Обертова піч

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Опис конструкції обертової печі та процесів, які в ній відбуваються

2. Дослідження НДС бандажу обертової печі при ремонтних роботах

2.1 Постановка задачі

2.2 Математична модель

2.3 Аналіз результатів

3. Підвищення ресурсу роботи бандажів обертової печі

3.1 Постановка задачі

3.2 Математична модель

3.3 Аналіз результатів

Висновки

Перелік літератури



Вступ

Сучасне металургійне виробництво базується на широкому використанні електрометалургійних методів. В електрометалургійному виробництві використовуються електроди, що виробляються на спеціальних заводах. Виготовлення електродів складається з низки технологічних етапів, що включають механічні процеси подрібнення, змішування, а також теплової обробки. Технологічний процес отримання електродів можна поділити на два основних етапи: отримання заготовок та процес графітації. Для отримання заготовок використовують матеріали з високим вмістом вуглецю, наприклад антрацит, кокс. Цей матеріал піддають процесу випалювання в обертових барабанних апаратах.

Основна мета процесу випалювання полягає у попередній усадці матеріалів, з яких будуть виготовлені вироби для того, щоб при подальшій термічній обробці в виробі не протікали об'ємні зміни (усадка) окремих зерен, з яких воно складається. При нагріванні вуглецевих матеріалів до високої температури одночасно з усадкою змінюються властивості оброблюваного матеріалу: видаляється основна маса летючих речовин, збільшується істинна і уявна густина, підвищуються електропровідність і механічна міцність.

Вуглецеві матеріали випалюють в спеціальних печах різних конструкцій. Ту чи іншу конструкцію печі вибирають з урахуванням технологічних вимог, економічних міркувань і місцевих заводських умов.

Найбільш поширеними при виробництві різних електродних виробів і анодної маси є обертові печі випалювання. Проте дане обладнання має ряд недоліків, потребує дослідження теплових і механічних процесів, які відбуваються в процесі випалювання, для можливості вдосконалення роботи обертових барабанних апаратів.



1. Опис конструкції обертової печі та процесів, які в ній відбуваються

Практика використання електричної енергії у промислових процесах базується у широкому масштабі на використанні вуглецевих виробів, які застосовуються у якості електродів та електричних провідників. Однією з найбільш стійких форм вуглецю при звичайних умовах є графіт [1]. Підвищені механічні властивості графіту при нагріванні до високих температур у значній мірі визначають його вибір, як матеріалу для умов, де потрібна висока термостійкість й електропровідність [1 - 3].

Розвиток виробництва вуглеграфітових матеріалів пов'язаний з науково-технічним прогресом у розробці нових хімічних й електромагнітних способів одержання електричної енергії, зі збільшенням масштабів виробництва якої почалося промислове виробництво дугових джерел світла з вугільними електродами (анодами та катодами). Пізніше вони трансформувалися у нові джерела одержання високих температур і підводу значних електричних потужностей в електротермії - дугових сталеплавильних печах і печах для отримання кольорових металів.

Названі галузі займають чільне місце у економічному секторі України і тому визначають необхідність виробництва штучного графіту для електротермічних процесів. Штучний графіт одержують із матеріалів, що містять вуглець у вигляді суміші з твердого наповнювача й сполучного матеріалу [4, 5]. Властивості наповнювача надалі істотно впливають на експлуатаційну стійкість вуглеграфітових електродів [7].

Сировиною для наповнювача служать різні види коксу (нафтові, пекові, кам'яновугільні та ін.), антрацити, термоантрацити [2-7]. Основною функцією сполучного матеріалу є додання зв'язаності та пластичності електродній масі при формуванні. У якості сполучного матеріалу застосовуються кам'яновугільні пеки (м'який, середньотемпературний і високотемпературний), що відрізняються температурами розм'якшення [9].

Технологічна схема одержання вуглеграфітових виробів полягає у тому, що спочатку сирі вуглецеві матеріали (наповнювач) роздрібнюють, а потім здійснюють їхню термічну обробку без доступу повітря в гартувальних (прокалочних) печах. При цьому з наповнювача видаляється волога та летучі речовини, змінюється його структура, максимально ущільнюється речовина, зростають механічна міцність, електропровідність, теплопровідність і термостійкість [2-9]. Температуру прокалки визначають на підставі емпіричних залежностей. Далі розмелений наповнювач надходить у ситове відділення, сортові дозувальні бункери, а потім в змішувач, що обігрівається, де протягом 1-5 годин здійснюється перемішування коксу з пеком. Оптимальною температурою при перемішуванні, наприклад, при застосуванні середньотемпературного пеку, є .

