ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫЕ СИЛЫ В ДИНАМИКЕ ИЗНОСА ПЕРИКЛАЗНОУГЛЕРОДИСТОГО ОГНЕУПОРА РАБОЧЕГО СЛОЯ ФУТЕРОВКИ КОНВЕРТЕРА Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Химия и технология неорганических веществ

УДК 621.81

S.A. Suvorov, V.N.Tarabanov, V.V. Kozlov

potentially dangerous forces in the dynamics of the magnesia-carbon refractory wear in the working layer of the lining of the converter

St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: SPBGTI-Suvorov@yandex.ru

A description and an estimate of the damaging effects of wave mechanics thermal hysteresis, circulation - bubblingand thermo-mechanical forces on the working layer MgO-C refractory lining of the converter.

Disclosed potential sources of destruction of the refractory lining in the workinglauer of the converter.

Keywords: converter working layer, lining, wave mechanical strength, thermal hysteresis strength, circulation-bubble forces thermomechamical strength, algorithm wear of MgO - C refractory.

С.А., Суворов1, В.Н.Тарабанов2, В.В. Козлов3

потенциально опасные

силы в динамике

износа периклазно-углеродистого огнеупора рабочего слоя футеровки

конвертера

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: SPBGTI-Suvorov@yandex.ru

Проведено описание и дана оценка разрушающего воздействия волновых механических, тепловых гисте-резисных, циркуляционно-барботажных и термомеханических сил на периклазноуглеродистый огнеупор рабочего слоя футеровки конвертера. Раскрыты потенциальные источники и силы, вызывающие деструкцию и способствующие разрушению огнеупора в рабочем слое футеровки конвертера.

Ключевые слова: конвертер, рабочий слой, футеровка, волновые механические силы, тепловые гистерезисные силы, циркуляционно - барботажные силы, термомеханические силы, динамика разрушения, алгоритм износа

DOI 10.15217^п1998984-9.2015.30.13

Разрушения огнеупоров в рабочем слое футеровки конвертера протекают в условиях многостадийных термически активируемых процессов и сопровождаются массовым сбросом или поглощением энергии. Такие системы открыты, имеют тепловые, механические, материальные, информационные контакты с окружающей средой: они неравновесны и диссипативны.

Создаются условия для возникновения устойчивого развития явлений самоорганизации, как в геометрическом пространстве, так и в координатах фазовых переменных [1].

Результаты аналитических исследований разрушений футеровки конвертера показывают, что износ ог-неупора рабочего слоя футеровки конвертера - сложная непрерывная функция во времени, зависящая от многих факторов, которые можно исследовать, используя статистические закономерности [2].

Цель настоящей работы состоит в рассмотрении методологии разрушения огнеупора рабочего слоя футеровки высокотемпературным пылегазовом потоком

с шлакометаллическими включениями, динамики износа огнеупора потенциально опасными термомеханическими силами и накопленной потенциальной энергии.

Основными факторами разрушения огнеупора являются:

- энергия разрушения огнеупора Эразр., которая включает в себя разрушение материала огнеупора, ослабленного термомеханическими напряжениями под действием волновых механических, тепловых гистерезисных и термомеханических сил высокотемпературным шлакоме-таллическим расплавом и пылегазовым потоком в процессе продувки и додувки;

.- энергия потенциального разрушения огнеупора Эпот. разр., которая характеризует перерождение материала под действием высоких температур в менее устойчивое состояние, из-за образования дефектов в сплошности структуры, т. е. развитию трещин, что способствует разрушению огнеупора рабочего слоя. Энергия разрушения Эразр. не только тратится на эрозионный износ Ээроз. огнеупора рабочего слоя - футеровки конвертера, но также ослабляет неразрушенную его часть за счет проявления тер-

1 Суворов Станислав Алексеевич. д-р техн. наук, профессор, каф. химической технологии тугоплавких неметаллических силикатных материалов СПбГТИ(ТУ), e-mail: SPBGTI-Suvorov@yandex.ru

