Содержание к диссертации
Введение
1. Температурное воздействие расплавленного металла па элементы системы «конвертер-кран» 15
1.1. Описание объекта исследования 15
1.2. Распределение температурных выбросов над конвертером при заливке чугуна 28
1.3. Влияние различных факторов на работоспособность стальных канатов и металлоконструкций 31
1.4. Температурное воздействие на канаты главного подъема литейного крана 37
1.5. Влияние термоциклических нагрузок на прочность канатов литейных кранов 41
1.6. Влияние высокотемпературной смазки на прочность каната 45
1.7. Предложения по улучшению прочностных свойств канатов 47
1.8. Постановка задачи 49
1.9. Выводы по главе 51
2. Расчет температурных полей стальных канатов заливочного крана 52
2.1. Постановка задачи 52
2.2. Разработка модели тепловых воздействий на канат 54
2.3. Исследование эффективных тешюфизических свойств каната 56
2.4. Исследование тепловых потоков 62
2.4.1. Тепловые потоки при свободной конвекции 62
2.4.2. Общий тепловой поток 63
2.5. Моделирование температурных полей в канате 64
2.6. Выводы по главе 67
3. Методы контроля канатов в условиях термоциклических воздействий 69
3.1. Дефектоскопия стальных канатов литейных крапов 69
3.1.1. Резул ьтаты входного контроля качества стал ы і ых канатов 70
3.1.2. Анализ результатов дефектоскопии стальных канатов с помощью дефектоскопа «ИНТРОС» в эксплуатационных условиях 71
3.2. Система измерения и регистрации термических и механических воздействий на литейный кран в процессе его эксплуатации 73
3.2.1. Бортовая система контроля термоциклических воздействий и нагружений на элементы кранов «БОРТ-1» 74
3.3. Выводы по главе 81
4. Исследование характеристик канатов литейных кранов и разработка эксплуатационных мероприятий по повышению эффективности работы канатов 83
4.1. Исследование изменения прочности канатов в процессе эксплуатации 83
4.2. Разработка методики инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности каната в процессе эксплуатации 87
4.3. Исследование изменения микроструктуры материала проволок стальных канатов 89
4.4. Результаты исследований влияния термоциклических нагрузок
на магнитные свойства проволок каната и их анализ 97
4.5. Пути снижения влияния термоциклических нагрузок на элементы литейного крана. Защита канатов от термических воздействий 98
4.6. Выводы по главе 104
5. Внедрение канатов новой конструкции и технико-экономическая эффективность 106
5.1. Пути устранения дефектов при изготовлении 106
5.2. Метод обтяжки канатов 107
5.3. Новые конструкции канатов 108
5.4. Технико-экономическая оценка предлагаемых мероприятий по защите канатов
5.5. Выводы по главе
Основные результаты, общие выводы и направления дальнейших исследований
Литература
- Температурное воздействие на канаты главного подъема литейного крана
- Исследование эффективных тешюфизических свойств каната
- Резул ьтаты входного контроля качества стал ы і ых канатов
- Разработка методики инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности каната в процессе эксплуатации
Введение к работе
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.
В результате проведенного обзора и анализа литературных источников, установлено что наибольший вклад в развитие исследуемого направления внесли работы многих российских ученых, среди которых
Л.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. Сухоруков, В.Г. Попов, А.Л. 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
излучения. Для стальных канатов следует совершенствовать магнитную
дефектоскопию, что позволит оценить фактическое состояние каната в
процессе эксплуатации при воздействии на него высоких температур.
8 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. 1. Авария в цехе выплавки конвертерного производства ОАО «Северсталь» 7 апреля 1998 г.
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.
И)
Научная новизна работы.
l.Ha 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.
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.
Установлены качественные и количественные характеристики температурных воздействий при наличии различных вариантов защиты стальных канатов.
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.
Установлено влияние высокотемпературной смазки на изменение прочностных характеристик проволок стальных канатов литейных кранов.
