворення трiщин у кожусi шахти зростає.
        Тому досить актуальним є питання про максимально допустиму довжину товстостiнних труб у конструкцiї великогабаритного модуля. Обгрунтоване збiльшення їх довжини буде супроводжуватися зменшенням кiлькостi отворiв у кожусi, що кiнець-кiнцем пiдвищить його стiйкiсть i надiйнiсть роботи доменної печi.
        При збiльшеннi довжини охолоджувальних труб у конструкцiї модуля варто мати на увазi, що у процесi експлуатацiї термiчнi умови роботи труб можуть суттєво змiнюватись.



        Аналiз напруженого стану показав, що величиною дотичних напруг можна знехтувати i розрахунок труб виконуванi тiльки на нормальнi напруги:



        На величину напруг у найбiльш навантажених перетинах труб впливає термiчний рiст кожуха. З достатньою для практики точнiстю величини температурного росту кожуха i труби можна розраховувати за схумою стержня. При цьому розрахунок напруженого стану труб можна робити на рiзницю температур "труба - кожух" модуля. У результатi розрахункiв одержанi данi про змiни напруг у трубах рiзного дiаметру та довжини (рис.2).
        Зi збiльшенням цих параметрiв труб охолодження досягаються високi напруги у вузлах 1 та 10 при меншiй допустимiй рiзницi у температурах кожуха та труби. Виготовлення труб охолодження по схемi рисi вимагає вирiшення питання про оптимальне спiввiдношення довжини труби (l) i її вильоту (h) за межi кожуха модуля. Встановити цю величину можна при пiдборi параметрiв l та h, що задовольняють умовi мiцностi:



        де М0 - згинальний момент у трубi у перерiзi її приварки до кожуха; W - момент опору перетину труби; D -зовнiшнiй дiаметр труби; h -вилiт труби; Е - модуль пружностi; Rу - розрахунковий опiр матерiалу труби.



        На рис.З наведенi данi розрахунку: кривi на рисунку с нижньою межею комбiнацiї / та Л, що задовольняє умовам мiцностi вузлiв 1 та 10. Точки, що лежать нижче кривих, умовам мiцностi не задовольняють, вище кривих - задовольняють.



        Зниження рiвня напруг у вузлах 1 та 10 може бути досягнуте шляхом застосування рiшень, що дозволяють компенсувати температурне видовження труб.
        Одним з таких рiшень г направлений вигин труб у середньому перерiзi по їх довжинi. Визначення величини напруг у мiсцях жорсткого крiплення (зварюванням) товстостiнних (D=70 i 95 мм при delta=14 мм) труб довжиною 2.0 м до дожуха модуля при рiзних варiантах їх вигину (таблиця 2).



        Очевидно, що зниження рiвня напруг у мiсцях прилягання труб до кожуха можна одержати при введеннi в конструкцiю додаткового вигину труб за схемами В, Г та Д. Напруги, що у цьому випадку розвиваються у трубi D=70 мм та delta=14 мм у вузлах 1 та 10 нижче значень sigmaв (тимчасовий опiр) i sigma1, (межа текучостi) для ст.20.
        Таким чином, введення у трубi охолодження додаткових вигинiв дозволяє значною мiрою компенсувати її термiчний рiст. Однак при цьому актуальним стає питання про рацiональну конфiгурацiю гнутих труб, вуглiв вигину з метою визначення впливу цих факторiв на рiвень напруг у мiсцях приварювання труб до кожуха модуля, на жорсткiсть труб у напрямку руху шихти у доменнiй печi.
        На рис.4 представлено два варiанти вигину товстостiнних труб. В обох варiантах труба охолодження має вигин у середнiй частинi (точка С). Однак у варiантi



        При оцiнюваннi напруженого стану труб прийнято, що непрямим свiдченням здатностi труб чинити опiр впливам шихти є їх жорсткiсть у напрямку руху шихти (u, кг/м).
        Розрахунки виконанi для труб 70x14 мм довжиною 2.0 м при рiзних значеннях (рис.5) вугла їх вигину (а) та величини прогину (f). Умовно прийнято, що перепад температур мiж температурами труби та кожуха модуля складає deltaT=100°С. Насправдi, як показує досвiд роботи доменних печей, шахти яких виготовленi iз крупнога-баритних охолоджувальних модулiв, deltaT складає 10-40°С у перiоди нормальної роботи i сягають 60-70°С при надмiрно розвинутому периферiйному ходi печi.



        Результати розрахункiв поданi на рис.5. Збiльшення вугла вигину (а) супроводжується пониженням жорсткостi труб обох варiантiв. Однак у дiапазонi змiни а вiд 0 до 8° i позицiй жорсткостi найбiльш прийнятними є труби варiанта I, вiд 8° i бiльше - труби варiанта II.
        Оцiнюючи значення максимальних еквiвалентних напруг, що розвиваються у небезпечних перерiзах труб (вузли I та 10), можна бачити (рис.6), що збiльшення вугла вигину труби приводить до найбiльш ефективного зниження рiвня напруг у трубах, що мають додатковий згин у порожнинi труби (тобто, варiант II).



