CC BY
117
УДК 528.02+658.58
ВЛИЯНИЕ НАГРЕВА ПЕЧИ НА ПРЯМОЛИНЕЙНОСТЬ ЕЕ ОСИ ВРАЩЕНИЯ
Андрей Аркадьевич Шоломицкий
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: sholomitskij@mail.ru
Павел Сергеевич Ковалев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер-геодезист, тел. (913)771-54-34, e-mail: kps@mail.ru
Татьяна Михайловна Медведская
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: mtm2112@yandex.ru
Алексей Владимирович Мартынов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер-геодезист, кафедра инженерной геодезии и маркшейдерского дела, тел. (383)343-29-55, e-mail: martinovlg@gmail.com
Рассмотрены различные методики выверки вращающихся агрегатов и условия их выполнения. Выполнен анализ литературных источников по этой теме. Отмечается, что при холодной выверке вращающихся агрегатов необходимо учитывать реальную температуру элементов печи после нагрева и проводить корректировку положения оси печи по высоте. Рассмотрены различные модели тепловых деформаций, возникающих из-за различных факторов. Приведены примеры производственных испытаний методики на цементных заводах России, проведенных в 2016-2017 гг. на двух восьмиопорных печах обжига клинкера. Определены граничные условия для выполнения корректировки оси печи после нагрева. Даны рекомендации по применению результатов исследований на промышленных предприятиях в различных условиях. Рассматриваются задачи, которые требуют дальнейших исследований и отражения в нормативной документации.
Ключевые слова: выверка, моделирование, анализ, геодезические измерения, прямолинейность оси, температура, деформация, корректировка.
Введение
В настоящее время в цементной, горной и металлургической промышленности используются вращающиеся печи (ВП) и агрегаты различных конструкций и длины: от двухопорных до восьмиопорных. Длина изменяется от 30 до 200 и более метров. Поддержание в прямолинейном состоянии оси вращения протяженных агрегатов является важной задачей маркшейдерской и геодезической служб этих предприятий. Методы определения непрямолинейности оси вращения печи разделяются на две группы. Первая группа - это методы так называемой «холодной» выверки, при которой печь охлаждается, разгружается и
останавливается. Наиболее часто применяют метод, предложенный Оргпроект-цемент [1], хотя есть и множество более современных методов [2, 3]. Вторая группа методов носит название «горячая» выверка, особенностью которой является то, что выверка производится на работающем в штатном режиме агрегате. Родоначальником этого вида выверки является польская компания «ОеоБегуех» [4], хотя в последнее время появилось несколько технологий, использующих лазерные локационные методы, например [5]. Считается, что технология горячей выверки наиболее подходит для производственных условий: во-первых, нет потерь от простоя оборудования; во-вторых, нагретый до рабочей температуры, агрегат находится в рабочем состоянии.
Обе технологии будут сосуществовать и далее, так как они взаимно дополняют друг друга. После выполнения ремонтных работ: замены роликов, бандажей или участков обечайки, которые производятся на охлажденной печи, - обязательно нужно выполнить холодную выверку, так как эти операции могут привести к изменению положения оси печи.
Практически во всех литературных источниках по холодной выверке [6-9] отмечается, что после выравнивания оси печи в холодном состоянии необходима ее корректировка после нагрева. В [1] приводится упрощенная методика, учитывающая только температурное расширение бандажа. Исследования, выполненные в [9], предполагают более точный учет деформации оси печи в результате нагрева. Эти исследования выявили, что на пятиопорной печи отклонения оси вращения из-за нагрева до рабочей температуры составляют до 10 мм. Это намного превышает допуск, установленный [1], ±3 мм. На практике коррекция печи из-за температурных деформаций практически не применялась -это было связано с контактными измерениями температуры, которые нельзя было выполнить на вращающейся печи. В последнее время появились бесконтактные методы измерений температуры: в дискретных точках пирометром или в некоторой области тепловизором. По этим измерениям можно построить температурную модель печи и решать с ее помощью прикладные задачи [10, 11].
