автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Разработка научных основ и способов повышения надежности и продолжительности службы коксовых батарей

005006796

На правах рукописи

Швецов Виталий Иванович

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СЛУЖБЫ КОКСОВЫХ БАТАРЕЙ

Специальность 05.17.07 Химическая технология топлив

и высокоэнергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

1 2 ЯНВ Ш1

Екатеринбург- 2011

005006796

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприят "Восточный научно-исследовательский углехимический институт". (ФГУП «В У ХИН»)

Доктор технических наук, профессор, Сухоруков Вадим Иванович ФГУП "ВУХИН"

Доктор технических наук, главный научный сотрудник Глянченко Владимир Дмитриевич ФГУП «ВУХИН»

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, старший научный сотрудник Карпин Григорий Моисеевич ООО «УК Мечел - Майнинг»

Доктор технических наук, профессор Султангузин Ильдар Айдарович ЗАО НТЦ «ЛАГ Инжиниринг» Ведущая организация: Уральское федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский феде ральиый университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится Ор, 2о-/о -

1-—-^^-—___ на заседании диссер тационного совета Д 212.204. 08 в РХТУ им. Д. И. Менделеева

(125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в /2

В И;;Ф^^-библи0теч110М центре

Автореферат диссертации разослан 20 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.204.08, к.т.н. СР \ ~

/¿угг/*^] Разина Г.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Анализ развития коксохимической промышленности не дает оснований в ближайшее время ожидать существенного изменения технологии коксования - скорее всего это будет усовершенствование действующей технологии с ограниченными возможностями ее улучшения.

В последние десятилетия во всем мире резко обострился вопрос обновления печного фонда - потребовались значительные инвестиции: стоимость комплекса новой коксовой батареи сегодня превысила 300 млн. долл. США. Даже богатые, про-мышленно развитые страны не идут на такие затраты, поэтому ставится вопрос о более длительной эксплуатации действующего печного фонда до 30, 40 лет и более.

При такой постановке вопроса актуальность работы, направленной именно на продление срока службы коксовых батарей, в том числе и большегрузных, очевидна.

Цель работы - разработать научные основы повышения надежности и увеличения срока службы коксовых батарей до 40 и более лет, в том числе, технологическими, проектными техническими решениями при реконструкции и новом строительстве. Научно обосновать, разработать и осуществить способы ремонта отопительных простенков без остановки обогрева, без потери или с минимальной потерей производительности.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

1. Изучить состояние и перспективы развития производства кокса в России и в мире, основные его проблемы, новые технические решения.

2. Сформулировать научные основы влияния на огнеупорную кладку современных коксовых печей свойств угольной шихты, способов ее подготовки, плотности, технологических параметров режимов, теоретических моделей деформации кладки и разработки новых способов ремонта.

3. Изучить механизм возникновения и динамику развития дефектов огнеупорной кладки обогревательных простенков.

4. Провести экспериментальные исследования, разработать методы и технологию ремонта отопительных простенков на различную глубину путем «горячей» перекладки без остановки обогрева смежных простенков.

5. Выполнить сопоставительный технический, технико-экономический и экологический анализ технологии «холодной» и «горячей» перекладки отопительных простенков.

6. Определить перспективы и направления реконструкции и модернизации печного фонда России.

Научная новизна

1. Научно обоснована взаимосвязь величины давления коксования в промышленных условиях и плотности угольной загрузки, которая описывается уравнением регрессии

Р = 0,000412 у2 - 0,5942 у + 229,921; ^ = 0,9577

Где: Р -давление коксования, кПа; у - плотность насыпной массы угольной загрузки в печной камере, кг/м3 (с.в.).

Полученные данные необходимы для расчетов прочности простенков при проектировании коксовых батарей, предназначенных для коксования брикетированной, термоподготовленной и трамбованной шихты.

2. Научно обоснована взаимозависимость выбранной серийности выдачи-загрузки печей и величины нескомпенсированного давления коксования на отопительные простенки, которое находится в интервале 0-7 кПа.

3. Впервые научно обоснован и выполнен расчет прочности простенков по схеме «ортотропная плита, защемленная с четырех сторон» при фактической величине давления коксования. Установлено, что при различных соотношениях (К) величин горизонтальных перерезывающих сил и веса вышележащей кладки схема нагружения простенка может изменяться от «балки защемленной с двух сторон» (К< 0,75) на «консоль» (К> 1). В интервале значений К=0,75-1,0 возможна любая схема нагружения.

4. Впервые выполнен промышленный эксперимент по инструментальному измерению величины перемещения верха простенков высотой 7 м в процессе коксования. Результаты эксперимента убедительно доказывают, что такие простенки

при отсутствии защемления в своде печей работают по «консольной» схеме на-гружения.

5. Исследован и показан механизм ускоренного разрушения кладки простенков большегрузных коксовых батарей. Установлено, что при схеме нагружения «консоль» у внешних ребер верхних рядов стеновых изделий возникают дополнительные, ранее не учитывавшиеся, локальные горизонтальные растягивающие и вертикальные срезывающие напряжения, при этом скорость развития дефектов кладки увеличивается в 2-3 раза.

6. Впервые научно обоснован и выполнен прогнозный расчет динамики производственной мощности коксовых батарей различных конструкций в течение срока эксплуатации, как по состоянию головочных участков, так и основного массива кладки простенков. За действующие факторы при расчете приняты вертикальные, горизонтальные растягивающие напряжения в кладке простенков как функции геометрических размеров простенков, фактического давления коксования и количество циклов «выдача-загрузка», термомеханические параметры динаса как функции заданного оборота печей. Установлено, что вертикальные растягивающие напряжения не являются основной причиной ускоренного разрушения кладки простенков большегрузных печей.

7. Впервые разработан научно обоснованный способ «горячего» ремонта простенков коксовых батарей на различную глубину с совмещением процессов кладки и частичного разогрева вновь уложенного динасового огнеупора, который внедрен на 7 коксохимических предприятиях: ОАО «НТМК»; ОАО «Северсталь»; «VSP»; «BSP» (Индия); «Нова Гуть» (Чехия); Искендерунский МК (Турция); Джиугуанский МК (Китай).

8. Модернизирована технология «горячего» ремонта простенков на всю длину, что позволило выполнять перекладку за 1 прием. После модернизации способ внедрен на 8 коксохимических предприятиях: ОАО «Алтай-кокс»; ОАО «Кокс»; ОАО «ММК»; ОАО «Северсталь», ОАО «НТМК»; «VSP» (Индия); Искендерунский МК (Турция); Джиугуанский МК (Китай).

Личный вклад автора

Наименование исследования Личный вклад автора, %

I Анализ состояния коксового производства в России и в мире. Постановка цели и задач исследования. 100

2 Промышленное исследование давления коксования в печах высотой 7 м 40

3 Исследование взаимосвязи давления коксования и плотности угольной загрузки 30

4 Исследование взаимозависимости серийности загрузки-выдачи печей и величины некомпенсированного давления коксования 30

5 Теоретические исследования простенков коксовых батарей на прочность 30

6 Промышленные исследования перемещения верха простенков высотой 7 м при отсутствии защемления в своде 100

7 1 а .¡работка и исследование механизма ускоренного разрушения кладки большегрузных коксовых батарей при нагруже-нии их простенков по схеме «консоль» 100

8 Теоретические исследования и прогнозный расчет производственной мощности коксовых батарей за период эксплуатации 40

9 Научное обоснование теплотехнических параметров процессов совмещения кладки и частичного разогрева вновь уложенного огнеупора 40

10 Разработка технологии и промышленные исследования способа «горячей» перекладки простенков на различную глубину 100

11 Модернизация способа «горячей» перекладки простенков на всю длину 30

12 Разработка принципиальных положений по проектированию новых, реконструкции и капитальному ремонту старых коксовых батарей. 50

Практическая значимость работы

Для оценки практической значимости работы в ней выделено 2 части: технологическая и техническая.