Готова вуглецева маса попередньо охолоджується до і надходить у пресове відділення, де їй надають потрібну форму й одержують так називані “зелені заготовки”. Ці заготовки є початковою стадією виготовлення майбутніх електродів. Далі зелені заготовки завантажують у спеціальні багатокамерні печі, зверху засипають сумішшю піску та коксу для виключення доступу кисню і забезпеченню кращого теплообміну, після чого обпалюють без доступу повітря протягом 20-40 діб. Температура у печі під час випалу досягає . При випалі відбувається коксування сполучного матеріалу, а власне заготовки спікаються в міцні моноліти. Технологія випалу й фізико-хімічні процеси, що протікають у заготовках при різних температурах, описані в роботах [9, 10].

Завершальною технологічною стадією при виробництві вуглеграфітових матеріалів є процес графітації, сутність якого складається у високотемпературній обробці цих матеріалів до у спеціальних печах графітації.

Фізико-хімічні основи процесу графітації викладені в роботах [2-7, 9, 11] та інших авторів.

Випалом називається термічна обробка вуглецевих матеріалів без доступу повітря при високій температурі. Цій операції піддаються всі види коксів і антрациту. Випал - одне з основних і вирішальних ланок виробничого циклу в технології електродів, тому що істотно впливає на формування властивостей готової продукції і на ефективність ходу виробничого процесу.

Основна мета процесу випалу полягає у попередній усадці матеріалів, з яких будуть виготовлені вироби для того, щоб при подальшій термічній обробці в виробі не протікали об'ємні зміни (усадка) окремих зерен, з яких воно складається. При нагріванні вуглицевих матеріалів до високої температури одночасно з усадкою змінюються властивості оброблюваного матеріалу: видаляється основна маса летючих речовин, збільшується істинна і уявна густина, підвищуються електропровідність і механічна міцність.

Результати досліджень показують, що при нагріванні вуглецевого тіла розміри шматків змінюються прямо пропорційно зміні його маси. Найбільша зміна обсягу відбувається при температурах, за яких виділяється найбільша кількість летких. Абсолютна величина усадки неоднакова для різних вуглецевих матеріалів і залежить від їх природи, структури, однак найбільший вплив робить вміст летких.

Виділення летких речовин для всіх видів вуглецевих матеріалів починається з температури ~ 250 ° С і безупинно наростає з підвищенням температури. Однак швидкості газовиділення з підвищенням температури наростають неоднаково для всіх вуглецевих матеріалів. У антрацитів, наприклад, кількість летких, що виділяються наростає більш плавно, ніж у нафтових коксів. Характер і швидкість наростання газовиділення у коксу пояснюється температурним режимом коксування, а у антрацитів - ступенем метаморфізму. Газовиділення при випалюваннізростає до певного інтервалу температур: для нафтових коксів цей інтервал складає 550 - 650 °С, а для донецьких антрацитів 700 -850°С. Досягнувши максимальної величини, газовиділення при подальшому підвищенні температури різко знижується і при 1100 - 1400 С° в основному завершується.

Леткі речовини, що виділяються не тільки характеризують технологічну сторону процесу, а й є носіями теплової енергії, яку слід використовувати в самій печі, знижуючи відповідно споживання газоподібного палива. Тому в конструкції прогартовувальних печей повинно бути передбачено використання виділених летких.

Після завершення дегазації матеріалу припиняється його ущільнення і відбувається відносна стабілізація усадки, стабілізуються фізико-хімічні властивості. Це відбувається "при температурі прожарювання не нижче 1300 °С для коксів і 1400 °С - для антрацитів. В прогартовувальних печах повинні бути створені умови, щоб випалювання матеріалів протікало при цих температурах.

Вуглецеві матеріали випалюють в спеціальних печах різних конструкцій. Ту чи іншу конструкцію печі вибирають з урахуванням технологічних вимог, економічних міркувань і місцевих заводських умов. Застосовувані в даний час в промисловій практиці печі випалу можуть бути розділені на дві основні групи: обертові барабанні та роторні.

Ці печі різко відрізняються конструкцією і технологічними умовами випалу матеріалів - не тільки видом теплоносія, а й головним чином умовами теплопередачі. В роторних печах застосований непрямий нагрів теплом, переданим через стінку з вогнетривкої цегли. Ці печі розраховані на використання тільки газоподібного палива. В обертових печах має місце прямий нагрів, коли опалювальні гази безпосередньо контактують з випалювальним матеріалом. Ці печі можуть працювати і на газоподібному, і на рідкому паливі.

Конструкція печі

Цей тип печей найбільш широко поширений при виробництві різних електродних виробів і анодної маси. Печі володіють високою продуктивністю, для їх обслуговування потрібно нечисленний персонал. Крім того, можливо автоматизувати роботу всього переділу випалювання, обладнаного обертовими печами. До недоліків таких печей слід віднести лише великий угар вуглецю (до 8%).