Suvorov Stanislav A., DSci (Eng.), Professor, Department of Chemical Technology of refractory nonmetallic silicate materials, e-mail: SPBGTI-Suvorov@ yandex.ru

2 Тарабанов Виктор Николаевич, д-р техн. наук, профессор каф.управление и защита в чрезвычайных ситуациях СПбГПУ, Политехническая ул., 29, СПб., 195251 e-mail: tarabanov.vik@yandex.ru

Tarabanov Viktor N., DSci (Eng.), professor, Department of Management and Protection in Emergency Situations, Peter the great Saint-Petersburg Polytechnic university , Polytechnicheskaya, 29, St. Petersburg, 195251, Russia, e-mail: tarabanov.vik@yandex.ru

3 Козлов Владимир Владимирович, канд. техн. наук доцент каф. химической технологии тугоплавких неметаллических и силикатных материалов СП6ГТИ(ТУ), e-mail: chemic@ya.ru

Kozlov Vladimir V., PhD. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemical Technology of refractory nonmetallic silicate materials, St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), e-mail: chemic@ya.ru

Дата поступления - 24 апреля 2015 года Received April 24, 2015

момеханических напряжений накопленной потенциальной энергии разрушения Эпот. разр..

Энергия термомеханических сил потенциального разрушения Эпот. разр. огнеупора постоянно дестабилизирует, ослабляя его структуру при каждой плавке, при этом наращивает свои потенциальные возможности и проявляет себя значительным усилением разрушения огнеупора рабочего слоя в периоды плавок.

Таким образом. функцию энергии разрушения Эразр. огнеупора рабочего слоя можно представить, как геометрическую сумму энергий (потенциальной) накопленной Энакопл. и энергии кинетической (накопляемой) Экин. Здесь Энакопл. = ТО), где Q - накопленная энергия в огне-упоре; Экин. = ^2), где V2 - ускорение разрушения огнеупо-ра, вызванное накапливаемой потенциальной энергией.

В период продувки ванны кислородом температура в конвертере повышается до Тпрод.. = 1650 °С, что превышает температуру жидкого чугуна Тчуг. = 1350 + 1450 °С. При додувке ванны кислородом температура в конвертере может достигать максимального значения Тдодув... = 1750 °С и выше, в течение времени Тдодув.. За периоды времени продувки и додувки происходит интенсивный рост внутренних напряжений в огнеупоре рабочего слоя футеровки. После слива стали температура футеровки снижается примерно до 1550 °С [2, 3, 7].

В связи с постановкой задачи рассмотрена двухмерная модель распределения термических напряжений в толстостенном цилиндре, которые в толстостенном цилиндре распределяются неравномерно по толщине в зависимости от изменения теплового потока. Значения деформаций огнеупора определяются на основе обобщенного закона Гука [5]:

(1)

где г, z - координаты цилиндрической системы: г - внутренний радиус футеровки, м; z - расчетная высота футеровки, м; Е, р, а - значения модуля упругости, Па; коэффициента Пуассона и коэффициента линейного расширения, 1/ °С; ДТ = Т(г) - приращение температуры при продувке и додувке ванны над температурой жидкого чугуна, °С; стъ, Стг - нормальные напряжения футеровки, Н/м2.

Из уравнения (1) после преобразований определена функция максимального напряжения в остающейся толщине огнеупора рабочего слоя футеровки конвертера в области действия термомеханических сил:

[1 ыЦ>

I (Гл +Гу)2 ТА Л

(2)

(Г1+Г2)

Здесь Г1 - радиус от оси конвертера до поверхности оставшейся толщины огнеупора рабочего слоя футеровки конвертера, м; Г2 - радиус от оси конвертера до границы рабочего слоя футеровки конвертера с защитным слоем кладки, м; ДТ = Т1,2 , где ДТ1, = Т1 - Тчуг и ДТ2, = Т2 - Тчуг - температуры при продувке Т1 и додувке Т2 ванны кислородом; Стм.н.о.р.с.ф. - максимальное напряжение в огне-упоре рабочего слоя; м - максимальная; н - напряжение; о. - огнеупор; р - рабочий; с - слой; ф - футеровка.