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.
Разработана бортовая система контроля «БОРТ-1», позволяющая регистрировать режимы термоциклических воздействий и нагруженности элементов литейного крана.
Предложена концепция разработки нового прибора, который бы объединил в себе возможности и функции магнитного дефектоскопа и структуроскопа.
Разработана экранная защита стальных канатов от воздействия прямых тепловых воздействий и выбросов жидкого металла.
Проведены оценки эффективности вариантов защиты стальных канатов в реальных условиях эксплуатации литейного крана.
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:
Отделом диагностики ООО «ССМ-Инжиниринговый Центр» при входном и эксплуатационном контроле состояния стальных канатов магнитным дефектоскопом;
ОАО «ЧСПЗ» изготавливает стальные канаты с предложенной смазкой;
Разработанные совместно с ОАО «ЧСПЗ» изменения №7 ТУ 14-4-273-73 переданы для изготовления восьмипрядных канатов 042 мм для литейных кранов;
В конвертерное производство ОАО «Северсталь» переданы:
бортовая система контроля термоциклических воздействий и нафуженности 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:
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.);
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.);
Международной конференции «Информационные технологии в производственных, социальных и экономических процессах. ИНФОТЕХ-99» (Череповец, 1999 г.);
Заседании научно-методического совета по специальности 170900 «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» (Череповец, 1-5 февраля 2000 г.);
Заседании совета Управления Северного округа Госгортехнадзора РФ (Череповец, 28 августа 2000 г. );
Всероссийском научно-практическом семинаре «Безопасность эксплуатации и проблемы продления срока службы подъемных сооружений» (Екатеринбург, 21-24 ноября 2000 г.);
Шестом международном конгрессе сталеплавильщиков (Череповец, 17-19 октября 2000 г.);
Научно-технической конференции «Северсталь» - пути к совершенствованию» (Череповец, 28 июня 2001 г.);
9. Коллегии Управления Северного округа ГГТН 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».
Температурное воздействие на канаты главного подъема литейного крана
При определении характеристик тепловых воздействий на канаты была использована методика применения металлов-«свидетелей» [24] с фиксированной и известной температурой плавления. В результате воздействия температуры они изменяют свою первоначальную форму или расплавляются. Температуры плавления материалов «свидетелей»: Алюминий 660 С Силумин 580 С Цинк 420 С Свинец 327 С Олово 232 С Схема расположения «свидетелей» представлена на рис. 1.7. «Свидетели» располагали на ветвях канатов главного подъема со стороны конвертера.
Порядок расположения «свидетелей» и результаты эксперимента приводятся в табл. 1.2.
В процессе работы металлы-«свидетели» выдержали 50 переливов чугуна в конвертера. В результате экспериментов выяснилось, что на канатах уравновешивающего балансира, ближних к конвертеру, температура составляет 580 С, на что указывает расплавление образца из силумина. На канатах уравновешивающего балансира, дальних от конвертера, температура составляет 420 С, на что указывает образца из цинка. Более низкая температура определяется тем, что «свидетели» были частично экранированы металлоконструкцией траверсы главного подъема.
Отсутствие «свидетеля» № 5, установленного на нижнем поясе траверсы можно объяснить тем, что во время заливки чугуна регулярно происходят выбросы не только пламени, но и частиц металлошихты. Об этом свидетельствует и состояние металлоконструкции траверсы [24].
Исследование термоциклических воздействий выбросов при помощи «свидетелей» дают возможность определить диапазон изменения температуры на канатах главного подъема. Для изучения динамического характера изменения температуры в данной точке каната использовали измерительный комплекс с хромель-алюмелевой термопарой.
Термопары располагались на ветвях канатов уравновешивающего балансира главного подъема со стороны конвертеров (рис. 1.7). Поскольку стойкость измерителей в зоне движущихся канатов очень мала, вследствие постоянных обрывов проволок термопары, было проведено десять независимых замеров. На рис. 1.8 приведено наиболее характерное поведение среды выбросов в районе установки термопар.
