Источник: Журнал Кокс и химия, Россия. 1991. №9. с. 35-37.

Проектирование большегрузных коксовых батарей на заданную долговечность. 2. Выбор длины при заданных высоте и ширине печной камеры

Канд. техн. наук В. С. РОМАСЬКО., Е.И.Шебанова (ХИСИ)

При проектировании коксовых батарей необходимо учитывать стремление повысить качество кокса и снизить его себестоимость, увеличить производительность батареи и уменьшить затраты на капитальное строительство, сделать печи более надежными и долговечными при одновременном возрастании единичной мощности.

Наличие большого числа противоречивых критериев затрудняет решение задачи оптимального проектирования. Строго говоря, задача многокритериального оптимального проектирования может иметь одно единственное или множество решении, или не иметь ни одного решения вовсе.

Представляют интерес подходы к проектированию коксовых батарей, в основу которых положена группа непротиворечивых критериев, охватывающая наиболее существенные экономические и прочностные критерии проектирования, допускающие существование единственного решения задачи оптимального проектирования.

Один из таких непротиворечивых подходов к проектированию большеемких коксовых печей разработан фирмой «Крупп – Копперс» [1].Согласно этому подходу заданной производительности коксовой батареи соответствует определенная ширина S₀ печной камеры, обеспечивающая достижение минимума капитальных затрат на производство одной тонны кокса в год. При выборе оптимальной ширины печной камеры используют данные натурных опытов по изучению влияния ширины камеры печи на величину интенсивности qmax максимальной поперечной нагрузки на стенки камеры при коксовании, учитывают число коксовых машин и печей, входящих в состав одной батареи. Из условия прочности 80 кПа материала кладки простенка печи на растяжение по оптимальной ширине S₀ для заданной высоты Н камеры выбирается оптимальная толщина h₀ про стенка печи. Длина печной камеры L находится в определенном соотношении с шириной и высотой камеры и выбирается из условия возможности вытолкнуть коксовый пирог из камеры печи без учета долговечности конструкции печи и влияния процесса выдачи на напряженное состояние простенков печи.

При выбранной минимальной величине капитальных затрат на производство одной тонны кокса в год экономические показатели предприятий во многом зависят от долговечности конструкции t*, которая при заданных величинах ширины печной камеры S₀ и толщины простенка h₀ определяется высотой камеры H и температурой отопительных каналов Т_В. Соотношение j(t*, H, T_B) = 0, установленное по деформационному критерию    e £ e_прсд   прочности при высокотемпературной квазистатической ползучести динаса [2], позволяет выбрать такую высоту печной камеры, которая обеспечивает заданную долговечность t* конструкции печи при температуре Т_В. Температура отопительных каналов при заданном составе шихты и толщине греющей стенки может быть найдена из условия получения требуемого для доменного производства качества кокса.

Большинство ныне действующих промышленных печей с шириной печной камеры 0,41 м и высотой 4,3; 5; 5,5 и 7 м имеют длину до 16 м, причем с ростом высоты камеры сопротивление выдачей Рвыд коксового пирога из камеры печи увеличивается и может привести к «тугому ходу» и к «бурению» печи [3].

Экспериментально установлено [1], что при увеличении ширины печной камеры до 0,6 м при H =7,85 м длину печной камеры можно увеличивать до 18 м и предположительно до 20 м.

Этот экспериментальный результат очень важен для понимания влияния геометрических параметров печной камеры на процесс выдачи кокса. В частности он косвенно свидетельствует, что расширение печной камеры способствует повышению прочности характеристик коксового пирога и предотвращает появление «тугого хода» и «забуривания» печи.

Действительно, при заданных высоте и ширине печной камеры простейший расчет ее длины, основанный на эмпирической зависимости Р_выд=7r_кLHS  [1], приводит к соотношению:

L=P_выд/(7r_kSH),                      (1)

в котором плотность кокса в свою очередь зависит от высоты Н и ширины S камеры печи.

Если в первом приближении ограничиться линейной зависимостью насыпной плотности ших ты Q_H от геометрических размеров печной камеры

r_н=a₀+a₁S+a₂H,                      (2)

и принять линейную связь r_к»0,75 r_н между плотностями р_к и р_н, то при постоянной величине нормального напряжения s = Рвыд/ (НS) = соnst, равной пределу прочности s*  коксового пирога при сжатии вдоль оси Y, предельная длина L* , при которой выполняется уcловие прочности |s_y |£s^* определяется формулой:

L^*@s^*/(5.25(a₀+a₁S+a₂H)).   (3)

Из этой формулы видно, что с увеличением высоты и ширины печи критическая длина L * убывает при s*=const. Но это противоречит данным экспериментов, которые показывают, что с ростом ширины печной камеры увеличивается критическая длина L* камеры. Следовательно, принятое допущение о постоянстве предела прочности s* коксового пирога при сжатии не согласуется с данными опыта. Для того, чтобы критическая длина L* камеры росла, величина предела прочности s* коксового пирога должна увеличиваться по мере роста высоты и ширины печной камеры быстрее, чем насыпная плотность r_н.