В работе рассмотрен конвертер с внутренним объемом V = 350 м3, основные параметры которого следующие: D = 6450 мм - наружный диаметр огнеупорной футеровки конвертера;

1тр.с.ф. = 1100 мм - толщина рабочего слоя футеровки;

1д.и.о.р.с.ф = 675 мм - допустимый износ огнеупора рабочего слоя футеровки.

На рисунке 1 приведена схема факторов, воздействующих на огнеупор рабочего слоя футеровки конвертера; 1т.р.с.ф- толщина огнеупора в рабочем слое футеровки (поз. 1), в мм; ось (поз. 12) конвертера; положение зеркала шлакометаллического расплава до продувки ванны (поз. 11), поверхность шлакометаллического расплава во время додувки (поз. 9); шлакометаллический расплав в периоды продувки (поз. 10) и додувки (поз. 14); приведены фурма (поз. 2) для подачи кислорода в ванну шлако-металлического расплава конвертера, кислородный конус (поз. 3); кислородные линзы (поз. 4), образованные от соударения кислородного конуса с зеркалом шлакометал-лического расплава.

Рисунок 1. Схема факторов, воздействующих на огнеупор рабочего слоя футеровки конвертера в периоды продувки и додувки: 1 - огнеупор рабочего слоя футеровки конвертера; 2 - фурма для продувки ванны; 3 - кислородный конус; 4 - кислородные линзы в жидком чугуне; 5 - поток шлакометаллический расплава под действием волновых механических сил в начале продувки при соударении с кислородной линзой (уровень 1) в период начала продувки; 6 - поток шлакометаллического расплава на уровне кислородной линзы 11 под действием волновых механических в конце конце продувки и циркулярно - барботажных в ночале додувки сил; 7 - поток шлакометаллического расплава на уровне кислородной линзы 11 под действием волновых механических и циркулярно - барботажных сил в начале додувки; шлакометаллический расплав под действием циркулярно - барботажных сил в период додувки из кислородной линзы жидкого чугуна в конце додувки; 8 - поток шлакометаллический

расплава на уровне 111 кислородной линзы под действием сил циркулярно - барботажных сил в период додувки; 9 - поверхность шлакометаллического расплава в конце продувки и во время додувки; 10 - шлакометаллический расплав во время продувке; 11 - положение шлакометаллического расплава при

продувке и додувки; 12 - ось конвертера; 13 - траектории высокотемпературных пылегазовых потоков с включениями шлакометаллического расплава

Поток шлакометаллического расплава под действием волновых механических сил при соударении с кислородной линзой (уровень 1) в период начала продувки (поз. 5); поток шлакометаллического расплава на уровне кислородной линзы 11 под действием волновых механических в конце продувки и циркулярно-барботажных в начале додувки сил (поз. 6); поток шлакометаллического расплава на уровне кислородной линзы 11 под действием волновых механических в конце додувки (поз. 7); поток шлакометаллического расплава на уровне 111 кислородной линзы под действием сил циркулярно-барботажных сил в период додувки (поз. 8).

На огнеупор рабочего слоя на участке А1 - S3 действует высокотемпературный пылегазовый поток с включениями шлакометаллического расплава (поз. 13).

До продувки ванны уровень зеркала шлакометаллического расплава находится ниже уровня В (направление F) и еще ниже уровень зеркала шлакометаллического расплава во время додувки. Снижение зеркала шлакометаллического расплава, обусловлено вытеснением его на рабочий слой футеровки под действием струй кислородного дутья в периоды продувки и додувки ванны. Цилиндрическая часть футеровки, омываемая шлакоме-таллическм расплавом между точками А1 и В (направление W), равна h4 = 1,1м.

В периоды продувки и додувки ванны на огнеупор рабочего слоя действуют тепловые потоки разной интенсивности. Разрушение огнеупора в рабочем слое футеровки шлакометаллическим расплавом на участке А1 - А1 происходит волновыми механическими (поз. 5) и цирку-лярно-барботажными (рисунок 1, поз. 6; поз. 7; поз. 8) силами.