На рис. 1.1 приведена обертова випалювальна піч. Вона являє собою довгий барабан, встановлений з ухилом 2,5 - 5 ° і частотою обертання 1-5 об/хв, за рахунок чого завантажений матеріал пересувається від одного кінця до іншого.

Основні конструктивні елементи печі: корпус, опори, привод головок, пальники, ущільнювальні пристрої, футеровка та термоізоляція.

Верхнім кінцем барабан з'єднаний з холодною (задньою) головкою, яка через систему борів з'єднана з димарем для відводу газів. Крізь цю головку проходить сталева охолоджуюча водою труба, через яку проводиться завантаження матеріалу в піч. З протилежного боку барабан з'єднаний з гарячою (передньої) головкою, у якій встановлені пальники для спалювання палива. Матеріал з барабана надходить в передню головку, внижній частині якої є отвір, поєднаний з холодильником, розташованим під барабаном. Холодильник являє собою обертовий сталевий барабанохолоджуваний зовні водою. Холодильник обертається зі швидкістю 5-8 об/хв, його нахил до горизонту складає 3 - 5°.

Рисунок 1- Конструкція обертової печі

Холодильник також з обох кінців з'єднаний з головками, через які в нього поступають гарячі матеріали і виходять після охолодження. Головки печі і холодильника встановлені на рейках, щоб при ремонті і огляді головки можна було відкотити від печі.

Конструкція печі в цілому - досить жорстка, забезпечує узгодженість теплового розширення окремих елементів, а також виключає можливість перегріву металу. Виконання цих умов має вирішальне значення для збереження металевої частини 1 і особливо футерування печі, яка є найбільш слабким елементом конструкції печі.

Обертові печі характеризуються високою продуктивністю і надійністю в експлуатації. Найважливішою перевагою обертових печей є відносна рівномірність температури випалюваних матеріалів, обумовлена ??його пересипанням. Рівномірний випал забезпечує високу якість продукції.

Теплообмін в печі

Механізм процесу теплообміну під обертової печі при випалі вуглецевих матеріалів вельми складний, оскільки схильний до впливу багатьох чинників, наприклад, процесів горіння палива, хімічних процесів, спалювання летких речовин, що виділяються при випалі, обертання теплового агрегату.

Обертові печі випалу працюють за принципом відкритого нагріву, при якому палаючий факел і рухомі димові гази безпосередньо стикаються з поверхнею випалювальних матеріалів.

Палаючий факел розташований вздовж вісь печі, випромінююча поверхня і довжина якого визначають зону випалювання. Специфічним для теплообміну під обертових печах є нестаціонарний процес теплової роботи футерування, яка протягом кожного обороту печі спочатку сприймає тепло від газового потоку, а потім віддає його при зіткненні з матеріалом. У перший період температура футеровки підвищується, в другій - знижується. Середня температура футеровки нижче середньої температури газу і вище середньої температури матеріалу. Газовий потік віддає тепло променеспусканнямі конвекцією відкритим поверхням матеріалу і футеровки, а також газам, що виділилися з випалюваних матеріалів. Футеровка в свою чергу віддає отримане тепло відкритій поверхні матеріалу променеспусканням, закритій поверхні - теплопровідністю і в довкілля -променеспусканням і конвекцією.

Передача тепла теплопровідністю залежить від температури, вмісту летких речовин, вологості, пористості та інших властивостей матеріалу, що нагрівається. Конвективний обмін залежить головним чином від швидкості руху теплоносія. В зоні високих температур основним видом передачі тепла на поверхню матеріалу, що нагрівається є випромінювання.

При нагріванні матеріалів в робочому просторі печі розрізняють зовнішній теплообмін, що характеризує процес передачі тепла від газового середовища і внутрішніх поверхонь печі до поверхні нагрітого матеріалу, і внутрішній теплообмін, що характеризує процес передачі тепла від поверхні матеріалу у внутрішні шари. Тепло, одержуване зовнішньою поверхнею матеріалу, поширюється всередину теплопровідністю завдяки різниці між температурами поверхні і внутрішніх шарів в шматку матеріалу. Так як шари матеріалу в обертовій печі безперервно пересипаються, то в різні періоди часу нагріваються різні шари матеріалу: якийсь час нагрівається відкрита поверхня шару, в інший період часу - матеріал всередині шару, а частина часу матеріал нагрівається при зіткненні з футеровкою. Процеси нагріву шматків матеріалу на футеровці і на поверхні шару відрізняються один від одного. Найбільш інтенсивний нагрів матеріалу на поверхні шару, менш інтенсивно нагрівається матеріал, що знаходиться на футеровці печі, а нагрівання матеріалу в шарі найменш інтенсивне, так як теплообміну майже не відбувається через малу теплопередачу між шматочками матеріалу. При такому нагріванні пересипного шару матеріалу безперервно відбувається вирівнювання температури по товщині шару.

