автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Влияние термоциклических воздействий расплавленного металла на систему "конвертер-кран" и совершенствование ее элементов

На правах рукописи

Малов Владислав Валерьевич

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА НА СИСТЕМУ «КОНВЕРТЕР - КРАН» И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальности: 05.14.04 - промышленная теплоэнергетика;

05.02.13 - машины, агрегаты и процессы металлургического производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Череповец 2004

Работа выполнена в Череповецком государственном университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, Попов Владимир Григорьевич.

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, академик МААНОИ, академик Академии подъемно-транспортных наук Украины, Кузьминов Александр Леонидович.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор, академик

МААНОИ, заслуженный изобретатель РФ, Юдин Рафаил Айзикович. - кандидат технических наук, Сараев Олег Викторович.

Ведущая организация - ОАО «Российская экспертная компания по объектам

повышенной опасности» (РосЭК), г. Москва

Защита состоится «5» июля 2004г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.297.01 в Череповецком государственном университете по адресу: 162600, г. Череповец Вологодской обл., пр. Луначарского, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Череповецкого государственного университета.

Автореферат разослан «4» июня 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Никонова Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

На ранних стадиях развития черной металлургии, когда в металлургический цикл были объединены агрегаты малой емкости, практически не было резких температурных выбросов при их обслуживании заливочными кранами. Ситуация значительно изменилась при широком внедрении большегрузных конвертеров с коротким циклом производства стали. Усложнились условия работы литейных кранов, и в связи с этим при их эксплуатации происходят аварии и инциденты. Большие проблемы возникают при заливке чугуна в конвертер, когда происходит тепловой выброс высокой интенсивности из его горловины. Основной причиной этого является неудовлетворительное качество металлической шихты.

Соприкосновение металлошихты с жидким чугуном, имеющим температуру 1330-1470 °С, приводит к резкому и интенсивному выделению газов, температура которых достигает 400-1380 °С. Перегретые газы и пламя воздействуют на окружающее технологическое оборудование и строительные конструкции. В частности, большое влияние тепловые выбросы оказывают на заливочные краны. Их работа происходит при резком перепаде температур окружающей среды, что приводит к возникновению в металлоконструкциях температурных напряжений и, как следствие, к изменению микроструктуры металла. Также выгорает изоляция питающих кабелей, смазывающие масла теряют свойства, перегреваются электродвигатели, сокращается срок службы стальных канатов и металлоконструкций кранов.

Для оценки риска эксплуатации литейного крана необходимы фактические данные о его нагруженности и о термических воздействиях во время заливки чугуна. Данные такого рода целесообразно получать расчетно-экспериментальным путем с использованием измерительных систем и приборов. В настоящее время таких средств, пригодных для установки на литейных кранах, практически нет.

В работе изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных с целью совершенствования эксплуатации элементов канатно-блочных систем литейных кранов, создания средств их контроля, а также процессов изготовления и эксплуатации стальных канатов. Проведен анализ факторов сталеплавильного производства, влияющих на показатели надежности элементов системы «конвертер - кран», обзор существующих методов контроля термоциклических воздействий на канаты, рассмотрены теоретические вопросы конвективного и инфракрасного влияния расплавленного металла на стальные канаты и элементы крана. Разработана математическая модель и проведено моделирование процесса теплопередачи в канате с учетом температуры и газообразных выбросов с включениями. Предложена методика измерения термоциклических воздействий на канаты литейного крана и на ее основе система контроля «Борт-1». Выполнен анализ результатов входного контроля и применения магнитного дефектоскопа в

условиях эксплуатации канатов.

Достоверность полученных результатов подтверждена путем сопоставления расчетных данных с результатами лабораторных исследований и натурными экспериментами в промышленных условиях с применением современного оборудования и приборов.

Проведены исследования, позволяющие определить основные факторы, влияющие на динамику изменения механических характеристик грузоподъемных канатов литейных кранов. С этой целью проводили лабораторные испытания натурных и модельных образцов канатов, а также определяли параметры их термического и механического нагружения в промышленных условиях. При этом в качестве базовой принята существующая технология заливки чугуна в конвертер.

Цель работы.

Исследование термоциклических воздействий на элементы системы «конвертер - кран» и на этой основе совершенствование технологии эксплуатации и повышение качества и надежности стальных канатов металлургических литейных кранов.

Научная новизна работы.

1. На основе исследования тепловых полей в зоне выбросов из конвертера впервые в промышленных условиях при заливке в сталеплавильный агрегат жидкого чугуна установлены закономерности температурных воздействий на стальные канаты литейных кранов.

2. Разработана математическая модель для расчета температурного поля в канате, учитывающая сложный характер теплообмена, как в продольном, так и в радиальном направлении с учетом условной контактной теплопроводности.

3. Установлены качественные и количественные характеристики температурных воздействий при наличии различных вариантов защиты стальных канатов.

4. Установлены закономерности изменения механических характеристик и микроструктуры материала проволок стальных канатов в зависимости от типа смазки, количества, длительности и интенсивности термических воздействий.

Практическая значимость работы.

1. Установлено влияние высокотемпературной смазки на изменение прочностных характеристик проволок стальных канатов литейных кранов.

2. Разработана методика инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности стального каната литейного крана в зависимости от параметров тепловых воздействий и количества заливок чугуна в конвертер краном.

3. Разработана бортовая система контроля «БОРТ-1», позволяющая регистрировать режимы термоциклических воздействий и нагруженности элементов литейного крана.

4. Предложена концепция разработки нового прибора, который объединил бы в себе возможности и функции магнитного дефектоскопа и структуроскопа.

5. Разработана экранная защита стальных канатов от прямых тепловых воздействий и выбросов жидкого металла.

6. Проведены оценки эффективности вариантов защиты стальных канатов в реальных условиях эксплуатации литейного крана.

7. Разработаны методика учета влияния термоциклических воздействий расплавленного металла на систему «конвертер - кран» и практические пути совершенствования ее элементов.

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований системы «конвертер - кран» используются:

1. Отделом диагностики ООО «ССМ-Инжиниринговый центр» при входном и эксплуатационном контроле состояния стальных канатов магнитным дефектоскопом;

2. ОАО «ЧСПЗ» изготавливает стальные канаты с предложенной смазкой;

3. Разработанные совместно с ОАО «ЧСПЗ» изменения №7 ТУ 14-4-27373 переданы для изготовления восьмипрядных канатов 0 42 мм для литейных кранов;

4. В конвертерное производство ОАО «Северсталь» переданы:,

- бортовая система контроля термоциклических воздействий и нагруженности элементов крана «БОРТ-1» (включая программное обеспечение);

- рекомендации по эксплуатации и обтяжке стальных канатов на литейных кранах;

- рекомендации по тепловой защите стальных канатов (рабочие чертежи вариантов защиты);

- проведены натурные испытания вариантов тепловой защиты, стальных канатов;

5. Результаты исследований используются в ЧТУ на кафедрах «Подъемно-транспортные машины», «Промышленная теплоэнергетика», «Машины и агрегаты металлургических заводов» при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе..

Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования рассматривались

на:

1. Техническом совещании по проблемам поиска оптимальных решений, возникающих при эксплуатации литейных кранов в конвертерном производстве ОАО «Северсталь» с участием Госгортехнадзора РФ, ВНИИПТМАШ, ЦНИИПСК им. Мельникова, ВНИИМЕТМАШ, ЧТУ, ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод» (Череповец, 18-19 января 1999 г.);

2. Семинаре-совещании руководящих работников Госгортехнадзора РФ «О повышении эффективности государственного надзора и совершенствование контрольной работы на объектах металлургических и коксохимических производств» (Череповец, 13-16 сентября 1999 г.);

3. Международной конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах. ИНФОТЕХ-99» (Череповец, 1999 г.);

4. Заседании научно-методического совета по специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» (Череповец, 1-5 февраля 2000 г.);

5. Заседании совета Управления Северного округа Госгортехнадзора РФ (Череповец, 28 августа 2000 г.);

6. Всероссийском научно-практическом семинаре «Безопасность эксплуатации и проблемы продления срока службы подъемных сооружений» (Екатеринбург, 21-24 ноября 2000 г.);

7. Шестом Международном конгрессе сталеплавильщиков (Череповец, 17-19 октября 2000 г.);

8. Научно-технической конференции «Северсталь» - пути к совершенствованию» (Череповец, 28 июня 2001 г.);

9. Коллегии Управления Северного округа ПТН РФ (Череповец, 16 апреля 2004 г.).

Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных

работ.

На конструкцию сплошной тепловой защиты стальных канатов от термоциклических воздействий подана заявка на изобретение.

Результаты работы и рекомендации по повышению срока службы стальных канатов обсуждены и одобрены специалистами Северного округа Госгортехнадзора РФ, Череповецкого государственного университета, конвертерного производства и управления промышленной безопасности ОАО «Северсталь», ООО «ПТМ Северо-Запад», ООО «Научно-производственный центр Инжиниринг».

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 77 наименований. Объем диссертации составляет 174 страницы, включающий 32 рисунка, 9 таблиц, 12 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обосновывается актуальность и дается краткая аннотация выполненной работы.

1. Температурное воздействие расплавленного металла на элементы системы «конвертер - кран»

Раздел посвящен обзору исследований, проведенных российскими учеными в области температурных воздействий на оборудование и механизмы при заливке металла в конвертер.

Большой вклад в создание и развитие этого направления внесли работы многих российских ученых, среди которых А.В. Вершинский, А.С. Липатов, А.Н. Орлов, B.C. Котельников, М.Ф. Глушко, В.Г. Козлов, А.А. Короткий,

Г.Г. Кожушко, С.А. Соколов, М.Н. Хальфин, А.А. Зарецкий, Л.А. Невзоров, Н.Н. Панасенко, В.В. Сухорукое, В.Г. Попов, А.Л. Кузьминов, С.А. Тебнев.

Примененная в исследованиях, выполненных в данной работе, методика исследования эксплуатационных режимов работы стальных канатов литейных кранов в конвертерном производстве ОАО «Северсталь» в обобщенном виде представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема методики исследования эксплуатационных режимов работы стальных канатов металлургических кранов

2. Расчет температурных полей стальных канатов заливочного

крана

В рассматриваемой задаче описано температурное поле каната в наиболее опасном сечении (с точки зрения воздействия температуры). Перенос энергии в системе «конвертер - кран» осуществляется теплопроводностью, излучением и конвекцией, и в связи с этим для описания процесса необходимо

использовать уравнение энергии, учитывающее одновременно действие всех трех видов теплообмена.

На рис. 2 представлена схема рассматриваемой системы «конвертер -

кран».

1

Рис. 2. Схема тепловых потоков на элемент каната dS: 1 - траверса крана; 2 - канат; 3 - конвертер; 4 - заливочный ковш; 5 - подвеска механизма вспомогательного подъема; 6 - металлический лом; 7 - источники излучения (струя чугуна и футеровка конвертера); 8 - факел.

В качестве основного исходного закона, на котором базируются все расчеты, принят закон сохранения энергии. Тогда уравнение теплового баланса содержит как интегральные, так и дифференциальные члены с различными показателями степени при температуре и является интегро-дифференциальным уравнением.

Тепловой баланс для элементарной площадки каната dS определяется уравнением:

Чт+Чл(|-ср) = Чл(3-1)+0л(2-])+Ч|с(2-1). (1)

где = -сЦу(Я.§гас1Т(г,т)) — плотность теплового потока теплопроводностью в канат;

Qrti-iprzaT^ (т)+(1-е)(Чз-1+Ч2-|) - плотность теплового потока,

характеризующая потери тепла излучением от каната в окружающую среду;

Чл(з-1) - плотность лучистого теплового потока от системы «конвертер-струя» на поверхность каната;

Чл(2-о - плотность лучистого теплового потока от факела на поверхность каната;

- плотность конвективного теплового потока;

Т(г,т) - температура каната, К;

Тср - температура внешней среды, К;

С - интегральная полусферическая степень черноты поверхности каната;

<г - постоянная Стефана-Больцмана;

а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К);

Тпов(т) - температура поверхности каната, К.

Уравнение содержит неизвестную температуру (ТПОв(т) - температура поверхности каната) в четвертой степени (при описании излучения),

производную от температуры gradT (при описании теплопроводности) и

разность температур Тпов(т)-Тср (при описании конвекции). Каких-либо «классических» решений или методов расчета таких нелинейных уравнений не существует. Можно использовать численные методы расчета, но они трудоемки и не всегда целесообразны. В некоторых случаях можно сделать предположение, что три вида теплообмена не взаимодействуют, т.е. независимы, если их взаимодействие слабое.

Задачу распространения температурного поля в канате решали в предположении независимости процессов теплопроводности в канате, (теплообмена излучением и конвекцией) для граничных условий второго рода при следующих допущениях:

1. Расчет проводили для наиболее нагретого (наиболее опасного) фрагмента каната длиной dl, где осевой поток тепла намного меньше радиального (Qi«Qr), т.е. рассматривали задачу для неограниченной длины;

2. Считали распределение теплового потока по поверхности каната в выбранном фрагменте dl равномерным;

3. Потерями тепла с поверхности каната в первом приближении пренебрегали;

4. Принимали цилиндрическое сечение каната с эквивалентным радиусом R3KB;

5. Эффективные теплофизические свойства каната на длине dl принимали изотропными и не зависящими от Т.

Уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах:

Для бесконечного цилиндра с осевой симметрией начального температурного распределения и внешнего теплового потока уравнение примет вид:

дТ(г,т) дт

= а

' д2Т(г, г) 1 дТ{г,т)

дг2

- + — г дг

(т>0,0<r<R).

(3)

(4)

Начальные условия: T(r, 0)—То—const Граничные условия:

ЗГ(Д, г) t qcp = ôr Л

аг(о,г)_

дг

Г(0,г)*оо

где Т(г, т) - температура каната, К; т - время, с;

г, R - текущий и полный радиус поверхности, м; Т0 - начальная температура, К;

Cl — коэффициент температуропроводности, а. =

с,Г

ср - удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг-К); у - плотность, кг/м3;

Я. - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К);

Чср(т) = Чл(з-1)+Ял(2-п+Чк(2-1) , - суммарная плотность теплового потока на поверхность каната, Вт/м .

(г, 0)=To=const и q(T)=qcp=const решение принимает вид

2 ï^'T^pf-^0)

Для случая Tl 0 = T(r,r)-To=Ki

т -т

л ср *0

H R2 J i*.J„faJ

(5)

Для более общего случая начальных и граничных условий

qcp=q(t)

решение имеет вид

Г(г,г) = -ij- \f{r)rdr + +

« о Я Л о

+ у * )ехр (- nlFo )\]rf (r)Je{ц, —}dr +

Л2 (/О V J 4 " R J

^ a "fi~J / 2„ \2 rf , ,ат ,

tÇ, exp

где 9 - безразмерная температура;

Ю - критерий Кирпичева, & = ;

¿(Тср-Т0)

Ро — число Фурье, р0 = £1.;

Л2

•^о(х) функция Бесселя первого рода (в данном случае нулевого порядка);

Ц„ - корни характеристического уравнения .Цц).

Для решения тепловой задачи, представленной системой уравнений (3), (4) необходимо знать теплофизические свойства каната, его размеры и геометрию. Канат изготовлен из стальных (сталь 70) цельнотянутых скрученных проволок различного диаметра и представляет собой сложный композиционный материал с анизотропными свойствами. В продольном направлении - это волокнистый материал с упорядоченной структурой, и его теплопроводность может быть описана как проводимость пакета независимых параллельных проводников:

а.,1=хпр(1-р), (7)

где А.р - теплопроводность каната в продольном направлении;

Я.„р - теплопроводность материала проволок;

Р - пористость.

Пористость определяется как Р=(5-8пр)/5 - относительная доля пустот в объеме.

В радиальном направлении - это пористый мелкодисперсный материал с множественными контактами, а сечение имеет сложную форму (рис. 3, а). В принятой модели тепловой задачи принимаем цилиндрическую форму каната, а эффективные свойства в рассчитываемом сечении - изотропными. Поэтому расчет эффективной теплопроводности проводили в радиальном направлении, а его геометрию привели к цилиндрической форме с эквивалентным радиусом

и пористостью Р.

где Я - эквивалентный радиус каната цилиндрической формы, м;

8 - площадь поперечного сечения каната с порами, м2;

Бпр - площадь поперечного сечения проволок в канате, м2;

5ЛОр - площадь поперечного сечения пор в канате, м2.