В процессе многократных плавок в объеме огнеупора рабочего слоя футеровки по высоте А^ происходит накопление потенциальной энергии Э„ак0пл., которая трансформируется в термомеханические напряжения, способствующие разрушению огнеупора рабочего слоя футеровки под действием высокотемпературного пылега-зового потока с включениями шлакометаллического расплава.

На рисунке 2 приведена схема разрушения огнеупора рабочего слоя футеровки за период 3000 плавок шлакометаллическим расплавом на участке А2 - А1: волновыми механическими (рисунок 2 поз 15), тепловыми гистерезисными (поз 16), термомеханическими (рисунок 2, поз. 17) и циркуляционно-барботажными (поз. 19) силами; на участке А1 - S3. (поз. 24) высокотемпературным пылегазовым потоком.

Все траектории функций h = f(l) рассмотрены с учетом соотношений единичных векторов 1д.и.о.р.с.ф../И4 = 1,63, которые соответствуют повороту оси В - 01 на угол ф = 58 °461, где h4 - участок износа рабочего слоя огнеупора в период 3000 плавок.

Так как траектория высокотемпературных гис-терезисных тепловых сил несколько опережает волновую механическую функцию (траекторию), то омывание шлакометаллическим расплавом поверхности огнеупо-ра рабочего слоя приводит к интенсивному разрушению примерно в средней по высоте части футеровки в зоне действия волны шлакометаллического расплава в периоды продувки и додувки, что ранее было показано в [3, 4].

Траектория объединенных функций волновой механической и тепловой гистерезисной сил разрушения огнеупора в зоне действия шлакометаллического расплава в период продувки (рисунок 2, поз. 15) сливается с траекторией термомеханических сил (рисунок 2, поз. 23) в точке Лп, ниже которой траектория распространяется до оставшейся толщины (рисунок 2, поз. 18) огнеупора в рабочем слое.

Рисунок 2. Разрушения огнеупора рабочего слоя футеровки за период 3000 плавок: зона воздействия шлакометаллического расплава на участке А2 - А1; зона воздействия высокотемпературного пылегазового потока на участке А2 - s3:14 - допустимая толщина износа рабочего слоя;

15 - траектория волновой механической функции разрушения огнеупора шлакометаллическим расплавом в периоды продувки;

16 - траектория функций разрушения огнеупора тепловыми гистерезисными силами в период продувки; 17 - траектория

объединенных механических волновых и тепловых гистерезисных функций сил разрушения огнеупора футеровки в периоды продувки; 18 - траектория объединенных термомеханических функций сил разрушения огнеупора в периоды продувки и додувки; 19 - траектория разрушения огнеупора турбулентными дискретными потоками шлакометаллического расплава в пределах виртуального конуса термомеханическими и барботажно - циркуляционными силами в периоды продувки и додувки; 20 - ось траектории разрушения огнеупора турбулентными дискретными потоками шлакометаллического расплава в пределах виртуального конуса термомеханическими и барботажно - циркуляционными силами в периоды продувки и додувки; 21 - траектория функций разрушения огнеупора футеровки циркулярно - барботажными силами шлакометаллического расплава в периоды продувки и додувки; 22 - траектория асимптоты функций волновых механических, тепловых гистерезисных, в периоды продувки и додувки; 23 - траектория функций разрушения огнеупора в периоды додувки; 24 - траектории функций термомеханических сил возможного разрушения огнеупора рабочего слоя футеровки потенциальной накопленной энергией.

Разрушение шлакометаллическим расплавом огнеупора рабочего слоя футеровки происходит в пределах контура А1 - S6 - Лп - а1 - а - б - б1 - А2 - А1. Разрушение на участке а1 - а преимущественно обусловлено действием сил (рисунок 2, поз. 18) и (рискнок 2, поз. 19). На участке б - б1 разрушение огнеупора происходит под действием циркуляционно-барботажных (рисунок 2, поз. 21) сил. Взаимодействие потоков приводит к турбулентности в виртуальном конусе В - б - а - В (рисунок 2, поз. 19) с осью В - 01 (рисунок 2, поз. 20).