К важнейшим технологическим разработкам отнесены:

1. Определение в заводских условиях давления коксования на отопительные простенки коксовых батарей для повышения достоверности расчета их прочности при проектировании.

2. Рекомендации предприятиям по применению серийности выдачи-загрузки печей.

3. Определение в заводских условиях влияния перерезывающих сил, действующих по горизонтальным участкам на скорость развития дефектов кладки обогревательных простенков.

4. Разработка механизма возникновения и скорости развития дефектов огнеупорной кладки основного массива простенков при разных схемах нагружения.

Важнейшие технические разработки: комплекс методов ремонта огнеупорной кладки, включая «горячую» перекладку простенков на различную глубину. Ремонты по разработанным технологиям ведутся в любых условиях и в любое время года без потери или с минимальной потерей производительности коксовой батареи. Срок службы батареи после «горячего» ремонта головочных участков кладки по разработанным технологиям увеличивается на 15-17 лет против 5-7 лет при «холодном» ремонте.

Апробация работы: Материалы работы:

-опубликованы в монографии «Ремонт кладки и армирующего оборудования коксовых батарей», Изд. Екатеринбург,- 2004.- с.483 с ил. (авторы: Сухоруков В.И., Швецов В.И., Чемарда H.A.),

Представлены и опубликованы:

-на международном семинаре ((Состояние коксового печного фонда стран СНГ».// Кокс и химия.- 2003. -№ 1,- С. 36-45;

-на Российских семинарах:-

-«Состояние печного фонда и перспективы производства кокса в России».// Кокс и химия .- 2002,- № 5.- С. 11-21;

-«Школа-семинар специалистов коксового производства». //Кокс и химия,-2005. -№3. -С. 40-47;

«Современные методы обеспечения сохранности коксового печного фонда» // Кокс и химия,- 2007. -№ 3. -С.37-47;

Реализация результатов работы

Все технические и технологические разработки автора и/или выполненные с его участием, частично или полностью осуществлены на большинстве коксохимических предприятий России, а также в Чехии, Словакии, Турции, Индии, Китае, Украине.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа основных причин возникновения и динамика развития дефектов огнеупорной кладки отопительных простенков, в том числе: угольной сырьевой базы коксования, газодинамических условий и давления коксования, серийности выдачи-загрузки печей, плотности угольной загрузки, геометрических размеров

печей.

2. Результаты теоретических и экспериментальных промышленных исследований огнеупорной кладки обогревательных простенков коксовых печей на прочность.

3. Результаты исследования и анализ механизма образования и динамики развития дефектов огнеупорной кладки от действия перерезывающих сил (схемы на-гружения).

4. Результаты теоретического исследования и разработка технологии «горячего» ремонта отопительных простенков на глубину 4-6 вертикалов с совмещением процессов кладки и частичного разогрева уложенного огнеупора.

5. Эффективность применяемых способов ремонта огнеупорной кладки без остановки обогрева простенков.

6. Принципиальные положения по проектированию и строительству коксовых батарей будущего.

Объем и структура диссертации

Диссертация содержит 231 лист машинописного текста, состоит из введения, 8 глав, заключения, списка литературы, приложений №№ 1-6 , включает в себя 36 таблиц, 15 рисунков. В списке использованной литературы 209 наименований.

Содержание работы

Глава 1 Общая характеристика и состояние коксового производства в России и в мире По состоянию на январь 2011 г. в России на 11 коксохимических предприятиях находятся 59 коксовых батарей общей проектной мощностью 37 млн. тонн кокса/год. Фактическое производство кокса в 2008 г. составило около 32 млн.т., в 2009 г - 27,4 млн.т., т.е снизилось на 14%, в 2010 г. - увеличилось до 29,7 млн.т или на 8,4%.

Динамика проектной производительности и фактического производства кокса в период 1992-2010 г.г. представлена на рис. 1.1.

1992 1994 \ 996 1993 2000 2002 2004 2006 2008 2010 !

. Рис. 1.1. Динамика проектной производительности (1) и '

производства кокса (2) а России I

I I.

В период кризиса 2008-2009 г.г. из эксплуатации были выведены 8 наиболее возрастных батарей общей проектной производительностью 4,936 млн. т кокса в год, за счет этого средний возраст батарей в России снизился по сравнению с 2008 годом и составил 21,4 года, при сроке амортизации 18 лет. Для приведения печного фонда в

полностью рабочее состояние требуются либо значительные инвестиции для дорогостоящего нового строительства, либо разработка необходимых условий коксования, методов капитальных ремонтов для продления службы действующих коксовых батарей.

Глава 2 Основные проблемы и перспективы коксового производства в России

Основные факторы, определяющие сохранность коксового печного фонда:

-угольная сырьевая база коксования, ее качество и стабильность;

- исходное состояние коксового печного фонда, качество эксплуатации;

-технологические факторы и, прежде всего давление коксования, серийность

выдачи и загрузки печей;

-эффективность технических решений, принимаемых при проектировании новых и реконструкции действующих коксовых батарей;

- эффективность методов и достаточность объема капитальных и профилактических ремонтов огнеупорной кладки.

Состояние угольной сырьевой базы коксования

Одной из главных проблем производства кокса, как в России, так и в мире в целом остается проблема качества коксующихся углей.

Показатели качества угольной шихты по содержанию влаги, зольности, выходу летучих веществ и спекаемости во времени сильно колеблются из-за нестабильности поставок и качества угольных концентратов, выпускаемых обогатительными фабриками Кузбасса, кроме того - непостоянство угольных баз самих коксохимических предприятий. Практически все предприятия работают на шихтах, имеющих различия по всем параметрам. Эти причины, а особенно нестабильность состава шихт на коксохимических предприятиях, приводят к резким колебаниям давления на стены печных камер в процессе коксования и вызывает их преждевременное разрушение.

Свойства углей в процессе коксования, определяющие давление на стены печных камер

Автор не претендует на новые сведения по этому вопросу, так как это не входило в задачи исследований в данной работе, поэтому воспользовался лишь известными литературными данными для определения роли отдельных стадий процесса

коксования на давление коксования и нагрузки на стены печных камер, определяющих их прочность и надежность.

Исследованиями ВУХИНа установлено, что увеличение спекаемости, приводя, с одной стороны, к повышению прочности структуры кокса, с другой - ведет к повышению давления пластической массы на стены печных камер. То есть, должен быть установлен оптимальный уровень спекаемости не вызывающий резкого повышения давления коксования, а это в значительной степени зависит и от технологии подготовки углей к коксованию.

Глава 3 Технологии подготовки углей к коксованию и их влияние на давление коксования

Боковая нагрузка на стены камер обусловлена:

- составом и качеством угольных шихт, особенно по их спекаемости;

-в начальный период - динамическим боковым давлением угольной шихты при загрузке в печь;

- статическим боковым давлением угольной загрузки;

- давлением на стены камер выделяющихся парогазовых продуктов;

- давлением вспучивающейся пластической массы угольной шихты (давлением коксования).