В результате расчетов получены значения мм и Р=0,24. Но

учитывая уплотнение каната под действием нагрузки в последующих расчетах принимали значение Р=0,2. Эквивалентное сечение каната с радиусом Я и пористостью Р приведено на рис. 3, б. Это матричная система со статистически распределенной второй фазой (порами), имеющей форму замкнутых полостей.

а) б)

Рис. 3. Фактическое (а) и эквивалентное (б) поперечное сечение каната 1 - проволоки, 2,4 - поры, 3 - матрица

Для принятой модели и заданной пористости эффективная теплопроводность может быть описана формулой Максвелла и Оделевского:

где Х1 - коэффициент теплопроводности матрицы, Вт/(м-К);

Х2 - коэффициент теплопроводности наполнителя, Вт/(м-К);

- эффективный коэффициент теплопроводности каната в радиальном направлении, Вт/(м-К).

Для расчетов необходимо определить свойства матрицы. и свойства включений (второй фазы).

При заполнении пор малых размеров газом и температурах менее 800 °К проводимостью второй фазы, то есть теплопереносом газовой фазы и лучистым теплообменом, можно пренебречь. Теплоемкость также незначительна по сравнению с теплоемкостью матрицы, и ею также можно пренебречь. Тогда получим:

1 _ р

(10)

теплопроводность рассчитывается по формуле (9), а температуропроводность определяется по выражению

а — ■

(П)

срГпр О -Р) + ср(ы)уыР срупр 0,8 + ср{ы)уы 0,2

Рассчитать коэффициент теплопроводности матрицы (>.1) достаточно сложно из-за существенной роли контактных сопротивлений.

Обычно учет контактных сопротивлений проводят путем расчета теплового сопротивления (Ят=\/Х) контакта между двумя частицами сферической формы. Этот расчет для идеализированной схемы требует введения многих неопределенных параметров, таких как: расстояние между частицами, высота и форма микрошероховатости, геометрия и размер частиц и др.

В работе введено понятие условной контактной теплопроводности А*, определяемой из известных экспериментальных данных. Эквивалентное тепловое сопротивление каната в поперечном сечении на схеме, представленной на рис. 4, можно рассчитать по формуле

КГ N N

(12)

где индексы кл, ч, к относятся соответственно к кластеру, частице и контакту между частицами;

п - число частиц в кластере; N - число кластеров на единицу площади.

а) б)

Рис. 4. Эквивалентная схема проводимости: а - кластера; б - материала матрицы

Адекватность полученной тепловой модели каната оценивалась путем сравнения получаемых расчетных данных с результатами экспериментов,

проведенных на лабораторной установке, в которой канат, аналогичный натурному, разогревали в кольцевой муфельной печи.

Рассчитаны основные теплофизические свойства каната, которые приведены в диссертации. В расчетах использовались данные измерений температурных полей с помощью тепловизора, термопарами, а также специально разработанной в рамках данного исследования бортовой системы контроля механических и термических воздействий.

Расчеты температурных полей для различных зон каната

проводились по зависимости (5). При этом принимали допущение, что теплопроводность каната постоянна и соответствует средней температуре в наблюдаемом диапазоне изменения температур данного режима. Решения,

Т7 в

приведенные в виде соотношения Fo и для различных моментов времени

при близкой к максимальной плотности теплового потока (80 кВт/м2), представлены в таблице 1.

____Таблица 1

Т, мин Fo 0/Ki (поверхность) 0/Ki (центр)

0,5 0,2 0,62 0,16

1,0 0,4 1,04 0,55

1,5 0,6 1,45 0,95

2,0 0,8 2,0 1,35

По полученной модели, с привлечением экспериментально полученных данных, произведены расчеты температурных полей в канатах без смазки, с обычной и высокотемпературной смазкой, находящихся в зоне выброса из конвертера для различных температур факела пламени (в диапазоне от 400700 °С) и времени нахождения каната в этой зоне в интервале от 30 до 120 с. При расчетах использовали граничные условия I рода, корректность применения которых при решении тепловой задачи обусловлена фактически мгновенным прогревом поверхности каната до температуры среды (выброса из конвертера) и практической целесообразностью, определяемой реализованной в данной работе возможностью контроля температуры факела в районе канатов.

На рис. 5 приведены примеры полученных распределений температур по радиусу каната г (условно разбит на 8 частей) при различных промежутках времени нагрева т. Расчетно-экспериментальным путем в работе установлено, что температуры нагрева для каната без смазки и с наполнителем отличаются не более чем на 5 %.

Полученные расчетные данные использовались для определения потери прочности каната при его нагреве газовым потоком и разработке соответствующей инженерной методики.

Рис. 5. Изменение температуры каната по радиусу в различные моменты времени т для температур газового выброса из конвертера а) 400 °С б) 700 °С (канат без смазки)

3. Методы контроля канатов в условиях термоциклических воздействий»

Для контроля изменения состояния канатов в процессе эксплуатации проводилась магнитная дефектоскопия при помощи дефектоскопа «Интрос», которая обеспечивает обнаружение локальных дефектов и уменьшение площади поперечного сечения проволок каната.

При исследованиях подвергали входному контролю и диагностике в процессе эксплуатации канаты. 42 мм в полиспасте механизма главного подъема литейного крана конвертерного производства ОАО «Северсталь».

Результаты замеров показали, что:

- на новом канате практически всегда имеются дефекты, которые возникают в процессе свивки прядей каната при его изготовлении;

- зафиксировано увеличение потери сечения каната на критических участках каната, на которых он испытывает наибольшие, механические и термические воздействия;

- увеличение потери сечения каната происходит после первых же заливок, а затем в процессе работы идет ее развитие;

- в процессе эксплуатации крана отмечен рост дефектов, обнаруженных при входном контроле.

В практике эксплуатации литейных кранов отсутствуют системы, фиксирующие вес поднимаемого груза и интенсивность термических воздействий на элементы литейных кранов.

Разработана, изготовлена и эксплуатировалась в течение длительного времени на кране №8 конвертерного производства ОАО «Северсталь» бортовая система «БОРТ-1», предназначенная для контроля механических и термических воздействий, на канаты главного подъема. Также разработано специализированное программное обеспечение.

Бортовая система контроля «БОРТ-1» в основном отвечает требованиям к регистраторам параметров грузоподъемных кранов (РД 10-399-01).

Система «БОРТ-1» позволяет:

- давать количественные оценки термических воздействий и режимов работы литейных кранов, полученных в реальных условиях эксплуатации;

- определять фактическую группу классификации (режима работы) литейного крана за любой промежуток времени работы;

- определять число циклов термических воздействий и спектр нагрузки на элементы литейного крана во время заливки жидкого чугуна;

- получать достоверные исходные данные для количественной оценки безопасности литейных кранов и информацию при расследовании аварий.

Фрагмент записи работы системы контроля термических и механических воздействий показан на рис. 6.

11.4ГК1Н/.1!5 Ч чл I » „'Л 4« 11 Г* л I* и *г 13 Л и иО И /К 15 Ч' ' 1'!' * и !* .'Г 1' I * Л *>.

) С7 по ч • ЯГ" I' I» Г ' ОГ О' V .» ПГ Г"1 г! • 11 Л/7 ЛИ 14 7„,,1 гт 1|(МП1 «ни (4 1- г г > I- > г

Рис. 6. Фрагмент записи работы системы «Борт-1»: 1 - изменение веса поднимаемого груза во время заливки чугуна в конвертер; 2 - показание

пирометра

4. Исследования прочности канатов в промышленных условиях и мероприятия по повышению надежности при их эксплуатации

Для образцов канатов, находившихся в реальных условиях эксплуатации в системе «кран - конвертер» произведен расчет фактического запаса прочности каната, а также металлографический анализ микроструктуры его проволок.

Исследовали применяемые на заливочных кранах шестипрядные стальные канаты диаметром 42 мм конструкции 6x25(1+6, 6+12) типа ЛК-3 без смазки, с обычной смазкой и с термостойкой смазкой ЛЬТМР ЕР. В лабораторных условиях были проведены испытания проволок рабочих канатов на разрыв по ГОСТ 10446 и на количество перегибов по ГОСТ 1579. Для испытаний были взяты образцы канатов из мест установки, которые характеризуются различными видами воздействий. Один образец вырезали в месте крепления каната к траверсе главного подъема, где температура находится в пределах 420-580 °С. Второй образец вырезали в месте крепления каната к барабану, где температура не превышает 100°С. Третий образец вырезали из каната, работающего в блоках.