В период додувки усиливаются циркулярно-бар-ботажные потоки (рисунок 2, поз. 23), которые в пределах В - а1 - б1 - В (рисунок 2, поз. 22) увеличивают турбулентность в В - б - а - В (рисунок 2, поз. 19), что приводит к

глубокому разрушению огнеупора рабочего слоя. Образующие конуса а1 - а; б - б1 (рисунок 2, поз. 22) являются асимптотами соответственно функций (рисунок 2, поз. 18 и поз. 19).

Подача кислорода в конвертер приводит к перемешиванию шлакометаллического расплава волновыми механическими, циркуляционно-барботажными силами и температурными перепадами по типу брюсселятора [6]. В результате эффекта брюсселятора шлакометалличес-кий расплав приобретает периодическое вращательное покачивающееся движение, которое способствует обновлению составов и уменьшению толщины диффузионного слоя, увеличению площади взаимодействия огнеупора рабочего слоя футеровки со шлакометаллическим расплавом. При этом образующиеся высокотемпературные пылегазовые потоки с включениями металла и шлака совершают периодическое вращательное движение, как и масса шлакометаллического расплава.

На рисунке 3 представлены траектории функции разрушения огнеупора в зоне воздействия высокотемпературных пылегазовых потоков.

Рисунок 3. Траектории функций разрушения огнеупора в рабочем слое футеровки накопленной потенциальной энергией в зоне воздействия высокотемпературного пылегазового потока в периоды продувки и додувки (Вырыв 1, рис. 2): 25 - траектории функций волновых механических сил, действующих в тангенциальном направлении; 26 - траектории функций тепловых гистерезисных сил, действующих в радиальном направлении; 27 - траектории объединенных функций волновых механических и тепловых гистерезисных сил накопленной энергии разрушения огнеупора рабочего слоя; 28 - контур разрушения шлакометаллическим расплавом огнеупора в рабочем слое.

Траектория функций волновых механических на-гружений (рисунок 3, поз. 25) и соответствующих сим-батных им механических напряжений определяются экспоненциальными зависимостями и действуют в тангенциальном направлении по контуру спирали.

Траектория функций тепловых гистерезисных высокотемпературных нагружений (рисунок 3, поз. 26) и соответствующих им термомеханических напряжений подчиняется экспоненциальному закону [8].

Траектория объединенных функций волновых механических и гистерезисных тепловых высокотемпературных нагружений (рисунок 3, поз. 27) и соответствующих им термомеханических напряжений, распространяющихся по контуру спирали характеризуется экспоненциальной зависимостью.

На рисунке 3 представлен контур А1 - S6 - Лп -а1 - а - б - Б - В - А1 функций (рисунок 3, поз. 28), который является частью большого контура Sз - А1 - В - Б - б - а - sз - разрушения огнеупора рабочего слоя волновой механической и тепловой гистерезисной силами в условиях воздействия потока шлакометаллического расплава.

При проведении вычислений траекторий функции потенциальных разрушений огнеупора в рабочем слое должны быть использованы безразмерные (относительные) величины значений параметров для преодоления их разноразмерности, используя приведенные энергетические параметры.

Определим модуль векторной суммы у^в.м, состоящей из функции траектории разрушения огнеупора брюсселятором убр., [6] и экспоненциальной траектории [8] разрушения огнеупора у-юж, (рисунок 4, поз. 29):

(3)

где к1 - коэффициент; у, бр. и у, вж - функции брюсселятора и волновой механической; / - число плавок: 1, 2, 3, ..., ¡,..., z - 1, z.

Траекторию разрушения огнеупора у^ определяем в виде интегрально-дифференциальной суммы функций уТ,в.м. (3) и траектории термомеханических напряжений (рисунок 4, поз. 30) в огнеупоре от у,г.т. гистерезисных высокотемпературных тепловых сил [8]:

Ув =к2 ' 'Уъ.в.м+Р2 'У>г.т.)]У<

(4)

Здесь к2 - коэффициент интегрально-дифференциальной суммы частных производных; / - число плавок: 1, 2, 3, ..., ¡, ..., z -1, z ; г - гистерезисная; т - тепловая; рг и р2 - весовые коэффициенты.