Исследованиями с участием автора в промышленных условиях с помощью специального устройства разработанного в ВУХИНе установлено, что при загрузке даже влажной шихты нагрузка на стены печной камеры в несколько раз превышает давление коксования, определенное в полузаводских условиях. Полученные результаты представлены на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Давление коксования (1) и газовое давление (2) в промышленных

условиях

Способы подготовки угольных шихт и их влияние на давление коксования

На большинстве коксохимических предприятий России и за рубежом применяются обычные схемы подготовки угольных шихт: ДШ (дробление шихты), ДК (дробление компонентов), ДЦК (дифференцированное дробление компонентов) и ГДК (групповое дробление компонентов). Насыпная плотность таких шихт при уровне измельчения 75-80% содержания класса <3 мм составляет 720-750 кг/м3. Все эти способы отличаются неоднородностью распределения вещественного состава по классам крупности.

Избирательное измельчение углей с применением пневмосепарации

Единственным известным способом изменить неоднородность вещественного состава углей по классам крупности в готовой шихте является их избирательное измельчение с применением пневматической сепарации. Плотность шихты при этом повышается незначительно, поэтому давление коксования практически такое же, как на обычной влажной шихте.

Частичное брикетирование угольной шихты

В связи с неудовлетворительными тенденциями развития сырьевой базы коксования в России и других странах эта технология становится одной из основных для получения кокса требуемого качества. Вместе с тем, введение брикетов на связующем и повышение при этом плотности угольной шихты, а также снижение газопроницаемости пластического слоя и усадки шихты, безусловно, могут оказать повышенное давление коксования на стены печных камер.

Так, загрузка из шихты с 15% брикетов имеет общую величину вертикальной усадки на 100 мм меньше, а с 30% усадка уменьшилась до 210 мм, что на 40% меньше, чем у производственной шихты.

Длительные положительные результаты использования этой технологии в Украине (Криворожский коксохимический завод) и многих зарубежных странах дают основания считать эту технологию приемлемой для осуществления в России.

Термическая подготовка угольной шихты

Термическая обработка углей является одним из наиболее эффективных методов удешевления сырья, повышения качества кокса и производительности батарей. Вместе с тем отмечается существенное повышение давления коксования на стены

печных камер в сравнении с обычной влажной шихтой. По этой причине термоподготовка не может применяться в печах традиционных конструкций.

Трамбование угольной шихты Эта технология широко применяется для коксования слабоспекающихся газовых углей в странах Европы: Германии, Чехии, Польше, Югославии, Румынии и др.

Технология позволяет из слабоспекающихся угольных шихт получать кокс высокого качества. Однако, при плотности угольного пирога 1,05 -1,1 т/м3 и зазоре между угольным пирогом и стенкой коксовой камер 20 мм, средняя плотность угольной загрузки при коксовании снижается незначительно, что предопределяет повышенное давление коксования.

Серийность выдачи кокса - загрузки печей и давление коксования Результаты анализа разных вариантов серийности с разбиением печей на группы по уровням нескомпенсированного давления коксования слева и справа от простенка приведены в табл.3.1. Рассматривались наиболее употребительные варианты серийности: 9-2, 5 - 2 , 2 - 1 и 4 - 2.

Таблица 3.1

Максимальное нескомпенсированное давление на отопительные простенки

коксовых батарей при работе на различной серийности выдачи.

Серийность Группа Печей Расчетное давле- Нескомпенсированное Время

выдачи печей в груп- ние, кПа давление, кПа оборота,

пе правый левый час

А 34 10 10 0 15

2- 1 Б 35 9 9 0 15

А 34 9 9 0 24

Б 35 9 9 0 24

А 28 И 12 1

5-2 Б 14 14 12 2 24

В 27 14 11 3

А 31 12 8 4

9-2 Б 7 12 12 0 15

В 31 8 12 4

А 17 16 9 7

4-2 Б 17 12 9 3 15

В 18 9 8 1

Г 17 9 15 6

Из таблицы видно, что наилучшей является серийность 2-1, при которой обеспечивается минимальный уровень нескомпенсированного давления на кладку и, следовательно, наименьшая подверженность ее разрушения при прочих равных условиях.

Давление коксования и нагрузка на стены печных камер

На основании полузаводских и промышленных исследований зависимость давления коксования от плотности загрузки (технологии подготовки угольной шихты) описывается уравнением регрессии:

Р = 0,000412 у1 -0,5942 у+ 229,921; (3.1)

Я2 = 0,9577

Здесь Р -давление коксования, кПа; у - плотность насыпной массы угольной загрузки в печной камере, кг/м3 (с.в.).

Результаты расчетов представлены ниже (Рис. 3.1).

40

30

Ч 20

10

1 1 1

1 1 ] — — / ! / 1

~ Г - 1 Г 1 Г ~ 1 •

1 - - ^ _ . 1 1 / / 1 1 • - ~ 1--- I

1 I - - 1-........ ■ 1

о о 1 1 1

700 800 900

Плотность загрузки, кг/м3

1000

Рис. 3.1. Зависимостьдавления коксования от плотности угольной загрузки шихты, подготовленной:

1 ~ обычным способом; 2- частичным брикетированием; 3 - термической обработкой; 4- трамбованием угольного пирога (предполагаемая) •

Глава 4. Теоретические и экспериментальные промышленные исследования огнеупорной кладки обогревательных простенков коксовых печей на прочность

Динамика развития дефектов огнеупорной кладки коксовых батарей Результаты многолетнего изучения автором возникновения и развития дефектов кладки печей с различной высотой камер представлены в табл. 4.1

Таблица 4.1

Динамика развития дефектов огнеупорной кладки отопительных простенков коксовых батарей

Наименование дефектов и разрушений Годы от начала эксплуатации для камер высотой, м, объемом м3

4-5 20-30 5,5-6 30-32 7 41,6 7* 41,3

1 2 3 4 5

1 Трещины на трех крайних сводовых изделиях 1-3 1-3 1-3 1-3

2 Сколы "заплечиков" 2-8 2-8 2-8 2-8

3 Первые вертикальные трещины на 3-5 3-5 6-10 6-10

первых вертикалах

4 Вторые вертикальные трещины на

первых вертикалах 4-8 4-8 10-15 10-15

5 Смещение кладки между трещинами 10-15 8-15 - -

6 Трещины иод за1рузочными люками 10-15 7-12 3-6 5-10

7 Трещины на вторых вертикалах 16-20 10-12 2-4 2-4

8 Трещины на третьих вертикалах 20-25 15-20 12-15 12-15

9 Заужения камеры в зоне перекрытия 1,

2-го вертикалов 15-20 12-15 6-10 15

10 Разрушения кладки под вторым загру

зочным люком - 8-16 6-9 -

П"Подрезы" кладки от средины каме- - - 6-12 9-14

ры ' . ''•."'

12 «Подрезы» кладки от «головок» 10-15 10-15 - -

1 2 3 4 5

13 Заужения камеры по всей высоте между первым и вторым вертикалами 25-30 15-20 8-15 _

14 Смещение верха простенков от продольной оси - — 4-10

15 Износ подовых плит на 1,5-2 м от торца печных камер 10-15 10-15 8-12 8-12

-с защемлением верха простенков в своде печей.

Типы дефектов, выделенные темным цветом и предопределяют ускоренное разрушение кладки большегрузных коксовых батарей.