Анализ результатов исследований показал эффективность применения различных вариантов смазки. Коэффициент запаса прочности каната изменяется соответственно: у каната без смазки - на 18,4 %; с обычной смазкой - на 1,5 %; с термостойкой смазкой - на 3,5 %; с термостойкой смазкой после эксплуатации двух месяцев - на 3,5 %.

Микротвердость образцов проволок каната без смазки (1 месяц эксплуатации), каната с термостойкой смазкой (1 месяц эксплуатации) и каната с термостойкой смазкой (2 месяца эксплуатации) по сравнению с образцами проволок нового каната соответственно снижается: для первого слоя пряди - на 50 %, 0 %, 6,4 %; для второго слоя пряди - на 42 %, 0 %, 9 %.

С учетом изменений прочностных свойств проволок каната в зависимости от температуры их нагрева статистическими методами проведен расчетный анализ изменения коэффициента запаса прочности каната кр в

зависимости от температуры газового потока из конвертера 7"г и времени его воздействия на канат В результате получена зависимость

кр = 7,1 - (2,75 ■ Тг + 5,66 • т) ■ 10"3. (13)

В методике инженерного расчета необходимо учитывать количество термических воздействий на стальные канаты или количество заливок чугуна в конвертер. Фактический коэффициент запаса прочности можно определять по формуле:

где - коэффициент, учитывающий потерю коэффициента запаса

прочности после каждой заливки, определяется экспериментальным путем; - количество заливок чугуна в конвертер краном. Для определения возможности использования магнитного дефектоскопа стальных канатов «ИНТРОС» МДК-21, работающих в условиях воздействия термоциклических нагрузок, взяли образец стального каната со стальным сердечником диаметром 42 мм производства ЧСПЗ и производили нагрев одного и того же участка горелкой.

Производили контроль отрезка каната магнитным дефектоскопом до начала нагрева каната и после каждого термического воздействия/ Дефектограмма ПС (потери сечения) в процентах представлена на рис. 7. Потеря сечения в данном случае проявляется как высокотемпературная коррозия при многократном нагреве и охлаждении каната на участке от 0,4 до 0,9 м.

Дефектограмма ПС, %

11111 I—1---'—I-1—1-1 ' I-г^— I 1 I I

0,1 0.2 0,3 0.« 0.5 0,6 0,7 0,8 0,3 I 1.1 1.2 1,3 1.4 1.5 1,6

Рис. 7. Дефектограмма ПС (потери сечения) в %

Анализ результатов контроля показывает, что магнитный дефектоскоп стальных канатов «ИНТРОС» МДК-21 качественно и количественно отражает изменения остаточной намагниченности материала каната от интенсивности и длительности воздействовавших на него в процессе эксплуатации термоциклических нагрузок. В то же время существуют и эффективно применяются для контроля напряженно-деформированного состояния металла магнитные структуроскопы серии КРМ-ЦК. В связи с этим поставлена задача разработки нового прибора неразрушающего контроля стальных канатов с

целью фиксации числа циклов нагружений и одновременно количества термических воздействий, который бы объединил в себе возможности и функции магнитного дефектоскопа стальных канатов «ИНТРОС» МДК-21 и магнитного структуроскопа серии КРЦ-ЦК-

Проведены исследования эффективности предложенного варианта цепной защиты стальных канатов на литейном кране конвертерного производства ОАО «Северсталь». Исследования тепловых полей, создаваемых выбросами горячих газов, а также инфракрасным излучением, показали снижение влияния термических воздействий на стальные канаты 0 42 мм главного подъема при использовании цепной защиты.

Так, по результатам применения тепловизионного контроля и анализу данных на ПК в программе IRwin Image Explorer максимальная температура поверхности каната без применения цепной защиты достигает 400-500 °С. На канатах литейного крана с цепной защитой диапазон температур составляет 200-250 °С.

Анализ результатов магнитной дефектоскопии также показывает эффективность цепной защиты в связи с уменьшением относительной потери сечения каната в местах воздействия на него прямого инфракрасного излучения.

Магнитная дефектоскопия каната на кране с цепной защитой показала отсутствие характерных потерь сечения стального каната в местах воздействия на него прямого инфракрасного излучения. Наличие цепной защиты металлургических кранов позволяет устранить характерные участки потери сечения канатов, которые возникают вследствие высокотемпературной коррозии.

Предложен вариант оснащения заливочных кранов сплошным металлическим защитным экраном, установленным на траверсе. Сравнительное влияние вариантов защиты на температуру поверхности каната, полученное путем тепловизионной съемки, приведено на рис. 8.

Рис. 8. Эффективность применения вариантов защиты канатов

Повышение срока службы стальных канатов металлургических кранов, подвергающихся термоциклическим воздействиям, возможно осуществить за счет применения канатов с термостойкой и обычной смазкой.

В работе обосновано, что повышение срока службы стальных канатов металлургических кранов, подвергающихся термоциклическим воздействиям, возможно осуществить за счет внедрения следующих мероприятий:

- защиты канатов от прямого воздействия инфракрасного излучения (защитный экран, цепная защита);

- применения канатов с термостойкой и обычной смазкой;

- футерования поверхности ручьев блоков полиспаста с целью снижения контактных напряжений между проволоками в прядях, между прядями и сердечником каната.

5. Внедрение канатов новой, конструкции и технико-экономическая, эффективность работы

В диссертационной работе проведен анализ наиболее часто появляющихся дефектов в канатах при их эксплуатации, основной причиной которых является неравномерное натяжение прядей в процессе свивки каната.

Для повышения долговечности канатов рекомендуется использовать канатовьющие машины с системами автоматического регулирования натяжения прядей при свивке. После установки нового каната перед началом эксплуатации необходимо привести его обтяжку со следующими грузами 0,1^; 0,3р; 0,5р; 0,7р; 9, где р - грузоподъемность крана, с целью равномерного распределения нагрузки между проволоками, прядями каната.

Увеличение ресурса каната достигается использованием прогрессивных конструкций канатов. Канаты с линейным касанием проволок в прядях, металлическом сердечнике и в целом в канате позволяют повысить ресурс канатов на 20 % способствуют повышению их прочности и гибкости. Расчет на ЭВМ, использованный при конструировании многопрядного стального каната, позволил осуществить выбор рациональных параметров свивки каждого конкретного каната (определить параметры проволок, слоев, прядей, металлического сердечника и каната в целом, углы и шаги свивки, зазоры) при условии минимальных контактных напряжений между проволоками.

Восьмипрядные канаты имеют несколько меньшее значение диаметров проволок первого, второго слоев пряди, центральной проволоки и всех проволок металлического сердечника. Восьмипрядные канаты при эксплуатации испытывают меньшие контактные напряжения, так как увеличивается количество прядей, контактирующих с поверхностью ручья блока и барабана.

В результате проведенных совместно с ОАО «ЧСПЗ» исследований рекомендована к изготовлению конструкция каната по ТУ 14-4-273-73 (изменение №7), конструкции ЛК-РО 8х36(1+7+7/7+14)+7х7(1+6).

После внедренных мероприятий по совершенствованию элементов системы отмечено увеличение срока службы стальных канатов главного

подъема литейных кранов, уменьшение расходов на эксплуатацию и ремонт литейных кранов.

Проведена технико-экономическая оценка эффективности использования канатов со смазкой и защитного экрана от инфракрасного излучения для одного литейного крана. Затраты на внедрение мероприятий включают в себя исследования, разработку проекта на защитный экран, его изготовление и установку на кран.

Ожидаемый годовой экономический эффект составляет

Э=916 824руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Разработана математическая модель расчета температурных полей стальных канатов заливочного крана, учитывающая сложный характер теплообмена, как в продольном, так и в радиальном направлениях с учетом условной контактной теплопроводности. Коэффициенты теплопроводности каната при температурах 100-200 °С составляют в радиальном направлении 8-11 Вт/(м К) и 30-40 Вт/(м К) в продольном направлении. Заполнение смазкой увеличивает теплопроводность каната не более, чем на 5 %. Максимальная плотность теплового потока может достигать 80 кВт/м2. Доля конвективной составляющей теплового потока имеет величину порядка 15 %. Основное воздействие на канат - высокотемпературная коррозия в агрессивной газовой среде.