Авторы статьи поставили перед собой задачу определения граничных условий, при которых необходимо выполнять коррекцию оси печи из-за нагрева, после холодной выверки. Эти условия рассмотрены на примерах производственной работы по выверке вращающихся цементных печей.
Производственные измерения
Исследования авторов базировались на производственных работах по выверке вращающихся печей на одном из цементных заводов Сибири в 2016 г., работы выполнялись на вращающейся печи № 6, и в 2017 г. измерения выполнялись на вращающейся печи № 3. На этих объектах были выполнены дискретные замеры температуры пирометром Яау1ек Яау^ег БТ, который позволяет определить область измерения с помощью одноточечного лазерного прицела, с точностью ±1 °С. Измерения температуры были выполнены во время ее
нормальной работы, произведены замеры таких элементов, как обечайка, бандаж и ролики. Всего было выполнено около 100 измерений для каждой печи, линейные температурные модели печей приведены на рис. 1.
I I
40 ... 60 80 ... 100 120 ... НО 160 ... 180 200 ... 220 240 ... 260 280 ... 300 320 ... 340 360 ... 380 400 ... 420
б)
Рис. 1. Нагрев корпуса печи: а) модель ВП № 6; б) модель ВП № 3
Такие различные температурные модели могут быть вызваны многими причинами, однако для близких по размеру цементных печей наиболее вероятной причиной является качество футеровки печи. Для печи № 3 характерна более низкая температура корпуса в связи с тем, что за 3 месяца до выполнения этих измерений на печи выполнялись ремонтные работы, которые включали восстановление формы вращающихся элементов, частичный ремонт футеровки и холодную выверку печи. Для печи № 6 характерным является более высокая температура корпуса, выше почти на 100 °С, и наличие температурных аномалий в зоне обжига. Такие явления говорят о плохом состоянии огнеупорной футеровки печи, печь часто останавливалась из-за необходимости восстановления разрушенных и выпавших участков футеровки.
Используя эти модели, можно выполнить моделирование деформаций оси вращения идеально выравненной печи при холодной выверке, если печь затем нагреть до рабочей температуры. При этом радиус увеличится на АЯ (рис. 2),
и по правилу сложения векторов получим изменение высоты центра бандажа АН по формуле
АН = а ЯА Т2соБ(в),
где а = 12 • 10-6 - температурный коэффициент линейного расширения для стали, °С-1;
Я - радиус бандажа, мм;
АТ - разница температур между самым холодным бандажом, обычно это бандаж № 1, и текущим бандажом, °С ;
в - половина центрального угла (рис. 2), для реальных печей 28-32 °, в расчетах принималось среднее значение в = 30 °.
Рис. 2. Модель вертикальных деформаций
На рис. 2 точка О - центр вращения бандажа после холодной выверки; О1 -центр вращения после нагрева, окружность, показанная штриховой линией, -это бандаж после нагрева; АН - смещение центра бандажа, это и есть параметр деформации оси печи в вертикальной плоскости. Эта модель не учитывает множество факторов: нагрев роликов, изменение точки касания роликов, разницу в размерах бандажей и др., однако из-за их малого влияния на деформирование оси вращения они в данной модели не учитываются и расчеты выполнялись только по главному фактору - изменению радиуса бандажа после нагрева.
Результаты моделирования показаны на рис. 3 и 4, расчеты приведены в табл. 1 и 2.
4,50 4,00 3,50 3,00
о 2,00
I-
О 1,50 1,00 0,50 0,00
Рис. 3. Деформация оси ВП № 6 при нагревании
Деформация оси печи N9 3 при нагревании
■ 3,87
А
1 ч 3,09 Л
/ \ / 2,66
/ \ 2,40 ✓ / \ \ ч X
1 \ 1 * о 2,09 \ ч
1 «'1,64 \ \
'к
1 1 1 1,46
1 !