Окончательное уравнение траектории функции уд.и.о.р.с.ф. траектории износа огнеупора рабочего слоя будет иметь вид геометрической суммы функций у¡1 (4) и у^в.м,, (3):

Уд.и.о.р.с.ф. - к ■ + У^ш.м.

Здесь к - коэффициент.

(5)

Ось конвертера

Рисунок 4. Траектории накопленной потенциальной энергии в зоне воздействия высокотемпературного пылегазового потока (Вырыв 1, рис. 3): 29 - траектория функции термомеханических сил разрушения огнеупора рабочего слоя в период додувки; 30 - точки слияния траекторий функций термомеханических сил разрушения

огнеупора рабочего слоя в периоды продувки и додувки; 31 -разрушаемые слои огнеупора во время плавок; 32 - объединенные траектории термомеханических сил разрушения огнеупора в периоды продувки и додувки.

На рисунке 4 показаны траектории функций потенциальных разрушений огнеупора в рабочем слое термомеханическими силами накопленной потенциальной энергии Эпот.разр. в условиях действия высокотемпературного пылегазового потока. По оси ординат приведен износ огнеупора в рабочем слое в условиях действия высокотемпературного пылегазового потока в диапазоне высот от А1 до уровня S3.

По горизонтальной оси приведены !д.и.о.р.с.ф,ср^ усредненных толщин разрушения огнеупора рабочего слоя футеровки в мм при продувке и додувке в зоне воздействия высокотемпературного пылегазового потока.

Средневзвешенное значение возможного разрушения огнеупора рабочего слоя за плавку принято:

! д.и.о.р.с.ф. - ср. i — ! д.и.о.р.с.ф./ z — 675/3000 —

0,225мм/плавку. (6)

В точках слияния (рисунок 4, поз. 30) траекторий функции разрушения огнеупора в рабочем слое в периоды продувки и додувки волновых механических (рисунок 3, поз. 25) и тепловых гистерезисных (рисунок 3, поз. 26) сил, в результате накапливания потенциальной энергии в огнеупоре происходит суммирование термомеханических напряжений.

Координаты накопленной потенциальной энергии в огнеупоре в периоды продувки и додувки для каждой плавки приводятся к безразмерному виду:

а —. !д.и.о.р.с.ф 1 , в — !. д.и.о.р.с.ф.11 ;

Тпрод. — 1710 с, Тдод. — 90 с.

При в : а — Тдод. : Тпрод. — 0,053 о.е.; > (7)

принимаем: а — 1 - в — 0,947.

Итого: а — 0,947 о.е., в — 0,053 о.е.;

с — ^ (!д.и.о.р.с.ф. - ср^ + !д.и.о.р.с.ф-ср>1),

где а и в - расчетные средние толщины износа огнеупора рабочего слоя в относительных единицах; Тпрод. и Тдод. -время продувки и додувки в секундах; /д.и.о.р.с.ф,ср.н. - средние толщины износа огнеупора рабочего слоя для каждой плавки; с - положение точки слияния траектории функций разрушения огнеупора в рабочем слое футеровки по высоте цилиндрической зоны футеровки конвертера для каждой i-й плавки.

Положение точек слияния траекторий функций разрушения огнеупора рабочего слоя соответственно при продувке и додувке накопленной потенциальной энергией позволяет использовать их при определении толщин разрушения огнеупора:

д.и.о.р.с.ф - ср

i — & ■ е

д.и.о.р.с.ф

е0 — еа

(8)

где е0 - показательная функция суммарного разрушения в точке слияния траекторий разрушения огнеупора в каждой 1-й плавке (рисунок 4, поз. 30) в периоды продувки и додувки. (рисунок 4, поз. 32).