Расчеты отопительных простенков на прочность выполнены с использованием расчетной схемы: ортотропная составная плита (с разной жесткостью под и над уровнем перевала продуктов горения) защемленная жестко с четырех сторон.

Были рассчитаны поля прогибов, нормальные напряжения и поперечные силы применительно к простенку коксовой батареи с камерами объемом 41,3 м3 по методике, разработанной с участием автора.

Расчеты выполнили в двух вариантах.

1. Давление коксования равно 7 кПа во всех точках камеры.

2. Давление коксования на расстоянии 0,6 м от пода камеры Р0,6 (кПа) вычислили по расчетной насыпной плотности угольной загрузки у на этом уровне. Последняя изменяется вдоль камеры по косинусоиде, максимумы которой 800 кг/м3 находятся под загрузочными люками, а минимумы (700 кг/м3)- между люками, на равном расстоянии от соседних люков:

у = 750 - 50 со8(ях/5,29). (4.1)

Здесь х - расстояние точки, для которой вычисляется плотность, от фасада машинной стороны, м; у - насыпная плотность шихты в этой точке, кг/м3.

Результаты расчетов по двум вариантам существенно различаются. Так, максимальный прогиб по первому варианту составляет 125, а по второму 329 мкм. Наибольшие сжимающие напряжения, действующие в кладке простенка вдоль вертикальной оси, равны соответственно 389 и 839 кПа, а действующие вдоль горизонтальной оси 190 и 434 кПа. Суммарные сжимающие напряжения в кладке по первому ва-

рианту не превышают (3892+ 1 132)"2 = 405 кПа, а по второму (8392 + 2252)"2 = 869 кПа.

Результаты расчета величин поперечных (перерезывающих) сил, действующих по горизонтальным площадкам и веса вышележащей кладки батареи с объемом камер 41,3 м3 представлены на схеме 4.1.

На участках кладки, выделенных темным цветом, перерезывающие силы значительно превышают вес вышележащей кладки и, при величине коэффициента трения динас-динас 0,75-1,0 возможно проскальзывание верха простенков по своду камер. Многолетним изучением состояния кладки батарей в процессе эксплуатации установлено, что фактическое ускоренное развитие дефектов отмечается на участках, полностью совпадающих с теоретически рассчитанными.

Экспериментальные промышленные исследования процесса образования дефектов огнеупорной кладки Автором были проведены наблюдения за перемещением верхних участков кладки простенков на коксовой батарее № 9 ОАО «НТМК» с объемом печных камер 41,3 м3 и незащемленным верхом простенков. Специальным инструментом конструкции автора измеряли ширину камер под загрузочными люками. Перемещение простенков было отмечено под всеми тремя люками после загрузки по рядам 74 (над уровнем кокса) и 78 (под сводом камеры). Величина перемещения при серийности 21 составила 5-10 мм (в среднем 7 мм).

Механизм образования и ускоренного развития дефектов основного массива огнеупорной кладки большегрузных коксовых батарей.

В результате анализа данных о прочности простенков, полученных при проведении расчетных и промышленных экспериментов установлено, что участки простенков в зависимости от соотношения величин горизонтальных перерезывающих сил и веса вышележащей кладки, а также наличия или отсутствия защемления верха простенка в своде печи могут работать по схемам нагружения «балка, защемленная с двух сторон» (Рис.4.2.а) или «балка, защемленная с одного конца» (консоль) (Рис. 4.2.6).

2,4 -2,1 -18,5 ЯИИИМЦЯ У^ХЦ^ Зз,!; -ЗОИ/ .-»".О ; К.1 ^ННШН -18,5 -2,1 2,4 7 6 5 4 3 2 1 0 21,3

8,8 -0,8 -19,3 -29,5 -27,5 -24,3 -26,5 -33,5 -37,5 -37,5 -33,5 -26,5 -24,3 -27,5 -29,5 -19,3 -0,8 8.8 39,4

15,6 0,3 -16,3 -24,4 -23,3 -21,2 -23,1 -28,5 -31,5 -31,5 -28,5 -23,1 -21,2 -23,3 -24,4 -16,3 0,3 15, 6 47,4

12,4 0,5 -10,7 -15,3 -13,9 -12,2 -13,4 -17,1 -19,2 -19,2 -17,1 -13,4 -12,2 -13,9 -15,3 -10,7 0,5 12, 4 55,4

0,8 -1,6 -3,5 -3,3 -0,6 1,1 0,9 -1,1 -2,4 -2,4 -1,1 0,9 1,1 -0,6 -з,з -3,5 -1,6 08 63,4

-14,4 -2,0 9,6 15,7 17,5 17,4 18,5 20,6 21.4 21.4 20,6 18,5 17,4 17,5 15,7 9,6 -2,0 И, 4 71,3

-21,5 5,3 36,8 49,4 41,2 32,6 36,3 50,2 58,1 58.1 50,2 36,3 32,6 41,2 49,4 36.8 5,3 21, 5 79,3

-4,2 13,6 64,9 82,9 57,5 38,5 44,6 73,7 8 9 73,7 44,6 38,5 57,5 82,9 64,9 13,6 4,2 87,3

0 12 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 0 Высота от пода, м Вес вышележащей кладки, кН/м

Длина камеры, метров

Схема 4.1. Перерезывающие силы, действующие по горизонтальным площадкам кладки простенка, кН/м.

а) б)

Рис. 4.2 Схемы нагружения простенков:

а)-«балка, защемленная с двух сторон»; б)-«балка, защемленная с одного кон-I» (консоль).

При работе простенка по схеме «балка, защемленная с двух сторон» (Рис. 2.а) максимальный прогиб наблюдается в середине пролета, а у торцов балки - ис-зающе мал. В этом случае появление и скорость развития дефектов основного мас-;ва кладки простенков зависит, в основном, от величины вертикальных растяги-ющих напряжений обусловленных действием давления коксования.

При работе простенка по схеме нагружения «консоль» максимальный его проб смещается от середины высоты на верхний край и при всех прочих равных усло-ях увеличивается в 9,6 раза. Также при «консольной» схеме работы простенка по-ляюгся и новые, ранее никем не учитывавшиеся локальные горизонтальные растя-вающие и вертикальные срезывающие напряжения в верхних рядах кладки. Пред-женный автором механизм их возникновения схематично представлен на рис. 4.2.6.

Из рисунка видно, что под действием нескомпенсированного давления коксо-ния (Р) простенки прогибаются и перемещаются по своду печи в направлениях, означенных стрелками. Так как ширина простенков большегрузных батарей со-шляет 850-990 мм, то при прогибе точка «А» будет подниматься относительно ис-дного положения, а точка «В» опускаться.

При этом:

-свод печи переместится вверх от исходного положения в точке А;

-вес вышележащей кладки N будет сконцентрирован на ребрах стеновых изде-й в районе точки «А». При этом возникающие локальные горизонтальные растяги-ощие напряжения от действия сил трения Б и вертикальные срезывающие напря-

жения от веса вышележащей кладки неизбежно приведут к сколам ребер, а в дальнейшем и к разрушению собственно изделий;

-между сводом печи и краем простенка в точке «В» образуется зазор, который будет заполняться пироуглеродом. При загрузке соседних печей простенки прогибаются в противоположную сторону, при этом нагрузки сосредоточатся в районе точки «В», а зазоры появятся у точки «А». В этом случае при заполненном пироуглеродом зазоре «В» высота простенка увеличивается что, при многократном повторении циклов «загрузка-выдача», приводит к вспучиванию сводов.