1
1 1
0,00 J
Бандажи5
Рис. 4. Деформация оси ВП № 3 при нагревании
Параметры ВП № 6
Таблица 1
Бандаж 1 2 3 4 5 6 7 8
Я, мм 2 679,7 2 661,5 2 730,4 2 652,6 2 657 3 037,1 3 046,6 3 029,9
Т, °С 43,0 53,0 83,0 80,0 87,0 90,0 90,0 90,0
АТ, °С 0,0 10,0 40,0 37,0 44,0 47,0 47,0 47,0
АН, мм 0,00 0,55 2,27 2,04 2,43 2,97 2,98 2,96
Таблица 2
Параметры ВП № 3
Бандаж 1 2 3 4 5 6 7 8
Я, мм 3 150,1 3 050,7 3 035,2 3 041,7 3 044,0 3 047,1 3 101,8 3 048,0
Т, °С 37,0 98,0 63,0 75,0 79,0 70,0 85,0 60,0
АТ, °С 0,0 61,0 26,0 38,0 42,0 33,0 48,0 23,0
АН, мм 0,00 3,87 1,64 2,40 2,66 2,09 3,09 1,46
Анализ и рекомендации
Анализ графиков деформаций осей печей при нагревании свидетельствует о нелинейном характере деформаций. Это вызвано неравномерным нагревом бандажей вращающейся печи, что, в свою очередь, может быть следствием двух основных факторов. Во-первых, это качество и техническое состояние огнеупорной футеровки на подбандажной обечайке. При длительной работе печи футеровка неравномерно изнашивается по длине печи, что приводит к неравномерному повышению температуры бандажей. Второй причиной являются конструктивные особенности бандажей. Так, плавающие бандажи имеют маленькую площадь контакта с нагретой до высокой температуры подбандажной обечайкой и нагреваются слабее. Вварные бандажи имеют большую площадь соприкосновения с подбандажной обечайкой и поэтому нагреваются гораздо сильнее. Если на печи имеются бандажи двух типов, они будут иметь большой перепад температур и вызывать неравномерные деформации бандажей. Так, на печи № 3 (см. рис. 4), имеется вварной бандаж № 2, повышенная температура которого приводит к деформации оси печи на 3,87 мм.
В результате моделирования деформаций оси печи при ее нагреве на двух реальных печах получены деформации, которые в основном меньше допуска ±3 мм, определенного нормативными документами [1, 7]. Для печи № 3 корректировка обязательна. Формально для печи № 6 можно дальнейшую корректировку не выполнять. Однако следует учесть, что эти допуски были установлены почти 30 лет назад, когда в распоряжении геодезиста-выверщика были только оптико-механические способы определения прямолинейности оси печи, которые на длинных печах не могли обеспечить точность выше ±5 мм, а с тех пор появились новые методы, основанные на лазерных измерениях и позволяющие определить координаты центров бандажей с точностью ±1 мм [3, 5]. В свете этого, отклонения в 2 мм не выглядят маленькими и допустимыми. В литературе отмечается [6, 7], что отклонение оси от прямой на 2-3 мм увеличивает потребляемую мощность привода печи, быстрее разрушает огнеупорную футеровку и приводит к внеплановым ремонтам.
Авторы предлагают следующий алгоритм действий после выполнения холодной выверки. После разогрева печи и выхода на рабочий режим необходимо выполнить измерение температуры бандажей и построить графики деформации осей (как на рис. 3 и 4). Если график деформаций имеет вид, близкий к линейному, с точностью до ±1 мм, то корректировку положения оси печи можно
не производить. Если отклонения составляют более ±1 мм, то необходимо выполнить оптимальную корректировку, т. е. вычислить такое положение оси, чтобы передвижек роликов было минимальное количество.
Вторым вариантом этого алгоритма может быть выполнение технического аудита печи по сокращенному методу горячей выверки [5], который предполагает только измерение бандажей.