Как видно из графиков, температура в районе установки термопары не превышает 570 С. Температура практически во всех случаях поднимается скачкообразно и сразу же достигает значения не менее 50 % от максимальной. Максимальная температура достигается во второй половине перелива (рис. 1.8, а). Резко нестационарный вид графиков свидетельствует о постоянном изменении формы пламени, поскольку горючий материал выгорает порциями. График замера температуры в районе установки каната на уровне металлоконструкции крана (рис. 1.8, б) представляет собой кривую с резкими скачками, что свидетельствует о том, что нагревание каната в верхней части происходит, когда он попадает в пламя выбросов. В результате этого можно говорить о том, что по длине каната во время перелива возникают отличающиеся друг от друга температуры. Таким образом, одинаковой температуры одни и те же слои каната достигают в разное время. Следствием данного процесса является различные удлинения и термические напряжения в слоях проволочек [24].
На заливочных кранах применяют стальные канаты двойной свивки J1K-3 конструкции 6x25(1+6,6+12)+7( 1+6) с металлическим сердечником, изготовленные по ТУ 14-4-273-73, диаметром 42 мм. При исследовании рабочих канатов были обнаружены дефекты поверхности, множественные местные деформации отдельных проволок и прядей в целом. В результате выбросов пламени и газов из конвертера, которые несут с собой легкоиспаряющиеся частицы металлошихты, графита, химических соединений, поверхность каната покрывается слоем нагара и имеет ярко выраженные коррозионные изменения [8].
Проволоки имеют многочисленные местные истирания, которые появляются из-за точечного их касания и высоких поверхностных нагрузок. Это следствие высоких удельных контактных давлений между проволоками пряди и сердечника каната и поверхностями проволок каната и ручья блока, что приводит к взаимному истиранию проволок и значительному уменьшению их площади сечения. Как показали исследования, диаметр проволок в этом случае уменьшается на 25-40 %.
Чтобы определить динамику механических характеристик каната при воздействии высоких температур, испытывали проволоки на растяжение и перегиб. Для этого взяли образцы канатов из мест, где они подвергаются различным воздействиям. Первый образец - место крепления каната к траверсе главного подъема; экспериментально установлено, что температура там 420-580 С, а нагрузки во время работы могут изменяться в достаточно широком диапазоне. Второй образец вырезали в месте крепления каната к барабану, где температура не превышает 100 С. Третий образец - конец каната, закрепленный в траверсе, температура и нагрузки там близки к предельным.
Испытания на растяжение в соответствии с ГОСТ 10446-63 проводили на разрывных машинах в лаборатории ОАО «ЧСПЗ». Зависимость прочности каната р от числа циклов п перелива чугуна показана на рис. 1.9. Из полученных зависимостей следует, что наиболее существенно теряет прочность канат, работавший в блоках [8, 24].
Исследование эффективных тешюфизических свойств каната
В рассматриваемой задаче описано температурное поле каната в наиболее опасном сечении (с точки зрения воздействия температуры) [39]. 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 [40]. На рис. 2.1 представлена схема рассматриваемой системы «конвертер - кран».
В качестве основного исходного закона, на котором базируются все расчеты, принят закон сохранения энергии. Тогда уравнение теплового баланса содержит как интефальные, 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+ Ь(1-ср)= Чл(3-1)+Чл(2-1)+Чк(2-1), (2-1) где qr = -div(XgradT(r,x)) - плотность теплового потока теплопроводностью в канат; 4jt( і -cp)=scr r (V, (х)+( 1 -s)(q3-1+Я2-1) - плотность теплового потока, характеризующая потери тепла излучением от каната в окружающую среду; Ч.І(З-І) — плотность лучистого теплового потока от системы «конвертер-струя» на поверхность каната; q.i(2-i) - плотность лучистого теплового потока от факела на поверхность каната; Чк(2-і) =ос(Т„ов(т)-Тср) - плотность конвективного теплового потока; Т(г,х) - температура каната, К; Тср - температура внешней среды, К; є - интефальная полусферическая степень черноты поверхности каната; а - постоянная Стефана-Больцмана; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -К); T„OB(T) - температура поверхности каната, К.