Тип I Пт 1

Рис. 4.3. Характеристика разрушений кладки под вторым люком коксовой батареи с объемом камер 41,3 м3: 1 - сколы ребер изделий; 2 - «штробы»; 3 - лопнувший кирпич; 4 - трещины; 5-расхождение вертикальных материальных швов. Кроме того, под действием сил трения Б также происходит (Рис.4.3) «расшатывание» верхней части простенков, раскрытие вертикальных материальных швов,

разрушение шпунтовых соединений с последующим обрушением отколовшихся кусков огнеупора, появление «раковин» различной глубины и площади, образование так называемой «штробы» и трещин от свода по направлению к поду камеры. Особенно это проявляется в районе среднего загрузочного люка, в зоне действия наибольших перерезывающих сил.

Автором была выдвинута гипотеза о том, что ускоренное разрушение кладки простенков большегрузных коксовых батарей вызвано действием именно локальных, ранее не учитывавшихся, растягивающих и срезывающих напряжений. Глава 5. Влияние некоторых конструктивных и технологических факторов на срок эксплуатации и динамику изменения производственной мощности коксовых батарей различных типов.

Попытки прогнозирования надежности коксовых батарей предпринимались ранее неоднократно. Упрощенный вариант такого расчета предложил в свое время Б.С.Филиппов, который в качестве критериев оценки взял габаритные размеры печных камер и период коксования, а в качестве объекта для сравнения предложил печную камеру объемом 21,6 м3. Вместе с тем, в этих расчетах кладка печи рассматривалась как целое, без разделения на зоны, что снижало точность прогноза.

На основании данных, полученных в результате теоретических и промышленных исследований огнеупорной кладки обогревательных простенков коксовых печей на прочность (Глава 4) с участием автора была разработана иная методика прогнозного расчета изменения производственной мощности коксовых батарей в процессе эксплуатации при схеме нагружения простенков «балка, защемленная с двух сторон».

За эталон при прогнозировании также выбрана наиболее надежная и хорошо изученная в эксплуатации коксовая батарея системы ПК-2к с камерами, имеющими полезный объем 21,6 м3. Более чем 50-летний опыт эксплуатации этих батарей показывает, что возможна их работа с проектной производительностью (время оборота печей 14,5 ч):

-по состоянию кладки «головочных» участков отопительных простенков - в течение 20 лет. Можно считать, что через 35 лет после начала эксплуатации при отсутствии капитальных ремонтов «головочных» вертикалов в батарее остается менее 20 - 25 % действующих печей и ее необходимо останавливать;

- по состоянию основного массива кладки простенков - в течение 50 лет; Огнеупорная кладка зон косых ходов и регенераторов коксовых батарей всех типоразмеров работает примерно в одинаковых условиях и сохраняет работоспособность в течение ~ 50 лет. Следует ожидать, что при дальнейшей эксплуатации дефекты в этих зонах будут вызывать ежегодное снижение производительности батарей на ~ 2% .

В качестве действующих факторов были выбраны и рассмотрены следующие: 1 .Конструктивные - величина вертикальных и горизонтальных растягивающих напряжений и перерезывающих сил в кладке простенков (в соответствии с результатами расчетов главы 4), ширина камер коксования.

2. Технологические - оборот печей, определяющий как количество циклов знакопеременных нагрузок на кладку простенков в единицу времени, так и уровень температуры, следовательно, и прочностные характеристики кладки. 5. ]. Прогнозный расчет зависимости изменения производственной мощности коксовых батарей от действия некоторых конструктивных и технологических факторов Следует ожидать, что в момент 1 скорость выхода из строя коксовых камер батареи (-сШ/ск при числе действующих печей И) пропорциональна числу действующих камер Ы, максимальному растягивающему напряжению в их кладке (а) и длительности эксплуатации I, возведенной в некоторую степень (п-1): dN

-—■=КпЫд1л-1

<Н , (5.1)

Где произведение К*п - коэффициент пропорциональности.

При п < 0 и I > 0 это дифференциальное уравнение не имеет физического смысла.

Если п >0 и при 1 = 0, N = Ы0, то методом разделения переменных находим:

М=Ы0ехр(-КГ 6). (5.2)

Для оценки величины показателя степени п в уравнении (5.2) введем новый

масштаб времени: г = ^Кб Тогда:

Ы=М0ехр(-г") (5.3)

Анализ этого уравнения приводит к выводу, что т - безразмерная величина.

Расчеты динамики производительности коксовой батареи исходя из уравнения

(5.3) показали, что п « 9. При т » 0,6 производительность батареи снижается на ~ 1%;

этой величиной можно пренебречь, но при больших значениях т уменьшением производительности пренебречь нельзя. Поэтому можно принять, что при выводе печей из эксплуатации по состоянию «головок» значению т и 0,6 соответствует продолжительность эксплуатации батареи коксовых печей системы ПК-2к I « 20 (лет). При т и 1,05 производительность батареи составляет ~ 21 % от исходной; то есть, можно принять, что значению т = 1,05 соответствует I» 35 (лет).

Из изложенного выше следует, что срок службы батареи, в течение которого повреждения кладки печей еще не влияют на возможность выдачи коксового пирога, связан с величиной а соотношением _ 0.6

1 ~ УШ <5-4)

Результаты расчетов динамики производительности коксовых батарей различных типов при работе на проектном обороте по состоянию головочных участков простенков представлены в табл. 5.1, а по состоянию основного массива простенков в табл. 5.2.

Таблица 5.1

Динамика производительности различных коксовых батарей по состоянию го-

ловочных участков простенков

Годы эксплуатации Производи тельность батарей с объемом камер, м3, % от проекта

21,6 30,0 30,3 30,9 41,6 51

15 100 100 99 99 98 100

20 99 100 91 84 78 100

25 93 73 48 27 16 99

30 68 20 94

Из курса сопротивления материалов известно, что под действием одинаковых нагрузок напряжения в консольной балке в 4 раза больше, чем в двухопорной. В табл. 5.3 представлены результаты расчета динамики производительности различных коксовых батарей по состоянию основного массива простенков только от действия вертикальных растягивающих напряжений при схеме нагружения «консоль».

Таблица 5.2

Динамика производительности различных коксовых батарей по состоянию основного массива кладки простенков

Годы эксплуатации Производительность батарей с объемом камер, м3, % от проекта

21,6 30,0 30,3 30,9 41,6 51

45 100 100 99 99 99 99

50 99 99 98 97 97 97

Таблица 5.2

Динамика производительности различных коксовых батарей по состоянию основного массива кладки простенков от действия только вертикальных растягиваю-

щих напряжений при схеме нагружения «консоль»

Годы эксплуатации Производительность батарей с объемом камер, м3, % от проекта

21,6 30,0 30,3 30,9 41,6 51

40 100 99 99 99 98 99

45 99 98 97 96 95 97

50 96 94 92 89 87 92

Из таблиц 5.2 и 5.3 видно, что увеличение вертикальных растягивающих напряжений в 4 раза незначительно влияет на производительность батарей во времени.

Вместе с тем, многолетними исследованиями установлено, что фактический срок эксплуатации батарей до начала проведения крупных капитальных ремонтов в условиях России составляет для печей с объемом камер, м3: 30 - 19-26 лет; 30,3 - 20-26 лет; 30,9 - 7-19 лет; 41,6 -12-22 года. Тогда средний коэффициент скорости развития дефектов основного массива кладки от действия локальных растягивающих и срезывающих напряжений составит, для печей объемом, м3:

30- 2,2; 30,3 - 1,95; 30,9 - 3,4; 41,6 - 2,6.