При выполнении этих исследований у авторов возникло много вопросов: об обоснованности допусков, о влиянии непрямолинейности печи на возникающие при этом напряжения в корпусе печи, о влиянии на долговечность огнеупорной футеровки - и многие другие, на которые авторы намереваются ответить в своих дальнейших исследованиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. СТОиР. Система технического обслуживания и ремонта технологического оборудования предприятий промышленности строительных материалов. Выпуск I. Цементная промышленность. Часть I. - Оргпроектцемент, 1989. - 236 с.
2. Петров В. В., Тюрин С. В., Копытов А. Н. Контроль геометрических характеристик вращающихся печей // Цемент и его применение. - 2010. - № 2. - С. 78-82.
3. The Analysis of Methods for Determining the Geometric Parameters of Rotating Machines / S. G. Mogilny, A. A. Sholomitskii, V. A. Seredovich, A. V. Seredovich, A. V. Ivanov // Proceedings of the 2nd International Workshop «Integration of Point-and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects (Studgart 23th-24th march 2015). - Studgart, Germany. -p. 119-130.
4. Krystowczyk B. Ausrichten von Drehofen und Korrektur der Tragrollen-Verdrehundenwaehrend des Betriebes // ZementKalkGips International. - 1983. - № 5. - p. 288-292.
5. Технология контроля и выставки вращающихся агрегатов / А. А. Шоломицкий, А. А. Лунев, А. Л. Сотников, В. Н. Машичев // Металлургические процессы и оборудование. - 2013. - № 2 (32). - С. 39-49.
6. Кузьо И. В., Шевченко Т. Г. Расчет и контроль установки агрегатов непрерывного производства. - Львов : Вища школа, 1987. - 176 с.
7. Руководство по выверке технологического оборудования в металлургической промышленности. - М. : Министерство металлургии СССР, 1991. - 213 с.
8. Асташенков Г. Г. Геодезические работы при эксплуатации крупногабаритного промышленного оборудования. - М. : Недра. - 1986. -151 с.
9. Prystupa, O., Krutyankov I. Effect of temperature on the position of the axis rotation of the rotary kiln [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://zgt.com.ua/wp-content/uploads/2014/10/08_THE-EFFECT-0F-TEMPERATURE-0N-THE-P0SITI0N-0F-THE-AXIS-OF-ROTATION-OF-THE-ROTARY-KILN.pdf.
10. Захаренко В., Никоненко В. Измерение и визуализация температуры корпуса вращающейся печи [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.rmo.ru/ru/ nmoborudovanie/nmoborudovanie/2005-4/38_40_OTA_04_05.pdf.
11. Обнаружение пережога на вращающейся печи [Электронный ресурс]. - Режим доступа : https://www.hgh-infrared.com/ru/primenenie/Promyshlennaya-termografiya/Obnaruzhenie-perezhoga-na-vraschayuschejsya-pechi.
Получено 18.09.2017
© А. А. Шоломицкий, П. С. Ковалев, Т. М. Медведская, А. В. Мартынов, 2017
EFFECT OF TEMPERATURE ON THE STRAIGHTNESS OF THE AXIS OF THE ROTARY KILN
Andrei A. Sholomitsky
Siberian State University of Geosystems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Dr. Sc., Professor, Department of Engineering and Mining Geodesy, phone: (383)343-29-55, e-mail: sholomitskij@mail.ru
Pavel S. Kovalev
Siberian State University of Geosy stems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer Surveyor, Department of Engineering and Mining Geodesy, phone: (913)771-54-34, e-mail: kps@mail.ru
Tatyana M. Medvedskaya
Siberian State University of Geosy stems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Senior Lecturer, Department of Engineering and Mining Geodesy, phone: (383)343-29-55, e-mail: mtm2112@yandex.ru
Alexey V. Martynov
Siberian State University of Geosy stems and Technology, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer Surveyor, Department of Engineering and Mining Geodesy, phone: (383)343-29-55, e-mail: martinovlg@gmail.com
Various methods of alignment rotating aggregates and the conditions for their implementation are considered. The literature sources on this topic are analyzed. It is noted that with the cold alignment of rotating aggregates, it is necessary to take into account the actual temperature of the furnace elements after heating and to correct the position of the furnace axis in height. Various models of thermal deformations arising due to various factors are considered. Examples of production testing methods at cement plants in Russia conducted in 2016-2017 on two octagonal kilns of clinker burning are given. The boundary conditions for performing the correction of the furnace axis after heating have been determined. Recommendations are given on the application of research in industrial enterprises under various conditions. Problems that require further research and reflection in the regulatory documentation are considered.
