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

КРУПНОГАБАРИТНЫЕ ОХЛАЖДАЕМЫЕ МОДУЛИ ШАХТ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ
УДК 669.162.214.22 
ISBN 966-7316-32-7 
Днепропетровск 1999г.

 



Чеченєв В.А. - первый заместитель генерального директора ОАО "Днепродомнаремонт", доктор техн. наук, чл.-корр. АИНУ


Тензометрические исследования состояния кожуха шахт доменных печей


        Исследования выполнены на трех доменных печах, отличающихся конструктивным исполнением стенки шахты и применяемой системой охлаждения. Например, шахты доменных печей №4 и №5 меткомбината им.Ильича состояли из 8 крупногабаритных модулей, каждый из которых представлял собой криволинейную равнобедренную трапецию. Вплотную к бетону модулей (его толщина 310 мм) примыкала огнеупорная кладка (толщиной 575 мм из ШПД-39), в которой имелись радиальные выгорающие прокладки, расположенные через каждые 7 кирпичей. Охлаждение . шахты испарительное, поэтому в конструкции модулей применены трубы охлаждения (сталь 20) диаметром 95 мм (delta= 14 мм).
        На ДП №11 ДМК им. Дзержинского толщина крупногабаритных модулей составляла 460 мм, огнеупорная кладка отсутствовала и применялась система водяного охлаждения.

Методика и аппаратурное обеспечение исследований


        Для решения задачи экспериментального определения напряженно-деформированного состояния кожуха действующих доменных печей необходим выбор метода измерения деформаций. Требуется также разработка специальных приборов и аппаратуры для производства измерений.
        Необходимость детальной проработки всех вопросов, связанных с методикой и приборами для измерений, продиктована отсутствием надежной стандартной аппаратуры, применимой для тензометрических испытаний объектов доменного комплекса. Недостаточно разработаны и сами методы измерения деформаций кожухов доменных печей. Сложность проведения длительных натурных испытаний этих объектов обусловлена рядом требований, предъявляемых к используемым приборам и аппаратуре, важнейшие из которых:
        -стабильность показаний приборов в течение продолжительного времени;
        -независимость результатов измерений от изменения температуры окружающей среды в интервале -20...+120°С;
        -независимость результатов измерений от вредных воздействий окружающей среды (влажности, загазованности и др.).
        Задача экспериментального исследования напряженного состояния кожуха шахты доменной печи усложняется тем, что контролируемая поверхность исчисляется сотнями квадратных метров. В этих условиях применение малобазных тензометрических устройств потребовало бы огромного количества точек измерения для обеспечения надежных результатов. Наиболее существенной характеристикой для оценки напряженного состояния кожуха является величина мембранных напряжений в контролируемом сечении. Эти напряжения возможно определять путем измерения деформаций на большой базе (1-2 м).
        Учитывая изложенное, для измерения приращений деформаций кожуха доменной печи целесообразно использовать длнннобазные тензометрические устройства (ДТУ) [31, 32].
        Эти приборы имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными переносными механическими компараторами и тензорезисторами, обладают стабильными показаниями при длительных измерениях.
        В то же время конструкция приборов не позволяет измерять кольцевые и меридиональные напряжения в одной точке, а лишь с некоторым смещением. С целью устранения этого недостатка на основе ДТУ разработаны двухкоординатные длиннобазные тензометры (ДДТ), при помощи которых осуществлялось тензометрическое исследование напряженного состояния кожухов доменных печей.
        На рис.2.17 изображен двухкоординатный длиннобазный тензометр (ДДТ), состоящий из двух гибких стальных полос (1), имеющих совокупную длину l = 1 м и двух таких же полос (2) такой же длины.



        Полосы 1 и 2 взаимно перпендикулярны и располагались на объекте таким образом, чтобы их направления совпадали с направлениями главных напряжений (в конструкции шахты доменной печи это кольцевые и меридиональные напряжения). Полосы 1 и 2 дальними концами приваривались к кожуху печи и к защитному кожуху 3, изготовленному из уголков З0хЗ. Ближние концы уголков защитного кожуха приваривались к коробке 4, которая, в свою очередь, по углам приварена к кожуху шахты. Таким образом ближние концы полос прижаты к кожуху шахты. Размер С определялся ходом компаратора, входящего в комплект ДДТ (например, увеличения отсчетов в процессе измерений на 80% и уменьшения на 20%).