Таким образом, подтверждена гипотеза автора о превалирующем влиянии на скорость развития дефектов основного массива кладки простенков локальных горизонтальных растягивающих и вертикальных срезывающих напряжений, возникающих в верхних рядах кладки при работе по схеме нагружения «консоль».

Анализ результатов проведенных исследований позволяет утверждать, что для обеспечения срока эксплуатации батарей существующих конструкций до 35-40 лет необходимо проведение капитальных ремонтов, как минимум, кладки головочных участков простенков или, при схеме нагружения «консоль» - простенков полностью.

Глава 6. Ремонт огнеупорной кладки коксовых батарей.

Традиционно капитальные ремонты (перекладки) простенков коксовых батарей производятся с полным или частичным охлаждением смежных участков кладки. Характерной особенностью динаса является значительное обратимое термическое расширение в интервале температуры 100-800°С (особенно в интервале 100-300°С) и практически нулевое расширение при более высокой температуре (Рис. 6.1).

Расширение, % 1,2

.....I......:: с.....1.........1..... ( ^ --------"','!"6-; 1-гб ; 1'а<!— Разность раси^ирен^я при совмещении процессов кладки и

/ разогреёа

/ / 0,819 1 / / 1 1 / 11111 - ^ ^ ... - , Разность ¡расширения при |ремо*т«те с

/ 0.55 / 1 часТичньиу> охлаждением старой -кладки

/ 0,4 ! / I-1 ' 1- г— ■ 1 | ' ! 1 1 1 ! ! | 1

/О." 1 1 1 1

/ I I ! ( 1 ! |

О ЮО 200 30О 40О 500 вОО 700 800 900 10ОО 1100 Температура, С

Рис. 6.1. Кривая обратимого термического расширения динаса По этой причине охлаждение неизбежно приводит к возникновению дополнительных дефектов огнеупорной кладки простенков, смежных с ремонтируемыми. «Горячая» перекладка, без отключения смежных простенков от обогрева, была впервые успешно осуществлена на ОАО «Алтай-кокс». Простенок делили на три участка, которые перекладывались в три приема. С участием автора эта технология была усовершенствована, что позволило проводить перекладку простенков за один прием и исключить нарушения геометрии камер на стыках ремонтных участков.

На многих коксовых батареях со сроком эксплуатации 12-20 лет основные дефекты, препятствующие выдаче коксового пирога, сосредоточены на кладке 1-3 вертикалов от фасадов при вполне работоспособном состоянии основного массива кладки простенков, кладки зон косых ходов и регенераторов.

Традиционно такой ремонт проводится с отключением от обогрева и частичным охлаждением кладки ремонтируемого и смежных полупростенков, при этом температура в их вертикалах составляет 300-400 0 С, а в крайнем оставляемом вертикале ремонтируемого простенка - 200-300 0 С. При этих условиях температура новой кладки близка к температуре наружного воздуха.

После замены кладки и разогрева переложенного участка на всех типах батарей наблюдался один и тот же дефект - разрушение изделий, заложенных в «штробу» со старой кладкой, вертикальное смещение новой кладки относительно старой и образование сплошного вертикального шва на их стыке. Средний срок эксплуатации простенков высотой 4,3-5 м после ремонта не превышал 5-7 лет, а на печах высотой 7 м такой ремонт осуществить не удалось вследствие разрушения изделий на стыке уже в начальной стадии процесса разогрева.

При анализе кривой температурного расширения динаса (Рис.6.1) установлено, что в этом случае разница величин остаточного расширения старого и нового динаса при разогреве от исходного состояния до рабочих температур составляет 0,8-1%, что и предопределяет вертикальное смещение новой кладки относительно старой н 40-70 мм в зависимости от высоты ремонтируемого простенка.

Для обеспечения проектной перевязки изделий на стыке кладок разность ост; точного термического расширения их должна быть минимальной. Это достигается двумя путями:

1 .полным охлаждением оставляемой кладки с неизбежным в этом случае ув< личением ее дефектов вследствие модификационных превращений кремнезема;

2.способом, предложенным автором - совмещением процессов укладки и ча< тичного разогрева динасовых изделий так, чтобы следующий ряд укладывался уже г частично разогретый, т.е. расширившийся предыдущий слой. При анализе форм кривой температурного расширения динаса становится ясно, что частичный разогр« следует вести до температуры не менее чем 300 °С, при этом разница остаточно!

расширения старой и новой кладки составит не более 0,25 %, что позволит избежать разрушения «штробы» на стыке.

Теоретическое обоснование технологии горячей перекладки головочной части обогревательных простенков Методом математического моделирования исследована динамика прогрева огнеупорной кладки головочных вертикалов коксовых печей при горячем ремонте. На рис.6.2 схематически в проекции на плоскости чертежа представлен участок кладки на стыке - ^перекладываемая часть (заштрихована) и перекладываемая часть (не заштрихована).

Расчеты состояли в решении численным методом сеток дифференциального уравнения прогрева 3-мерной однородной призматической плиты: ЗТ гдгТ д2Т дгт

Ог

N

М

А -> х

Э I /к

2

Оз О

н л 1

О,

О

АВ=СП=0,980

ВС=АО=0,630

СН=КЬ=0,780

ШГ=Н1.=КО=0,340

АР=ВЕ=0,280

СМ=001=0203=0,140

МОС0,=В02=0,490

Ш=1Е=КМ=0,105

ВЫ=Ю=ЫЕ= 0,140

МЕ=1К= 0,210

Рис. 6.2. Схема для расчета прогрева кладки где Т - температура материала плиты в момент т в точке с координатами (х,

а = Я/су - температуропроводность материала плиты, А. - теплопроводность материала, с - теплоемкость материала, у - плотность материала.

Оси координат показаны на том же рисунке. Ось z направлена вверх от плоскости чертежа.

По результатам эксперимента, при доверительной вероятности 0,95 значимым оказалось влияние на температуру новой кладки на стыке (Т[) начальной температуры старой кладки Тск. и длительности прогрева t. Эта зависимость описывается уравнением:

Т, = 66,0 +0,397Тск.+167,7t - 28,3t2; (6.2)

Следовательно, при поддержании в стыковом вертикале температуры 800-850 0 С начальная температуры старой кладки перед разогревом составит ~ 375 °С, новая кладка нагреется в рассматриваемой точке до ~300°С за время 1,0-1,5 ч., что представляется удовлетворительным, как для соблюдения заданного темпа ремонта так и для обеспечения целостности проектного стыка между оставляемой и переложенной кладкой.

Промышленный эксперимент по "горячему"ремонту отопительных простенков на глубину 4-6 вертикалов методом совмещения процессов укладки и частичного разогрева уложенного огнеупора.

Промышленный эксперимент по горячей перекладке простенков батарей с высотой печей 7 м на глубину 4-6 вертикалов, выполненный под руководством автор в начале 1999 г. на меткомбинатах «Нова Гуть» (Чехия), «VSP», «BSP» (Индия), зг вершился успешно. Более чем десятилетнее изучение состояния отремонтированны участков показали, что скорость развития дефектов замененной кладки практическ полностью соответствует таковой для батарей с аналогичным сроком эксплуатации. Это позволяет сделать вывод, что стойкость выполненного ремонта составит, как минимум, 15-17 лет.