Key words: alignment, modeling, analysis, geodetic measurements, axial straightness, temperature, deformation, correction.
REFERENCES
1. STOiR. (1989). System of maintenance and repair of technological equipment of enterprises of the building materials industry: Issue I, Cement industry. Part I. Orgproektcement [in Russian].
2. Petrov, V. V., Tyurin, S. V., & Kopytov, A. N. (2010). Control of geometric characteristics of rotating furnaces. Cement i ego primenenie [Cement and its Application], 2, 78-82 [in Russian].
3. Mogilny, S. G. Sholomitskii, A. A., Seredovich, V. A., Seredovich, A. V., & Ivanov, A. V. (2015). The Analysis of Methods for Determining the Geometric Parameters of Rotating Machines. Proceedings of the 2nd International Workshop «Integration of Point-and Area-wise Geodetic Monitoring for Structures and Natural Objects (pp. 119-130). Germany: Studgart.
4. Krystowczyk, B. (1983). Ausrichten von Drehofen und Korrektur der Tragrollen-Verdrehundenwaehrend des Betriebes. ZementKalkGips International, 5, 288-292.
5. Sholomitskii, A. A., Lunev, A. A., Sotnikov, A. L., & Mashichev, V. N. (2013). Tekhnologiya kontrolya i vystavki vrashchayushchihsya agregatov. Technology of control and exhibition of rotating aggregates. Metallurgicheskie processy i oborudovanie [Metallurgical Processes and Equipment], 2(32), 39-49 [in Russian].
6. Kuz'o, I. V., & Shevchenko, T. G. (1987). Raschet i kontrol' ustanovki agregatov nepreryvnogo proizvodstva [Calculation and control of the installation of continuous production units]. Lviv: High school [in Russian].
7. Rukovodstvo po vyverke tekhnologicheskogo oborudovaniya v metallurgicheskoj pro-myshlennosti [Guide to the reconciliation of process equipment in the metallurgical industry]. (1991). Moscow: Ministry of Metallurgy of the USSR [in Russian].
8. Astashenkov, G. G. (1986). Geodezicheskie raboty pri ehkspluatacii krupnogabaritnogo promyshlennogo oborudovaniya [Geodetic work in the operation of group-size industrial equipment]. Moscow: Nedra [in Russian].
9. Prystupa, O., & Krutyankov, I. (2014). Effect of temperature on the position of the axis rotation of the rotary kiln. Retrieved from http://zgt.com.ua/wp-content/uploads/2014/10/08_THE-EFFECT-OF-TEMPERATURE-ON-THE-POSITION-OF-THE-AXIS-OF-ROTATION-OF-THE-ROTARY-KILN.pdf [in Russian].
10. Zaharenko, V., & Nikonenko, V. (2005). Measurement and visualization of the temperature of the casing of the rotating owen. Retrieved from http://www.rmo.ru/ru/nmoborudovanie/ nmoborudovanie/2005-4/38_40_OTA_04_05.pdf [in Russian].
11. Detection of burns on a rotary kiln. (2017). Retrieved from https://www.hgh-infrared.com/ru/primenenie/Promyshlennaya-termografiya/Obnaruzhenie-perezhoga-na-vraschayuschejsya-pechi [in Russian].
Received 18.09.2017
© A. A. Sholomitsky, P. S. Kovalev, T. M. Medvedskaya, A. V. Martynov, 2017