Уравнение содержит неизвестную температуру (ТМ(Ж(т) - температура поверхности каната) в четвертой степени Тмон (при описании излучения), производную от температуры gradT (при описании теплопроводности) Т(г, т) и разность температур ТІІОІ1(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. 2.2. Разработка модели тепловых воздействий на канат Задачу распространения температурного поля в канате решали в предположении независимости процессов теплопроводности в канате, (теплообмена излучением и конвекцией) для граничных условий второго рода (Q=const или Q=f(i)) при условии, если определены тепловые потоки, действующие на канаты или при граничных условиях первого рода, что целесообразно для процесса расчета температурных воздействий при реальных условиях заливки чугуна в конвертер, как это будет показано ниже. Сделаем следующие допущения: 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 R,KB; 5. Эффективные теплофизические свойства каната на длине dl принимали изотропными и не зависящими от Т. Уравнение теплопроводности в цилиндрических координатах: 2 = а дТ (д7Т \дТ 1 дгТ д2Т + дт дг г дг г1 дв1 dZ (2-2) Для бесконечного цилиндра с осевой симметрией начального температурного распределения и внешнего теплового потока уравнение примет вид: дТ(г,т) = а , (т 0, 0 r R), (2-3) дґ дт ґд2Т(г,т) 1 дТ(г,т)л ) \ г дг Начальные условия: T(r, 0)=To=const Граничные условия: dT(R,r) , qcp X дг дТ(0,т) = 0 дг Г(0,г) оо (2-4) где Т(г, т) - температура каната, К; т - время, с; г, R - текущий и полный радиус поверхности, м; Т0 - начальная температура, К; а - коэффициент температуропроводности, а = , м2/с; ср - удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг-К); у - плотность, кг/м ; А, - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); чсрС0= Чл(3-і)+Чл(2-і)+Чк(2-і) - суммарная плотность теплового потока на поверхность каната, Вт/м . Для случая T(r,0)=To:=const и q(i)=qcp=const решение принимает вид [41,42]: в = Т т)-Т"=Кі Т,п - Т. 2Fo 1-2 .2 \ R2 Іжио І гхр(-МІГо) , (2-5) Для более общего случая начальных и граничных условий T(r, 0)=f(r) и qCp=q(i) решение имеет вид: JO\MA T(r,г) = A \f(r)rdr + L\q{r)dz +Z ; Я/?/схр(-//. )- JV/(r)JL Д/г ,2r. ЛІЯ —У— -expf-u Fo)— fo(r)exp(w„)—r dr , (2-6) л? Л2 (/О /,„ я(7;р-г0) где 9 - безразмерная температура; Ki - критерий Кирпичева, Ki = Fo - число Фурье, Fo = —; J0(x) — функция Бесселя первого рода (в данном случае нулевого порядка); u.n - корни характеристического уравнения J0(n).
Для решения тепловой задачи (2-3) необходимо знать теплофизические свойства каната, его размеры и геометрию. Канат изготовлен из стальных (сталь 70) цельнотянутых скрученных проволок различного диаметра. Некоторые свойства этой стали приведены в таблице 2.1 [43].
Резул ьтаты входного контроля качества стал ы і ых канатов
Систематический контроль потери сечения и обрывов проволок стальных канатов проводили при помощи магнитного дефектоскопа «Интрос» в полиспасте механизма главного подъема литейного крана № 8 конвертерного производства ОАО «Северсталь». В период работы каждого из исследуемых канатов проводились 4-5 контрольных замеров потери сечения и обрывов проволок (с периодичностью 3-15 дней). Измерения проводились на правом ближнем к конвертеру канате, как самом подверженном воздействию инфракрасного излучения [53].