На рисунке 5 представлена картина потенциальных разрушений огнеупора в рабочем слое футеровки. Принятые к рассмотрению условия:

Тпрод. — 1650 °С; Тдод. — 1750 °С;

Тчугуна = 1450 °С.

(9)

ДТпрод. — Т прод. — Т чугуна _ 200 °С. ДТдод. — Тдод. — Тчугуна — 300 °С.

МАХд^ДТ — Л£д (а- д^ДТпрод. + + в д^ДТдод.)] — 205 °С.

Здесь Тпрод.; Тдод.; Тчугуна - температуры соответственно продувки, додувки и чугуна; а и в - безразмерные коэффициенты, определяемые положения точки слияния траекторий функций.

Контуры разрушения (рисунок 5):

- при продувке

(рисунок 5А)

- при продувке и додувке (рисунок 5Б)

Таблица.

Параметры показателей.

Сравниваемые параметры

и /д.и.о.р.с.ф.-б по мето-

Продувка + додувка Продувка

(5п. - д.)исх. (Б3 - П2 - Бц - А1 - Б3 ) — 4 м2 (Зп)исх.. (Б3 - П2 - Бю - А1 - Б3 ) — 0,854 м2

МАХдгаЬДТп. -д — 205 °С МАХдга<1ДТ п. — 189 °С

дга<1ДТ п. - Д — 118 °С дга<1ДТ п. — 109 °С

Положение серединной плоскости огнеупора - 550 мм Положение серединной плоскости огнеупора - 550 мм

Положение горизонтальной плоскости скольжения - от уровня Б3 - 1,17 м Положение горизонтальной плоскости скольжения - от уровня Б3 — 2,47 м

[Стизг] — (10 -12) МПа при Т — 1400 °С [Стизг] — (10 - 12) МПа при Т — 14000С

[Ств] — (40 - 70) МПа при Т — 20 °С [Ств] — (40 - 70) МПа при Т — 20 °С

Стизг. п. - д =30 кг/см2 Стизг п. =10 МПа

Масса потенциально возможной разрушаемой части периклазоуглеродистого рабочего слоя футеровки составит до 30 тонн. Масса потенциально возможной разрушаемой части периклазоуглеродистого рабочего слоя футеровки составит до 10 тонн.

Рисунок 5. Картина потенциального разрушения огнеупора в рабочем слое футеровки за период 3000 плавок: 32 - серединная плоскость в огнеупоре рабочего слоя; 33 - плоскость возможного скольжения материала огнеупора под воздействием термических

напряжений потенциальной накопленной энергии в периоды продувки и додувки; 34 - контур возможного разрушения рабочего слоя термомеханическими силами потенциальной энергией в периоды продувки и додувки; 35 - плоскость возможного скольжения материала огнеупора под воздействием термических напряжений потенциальной накопленной энергии в периоды продувки; 36 -серединная плоскость в огнеупоре рабочего слоя; 37 - контур возможного разрушения рабочего слоя термомеханическими силами потенциальной энергией в периоды продувки;

А) период продувки;

Б) период продувки и додувки.

Для определения линий скольжения для случаев (рисунок 5А и рисунок 5Б) определены координаты центров тяжести Ц.Т2 и Ц.Т характеристики для периодов плавки при продувке и додувке, а также для продувки соответственно для контуров /д.и.о.р.с.ф.-дике [5].

Примечание

Здесь Sп. - д.; Sп. - площади возможного разрушения рабочего слоя футеровки для продувки и додувки S„. - д, для продувки Sп; МАХдгаб АТп. - д.; МАХдгабАТ„ - градиент изменения температур для продувки и додувки, для продувки; Рпрод + дод; Рпрод. - масса возможной разрушенной части рабочего слоя футеровки для продувки и додувки, для продувки; Оскольж. п. - д.; Оскольж. п. - предел прочности срыва возможной разрушаемой части рабочего слоя футеровки при продувке и додувке; при продувке.