В цілому теплообмін в шарі при обертанні печі залежить від ступеня заповнення її матеріалом, швидкості обертання, кута нахилу і діаметра печі. Інтенсивність теплообміну в шарі матеріалу тісно пов'язана з умовами зовнішнього теплообміну, що відбувається між газовим середовищем, палаючим факелом, поверхнями футеровки і матеріалу.

Для досягнення максимального теплового ефекту при випалюванні вуглецевих матеріалів в обертових печах необхідніпевні довжина, ступінь розкриття і температура факела в зоні випалювання прожарювання. Факел повинен бути не гострим, а довгим.

Для інтенсифікації зовнішнього теплообміну між гарячим газовим потоком, футеровкою та випалюваними матеріалами має важливе значення застосування палаючого факела при спалюванні газоподібного та рідкого палива в обертових печах. Світність полум'я істотно зростає при наявності в ньому дисперсного сажистого вуглецю, що виходить при розкладанні вуглеводневих сполук. Найдрібніші частинки сажі у сяючому полум'ї підсилюють передачу тепла випромінюванням.



2. Дослідження НДС бандажу обертової печі при ремонтних роботах

Обертові печі широко використовуються у виробництві чорної і кольорової металургії, будівельних матеріалів, хімічної та інших галузях промисловості. Однак найбільш складними та енергоємними є обертові печі комплексу будівельної індустрії. Робота переважної більшості таких машин відбувається в умовах високих температур, тисків, агресивних середовищ і підвищеної запиленості, що вимагає спеціальних заходів щодо підвищення їхньої надійності, безпеки й довговічності. В зв'язку з розвитком промисловості, зростає значення раціонального використання енергетичних та сировинних ресурсів.

Обов'язковою умовою нормальної роботи обертової печі є надійна та довговічна робота бандажів, які утримують піч на опірних роликах, та задають положення осі обертання. Навіть невеликі недоліки в конструкції бандажів викликають підвищений знос робочих поверхонь як бандажів так і опірних роликів, підшипників і суттєве збільшення витрат енергії на обертання [15]. Також вони прискорюють руйнування вогнетривкої футеровки, металевого корпусу і можуть призвести до аварійної зупинки технологічної лінії.

2.1 Постановка задачі

У даній роботі, з метою підвищення довговічності печі і зрівноваження навантаження на бандаж, запропонована модернізація опірного механізму [16], що включає змінену посадку і розміщення елементів опірних роликів, для підвищення надійності бандажу. Схема встановлення опірних роликів представлена на рис.1 в поперечному розрізі, який перпендикулярний до осі барабану.

Вказана ціль досягається тим, що з метою підвищення довговічності печі і зрівноваження навантаження на ролики та бандаж, запропонована конструкція опірного механізму обертової печі, що передбачає встановлення оптимальної кількості опірних роликів з кріпленням під відповідним оптимальним кутом до корпусу печі.

Рис.1 -Розташування опірних роликів

1 - підшипник, 2 - вісь, 3 - бокова пластина, 4 - опірні ролики, 5 - фундаментна рама, 6 - пружна доріжка, 7 - гідро подушка, 8 - барабан, 9 - бандаж

Для визначення працездатності опірного механізму потрібно дослідити напружено-деформований стан обертової печі та бандажу при комплексному врахуванні всіх силових факторів навантаження включаючи опірний механізм.

2.2 Математична модель

Для визначення напружено-деформованого стану печі та зони встановлення опірного механізму використовувалась інтегрована система VESNA, розроблена на кафедрі ХПСМ НТУУ „КПІ” [17]. Процесор системи VESNA дозволяє виконувати розрахунки на міцність та моделювати гідродинамічні та теплові процеси. При обчислювані використовуються алгоритми що базуються на скінченого-елементному аналізі конструкції.

Розглядалась обертова піч бандажі якої опираються на опірні ролики що встановлені на ділянці від 0 до 70є відносно осі симетрії.

Розрахункова схема для чисельного моделювання обертової печі розміром 4Ч60м приведена на рис.2, де обертова піч з опірним механізмом моделюється як 3D конструкція.

Модель включає обичайку корпусу печі, бандажі, вінцеву шестерню та футерівку, виконану з вогнетривів з урахуванням силових навантажень, викликаних дією гравітаційних сил. Задача вирішувалась в статичній постановці без врахування температурних полів, тобто при виконанні ремонтних робіт або вимушеній зупинці.

Рис.2 - Розрахункова схема обертової печі 4Ч60м

обертовий піч ремонтний бандаж

Для врахування опірного механізму в розрахунок вводиться додатковий фрагмент, що моделює опору, яка не дає бандажу можливості зміщуватись по нормалі.