2. Разработана бортовая система контроля нагруженности элементов литейного крана и термических воздействий «Борт-1»- с программным обеспечением. Система «Борт-1» позволяет фиксировать число циклов и спектр нагрузки, а также одновременно термоциклическое воздействие на стальные канаты литейного крана во время заливки чугуна в конвертер.

3. Проведены натурные исследования эффективности вариантов смазки. Коэффициент запаса прочности каната изменяется соответственно: у каната без смазки - на 18,4 %; с обычной смазкой - на 1,5 %; с термостойкой смазкой - на 3,5 %; с термостойкой смазкой после эксплуатации двух месяцев - на 3,5 %. Микротвердость образцов проволок каната без смазки (1 месяц эксплуатации), каната с термостойкой смазкой (1 месяц эксплуатации) и каната с термостойкой смазкой (2 месяца эксплуатации) по сравнению с образцами проволок нового каната соответственно снижается: для первого слоя пряди - на 50 %, 0 %, 6,4 %; для второго слоя пряди - на 42 %, 0 %, 9 %.

4. Разработана методика инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности стального каната литейных кранов в зависимости от параметров тепловых воздействий и количества заливок чугуна в конвертер краном.

5. Применение магнитного дефектоскопа «ИНТРОС» при входном контроле на канатовьющей машине позволяет выявить скрытые заводские

дефекты новых канатов, а при контроле в процессе эксплуатации - потерю сечения на отдельных участках, подверженных одновременно термоциклическим воздействиям и нагружению при подъеме ковша с чугуном. Это также дает возможность фиксировать развитие дефектов в процессе эксплуатации. Перед началом эксплуатации нового каната необходимо провести его обтяжку со следующими грузами О,1р; 0,3р; 0,5р; 0,7р; р, с целью равномерного распределения нагрузки между проволоками, прядями каната.

6. Наличие цепной защиты металлургических кранов позволяет организовать защиту характерных участков, на которых обнаружены дефекты с потерей сечения канатов. Цепная защита позволяет снизить температуру нагрева стальных канатов до 200-250 °С. Сплошная защита, смонтированная на литейном кране конвертерного производства ОАО «Северсталь» эффективно защищает стальные канаты от температурных воздействий. Температура поверхности каната со сплошной защитой снижена до 100-170 °С.

7. Применение конструкции восьмипрядного каната ТУ 14-4-273-79 (изменение №7) со смазкой, защитой от прямых термических воздействий (лучей инфракрасного излучения) и футеровкой поверхностей ручьев блоков позволит эксплуатировать канаты металлургических кранов сроком 1-1,5 года. Ожидаемый годовой экономический эффект на одном литейном кране составит 2,5-4 млн. руб.

8. Выполненые теоретические и экспериментальные исследования, а также анализ полученных результатов исследований позволили наметить направления дальнейших исследований:

8.1. Разработка конкурентоспособных многопрядных канатов с пружинным сердечником.

8.2. Изготовление стальных канатов с одинаковым натяжением прядей.

8.3. Разработка специальных канатных смазок для различных условий эксплуатации.

8.4. Футерование поверхностей ручьев блоков полиспаста.

8.5. Разработка прибора неразрушающего контроля с целью фиксации числа циклов нагружения и одновременно количества термических воздействий для стальных канатов.

8.6. Разработка конструкции полиспаста повышенной надежности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Тебнев С.А., Малов В.В. Влияние высокотемпературной смазки на прочность канатов литейных кранов // ИНФОТЕХ-99. Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах: Материалы конференции. -Череповец: ЧТУ, 1999. - С. 51-52.

2. Попов В.Г., Кузьминов А.Л., Малов В.В., Субботин Г.Н., Волков А.В. Дефектоскопия стальных канатов литейных кранов // Сборник статей и тезисов докладов Всероссийского научно-практического семинара

«Безопасность, эксплуатации и проблемы продления срока службы подъемных сооружений». - Екатеринбург, 2000.

3. Попов В.Г., Кузьминов А.Л., Малов В.В. Бортовая система контроля термоциклических воздействий и нагруженности элементов литейного крана // Сборник статей и тезисов докладов Всероссийского научно-практического семинара «Безопасность эксплуатации и проблемы продления срока службы подъемных сооружений». - Екатеринбург, 2000.

4. Попов В.Г., Малов В.В., Лопатенко Р.В., Жигулина Т.Н. Повышение надежности и безопасности при эксплуатации литейных кранов // «Северсталь» - пути к совершенствованию: Материалы конференции -Череповец, 2001. - С. 56-57.

5. Попов В.Г., Малов В.В. Влияние смазки на прочностные свойства проволок стальных канатов металлургических кранов // «Северсталь» - пути к совершенствованию: Материалы конференции - Череповец, 2001. - С. 55-56.

6. Ефимов И.С., Попов В.Г., Кузьминов А.Л., Малов В.В. Бортовая система контроля «БОРТ-1» термоциклических нагрузок и нагружений на элементы литейных кранов в КП ОАО «Северсталь» // «Северсталь» - пути к совершенствованию: Материалы конференции - Череповец, 2001. - С. 49-52.

7. Чумаков СМ., Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Малов В.В. Система контроля выбросов из конвертера при заливке жидкого чугуна // Труды IV конгресса сталеплавильщиков, - Череповец, 17-19 октября 2000. - Москва, 2001. - С. 151-153.

8. Малов В.П., Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Хисамутдинов Н.Е., Малов В.В. Проблемы промышленной безопасности конвертерного производства и пути их преодоления // Безопасность труда в промышленности. - 2001. - №12. - С. 15-18.

9. Попов В.Г., Малов В.В., Лопатенко Р.В., Жигулина Т.Н. Повышение надежности литейных кранов // Сталь. - 2002. - №4. - С. 76-78.

10. Малов В.В., Попов В.Г., Вельская Э.А. Расчет температурных полей стальных канатов заливочного крана // ВИНИТИ. - С. 11. - Деп. в ВИНИТИ 03.10.2002, №1673-В2002.

312 59 2

Подписано в печать 01.06.04г. Формат 60x84/16. Гарнитура «Times». Ксерокопия. Уч.-изд. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ № 1545

Отпечатано вРИО ГОУ ВПО ЧГУ

162600, г. Череповец, пр. Луначарского, 5

Введение

1. Температурное воздействие расплавленного металла па элементы системы «копвертер-кран»

1.1. Описание объекта исследования

1.2. Распределение температурных выбросов над конвертером при заливке чугуна

1.3. Влияние различных факторов на работоспособность стальных канатов и металлоконструкций

1.4. Температурное воздействие на канаты главного подъема литейного крана

1.5. Влияние термоциклических нагрузок на прочность канатов литейных кранов

1.6. Влияние высокотемпературной смазки на прочность каната

1.7. Предложения по улучшению прочностных свойств канатов

1.8. Постановка задачи

1.9. Выводы по главе

2. Расчет температурных полей стальных канатов заливочного крана

2.1. Постановка задачи

2.2. Разработка модели тепловых воздействий на канат

2.3. Исследование эффективных теплофизических свойств каната

2.4. Исследование тепловых потоков

2.4.1. Тепловые потоки при свободной конвекции

2.4.2. Общий тепловой поток

2.5. Моделирование температурных полей в канате

2.6. Выводы по главе

3. Методы контроля канатов в условиях термоциклических воздействий

3.1. Дефектоскопия стальных канатов литейных крапов

3.1.1. Результаты входного контроля качества стальных канатов

3.1.2. Анализ результатов дефектоскопии стальных канатов с помощью дефектоскопа «ИНТРОС» в эксплуатационных условиях

3.2. Система измерения и регистрации термических и механических воздействий на литейный кран в процессе его эксплуатации

3.2.1. Бортовая система контроля термоциклических воздействий и нагружений на элементы кранов «БОРТ-1»

3.3. Выводы по главе

4. Исследование характеристик канатов литейных кранов и разработка эксплуатационных мероприятий по повышению эффективности работы канатов

4.1. Исследование изменения прочности канатов в процессе эксплуатации

4.2. Разработка методики инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности каната в процессе эксплуатации

4.3. Исследование изменения микроструктуры материала проволок стальных канатов

4.4. Результаты исследований влияния термоциклических нагрузок на магнитные свойства проволок каната и их анализ

4.5. Пути снижения влияния термоциклических нагрузок на элементы литейного крана. Защита канатов от термических воздействий

4.6. Выводы по главе

5. Внедрение канатов новой конструкции и технико-экономическая эффективность

5.1. Пути устранения дефектов при изготовлении

5.2. Метод обтяжки канатов

5.3. Новые конструкции канатов

5.4. Технико-экономическая оценка предлагаемых мероприятий по защите канатов

5.5. Выводы по главе 110 Основные результаты, общие выводы и направления дальнейших исследований

На ранних стадиях развития черной металлургии, когда в металлургический цикл были объединены агрегаты малой емкости, практически не было резких температурных выбросов при их обслуживании заливочными кранами. Ситуация значительно изменилась при широком внедрении большегрузных конвертеров с коротким циклом производства стали. Усложнились условия работы литейных кранов, и в связи с этим при их эксплуатации происходят аварии и инциденты. Большие проблемы возникают при заливке чугуна в конвертер, когда происходит тепловой выброс высокой интенсивности из его горловины. Основной причиной этого является неудовлетворительное качество металлической шихты.