При а₀ = 705,77; а₁ =5.633 и а₂ = 200 кг/м значения насыпной плотности r_н, вычисленные по формуле (2). представлены в табл. 1.

Таблица 1

H, м	S, м	Qн, кг/м3	Qк, кг/м3	L* , м	Pвыд, кН	s* , кПа
4.3	0.350	800	600	17.143	108	72
4.3	0.550	840	630	20.0	208	88
4.3	0.75	880	660	22.85	340	105
7.85	0.35	820	615	17.143	203	74
7.85	0.75	900	675	22.85	635	108
7.85	0.75	900	675	22.85	636	108

Для описания зависимости критической длины L* от ширины печной камеры 5 принята линейная зависимость L*= b₀+b₁S, коэффициен­ты которой b₀=12,14; b₁=14,28 м выбраны так, чтобы при S=0,41 м L*=18 м а при S = 055 м L* = 20 м.

Из табл. 1 видно, что прочность коксового пирога на сжатие при выдаче растет по мере увеличения ширины печной камеры.

При отклонении от оптимального режима коксования предел прочности s* коксового пирога снижается, и тогда эмпирическая формула (1) неприменима к оценке Рвыд, так как коксовый пирог не движется в камере как одно целое вдоль оси, а, расширяясь в поперечном направлении, касается стенок печи, после чего для того, чтобы сдвинуть его в продольном направлении, необходимо преодолеть трение кокса не только о под, но и о стенки камеры.

Естественно, что в этом случае меняется и подход к оценке предельной длины L* печной камеры, при которой удается вытолкнуть кокс из печи. Учет влияния трения кокса о стенки печной камеры на величину усилия выдачи Рвыд необходим не только при потере прочности коксового пирога, но и при потере устойчивости равновесия формы пирога, когда он касается в отдельных местах стенок. Локальное взаимодействие коксового пирога со стенками печной камеры при потере устойчивости и прочности описывается моделью, в основу которой положены упрощающие допущения о напряженном состоянии коксового пирога: нормальное напряжение s_y может быть представлено в виде произведения двух функций координат z, y s_y=f₁(z)f(y); тангенциальные напряжения t_xy, t_zy выражаются через нормальные напряжения s_y по формулам t_xy = k^эфa_б^эфs_y,  t_Zy = k^эфa_б^эфs_y, в которых k^эф и a_б^эф  — соответственно эффективные коэффициент трения кокса о стенки камеры и коэффициент бокового давления.

Из условия равновесия слоя кокса, расположенного между двумя сечениями y и y+dy, записанного в виде равенства нулю проекций всех сил на ось

(4)

в предположении, что функция f1(z)=1-(z/H) известна, вытекает дифференциальное уравнение

df₂/dy+f₂/l+2k^эфr_kg=0 (5)

которое может быть использовано для нахождения распределения нормального напряжения s_y по длине камеры:

(6)

Здесь - параметр, характеризующий затухание осевого давления в коксе; g = 9.8 м/с2. Так как высота Н камеры значительно больше, чем ее ширина S, то затухание осевого давления обусловлено, главным образом, шириной камеры , причем чем шире камеры, тем медленнее затухает осевое давление.

Условие возможности вытолкнуть коксовый пирог из печной камеры состоит в том, что усилие выдачи должно превосходить суммарное трение кокса о под

и стенки камеры

Здесь А" и А' — площадь соответственно пода и стенок камеры.

Выражение (6) позволяет провести интегрирование по координате у и записать условие выдачи кокса из камеры печи в виде неравенства

(7)

которое было впервые получено в работе [4] и использовано для оценки влияния длины печной камеры на величину усилия выдачи при различных значениях высоты и величины коэффициента a_б бокового давления. В работе [4] сделано допущение, что с учетом локального касания коксового пирога стенок печной камеры эффективное значение коэффициента бокового давления может быть принято равным a_б^эф = 0,03, а коэффициент трения кокса о стенки оставить без изменения равным 0,7. Логично было бы использовать эффективные значения обоих параметров.

В табл. 2 представлены результаты расчета по формуле (4) для тех же печей, что и в табл. 1, величин усилий выдачи Рвыд и нормального напряжения s=Р_выд/HS при эффективных значениях коэффициента трения кокса о стенки камеры 0,7 и 0,1, и коэффициента бокового давления 0.03 и 0,2.

Таблица 2

H, м	S, м	L, м	rкg, кН/м3	Рвыд, кН		s, кПа
				1	2	1	2
4.3	0.35	17.14	6000	492	166	327	111
4.3	0.55	20.0	6300	608	172	257	73
4.3	0.75	22.85	6600	809	204	251	63
7.85	0.35	17.14	6150	1125	494	409	180
7.85	0.55	20.0	6450	1314	484	304	112
7.85	0.75	22.85	6750	1694	549	288	93
примечание. 1 и 2 - соответственно

Расширение печной камеры приводит к увеличению усилия выдачи и к уменьшению напряжения (табл. 2).