Так як конструкція є симетричною, так як оброблюваний матеріал не суттєво впливає на НДС і не враховується, то для зведення до мінімуму машинного часу та розміру матриці жорсткості, розглядається половина агрегату, отримана шляхом поділу вертикальною площиною симетрії. При цьому в скінчених елементах, що знаходяться в площині симетрії, встановлюють зв'язки, перпендикулярні цьому напрямку.

2.3 Аналіз результатів

Результати розрахунку переміщення, з коефіцієнтом деформації К=300, приведені на рис.3. З рисунка видно, що максимальній прогин виникає між бандажами де встановлена вінцева шестерня. Величина прогину не перевищує 7.1 мм.



Рис.3 - Переміщення (коефіцієнт К=300)

Приведені напруження, що виникають в корпусі печі показані на рис.4. Напруження вирахувані по енергетичній теорії міцності для пластичних матеріалі. По осі абсцис показані назви скінчених елементів по довжині печі, на вісі ординат приведені напруження в МПа.

Рис.4 - Переміщення (коефіцієнт К=300)

З графіку видно, що максимальні напруження виникають в зоні встановлення центрального бандажу, і становлять Gпр=22 МПа. Напруження у вказаному бандажі представлене на рис. 5

Рис. 5 - Приведені напруження в бандажі базової моделі

Амплітуда та середнє напруження циклу становлять[18]:



де - максимальне та мінімальне напруження циклу.

При визначенні оптимального розташування опірних роликів необхідно враховувати, що деформація бандажу, при відсутності теплових впливів, має вигляд зображений на рис.6. Тому встановлення роликів в зоні під кутом менше 20є не є доцільним.

Рис. 6 - Деформація бандажу (К=500)

При проектуванні опірного пристрою моделювались різні варіанти розташування опірних роликів та досліджувався вплив їхньої кількості та кут встановлення, який змінювався в інтервалі 0 - 70є відносно осі симетрії.

В результаті численних експериментів встановлено, що установка опір на ділянці яка визначається кутом 0 - 30є не дає позитивного результату, так як основні напруження виникають в зоні розташування опірного ролика під кутом 30є.

Доцільно встановлювати опірні ролики під кутом 20 - 60є. Таке розташування призводить до мінімальних напружень в бандажі. У цьому випадку амплітуда напружень складає Ga=4.4 МПа, середнє напруження циклу Gm=5.5 МПа. Результати розрахунку приведені на графіку (рис. 7).



Рис. 7 - Приведені напруження для опірних роликів при куті установлення 20-60є

Як видно з графіків, запропонований варіант розташування опірних роликів зменшує середнє напруження Gm на 55%, амплітудне Ga на 56%, що нормалізує і розподіляє їх більш рівномірно між поверхнею бандажа та катками. Також, запропонована модернізація опірного пристрою дозволяє зменшити деформацію барабану, що свідчить про те що опірний механізм і корпус печі будуть мати більш тривалий строк служби. З огляду на це, конструкцію можна вважати працездатною і пропонувати для роботи в промислових умовах.

Слід зазначити, що дане технічне рішення є ефективним тільки при виконанні ремонтних робіт та при зупинках обертової печі. При роботі печі в експлуатаційному режимі, тобто під дією температур, в бандажі виникають температурні напруження які в декілька разів перевищують напруження що виникають за рахунок дії гравітаційних сил. Тому ефект від встановлення даного опірного механізму буде не вагомим.

Висновки.

Модернізація опірного механізму дає можливість зменшити напруження в бандажі на 53% за рахунок більш раціонального розташування роликів у опірному механізмі. Встановлення опірних роликів на ділянці 20-60є зменшує навантаження на площу контакту з роликовою опорою,сприяє більш рівномірному і симетричному розподіленню напружень по довжині бандажа, та зменшує викривлення осі барабану.

Таким чином, приведені напруження не перевищують допустимі, підвищуються строки експлуатації обладнання, що дає можливість пропонувати дану конструкцію для модернізації обертової печі.



3. Підвищення ресурсу роботи бандажів обертової печі

Обертові теплові агрегати барабанного типу - обертові печі, знайшли широке застосування в багатьох галузях промисловості, де вони використовуються як основні пристрої в процесі обробки сировинного матеріалу. Однак найбільше поширення отримали в будівельній промисловості, де у переважній більшості випадків є основними машинами в технологічній лінії [15].

Ефективність застосування обертових печей в значній мірі залежить від раціонального використання палива і правильного вибору конструктивних елементів, які повинні забезпечувати надійну роботу теплового агрегату. Важливим показниками якості роботи печі є надійність та довговічність роботи опірного механізму та бандажу, які сприймають все навантаження від маси барабана що досягає декількох тисяч тон. В зв'язку з розвитком промисловості, зростає значення раціонального використання енергетичних та сировинних ресурсів, що вимагає спеціальних заходів відносно підвищення їх надійності, безпеки і довговічності. Тому робота по розробці опірного механізму зі збільшенням ресурсу його роботи є вкрай актуальною.