Соприкосновение металлошихты с жидким чугуном, имеющим температуру 1330-1470 °С, приводит к резкому и интенсивному выделению газов, температура которых достигает 400-1380 °С. Перегретые газы и пламя воздействуют на окружающее технологическое оборудование и строительные конструкции. В частности, большое влияние тепловые выбросы оказывают на заливочные краны. Их работа происходит при резком перепаде температур окружающей среды, что приводит к возникновению в металлоконструкциях температурных напряжений и, как следствие, к изменению микроструктуры металла. Также выгорает изоляция питающих кабелей, смазывающие масла теряют свойства, перегреваются электродвигатели, сокращается срок службы стальных канатов и металлоконструкций кранов.

Для оценки риска эксплуатации литейного крана необходимы фактические данные о его нагруженности и о термических воздействиях во время заливки чугуна. Данные такого рода целесообразно получать расчетно-экспериментальным путем с использованием измерительных систем и приборов. В настоящее время таких средств, пригодных для установки на литейных кранах, практически пет.

В работе изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных с целью совершенствования эксплуатации элементов канатно-блочных систем литейных кранов, создания средств их контроля, а также процессов изготовления и эксплуатации стальных канатов. Проведен анализ факторов сталеплавильного производства, влияющих на показатели надежности элементов системы «конвертер -кран», обзор существующих методов контроля термоциклических воздействий на канаты, рассмотрены теоретические вопросы конвективного и инфракрасного влияния расплавленного металла на стальные канаты и элементы крана. Разработана математическая модель и проведено моделирование процесса теплопередачи в канате с учетом температуры и газообразных выбросов с включениями. Предложена методика измерения термоциклических воздействий на канаты литейного крана и на ее основе система контроля «Борг-1». Выполнен анализ результатов входного контроля и применения магнитного дефектоскопа в условиях эксплуатации канатов.

Достоверность полученных результатов подтверждена путем сопоставления расчетных данных с результатами лабораторных исследований и натурными экспериментами в промышленных условиях с применением современного оборудования и приборов.

Проведены исследования, позволяющие определить основные факторы, влияющие на динамику изменения механических характеристик грузоподъемных канатов литейных кранов. С этой целью проводили лабораторные испытания натурных и модельных образцов канатов, а также определяли параметры их термического и механического нагружения в промышленных условиях. При этом в качестве базовой принята существующая технология заливки чугуна в конвертер.

В результате проведенного обзора и анализа литературных источников, установлено что наибольший вклад в развитие исследуемого направления внесли работы многих российских ученых, среди которых

A.B. Вершинский, A.C. Липатов, A.H. Орлов, B.C. Котельников, М.Ф. Глушко, В.Г. Козлов, A.A. Короткий, Г.Г. Кожушко, С.А. Соколов, М.Н. Хальфин, A.A. Зарецкий, JI.A. Невзоров, H.H. Панасенко,

B.В. Сухоруков, В.Г. Попов, A.JT. Кузьминов, С.А. Тебнев.

7 апреля 1998 года в конвертерном производстве ОАО «Северсталь» произошел обрыв грузового каната 0 42 мм главного подъема на заливочном кране № 10. Последствия этой аварии показаны на рис. 1 и рис. 2. Аналогичная авария произошла во время пожара на Останкинской телевизионной башне в Москве, когда оборвались канаты скоростных лифтов. Как показали результаты экспертиз, обе эти аварии произошли из-за интенсивного теплового воздействия на стальные канаты, что привело к существенной потере нагрузочной способности. Из этого следует, что конструкция канатных систем грузоподъемных машин должна гарантировать невозможность достижения верхнего предела нагрева канатов. Они должны быть защищены со стороны источника теплового излучеиия. Для стальных канатов следует совершенствовать магнитную дефектоскопию, что позволит оценить фактическое состояние каната в процессе эксплуатации при воздействии на него высоких температур.

В работе изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных с целью совершенствования эксплуатации элементов канатно-блочных систем литейных кранов, создания средств их контроля, а также процессов изготовления и эксплуатации стальных канатов. Проведен анализ факторов сталеплавильного производства, влияющих на показатели надежности элементов системы «конвертер -кран», обзор существующих методов контроля термоциклических воздействий на канаты, рассмотрены теоретические вопросы конвективного и инфракрасного влияния расплавленного металла на стальные канаты и элементы крана. Разработана математическая модель и проведено моделирование процесса теплопередачи в канате с учетом температуры и газообразных выбросов с включениями.

Рис. 2. Авария в цехе выплавки конвертерного производства ОАО «Северсталь» 7 апреля 1998 г.

Предложена методика измерения термоциклических воздействий на канаты литейного крана и на ее основе система контроля «Борт-1». Выполнен анализ результатов входного контроля и применения магнитного дефектоскопа в условиях эксплуатации канатов.

Достоверность полученных результатов подтверждена путем сопоставления расчетных данных с результатами лабораторных исследований и натурными экспериментами в промышленных условиях с применением современного оборудования и приборов.

Проведены исследования, позволяющие определить основные факторы, влияющие на динамику изменения механических характеристик грузоподъемных канатов литейных кранов. С этой целью проводили лабораторные испытания натурных и модельных образцов канатов, а также определяли параметры их термического и механического нагружения в промышленных условиях. При этом в качестве базовой принята существующая технология заливки чугуна в конвертер.

Специалистами ООО «ПТМ Северо-запад» и ООО «Научно-производственный центр Инжиниринг» были проведены исследования, позволяющие определить основные факторы, влияющие на динамику изменения характеристик грузоподъемных канатов литейных кранов. Испытывали натурные и модельные образцы канатов, а так же определяли условия их термического и механического нагружения в промышленных условиях. При этом в качестве базовой принята существующая технология заливки чугуна в конвертер.

Цель работы.

Исследование термоциклических воздействий на элементы системы «конвертер - кран» и на этой основе совершенствование технологии эксплуатации и повышение качества и надежности стальных канатов металлургических литейных кранов.

Научная новизна работы.

1.На основе исследования тепловых полей в зоне выбросов из конвертера впервые в промышленных условиях при заливке в сталеплавильный агрегат жидкого чугуна установлены закономерности температурных воздействий на стальные канаты литейных кранов.

2. Разработана математическая модель для расчета температурного поля в канате, учитывающая сложный характер теплообмена как в продольном, так и в радиальном направлении с учетом условной контактной теплопроводности.

3. Установлены качественные и количественные характеристики температурных воздействий при наличии различных вариантов защиты стальных канатов.

4. Установлены закономерности изменения механических характеристик и микроструктуры материала проволок стальных канатов в зависимости от типа смазки, количества, длительности и интенсивности термических воздействий.

Практическая значимость работы.

1. Установлено влияние высокотемпературной смазки на изменение прочностных характеристик проволок стальных канатов литейных кранов.

2. Разработана методика инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности стального каната литейного крана в зависимости от параметров тепловых воздействий и количества заливок чугуна в конвертер краном.

3. Разработана бортовая система контроля «БОРТ-1», позволяющая регистрировать режимы термоциклических воздействий и нагруженности элементов литейного крана.

4. Предложена концепция разработки нового прибора, который бы объединил в себе возможности и функции магнитного дефектоскопа и структуроскопа.

5. Разработана экранная защита стальных канатов от воздействия прямых тепловых воздействий и выбросов жидкого металла.

6. Проведены оценки эффективности вариантов защиты стальных канатов в реальных условиях эксплуатации литейного крана.

7. Разработаны методика учета влияния термоциклических воздействий расплавленного металла на систему «конвертер — кран» и практические пути совершенствования ее элементов.