Значения параметров k = 0,7 и a_б^эф = 0,03 использованные в работе [4], приводят к слишком большим значениям усилия выдачи. Например, для печи с высотой печной камеры 7,85, шириной 0,55 м, длиной 18 м и усилие выдачи по данным [1] составляет 351 кН. Этой величине соответствуют пары эффективных значений параметров a_б^эф, k^эф, связанные между собой соотношением, которое можно аппроксимировать в диапазоне 0,1 ≤ a_б^эф ≤ 0.4 линейной зависимостью

a_б^эф = 0,524 — 3,448k^эф, (8)

"которая показывает, что малым эффективным коэффициентам трения k^эф соответствуют большие значения a_б^эф, т. е. большая часть продольного усилия выдачи передается на стенки камеры в виде поперечной нагрузки с интенсивностью q = a_б^эф*σ_y, распределенной по длине простенка в соответствии с формулой (6).

Если проектировщик не хочет учитывать влияние усилия выдачи на напряженно-деформированное состояние простенка, то он может принять малую величину эффективного коэффициента a_б^эф бокового давления, как это сделано в работе [4], и подобрать значение k^эф = (0,524-a_б^эф)/3,448 так, чтобы формула (7) приводила к реальным значениям Рвыд = 351 кН. Однако в этом случае есть опасность развалить камеру печи при удалении из нее кокса выталкиванием с большим усилием выдачи. Поэтому лучше предусмотреть возможность появления больших значений эффективного коэффициента бокового давления, при котором значительная часть продольного усилия передается на стенки камеры, когда возможно «бурение» печи, и выяснить влияние усилия выдачи на напряженно-деформированное состояние простенка. Этому направлению исследований посвящены работы [5, 6], в которых проведен статистический анализ «буре¬ния» печей двух батарей с высотой печных камер 4,3 и 7 м.

Исследования показали, что вероятность «бурения» печей с высотой камеры 4,3 м составляет 0,3 % в год, тогда как значительная часть печей с высотой камеры 7 м подвергаются «бурению» 2—8 раз в году. Следовательно, с ростом высоты печной камеры вероятность «бурения» печи возрастает.

Этот статистический анализ служит обоснованием необходимости изучения процесса выдачи кокса из камеры при больших значениях эффективного коэффициента бокового давления, когда надо учитывать влияние продольного усилия выдачи на напряженное состояние простенка.

Наибольшее влияние усилия выдачи на напряженное состояние простенка наблюдается при «бурении» печи. Это необходимо предусмотреть при проектировании коксовой печи. В работе [5]| предложена математическая модель «бурении» коксовой печи, ее использование позволяет оценить распределение по длине печной камеры интенсивность поперечной нагрузки на стенки камеры при штатной работе и при «бурении». Установлено, что при «бурении» печи максимум интенсивности поперечной нагрузки расположен на расстоянии ~1 м от края простенка с машинной стороны и быстро затухает вдоль оси камеры.

Результаты моделирования напряженного состояния простенка (6) показывают, что после выбора всех геометрических размеров печной камеры H, S, L и простенка h, h_ω, a₁, a₂ по отдельным критериям, необходимо выполнить поверочный расчет на совместное действие давления «распирания» при коксовании, усилия выдачи при штатной работе и при «бурении» печи и только после этого можно судить о достижении поставленной перед проектировщиками цели — выборе оптимальных параметров батареи с точки зрения обеспечения заданной долговечности при минимальных капитальных затратах на производство 1 т/год кокса с учетом влияния процесса выдачи кокса на напряженно-деформированное состояние печи.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Meyer G. // 1-st International Cokemaking Congress Preprints. V. 3. Paper IV. 1. Verlag Gluckauf GmbH. Essen. 1987


2. Ромасько В.С., Яровой Ю.Н., Вишневский И.И. и др. Проектирование простенков печей камеры коксовой батареи. Сообщение 2. Обобщенные диаграммы и пределы ограниченной выносливости динаса // Кокс и химия. 1990. №1. С. 34-36.


3. Лобов А.А., Вирозуб А.И., Журавский А.А. и др. Усилие выдачи коксового пирога из печных камер объемом 41,3 м³ // Кокс и химия. 1987. №2. С. 10-15.


4. Gibson G. // Ironmaking Proceeding AIME. 1979. V. 38. P. 52-61.


5. Онифаде О. Численное моделирование на ЭВМ процесса бурения печи... // Эффективные численные методы решения краевых задач механики твердого деформируемого тела: Тезисы докл. республиканской научно-технической конференции (ХИСИ). - Харьков: ХИСИ. 1989. С. 63-65.


6. Онифаде О. Определение напряженно-деформированного состояния элементов конструкции коксовой печи в экстремальных режимах работы: Автореф. дис. канд. техн. наук. Ленинград, 1989. 81 с.