Установка магнитной головки на канат производилась со вспомогательной тележки крана. Контроль проводился в три этапа. Полученные таким образом дефектограммы «сшивались» с помощью ПО «ИНТРОСОФТ» в одну дефектограмму всего каната (Приложения 4, 5, 6).
Из дефектограммы потери сечения видно (приложение 4, выходной контроль) [53]: существует участок длиной около 4-5м с возрастающей потерей сечения, который соответствует участку каната от прижимных планок траверсы до точки близкой к точке касания канатом 1-го блока при положении ковша во время заливки чугуна в конвертер; далее следует участок около 2-3 м с резким уменьшением потери сечения, который соответствует участку каната на блоке тележки, а также он соответствует участкам близким к блоку, которые не подвержены инфракрасному излучению; затем участок около 6 м с возрастающей потерей сечения (но меньшей, чем в первом случае), который соответствует участку каната вышедшего с блока на тележке и до блока траверсы; далее участок около 2-3 м с уменьшением потери сечения, соответствующий участку каната на блоке (траверсы), также защищенный от инфракрасного излучения.
Из дефектограммы видна периодичность увеличения потери сечения каната по длине. Анализ дефектограмм и схемы запасовки канатов показал: 4 больших «пика» (увеличения) потерь сечения соответствуют открытым для инфракрасного излучения от конвертера участкам каната, которые находятся ближе к конвертору; 3 маленьких «пика» потерь сечения соответствуют также открытым участкам, но которые находятся дальше от конвертера.
Также анализ дефектограмм показал: Увеличение потери сечения каната на, так называемых, критических участках в процессе эксплуатации каната. Увеличение потери сечения каната происходит после первых же заливок, которые делает кран, а затем в процессе работы идет незначительное его развитие. На всех дефектограммах видны потери сечения и обрывы проволок, которые были обнаружены при входном контроле, а также можно отметить их рост в процессе эксплуатации крана.
При эксплуатации литейных кранов значение нагрузок, действующих на его металлоконструкции, могут значительно отличаться от расчетных. Это происходит из-за некачественно выполненного монтажа и наладки механических и электрических систем, а также недостаточного уровня технической эксплуатации крана и квалификации крановщика, нарушений технологических инструкций. Такие факторы чрезвычайно сложно учесть при оценке риска эксплуатации на основании априорной информации, особенно при эксплуатации литейных кранов в условиях термического воздействия на элементы крана. Поэтому, для оценки риска эксплуатации литейного крана необходимы фактические данные о его нагруженности и термических воздействиях со стороны конвертера во время заливки жидкого чугуна. Данные такого рода целесообразно получать экспериментально-расчетным путем, при помощи приборов [55-59]. В настоящее время приборов, пригодных для установки на литейных кранах, практически нет (за исключением единичных экспериментальных, например, прибор «РИЭК») [58].
Анализ условий эксплуатации и режимов нагружений литейных кранов в конвертерном производстве ОАО «Северсталь» позволил выделить группу нагрузок, которая играет основную роль и подлежит учету и регистрации для определения нагружен носій металлоконструкции крана, тележек, подкрановых конструкций, стальных канатов. Это, прежде всего, вес поднимаемого груза и термические воздействия со стороны конвертера на элементы литейного крана.
В практике отсутствуют системы, которые могли бы фиксировать одновременно вес поднимаемого груза и интенсивность термических воздействий на элементы литейных кранов. ООО «І ІТМ Северо-Запад» при непосредственном участии автора работы разработана и установлена на кране № 8 конвертерного производства ОЛО «Северсталь» бортовая система контроля режимов нагружения крапа «БОРТ-I», внешний вид которой показан на рис. 3.2.
Разработка методики инженерного расчета определения фактического коэффициента запаса прочности каната в процессе эксплуатации
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/(мК) и 30-40 Вт/(мК) 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 0,1Q; 0,3Q; 0,5Q; 0,7Q; Q, 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.
