Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Строительная механика и металлические конструкции расчет корпуса вращающейся печи

Методические указания по курсовому и дипломному проектированию

для студентов всех форм обучения специальностей

факультета строительного материаловедения

270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы

предприятий строительных материалов, изделий и конструкций;

240304 – Химическая технология тугоплавких неметаллических

и силикатных материалов;

270106 – Производство строительных материалов, изделий и конструкций

Екатеринбург 2007

УДК 62.192

Составитель В.И. Малагамба,

Научный редактор проф. д.т.н. Зимин А.И.

СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ. РАСЧЕТ КОРПУСА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ

Методические указания по курсовому и дипломному проектированию оборудования заводов строительных материалов, изделий и конструкций.

/В. И. Малагамба. Екатеринбург, УГТУ-УПИ 1999.

Методические указания предназначены для использования студентами дневной и заочной форм обучения специальности 17.05 при выполнении курсового и дипломного проектов по оборудованию заводов строительных материалов, изделий и конструкций. Указания содержат описание методики расчета статически неопределимых балок методом распределения неуравновешенных моментов, и пример использования этой методики при расчете корпуса восьми опорной вращающейся печи переменного сечения на продольный изгиб. В методике приведены необходимые для расчета справочные данные.

Подготовлено кафедрой «Оборудование и автоматизация силикатных производств».

РАСЧЕТ КОРПУСА ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ НА ПРОДОЛЬНЫЙ ИЗГИБ

МЕТОДОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НЕУРАВНОВЕШЕННЫХ МОМЕНТОВ

Составил Малагамба Вениамин Иулианович

Редактор

Подписано в печать Формат Бумага писчая Плоская печать Усл. п. л. Уч. изд. л. Тираж Заказ Цена

Редакционно издательский отдел УГТУ

620002, Екатеринбург, УГТУ, 8-й учебный корпус

Ротапринт УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 8-й уч. корпус

© Уральский государственный

технический университет, 1999

ВВЕДЕНИЕ

Корпус вращающейся печи в расчетном отношении представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку, имеющую по длине несколько опор. Опорными элементами такой многопролетной балки-оболочки являются подбандажные обечайки повышенной толщины, сваренные как одно целое с пролетными обечайками. Через подбандажные обечайки и насаженные на них бандажи корпус печи монтируют на роликоопорах. Когда бандажи посажены на подбандажные обечайки с зазором соединение их нежесткое, и поэтому при расчете корпуса на прочность и жесткость их влияние не учитывают. При применении вварных бандажей их влияние на прочность и жесткость корпуса печи следует принимать во внимание.

Балка-оболочка имеет переменное поперечное сечение: обычно в двух-трех пролетах, примыкающих к разгрузочному концу печи, где корпус всегда имеет повышенную температуру и, следовательно, пониженные прочностные показатели, толщина обечаек больше, чем в остальных пролетах.

Суммарная нагрузка на корпус печи складывается из его собственного веса, веса футеровки и обжигаемого материала по отдельным технологическим зонам. У печей мокрого способа производства в зоне подогрева расположены внутрипечные теплообменные устройства, которые в первых пролетах корпуса печи создают значительные нагрузки.

В зоне спекания на внутреннюю поверхность футеровки печи намазывается, налипает часть обжигаемого материала. Эта так называемая обмазка, с одной стороны, является неизбежным следствием свойств обжигаемого материала и особенностей процесса его термохимической обработки, с другой стороны, служит предохранительным слоем, защищающим кирпичную футеровку от излишнего температурного воздействия горячих газов. Толщину слоя обмазки невозможно определить заранее. В каждом конкретном случае она зависит от режима работы печи, химического состава исходной сырьевой шихты, параметров факела сжигаемого топлива, индивидуальных навыков и квалификации машиниста, условий охлаждения корпуса печи в зоне спекания и т.д. Поэтому вводимые в расчет нагрузки от обмазки, значительные в последних двух пролетах, не являются бесспорными. В вес «обмазки» включается и вес так называемых «колец обмазки» – чрезмерно больших местных налипаний, время от времени образующихся и также обваливающихся. Величина нагрузки на корпус от этих колец еще более неопределенная.

От приводного зубчатого венца, который закреплен на корпусе в районе одной из опор в загрузочной части печи, на корпус передаются сосредоточенные нагрузки от веса венца и в виде окружного приводного усилия. Суммирование всех этих факторов позволяет составить обобщенную схему распределенных нагрузок, на основе которой определяются реакции опор, а корпус рассчитывают на прочность и жесткость.