Расчеты координат центров тяжести для [Ств.] Ц.Т и [Стизг]. Ц.Т11 для контура на рисунке 5А; центров тяжести [ств] Ц.Т2 и [ст„зг]. Ц.Т21 для контура на рисунке 5Б; проведены в соответствии с методикой [5], где Ц.Т1 и Ц.Т2 - центры тяжести для контуров (рисунок 5А и 5Б) с [ств] - разрушающим усилием огнеупора рабочего слоя.

Расчеты Ц.Т11 ; и Ц.Т21 - центры тяжести для контуров (рисунок 5А и 5Б) приведены и сопоставлены с [стизг] - разрушающем усилием при изгибе огнеупора рабочего слоя; Ц.Т11 ; и Ц.Т21 - центры тяжести для контуров (рисунок 5А и 5Б) соответственно с Стизгп1 и Стизг.п + д1 - разрушающем усилием огнеупора рабочего слоя.

Расчеты координат центров тяжести и переходы систем от Ц.Т1 к Ц.Т11 и от Ц.Т2 к Ц.Т21 проводились в соответствии с траекториями функций разрушения огнеупора рабочего слоя футеровки (уравнения (3)-(9)) и методиками по [5, 8].

Расчеты показывают неравенство объемов потенциального разрушения огнеупора в рабочем слое футеровки: V2 > V! в зоне воздействия высокотемпературного пылегазового потока, усиленного проявлением термомеханических сил потенциальной накопленной энергии при МАХдгаЬ ДТпр.+я. — 205 °С для плавок в периоды продувки и додувки при МАХдгаЬ ДТпр. — 189 °С.

Риски преждевременного разрушения периклаз-ноуглеродистого огнеупора от участия термомеханических напряжений накопленной потенциальной энергии возрастают из-за нарушения сплошности структуры, т.е. увеличения дефектности огнеупорного материала.

Траектории функции разрушения периклазно-углеродистого огнеупора рабочего слоя конвертера накопленной потенциальной энергии, волновыми механическими, циркулярно-барботажными силами могут быть использованы для оценивания ресурсных возможностей периклазоуглеродистого огнеупора в рабочем слое футеровки конвертера.

Выводы

Показано, что разрушение периклазоуглеродис-того огнеупора определяется действием шлакометаллического расплава, вызванного волновыми механическими и циркуляционно - барботажными силами на структуру материала, ослабленную термомеханическими напряжениями за счет потенциально накопленной энергии.

Энергия потенциального разрушения огнеупора постоянно ослабляет структуру при каждой проведенной плавке стали - проявляет себя значительным увеличением износа огнеупора рабочего слоя от коррозионного и эрозионного воздействия высокотемпературного шлакометаллического расплава и пылегазового потока.

Траектория функций разрушения периклазоуг-леродистого огнеупора рабочего слоя футеровки конвертера накопленной потенциальной энергии, которая проявляется действиями термомеханических напряжений, может быть применена для определения ресурсных характеристик футеровки при эксплуатации, т.к. отражает происходящие события износа огнеупоров в рабочем слое футеровки конвертера.

Литература

1. Вольтер Б.В. Устойчивость режимов работы химических реакторов. М.: Химия, 2000. 160 с.

2. Суворов С.А., Тарабанов В.Н. Тезисы докладов. Феноменологический подход к износу футеровки конвертера. // Новые огнеупоры. 2010. № 4. С. 41.

3. Суворов С.А., Тарабанов В.Н. Козлов В.В. Эволюция износа футеровки конвертера для плавки стали // Известия СПбТИ(ТУ). 2013. № 19(45). С. 22-26.

4. Кащеев И.Д. Стрепов К.К. Свойства и применение огнеупоров: справочное издание. М: Теплотехника, 2004. 352 с.

5. Федосьев В.И. Сопротивлениее материалов: учеб. пособие для вузов. М.: МГТУ, 2000. 592 с.

6. Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука, 1992. 378 с.

7. Суворов С.А. Огнеупоры для металлургической промышленности // Известия СПбТИ (ТУ). № 2(28). 2007. С. 3-8.

8. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. М.: Высшая школа, 1998. 479 с.