Сопоставительный анализ "холодной" и "горячей" перекладки отопительных простенков на глубину 4-6 вертикалов приведен в таблице 6.1

Технология горячего ремонта с совмещением процессов кладки и частичног разогрева позволило также выполнить перекладку зоны перекрытия вертикалов о< новного массива и головочных участков простенков с установкой Т-образных свод< вых изделий (коксовая батарея № 9 ОАО «НТМК», 2003 г.) с целью изменения схем нагружения простенков от «консоли» к «балке, защемленной с двух сторон».

Таблица 6.1

Холодная перекладка Горячая перекладка

1 2

1.Отключение обогрева и охлаждение до температуры ниже 300°С на всю глубину ремонта полупростенков: -ремонтируемый - 1 -смежные - 2 Температура в вертикалах смежных полупростенков и неперекладывае-мых вертикалах ремонтируемого простенка поддерживается на уровне 850-900°С.

2. Происходит дополнительное разрушение кладки стен камер коксования, зон косых ходов и регенераторов при охлаждении трех полупростенков Не происходит охлаждения и дополнительного разрушения кладки трех полупростенков, зон косых ходов и регенераторов

3. В камерах устанавливаются глухие кирпичные перемычки, отсекающие зону ремонта, что наряду с низкой температурой смежных участков простенков препятствует частичному разогреву и расширению новой кладки В камерах через соответствующие загрузочные люки устанавливаются вертикальные экраны, позволяющие вентилировать ремонтную зону за счет открывания крышек стояков и загрузочных люков

4. Разогрев охлажденных полупростенков ведется теплопередачей от соседних полупростенков, причем оставляемых с уровня 300° С, переложенного практически с уровня температуры окружающей среды, что предопределяет значительную разницу их расширения при нагреве до рабочих температур. Это приводит к невозможности выполнения проектной перевязки кирпичей на стыке кладок, ускоренному разрушению этого участка. Частичный разогрев и рост кладки происходит в процессе ее выполнения, особенно на стыке оставляемой и новой кладки (при устройстве проектной перевязки изделий) Следующий ряд укладывается на расширившийся предыдущий ряд. Незначительный рост кладки при окончательном разогреве не приводит к появлению разрушений, в том числе и на стыке старой и новой кладки

продолжение таблицы 6.1

1 2

5 Длительность разогрева 10-12 суток Продолжительность службы отремонтированных простенков 5-7 лет Длительность разогрева 2-3 суток Продолжительность службы отремонтированных простенков 15-17 лет

Глава 7. Масштабы внедрения и эффективность разработанных техноло-

гий горячей перекладки простенков

В части горячей перекладки простенков полностью или частично на 21 коксовых батареях в России и за рубежом объем выполненных работ по состоянию на а! густ 2009 г. представлен в таблице 7.1.

Таблица 7.1.

Выполненный объем горячих перекладок отопительных простенков

батарей различных конструкций

№ Страна Предприятие №№ батарей Годы проведения перекладки Количество переложенных простенков

Полностью Частично

Коксовые батареи с объемом камер 41,3 м3

1 Россия ОАО "Алтай-кокс" (г. Заринск) 1,2,3,4 1993-2008 119

2 Россия ОАО "Кокс" (г. Кемерово) 5 1998-2004 64

3 Россия ЗАО "РМК" (г. Магнитогорск) 7,8 2002-2009 62

4 Россия ОАО "НТМК" (г. Н-Тагил) 9 2003-2008 5 85

5 Индия Бхилайский метком-бинат 9 2001-2002 63

6 Индия Визакхапатнамский меткомбинат 1,3 2001-2005 66 96

7 Чехия Метзавод "Нова Гуть" (г. Острава) 11 1999, 2001-2006 51

Коксовые батареи с объемом камер 32,3 м3

8 Турция Искендерунский меткомбинат 1,2,3,4 2004-2006 67 58

9 Россия ОАО "Северсталь" (г. Череповец) 8,9,10 2005-2009 33 66

Коксовые батареи с объемом камер 21,6 м3

10 Китай Джиугуанский меткомбинат 1,2 2004-2007 22 41

Итого 438 460

Сведения об экономическом и экологическом эффектах

Экономический эффект от внедрения технологии ремонта с полной перекладкой отопительных простенков составил на коксовых батареях: № 2 ОАО «Алтай-кокс» 0,711 млрд. руб., № 5 ОАО «Кокс» 2,868 млрд. руб., №№ 7,8 ЗАО «Русская металлургическая компания» 1,398 млрд. руб. Экономический эффект по зарубежным предприятиям -0,151 млрд .руб.

Экономический эффект от внедрения технологий ремонта верхней части отопительных простенков под средним загрузочным и газовыми люками на коксовой батарее № 9 ОАО «НТМК» по разработкам автора составляет 0,509 млрд. руб. По всем другим технологиям участие автора составляет -20%, то есть с суммарным эффектом около 1,5 млрд. руб.

Экологический эффект в результате ремонта коксовой батареи № 5 ОАО «Кокс» выражается в снижении выбросов с 6,0 до 1,4 кг/т., то есть более чем в 4 раза.

Суммарный экономический эффект от внедрения новых технологий на предприятиях России и за рубежом составил 5,64 млрд. руб.

Глава 8. Принципиальные положения по проектированию новых, реконструкции и капитальному ремонту действующих коксовых

батарей

С учетом недостаточно благоприятной перспективы развития угольной сырьевой базы коксования России, вряд ли возможно существенное увеличение габаритных размеров печных камер при новом строительстве и реконструкции старых изношенных коксовых батарей.

При проектировании новых и реконструкции изношенных коксовых батарей потребуется решение некоторых старых и возникших новых конструктивных, технологических и экологических проблем:

-повысить прочность и конструктивную надежность кладки печей путем применения изделий из динаса улучшенного качества для основного массива отопительных простенков и кремнеземистых изделий повышенной термостойкости для кладки крайних вертикалов, а также применение огнеупорных мертелей улучшенного качест-

-обеспечить более высокую жесткость анкерных колонн и увеличить суммар ную нагрузку от внутренних пружин на каждую колонну до 25 тонн, а верхних нижних поперечных стяжек соответственно до 10-18 тонн;

-применять для кладки головочной части простенков огнеупорные изделия пазами для повышения термостойкости и предотвращения обвалов кокса.

-в обязательном порядке предусматривать защемление верха простенков своде печей.

Выводы

1. На основании анализа действующего коксового печного фонда Росси выявлены причины его неудовлетворительного состояния, предложены направлени продления срока службы батарей до 35-40 лет за счет оптимизации технологии кокс< вания и проведения эффективных профилактических и капитальных ремонтов. В р( зультате комплекса работ сформулированы научные основы воздействия технолог! ческих параметров на кладку и разработаны современные способы ремонтов.

2. Рассмотрены основные проблемы, определяющие сохранность коксово1 печного фонда:

- состояние угольной сырьевой базы коксования и способы подготовки шихть

- фаетической величины давления коксования в промышленных печах (15- : кПа) значительно превышающей принимаемую в расчетах конструкции отопител ных простенков батарей (7-10 кПа);

- серийности выдачи-загрузки печей. Наиболее эффективной для сохраннос-кладки является серийность 2-1.

3. Проведены теоретические и промышленные исследования, обоснов; механизм возникновения дефектов и разрушений огнеупорной кладки отопительнь простенков коксовых батарей, в том числе и по схеме нагружения «консоль». Показ но, что для повышения срока эксплуатации основного массива кладки действующ) большегрузных батарей необходимо производить перекладку зоны перекрытия ве тикалов и печей с установкой Т-образных сводовых изделий. Для всех типов вно строящихся и реконструируемых батарей проектным организациям также предусмс реть обязательную установку Т-образных сводовых изделий.