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований системы «конвертер - кран» используются:

1. Отделом диагностики ООО «ССМ-Инжиниринговый Центр» при входном и эксплуатационном контроле состояния стальных канатов магнитным дефектоскопом;

2. ОАО «ЧСПЗ» изготавливает стальные канаты с предложенной смазкой;

3. Разработанные совместно с ОАО «ЧСПЗ» изменения №7 ТУ 14-4273-73 переданы для изготовления восьмипрядных канатов 042 мм для литейных кранов;

4. В конвертерное производство ОАО «Северсталь» переданы:

- бортовая система контроля термоциклических воздействий и нагружен ности элементов крана «БОРТ-1» (включая программное обеспечение);

- рекомендации по эксплуатации и обтяжке стальных канатов на литейных кранах;

- рекомендации по тепловой защите стальных канатов (рабочие чертежи вариантов защиты);

- проведены натурные испытания вариантов тепловой защиты стальных канатов;

5. Результаты исследований используются в ЧГУ на кафедрах «Подъемно-транспортные машины», «Промышленная теплоэнергетика»,

Машины и агрегаты металлургических заводов» при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования рассматривались на:

1. Техническом совещании по проблемам поиска оптимальных решений, возникающих при эксплуатации литейных кранов в конвертерном производстве ОАО «Северсталь» с участием Госгортехнадзора РФ, ВНИИПТМАШ, ЦНИИПСК им. Мельникова, ВНИИМЕТМАШ, ЧГУ, ОАО «Череповецкий сталепрокатный завод» (Череповец, 18-19 января 1999 г.);

2. Семинаре-совещании руководящих работников Госгортехнадзора РФ «О повышении эффективности государственного надзора и совершенствование контрольной работы на объектах металлургических и коксохимических производств» (Череповец, 13-16 сентября 1999 г.);

3. Международной конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах. ИНФОТЕХ-99» (Череповец, 1999 г.);

4. Заседании научно-методического совета по специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» (Череповец, 1-5 февраля 2000 г.);

5. Заседании совета Управления Северного округа Госгортехнадзора РФ (Череповец, 28 августа 2000 г. );

6. Всероссийском научно-практическом семинаре «Безопасность эксплуатации и проблемы продления срока службы подъемных сооружений» (Екатеринбург, 21-24 ноября 2000 г.); г

7. Шестом международном конгрессе сталеплавильщиков (Череповец, 17-19 октября 2000 г.);

8. Научно-технической конференции «Северсталь» - пути к совершенствованию» (Череповец, 28 июня 2001 г.);

9. Коллегии Управления Северного округа ГГ'ГН РФ (Череповец, 16 апреля 2004 г.).

По результатам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

На конструкцию сплошной тепловой защиты стальных канатов от термоциклических воздействий подана заявка на изобретение.

Результаты работы и рекомендации по повышению срока службы стальных канатов обсуждены и одобрены специалистами Северного округа Госгортехнадзора РФ, Череповецкого государственного университета, конвертерного производства и управления промышленной безопасности ОАО «Северсталь», ООО «ПТМ Северо-Запад», ООО «Научно-производственный центр Инжиниринг».

Основные результаты, общие выводы и направления дальнейших исследований

1. Разработана математическая модель расчета температурных полей стальных канатов заливочного крана, учитывающая сложный характер теплообмена, как в продольном, так и в радиальном направлениях с учетом условной контактной теплопроводности. Коэффициенты теплопроводности каната при температурах 100-200 °С составляют в радиальном направлении 8-11 Вт/(м-К) и 30-40 Вт/(м-К) в продольном направлении. Заполнение смазкой увеличивает теплопроводность каната не более, чем на 5 %. Максимальная плотность теплового потока может достигать 80 кВт/м . Доля конвективной составляющей теплового потока имеет величину порядка 15 %. Основное воздействие на канат -высокотемпературная коррозия в агрессивной газовой среде.

2. Разработана бортовая система контроля нагруженности элементов литейного крана и термических воздействий «Борт-1» с программным обеспечением. Система «Борт-1» позволяет фиксировать число циклов и спектр нагрузки, а также одновременно термоциклическое воздействие на стальные канаты литейного крана во время заливки чугуна в конвертер.

3. Проведены натурные исследования эффективности вариантов смазки. Коэффициент запаса прочности каната изменяется соответственно: у каната без смазки - на 18,4 %; с обычной смазкой - на 1,5 %; с термостойкой смазкой - на 3,5 %; с термостойкой смазкой после эксплуатации двух месяцев - на 3,5 %. Микротвердость образцов проволок каната без смазки (1 месяц эксплуатации), каната с термостойкой смазкой (1 месяц эксплуатации) и каната с термостойкой смазкой (2 месяца эксплуатации) по сравнению с образцами проволок нового каната соответственно снижается: для первого слоя пряди - на 50 %, 0 %, 6,4 %; для второго слоя пряди - на 42 %, 0 %, 9 %.

4. Разработана методика инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности стального каната литейного крана в зависимости от параметров тепловых воздействий и количества заливок чугуна в конвертер краном.

5. Применение магнитного дефектоскопа «ИНТРОС» при входном контроле на канатовьющей машине позволяет выявить скрытые заводские дефекты новых канатов, а при контроле в процессе эксплуатации - потерю сечения на отдельных участках, подверженных одновременно термоциклическим воздействиям и нагружению при подъеме ковша с чугуном. Это также дает возможность фиксировать развитие дефектов в процессе эксплуатации. Перед началом эксплуатации нового каната необходимо провести его обтяжку со следующими грузами 0,1С); 0,3(3; 0,5(3; 0,7(); р, с целью равномерного распределения нагрузки между проволоками, прядями каната.

6. Наличие цепной защиты металлургических кранов позволяет организовать защиту характерных участков, на которых обнаружены дефекты с потерей сечения канатов. Цепная защита позволяет снизить температуру нагрева стальных канатов до 200-250 °С. Сплошная защита, смонтированная на литейном кране конвертерного производства ОЛО «Северсталь» эффективно защищает стальные канаты от температурных воздействий. Температура поверхности каната со сплошной защитой снижена до 100-170 °С.

7. Применение конструкции восьмипрядного каната ТУ 14-4-273-79 (изменение №7) со смазкой, защитой от прямых термических воздействий (лучей инфракрасного излучения) и футеровкой поверхностей ручьев блоков позволит эксплуатировать канаты металлургических кранов сроком 1-1,5 года. Ожидаемый годовой экономический эффект на одном литейном кране составит 2,5-4 млн. руб.

8. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, а также анализ полученных результатов исследований позволили наметить направления дальнейших исследований:

8.1. Разработка конкурентоспособных многопрядных канатов с пружинным сердечником.

8.2. Изготовление стальных канатов с одинаковым натяжением прядей.

8.3. Разработка специальных канатных смазок для различных условий эксплуатации.

8.4. Футерование поверхностей ручьев блоков полиспаста.

8.5. Разработка прибора неразрушающего контроля с целью фиксации числа циклов нагружения и одновременно количества термических воздействий для стальных канатов.

8.6. Разработка конструкции полиспаста повышенной надежности.

1. Попов В.Г., Малов В.В., Лопатенко Р.В., Жигулина Т.Н. Повышение надежности и безопасности при эксплуатации литейных кранов // Материалы конференции «Северсталь» - пути к совершенствованию. - Череповец, 2001, с.56-57.

2. Зиньковский М.М. Охрана труда в конвертерном производстве. М.: Металлургия, 1973, 152с.

3. Перельман С.Т., Зипеев A.C., Вовк И.И. Безопасность труда в конвертерных цехах. Киев: Вища школа, головное изд-во, 1983, 172с.

4. Овчаренко Н.Л. Предупреждение взрывов в доменных и сталеплавильных цехах. М.: Металлургиздат, 1963, 67с.

5. Малов В.П., Кузьминов А.Л. Тепловое состояние металлоконструкции заливочного крана // Безопасность труда в промышленности. 1999, №8, с.46-48.

6. Баптизманский В.И. Металлолом в шихте кислородных конвертеров. -М.: Металлургия, 1970.

7. Латицкий В.И., Левин С.Л. Конверторные процессы производства стали. — М.: Металлургия, 1988.

8. Малов В.П., Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Тебнев С.А., Липатов A.C. Влияние термоциклических нагрузок на прочность каната литейных кранов // Безопасность труда в промышленности. 1999, №9, с.30-32.