        Ножки компаратора крепятся таким образом, что одна из них жестко связана с корпусом индикатора, а другая - с подвижным штоком. Компаратор в процессе измерений настраивался и проверялся по шаблону, изготовленному из инвара (сплава, обладающего значительно более низким, по сравнению со сталью, коэффициентом линейного теплового расширения).
        Таким образом, конструкция ДДТ обеспечивала автоматическую компенсацию температурного расширения кожуха печи, а также достоверность и стабильность показаний при качественной установке ДДТ на объекте.
        Отличительными особенностями ДДТ по сравнению с длиннобазны-ми тензометрическими устройствами (ДТУ) являются крестообразное расположение полос и одинаковая база измерений в двух направлениях.
        Выбор мест определения напряженно-деформированного состояния кожуха шахты доменных печей производился с учетом следующих соображений.
        Охлаждаемая зона шахты печи имеет большую протяженность по высоте, следовательно, для того, чтобы выявить конфигурацию поля напряжений в меридиональном направлении, необходимо производить измерения в нескольких уровнях по высоте шахты. В то же время из опыта экспериментальных исследований [32] известно, что напряженно-деформированное состояние кожуха шахты имеет невысокую изменяемость в меридиональном направлении. Поэтому, организация измерений в трех уровнях (верх, середина и низ охлаждаемой зоны шахты) представляется достаточной с гочки зрения объема получаемой информации. Исходя из этих соображений, на ДП №5 меткомбината им. Ильича и ДП №11 ДМК им. Дзержинского ДДТ были установлены в трех уровнях по высоте шахт (см. рис.2.15 и 2.16).
        В кольцевом направлении охлаждаемая зона шахты печи состоит из нескольких (например, 8) крупногабаритных модулей, поведение которых может отличаться друг от друга в зависимости от особенностей их изготовления, от хода печи, от работы системы охлаждения. Поэтому необходимо контролировать напряженно-деформированное состояние каждого модуля в каждом из трех уровней но высоте. Применение длиннобазных двухкоординатных тензометрических устройств позволяет ограничиться установкой одного ДДТ в пределах одного модуля (в каждом уровне), то есть измерения выполнять в трех уровнях по 8 точкам в каждом.
        Исключение составляла ДП №4 меткомбината им, Ильича, где тензоустройства были расположены в двух уровнях по высоте шахты (I 22500 мм и II - 20450 мм), причем в каждом уровне измерения проводились в 5 точках.
        Точки, в которых проводились измерения, удалены от области краевого эффекта, т.к. в этой области существенными могут быть деформации изгиба, не поддающиеся измерениям на большой базе.
        Методика обработки результатов измерений была следующей.
        Согласно закону Гука для плоского напряженного состояния

 



Результаты экспериментов и сравнение величин напряжений в кожухе с расчетными


        Данные экспериментальных наблюдений, проводившихся на ДП-4 меткомбината им. Ильича, приведены на рис.2.19. Анализ графиков позволяет установить наличие двух этапов в развитии напряженного состояния кожуха шахты, соответствующих работе печи при целой и выгоревшей огнеупорной кладке. К концу первого месяца после задувки печи средние кольцевые напряжения в обоих уровнях (сечениях) интенсивно росли и достигли максимальных значений ~180 МПа во II сечении и -150 МПа - в I. В течение следующего месяца - снизились до -150 и -130 МПа соответственно и ненадолго стабилизировались. Вероятно, наблюдаемое снижение напряжений объясняется тем, что произошло максимально возможное закрытие швов кладки при выгорании прокладок.



        С разрушением огнеупорной кладки охлаждаемой части шахты (спустя полгода после задувки печи) наступил второй этап в развитии напряженного состояния кожуха. При этом, как видно из рисунка, в зимний период в условиях низкой температуры наружного воздуха (-10...-14°С в дни измерений) кольцевые напряжения в кожухе выросли до максимальных значений -240 и 200 МПа соответственно. Летом произошло снижение кольцевых напряжений до -200 и -150 МПа в рассматриваемых сечениях. Таким образом, стабилизация напряжений, например, во втором сечении произошла на уровне 220 МПа с сезонными колебаниями 20 МПа.
        Меридиональные напряжения в кожухе шахты печи развивались аналогично, однако их уровень в среднем на 20-30 МПа ниже, чем уровень кольцевых напряжений в тех же сечениях.
        Графики средних по сечениям напряжений в кожухе шахты ДП №5 мет-комбината им. Ильича приведены на рис.2.20, из которых следует, что развитие напряженного состояния кожуха шахты этой печи происходит с теми же закономерностями, которые были выявлены для ДП №4. Тем не менее, уровни напряжений как на первом (работа печи с огнеупорной кладкой), так и на втором этапе (кладка отсутствует), оказались здесь значительно ниже. Действительно, на первом этапе кольцевые напряжения во всех сечениях не превышали 85 МПа, а на втором - 110 МПа. Поскольку ДП №4 и ДП №5 меткомбината им. Ильича близки по объему, сходны по конструкции и имели одинаковую систему охлаждения, этот результат можно объяснить лучшей компенсацией термического расширения бетона за счет частоты расположения и толщины термошвов из асбестового картона.
        Средние значения кольцевых и меридиональных напряжений в кожухе шахты ДП №11 ДМК им. Дзержинского приведены на рис.2.21, из которого следует,, что падение напряжений после их интенсивного роста сразу же после задувки печи не наблюдается. Это служит подтверждением изложенной выше гипотезы о связи наблюдаемого явления с выгоранием прокладок в огнеупорной кладке. Уровень напряжений здесь еще более низок: максимальные кольцевые напряжения после задувки печи составили: в сечении 1-37 МПа, в сечении II ~60 МПа, в сечении Ш -50 МПа; после стабилизации теплового режима они достигли значений -45; 60 и 50 МПа соотаетственно.



        Сравнивая экспериментальные данные с результатами расчета по приведенной методике можно видеть их высокую сходимость.
        Например, при наличии в шахте ДП №5 меткомбината им. Ильича огнеупорной футеровки, в первые месяцы после задувки экспериментально измеренные кольцевые напряжения в кожухе не превышали: в верхнем сечении 80 МПа, в среднем - 75 МПа и в нижнем - 90 МПа (см. рис.2.20). Соответствующие расчетные значения составили: 80,35; 87,6 и 93,4 МПа. По данным экспериментов меридиональные напряжения во всех сечениях находились в пределах 30:40 МПа, по расчету: в верхнем сечении - 37,79; в среднем - 35,96 и в нижнем - 34,81 МПа.