4. Разработана методика прогнозного расчета изменения производственной мощности коксовых батарей в процессе эксплуатации. Показано, что при схеме на-гружения простенка «балка, защемленная с двух сторон» скорость развития дефектов основного массива кладки позволяет эксплуатировать с проектной производительностью все типы батарей в течение 35-40 лет без капитального ремонта. Также показано, что срок эксплуатации головочных участков кладки не превышает 15-20 лет, после чего необходимо проведение соответствующих ремонтов.

5. В результате выполненных теоретических и промышленных экспериментов автором разработана и внедрена технология горячего ремонта головочных участков простенков любой высоты с совмещением процессов укладки и частичного разогрева динасовых изделий, что позволило увеличить срок эксплуатации соответствующих печей до 15-17 лет, вместо 5-7 лет при применении традиционной технологии. Показана сравнительная эффективность проведения «горячих» и «холодных» ре-

монтов. 6

Разработаны принципиальные положения по проектированию новых, реконструкции и капитальному ремонту старых коксовых батарей, которые могут быть использованы проектными организациями и предприятиями для принятия необходимых мер по повышению надежности и увеличению продолжительности срока эксплуатации коксового печного фонда, в том числе: повышение жесткости простенков за счет увеличения их ширины, увеличение нагрузок на анкерные колонны до 20-25 т, увеличение толщины перекрытия печей до 1,5 м, обязательной установки Т-образных сводовых изделий, головочных изделий с «пазами», применение серийности 2-1 при загрузке и выдаче печей.

7. Общий достигнутый экономический эффект от внедрения разработок по зрячей перекладке простенков составляет 5,64 млрд. руб. Суммарный экономиче-шй эффект, приходящийся на долю автора - 1.5 млрд. руб. Экологический эффект 1ключается в снижении выбросов вредных веществ в атмосферу с 6 до 1,4 кг/т кок-1.

ЛИТЕРАТУРА

1. Беркутов А.Н., Топчий М.П., Швецов В.И. и др. О некоторых мероприятиях ) продлению срока службы коксовых батарей.// Кокс и химия,- 1979,- №2,- С. 20-24.

2. Борисов В.И., Швецов В.И., Топчий М.П. Обогрев печных камер смесы доменного и коксового газов с повышенной теплотой сгорания// Кокс и химия,-1985. № 7.-С.16-19.

3. Швецов В.И., Стахеев С.Г., Сухоруков В.И. и др. О механизме разрушен!-обогревательных простенков коксовых батарей.// Кокс и химия.- 1997.- № 12.- С.1 16.

4. Сухоруков В.И., Стахеев С.Г., Швецов В.И. О механизме возникновения развития давления распирания.// Кокс и химия.- 1997,- № 10. - С.9-12.

5. Сухоруков В.И., Копелиович Л.В., Швецов В.И., Стахеев С.Г. О расчет: обогревательных простенков коксовых печей на прочность.// Кокс и химия. -1997. J 9.- С.16-22.

6. Сухоруков В.И., Швецов В.И. Сохранить коксовый печной России - важн; народно-хозяйственная задача.// Кокс и химия.- 1999.- № 4.-С.47-51.

7. Швецов В.И., Чемарда H.A. Об эффективности горячих ремонтов огнеупо ной кладки коксовых батарей.// Кокс и химия.- 1999. -№ 9,- С. 18-22.

8. Патент Российской Федерации RU № 1258. «Комплект оборудования д. восстановительного ремонта огнеупорной футеровки промышленных печей» (Авт ры: Швецов В.И., Сухоруков В.И., Чемарда H.A., Макаров A.B.). Бюлл. № 4 10.02.2000 г.

9. Патент Российской Федерации RU № 2147359 «Способ восстановительно ремонта огнеупорной футеровки промышленных печей» (Авторы: Швецов В.И., С хоруков В.И., Чемарда H.A., Макаров A.B.). Бюлл. № 10 от 10.04.2000 г.

10. Швецов В.И. Сравнительная оценка различных методов ремонтов ort упорной кладки коксовых батарей.// Кокс и химия.- 2001,- № 7.- С. 19-21.

11. Сухоруков В.И., Швецов В.И. Анализ состояния и перспективы коксово печного фонда в России.// Кокс и химия.- 2001.- № 4.- С.42-48.

12. Сухоруков В.И., Швецов В.И. Состояние печного фонда и перспекти! производства кокса в России.// Кокс и химия .- 2002.- № 5.- С. 11-21.

13. Сухоруков В.И., Швецов В.И. Состояние коксового печного фонда стр СНГ.// Кокс и химия.- 2003. -№ 1,- С. 36-45.

14. Чемарда H.A., Швецов В.И., Сухоруков В.И. Состояние, перспективы и сохранность коксового печного фонда России// Кокс и химия.- 2003,- № 3- С.18-24.

15. Сухоруков В.И., Швецов В.И., Чемарда H.A. Ремонт кладки и армирующего оборудования коксовых батарей.- Екатеринбург.- 2004.-С. 482.

16. Копелиович JI.B., Сухоруков В.И., Стахеев С.Г., Швецов В.И. Расчет напряжений в огнеупорной кладке обогревательного простенка коксовой батареи с учетом фактически действующих нагрузок . //Кокс и химия.-2004,- № 4,- С. 12-16.

17. Сухоруков В.И., Швецов В.И. Школа-семинар специалистов коксового производства. //Кокс и химия,- 2005. -№ 3. -С. 40-47.

18. Сухоруков В.И., Копелиович Л.В., Швецов В.И. О конструктивной устойчивости коксовых печей разной высоты. //Кокс и химия,- 2006.- № 10,- С. 9-12.

19. Сухоруков В.И., Швецов В.И., Стахеев С.Г. Основные проблемы сохранности коксового печного фонда. //Кокс и химия. -2006. -№ 3,- С.26-36.

20. Сухоруков В.И., Швецов В.И. Современные методы обеспечения сохранности коксового печного фонда// Кокс и химия,- 2007. -№ 3. -С.37-47.

21. Швецов В,И., Сухоруков В.И. Перспективы обеспечения сохранности коксового печного фонда// Кокс и химия. -2008.- № 1,- С. 16-25.

22. Швецов В.И., Копелиович Л.В., Сухоруков В.И. Влияние некоторых конструктивных и технологических факторов на продолжительность эксплуатации коксовых батарей// Кокс и химия. -2009.- № 6.- С. 21-27.

23. Швецов В.И., Сухоруков В.И. Проблемы эксплуатации и сохранности коксового печного фонда в условиях экономического кризиса. 2. Техническое и информационное обслуживание предприятий // Кокс и химия.- 2010,- № 2,- С. 7-16.

24. Швецов В.И., Сухоруков В.И. Опыт эксплуатации современных коксовых батарей и обеспечение сохранности коксового печного фонда. 1. Проблемы эксплуатации и сохранности коксового печного фонда//Кокс и химия.-2011.-№ 1.-С.9-18.

25.V.I. Sukhorukov, V.I.Shvetsov. Operational Experience with Coke Batteries and Preservation of Existing Coke Furnaces. 2.Maitenance and Information Services//ISSN 1068-364X, Coke and Chemistry.- 201 l.-Vol.54.-№ 5,- pp. 157-164.