Для вирішення питань їх ефективного застосування необхідно проведення серії експериментальних досліджень. Однак проведення фізичного експерименту на реальному об'єкті обмежені або трудомісткі, що пояснюється великою вартістю експериментальних досліджень, а також труднощами проведення експериментів, що виходять за рамки штатного функціонування печі. Найбільш доцільно проводити дослідження при використанні більш повних математичних моделей та сучасних обчислювальних комплексів, що дає можливість реалізувати в чисельному експерименті системний підхід до аналізу поведінки машин і апаратів в різних експлуатаційних режимах і зробити вибір раціональних технологічних і конструктивних параметрів їх роботи.

Метою даної роботи є зменшення викривлення повздовжньої осі барабану при зміні напрямку навантаження на упорний пристрій, покращення теплової ефективності, підвищення ресурсу роботи, надійності бандажа, корпусу, футерівки та збільшення терміну експлуатації. Для цього пропонується змінення опірного механізм, ефективність якого вище від існуючих, що відкриває широкі перспективи для його впровадження в технологічний процес.

3.1 Постановка задачі

На сучасних обертових печах часто використовуються бандажі уварені в корпус, так як це істотно спрощує налагодження та ремонт, але підвищує експлуатаційні вимоги, та як недотримання їх призводить до підвищеного зносу і може стати причиною аварійної зупинки печі.

Конструкція опірного механізму та бандажа з підвищеною надійністю в експлуатації приведено на рис.1. Зниження величини внутрішніх напружень і забезпечення рівномірного їх розподілу досягається за рахунок встановлення теплоізоляційного шару на торцевих поверхнях бандажа, що зменшує температурні напруження та раціонального встановлення опірних роликів, що забезпечує їх рівномірність.

Рис.7 - Розташування опірних роликів

1 - катки, 2 - вісь, 3 - бокова пластина, 4 - опірні ролики, 6 - фундаментна рама, 7 - пружна доріжка, 8 - гідро подушка,12 - барабан, 13 - бандаж



Вказана ціль досягається тим, що з метою підвищення довговічності печі, зрівноваження навантаження на ролики і бандаж, покращення теплової ефективності, запропоноване комплексне удосконалення існуючого обладнання, що передбачає модернізацію опірного механізму [15] шляхом встановлення оптимальної кількості опірних роликів з кріпленням під відповідним кутом до корпусу печі, що визначається б1 та б2 (рис.7), а також додатковою теплоізоляцією торцевих поверхонь бандажів.

Для визначення працездатності запропонованого опірного механізму та доцільності додаткової теплоізоляції, необхідно дослідити напружено-деформований стан при одночасному врахуванні всіх силових факторів навантаження обертової печі, включаючи опірний механізм та футерівку; провести тепловий та механічний розрахунок базової та модернізованої конструкції; визначити приведені, теплові та механічні напруження; чисельно обґрунтувати важливість модернізації з точки зору ресурсо- та енергоефективності.

3.2 Математична модель

Для вирішення задачі використовувалась інтегрована система VESNA, розроблена на кафедрі ХПСМ НТУУ „КПІ” [18]. Процесор системи VESNA дозволяє виконувати розрахунки на міцність та моделювати гідродинамічні та теплові процеси. При обчислювані використовуються алгоритми що базуються на скінченого-елементному аналізі конструкції.

Обертова піч з опірним механізмом моделюється як 3D конструкція. Вона включає обичайку корпусу печі, бандажі, вінцеву шестерню та футерівку, виконану з вогнетривів з урахуванням силових навантажень, викликаних дією масових сил. Задача вирішувалась в статичній постановці.

В даній роботі розглядається обертова піч 4,0х60м Криворізького цементного заводу с ввареним бандажем. Розрахункова модель включає обичайку корпусу печі, бандажі, вінцеву шестерню та футерівку, виконану з вогнетривів з урахуванням силових навантажень, викликаних дією гравітаційних сил. Задача вирішувалась в статичній постановці з врахуванням поля температур. Для врахування опірного механізму в розрахунок вводиться додатковий фрагмент, що моделює опору, яка не дає бандажу можливості зміщуватись по нормалі.

Конструктивні елементи печі, приведені на рис.8. Для врахування температурного стану використовувались експериментальних дані відносно температур футерівки всередині печі. Коефіцієнт тепловіддачі в зовнішнє середовище від корпуса и бандажів визначається по емпіричній залежності [1] .

Рис.8 - Розрахункова модель

В1, В2, В3 - бандажі обертової печі

3.3 Аналіз результатів

Результати розрахунку переміщення, з коефіцієнтом деформації К=200, приведені на рис.9. Максимальній прогин по вертикальному перерізу становить 13.5 мм, в поздовжньому 130.8 мм.