        Представляє також iнтерес iнший можливий шлях зниження рiвня напруг у трубах за рахунок введення до конструкцiї спецiального температурного компенсатора (рис.7). У цьому випадку один вивiд труби жорстко защемлено у кожусi, а iнший -сполучається з кожухом через патрубок. При цьому iз зовнiшнього боку кожуха заявляється вiдрiзок (13-14 на схемi рис.7а та 16-17 на схемi рис.76), що з'єднує поряд розташованi виводи труб охолодження.



        У таблицi 3 поданi результати розрахунку напруг в елементах холодильної труби для варiанта рис. 7а при застосуваннi випарювального охолодження (дiаметр труби 95 мм, delta=14 мм, температура 150°С) i компенсатора на одному iз виводiв труби через кожух модуля (патрубок дiаметром 153 мм i товщою стiнки 6 мм).



        Порiвнюючи данi таблицi 1 i таблицi 3, можна стверджувати, що застосування компенсаторiв на одному iз виводiв труб охолодження у конструкцiї великогабаритних модулiв с ефективним конструктивним рiшенням, що забезпечує пiдвищення надiйностi шахти i доменної печi у цiлому.
        Ще бiльшою мiрою позитивний вплив компенсаторiв позначається у трубах, вигнутих у двох площинах (по схемi рис.76).
        Тут самокомпенсацiя труб здiйснюється за рахунок деформацiй вигину та кручення, що розвиваються у трубах замiсть лiнiйних подовжень при змiнi температури.
        Для труби нормальна напруга у будь-якiй точцi перетину визначається за формулою:



        Дотичнi напруги вiд поперечних сил Qy та Qz обчислюються



        На рис.9 наведенi значення напруг, що розвиваються у найбiльш навантажених зонах труби (вузли 1 та 12; точка 12 належить патрубку) залежно вiд параметрiв патрубка. Можна бачити, що збiльшення жорсткостi патрубка веде до росту напруг у трубi охолодження. А саме: збiльшення товщi стiнки та дiаметра патрубка, а також зменшення його висоти над кожухом викликає пiдвищення напруг у вузлах 1 та 12. Вплив висоти патрубка особливо значний.



        Таким чином, введення до конструкцiї великогабаритної о модуля компенсаторiв напруг для труб охолодження дозволяє суттєво пiдвищити надiйнiсть таких конструкцiй i збiльшити гранично допустиму довжину труб.
        Це технiчне рiшення допускає також бiльш високий перепад температур мiж кожухом та трубою, нiж при жорсткому закрiпленнi у кожусi обох виводiв труб.






ВИСНОВОК

        1. Iз наведених дослiджень напруг у скобах випливає, що при експлуатацiї печi виникаючi напруги у робочiй поверхнi скоби знаходяться у мiсцi пружних деформацiй, окрiм вузлiв врiзу у кожух.
        2. Одержанi данi про рацiональнi параметри труб охолодження у конструкцiї модуля шахти при застосуваннi водяної та випарювальної систем охолодження доменної печi.
        3. Додатковий вигин товстостiнних труб у середнiй їх частинi дозволяє значно зменшити напружений стан труб у мiсцях їх жорсткого крiплення (зварюванням) до кожуха великогабаритних модулiв. При цьому заявляється можливiсть збiльшення довжини труб охолодження до 2.0 м i бiльше, що вимагає виготовлення меншої кiлькостi отворiв у кожусi, якi є мiсцями концентрацiї напруг. I ї,им забезпечується збiльшення газощiльностi кожуха i надiйнiсть його роботи.
        4. Для забезпечення високої жорстк'остi труб охолодження по вiдношенню до впливiв шихти, що рухається, та шиженнн напруженого сiяну труб переважним є варiант їх вигину у середнiй частинi з вуглом до 8° у площинi скоби.
        5. Зниження напруг у товстостiнних трубах охолодження великогабаритних модулiв досягається також установкою компенсаторiв патрубкiв на одному iз виводiв труб через кожух. Збiльшення довжини патрубка веде до зниження рiвня напруг у найбiльш напруженому перерiзi, а збiльшення товщi стiнки i дiаметра - до росту. Застосування компенсаторiв забезпечує роботу труб при будь-яких iз типорозмiрiв труб, що застосовуються, i темпера турi теплоносiя.


БIБЛIОГРАФIЧНИЙ СПИСОК

        [1] Опыт применения крупногабаритных охлаждаемых модулей на доменных печах / С.Т.Плискановский, Е.А.Царицын, В.А.Чеченев и др. // Сталь. - 1997. - №2. - С .9-13.
        [2] Чеченев В.А. Исследование термонапряженного состояния кожуха шахт доменных печей, изготовленных из урпногабаритных водоохлаждаемых модулей // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1998. - №2.
        [3] Чеченев В.А. К вопросу о рациональных параметрах труб охлаждения в конструкции крупногабаритных модулей шахт доменных печей (Сообщение 1) // Теория и практика металлургии. - 1998. - №1. - С.56-58.
        [4] Upper Shaft liming repair technique extends campaign life at Kashima Works / K.Sato, S.Hara, Y.Kajiwara, J.Kamiya // Steel Times. - 1987. - №12. P.625-626.