9. Косцов E.H. и др. Технические решения по улучшению экологических показателей конвертерных цехов за счет улавливания и очисткипылегазовых выбросов, образующихся при повалках конвертеров // Тр. 3-го Конгресса сталеплавильщиков. 1995.

10. Трушин A.B. и др. Влияние повышенных температур на надежность и долговечность стальных канатов клещевых кранов. В сб.: «Стальные канаты». Вып.8. Киев, «Техника», 1971.

11. Мэнсон С. Температурные напряжения и малоцикловая усталость. -М.: Наука, 1972.

12. Усталость материалов при высокой температуре. Пол ред. Скелтонал

13. Р.П. М.: Металлургия, 1988г.

14. Котельников B.C., Зарецкий A.A., Самойлов С.С. Алгоритм оценки выработки грузоподъемным краном нормативного срока службы // Безопасность труда в промышленности. 1998, №8, с.38-40.

15. Гостенин В.А., Егоров В.Д. Эволюция и перспективы развития канатного производства // Сталь, 2001, №5, с.43-46.

16. Глушко М.В., Складский B.K. Вопросы расчета, механические испытания и сравнительная оценка круглых обжатых прядей // Стальные канаты: Сб. тр. Киев: Техника, 1965, вып. 2.

17. Фомин Г.М., Рябчиков O.A., Ревзина Ф.С. и др. Промышленные испытания канатов из пластически обжатых прядей // Стальные канаты: Сб. тр. — Киев: Техника, 1973, вып. 10.

18. Котельников B.C., Сухоруков В.В. Дефектоскопия канатов грузоподъемных машин // Безопасность труда в промышленности. -1998, №5, с.34-38.

19. Короткий A.A., Павленко A.B., Шипулин A.B. О методике магнитной дефектоскопии стальных канатов // Известия ТулГУ. Подъемно-транспортные машины и оборудование, Вып.2, 1999, с. 192-199.

20. Тебнев С.А. Исследование теплового взаимодействия в системе конвертер-кран и совершенствование металлургического оборудования // Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. — Череповец, ЧГУ, 2000.

21. Эстеркин Р.И., Иссерлин A.C., Певзнер М.И. Теплотехнические измерения при сжигании газового и жидкого топлива: Справочное руководство. 2-е изд., перераб. и доп. - JT.: Недра, 1981. - 424 с.

22. ПБ 10-382-00. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов.

23. РД 10-33-93. Стропы грузовые общего назначения. Требования к устройству и безопасной эксплуатации.

24. ISO 2408. Стальные канаты общего назначения. Характеристики.

25. ISO 4308. Краны и подъемные устройства. Выбор стальных канатов. Часть 1. Общие положения.

26. CEN/TC147/WG4 №169 Rev. Краны грузоподъемные Оборудование - Неэлектрическое оборудование.

27. Хальфин М.Н., Маслов В.Б. О повышении качества канатов с металлическим сердечником // Подъемно-транспортные машины на рубеже веков. Программа и тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. -1999, с.98.

28. Маслов В.Б. Волнистость в крановых подъемных канатах с металлическим сердечником и мероприятия по ее устранению // Автореферат диссертации. Новочеркасск, ЮРГТУ, 1999.

29. Боков И.И., Королев В.Д., Боков А.И. Выносливость канатной проволоки после деформационного старения // Сталь, 1997, №5, с.50-52.

30. Боков И.И., Королев В.Д., Боков А.И. Увеличение стойкости крановых канатов из стали с повышенным содержанием углерода и марганца // Сталь, 1997, №9, с.61 -62.

31. Маркман Н.Е. и др. Опыт эксплуатации канатов с пружинными сердечниками на открытых горных работах. В сб.: «Стальные канаты». Вып.2. Киев, «Техника», 1965.

32. Попов В.Г., Малов В.В. Влияние смазки на прочностные свойства проволок стальных канатов металлургических кранов // Материалы конференции «Северсталь» пути к совершенствованию. -Череповец, 2001, с.55-56.

33. Малов В.В., Попов В.Г., Вельская Э.А. Расчет температурных полей стальных канатов заливочного крана. Депонировано в ВИНИТИ 03.10.2002, №1673-В2002, 11с.

34. Р. Зигель, Дж. Хауэлл. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975, С.934.

35. Лыков A.B. Теория теплопроводности. — М: Высшая школа, 1967, с.600.

36. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, с.488.

37. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали. Справочник. — М.: Машиностроение, 1981, с.392.

38. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Нуака, 1972, с.720.

39. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974, с. 264.

40. Maxwell С. Treatise on electricity and magnetism. Vol.1. Oxford Univ. press, London, 1892.

41. Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем. ЖТФ, т.21, вып.6, 1951, с.667-685.

42. Чудновский А.Ф., Теплообмен в дисперсных средах. М.: Техн.-теор. лит., 1954, с.443.

43. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. -J1.-M.: Госэнергоиздат, 1959, с.414.

44. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977, с.343.

45. Спэрроу Э.М., Сесс Р.Д. Теплообмен излучением. Л.: Энергия, 1971, с.294.

46. Сергеев С.Т. Стальные канаты. Киев: Техника, 1974.

47. Safety systems. Cranes today. 2000, №5.

48. Зарецкий A.A., Каминский JI.C., Федоров И.Г. Регистраторы параметров работы грузоподъемных кранов // Безопасность труда в промышленности. 2001, №4, с.60-62.

49. РД 10-399-01. Требования к регистраторам параметров грузоподъемных кранов. Серия 10. Выпуск 9. Сборник документов. 2001.

50. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. Киев, «Техника», 1966.

51. Глушко М.Ф., Похольченко A.C. Расчет диаметра металлического сердечника в стальных канатах. Сталь, 1967, №12.

52. Нестеров П.П., Шабанов-Кушнаренко Ю.П., Ветров А.П. Обтяжка проволочных канатов. «Вопросы горной механики», 1961, №12.

53. Хальфин М.Н., Иванов Б.Ф., Короткий A.A. Расчет и эксплуатация крановых канатов. Новочеркасск. Новочеркасский государственный технический университет, 1993.

54. Коновалов H.H., Покровская О.В., Шевченко В.П., Котельников B.C., Хапонен H.A. Система неразрушающего контроля важный фактор обеспечения промышленной безопасности // Безопасность труда в промышленности. -2001, №8, с.5-6.

55. Самарский А.Ф. Потери прочности шахтных подъемных канатов. В сб.: «Стальные канаты». Вып.1. Киев, «Техника», 1964.

56. Маркман Н.Е., Ревзина Ф.С. Определение напряжений в пружинном сердечнике стальных канатов. В сб.: «Стальные канаты». Вып.5. Киев, «Техника», 1968.

57. Козлов В.Т. Исследование свивочных напряжений в стальных проволочных канатах. В сб.: «Научные записки Одесского политехнического института» Т.36. Одесса, Изд-во ОПИ, 1961.

58. Козлов В.Т., Киршанков А.Т. Изменение напряженного состояния в проволоках спирального каната при обтяжке. В сб.: «Стальные канаты». Вып.4. Киев, «Техника», 1964.

59. Козлов В.Т. Определение технологического крутящего момента в стальных канатах. — «Известия вузов. Горный журнал», 1968, №1.

60. Козлов В.Т. и др. Исследование технологических напряжений в стальных канатах. — В сб.: «Машиностроение и экономика». Одесса, Изд-во ОПИ, 1968.

61. Котельников B.C., Анисимов B.C., Зарецкий A.A., Короткий A.A. Развитие методологии экспертных обследований грузоподъемных кранов // Безопасность труда в промышленности. 2001, №4, с.2-7.

62. Синицын В.В. Пластические смазки в СССР. Ассортимент. М.: Химия, 1979, справочник.

63. Чумаков С.М., Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Малов В.В. Система контроля выбросов из конвертора при заливке жидкого чугуна. // Труды 6-го конгресса сталеплавильщиков. Череповец, 17-19 октября 2000/ Москва, 2001, с.151-153.

64. Малов В.П., Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Хисамутдинов Н.Е., Малов В.В. Проблемы промышленной безопасности конверторного производства и пути их преодоления // Безопасность труда в промышленности. 2001, №12, с.15-18.

65. Попов В.Г., Малов В.В., Лопатенко Р.В., Жигулина Т.Н. Повышение надежности литейных кранов // Сталь. 2002, №4, с.76-78.