Рис.9 - Переміщення (К=200)

Для аналізу працездатності, по енергетичній теорії міцності визначались приведені напруження, які показані на рис.10.

Рис.10 - Приведені напруження корпусу обертової печі

З графіку видно, що максимальні локальні напруження виникають в зоні встановлення бандажів. Максимальні приведені напруження на перевищують допустимих, які становлять для корпусу обертової печі [G]=65 МПа.

Напруження в бандажах показані на рис.5. Максимальні приведені напруження в бандажі В1 становлять 43.4 МПа, в В2 - 59.3 МПа, В3 - 36.4 МПа.

Рис.11 - Приведені напруження бандажів обертової печі

Слідує зазначити, що в роботі було моделювались різні варіанти розташування опірних роликів та досліджувався вплив їхньої кількості та кут встановлення, який змінювався в інтервалі від б1=0є до б2=70є, вказаних на рис.7. Однак встановлення тільки опірних роликів, не дозволило суттєво зменшити напружено - деформований стан бандажу. Це пояснюється тим, що температурні напруження суттєво перевищують напруження викликані дією гравітаційних сил.

Значні температурні напруження в бандажі викликані великим градієнтом температур, що виникають за рахунок його інтенсивного охолодження навколишнім середовищем. На рис. 12а показані температурні поля в перетині стандартного бандажу, на рис. 12б в бандажі з теплоізольованими торцевими поверхнями.

а) - стандартний бандаж

б) - бандаж з теплоізольованими поверхнями

Рис.12 - Розподілення температур в перетині бандажу

З рисунків видно, що температура розподіляється більш рівномірно в тілі бандажу, що дає підстави стверджувати про забезпечення більш рівномірного напружено-деформованого стану.

При проведені чисельного експерименту для опірного пристрою моделювались різні варіанти розташування опірних роликів, досліджувався вплив їхньої кількості та кут кріплення, по відношенню до бандажів. В результаті розрахунків, було встановлено, що найменші приведенні напруження спостерігаються при встановленні опірних роликів під кутом б1=20є до кута б2=50є. Для цього випадку графік приведених напружень для бандажів показаний на рис. 13.

Рис. 13 - Приведені напруження в бандажах (б1=20є, б2=50є)

Як слідує з результатів розрахунку запропонований варіант розташування опорних роликів та теплоізоляція торцевої поверхні бандажу зменшує максимальні напруження, нормалізує і розподіляє їх більш рівномірно між поверхнею бандажа та роликами. Отримані дані свідчать про доцільність запропонованої комбінованої модернізації.

Для визначення ресурсоспроможності бандажів будемо враховувати, що так як границя міцності матеріалу бандажу істотно вища допустимих напружень [Gв]=380-420 МПа, то визначати ресурс роботи можемо з точки зору малоциклової втоми. Для цього скористаємось відомою залежністю [19]:

,

де - амплітуда напружень; - показник ступеню; N - число циклів до руйнування.

Значення та const визначаються по характеристикам матеріалу. Показник ступеню для більшості матеріалів [19]. Якщо врахувати, що матеріал бандажу не змінюється то можна записати:

, або ,



Амплітуда та середнє напруження циклу визначаються з залежностей [20]:

де - максимальне та мінімальне напруження циклу.

Ресурс роботи звичайного бандажу складає 15 років, що відповідає кількості циклів (обертів печі), N1=4800000 обертів.

Ресурс роботи визначається з врахуванням зовнішніх, середніх та внутрішніх волокон бандажу. Результати розрахунку представлені в таблиці.

Таблиця - Ресурс роботи бандажу обертової печі після комплексної модернізації

Бандаж	Ga (бз)	Gm (бз)	Ga (мд)	Gm (мд)		Ресурс (бз=15 років)	Д Ресурс
B1_зовнішній	36,17	65,17	29,32	52,05	1,52	22,82	7,82
B1_середній	58,94	114,54	45,97	64,94	1,64	24,65	9,65
B1_внутрішній	134,45	197,35	111,33	135,10	1,46	21,88	6,88
B2_ зовнішній	38,55	93,92	27,56	70,98	1,96	29,35	14,35
B2_ середній	88,10	163,13	72,29	96,74	1,49	22,28	7,28
B2_ внутрішній	200,82	276,18	173,11	194,64	1,35	20,19	5,19
B3_ зовнішній	22,45	53,03	17,04	42,27	1,74	26,04	11,04
B3_ середній	49,43	103,62	35,44	62,97	1,95	29,19	14,19
B3_ внутрішній	118,42	166,35	94,42	130,88	1,57	23,59	8,59

Таким чином, за результатами, приведеними в таблиці, передбачається збільшення строку експлуатації щонайменше на 6.9 років для бандажу В1 (рис.8), 5.2 років для бандажу В2 та 8.6 років для бандажу В3.

Також, важливим фактором є аналіз середнього напруження циклу, так як піч працює безупинно, з річним коефіцієнтом використання 0,94--0,96. Тому протягом одного року вона зазнає близько 500 тис. таких знакозмінних циклів напружень і деформацій. Відносне зменшення середнього напруження циклу у базовому та вдосконаленому бандажах визначається по залежності , і становить для бандажу В1 - 33,14%, В2 - 32,04%, В3 - 26,13%. Отже, отримані дані підтверджують ресурсоефективність впровадження запропонованого вдосконалення.



Висновки

Використана методика і алгоритми розрахунку дозволяють визначати напружено-деформований стан обертових печей з урахуванням дії, як гравітаційних сил, так і термосилових навантажень в комплексній постановці, що дає можливість детального моделювання та дослідження обертової печі в процесі роботи.

Модернізація опорного механізму шляхом встановленні опірних роликів під кутом б1=20є до кута б2=50є та теплоізоляції торцевих поверхонь дозволила зменшити максимальне напруження циклу в бандажах на 30%. За рахунок оптимального розміщення опорних роликів, зменшене викривлення осі барабану (зменшився прогин на 6.5%), при більш рівномірному і симетричному розподіленню напружень по ширині бандажа.

В свою чергу, додаткова теплоізоляція торцевих поверхонь бандажів забезпечила вирівнювання градієнту температур в тілі бандажа, що підвищило теплову ефективність, експлуатацію та надійність роботи конструкції в цілому.

Таким чином, пропоноване технічне рішення дозволяє зменшити напруження в опірному вузлі та збільшити ресурс використання бандажа на 5.2 - 8.6 років, що дає можливість пропонувати дану конструкцію для модернізації обертової печі.

У подальших дослідженнях необхідно визначити ресурс роботи та напружено - деформований стан бандажів при зміні товщини футерівки, яка відбувається за рахунок зношення при роботі теплового агрегату.



Перелік літератури

1. Фиалков А.С. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе. - М.: Аспект Пресс, 1997. - 718с.

2. Чалых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий. - М.: Металлургия, 1972. - 432с.

3. Чалых Е.Ф. Производство электродов. - М.: Металлургиздат, 1954, - 328с.

4. Чалых Е.Ф.Технология углеграфитовых материалов. - М.: Металлургиздат, 1963, - 304с.

5. Чалых Е.Ф. Обжиг электродов. - М.: Металлургия, 1981, - 116с.

6. Шулепов С.В. Физика углеграфитовых материалов. - М.: Металлургия, 1972. - 256с.

7. Фокин В.П., Малахов А.А., Малахов С.А. и др. Усовершенствование технологии обжига электродных материалов // Цветные металлы. 2002. №4. С.48-51.

8. Соседов В.П., Чалых Е.Ф., Графитация углеродистых материалов. - М.: Металлургия, 1987. - 187с.

9. Санников А.К., Сомов А.Б., Ключников В.В. и др. Производство электродной продукции. - М.: Металлургия, 1985. - 129с.

10. Сасин А.Г., Метелица Я.В., Стоячко Н.П. Реконструкция токопроводящего перехода сдвоенной печи графитации // Цветные металлы. 1980. №8. С.48-49.

11. ДСТУ 4083-2002Вугілля камяне та антрацит для пиловидного спалювання на теплових електростанціях.

12. Агроскин А.А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М., Недра, 1980, 256 с.

13. Михеев М.А. Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип., М. «Энергия», 1977, 344 с.

14. Чалых Е.Ф. Оборудование электродных заводов. М.: Металлургия, 1990, 238 с.

15. Лисиенко В. Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление и экология / В.Г. Лисиенко, Я.М. Щелоков, М.Г. Ладыгичев. М.: Теплотехник, В 2-х книгах. Книга 1, 2004. 688 с.

16. Патент Російська Федерація, № 977911, Опорное устройство вращающегося барабана.

17. Богданов А.И. Механическое оборудование цементных заводов. М.: Машгиз, 1961, с.269.

18. О. С. Сахаров, В. Ю. Щербина, О. В. Гондлях, В. І. Сівецький. САПР. Інтегрована система моделювання технологічних процесів і розрахунку обладнання хімічної промисловості: Навчальний посібник - К.: ТОВ “Поліграф Консалтинг”, 2006. - 156 с.

19. Г.С. Писаренко, Сопротивление материалов / Писаренко Г.С. Агаев В.А Квитка А.Л., Попков В.Г. Уманский Э.С., Учебник. - 4-е изд., перераб. и доп. - Киев: Вища школа, 1979. - 696 с.

20. Трощенко В. Т. Деформирование и разрушение металлов при многоцикловом нагружении. - Киев: Наук, думка, 1981. - 344 с.

Размещено на Allbest.ru

...