При определении реакций опор вращающихся печей, напряжений и деформаций в обечайках корпус принято рассматривать как неразрезную многопролетную балку постоянного сечения в пролете, опирающуюся на жесткие стационарные опоры. Такой методологический подход позволяет получить искомые данные сравнительно просто и с допускаемой погрешностью. При этом обычно не учитывают некоторые побочные факторы, многие из которых имеют случайный, вероятностный характер. Дело в том, что усилия, действующие на корпус, не остаются постоянными. Их увеличение или уменьшение происходит вследствие перераспределения давления на опоры при искривлениях оси печи из-за неравномерного нагрева, неточностей установки опор, просадки фундаментов, неравномерного изнашивания бандажей и опорных роликов.

Печь является не только несущей механической конструкцией, но и тепловым агрегатом, на прочность и деформацию элементов которого влияют напряжения, возникающие от температурных удлинений и расширений обечаек корпуса и бандажей. На каждой опоре корпус и бандажи под воздействием разных температур расширяются в диаметральном направлении на различную величину, вследствие чего опорные сечения на одних опорах смещаются по вертикали относительно опорных сечений на других опорах. На корпус действуют скручивающие усилия от привода, при пусках печи увеличиваются динамические нагрузки. Дискуссионным до сих пор является способ учета передачи нагрузок от футеровки на корпус печи, поэтому остаются невыясненными до конца способы расчета кольцевых напряжений и деформаций в обечайках.

Учет подобных факторов привел бы к чрезвычайному усложнению расчета при недостоверном повышении его точности. Для компенсации аналогичных допущений в исходных предпосылках размеры элементов корпуса печи назначают с определенным запасом по сравнению с расчетными значениями. Этот запас определяют на практике путем сопоставления расчетных и теоретических значений усилий, напряжений и деформаций с их фактическими значениями с учетом надежности отдельных элементов корпуса.

Необходимо помнить, что вращающаяся обжиговая печь должна иметь срок службы 25…30 лет. Как показывают технико-экономические расчеты, окупается новая печь за 3…5 лет. Иными словами, удельный вес начальных затрат невысок. Поэтому есть основания, ради сокращения ремонтных простоев и повышения коэффициента использования печи, несколько увеличить запасы прочности. Во ВНИИЦеммаше при проектировании новых печей нормы на допускаемые напряжения устанавливают, сравнивая расчетные данные разрабатываемых печей с данными по устойчиво работающим печам. В результате приняли, что приведенные суммарные напряжения в пролетных обечайках из низколегированных высокопрочных сталей не должны превышать в холодной зоне 85 МПа и в горячей – 75 МПа, при выполнении обечаек из углеродистой стали они должны быть ниже на 10…15 %.

Одним из основных условий устойчивой работы печи является достаточная жесткость корпуса и минимальные его деформации. Внутренняя труба, которую представляет собой футеровка, образована кольцами из огнеупорного кирпича, соединенными в зазорах соответствующим раствором. Она плохо выносит сколько-нибудь значительные деформации как от прогибов в осевой плоскости, так и от радиальных деформаций в плоскости поперечного сечения, тем более, что все деформации являются знакопеременными. А так как печь работает непрерывно, с годовым коэффициентом использования 0,94…0,96, то в течение одного года корпус печи испытывает около 500 тыс. таких знакопеременных циклов деформаций и напряжений.

У печей диаметром 5 м прогиб в осевой плоскости свыше 4…8 мм приводит к резкому сокращению сроков службы футеровки. Короче говоря, корпус печи должен быть не только прочным, но и достаточно жестким.

Как показывают теоретические исследования и прочностные расчеты, для долговечности футеровки опасным местом является также переход от подбандажной обечайки к пролетной. Нельзя допускать, чтобы гибкая пролетная часть без соответствующего перехода соединялась с более жесткой опорной частью. Это подтверждается и опытом эксплуатации: быстрее всего изнашивается футеровка именно в этих местах.

Для пролетной обечайки условием, определяющим ее толщину, является не столько прочность, сколько жесткость. Как правило, выгоднее завысить требуемую прочностным расчетом толщину пролётных обечаек корпуса, сведя его прогиб к минимуму, и тем обеспечить высокий коэффициент использования печи и ее долговечность с минимальными затратами на ремонт футеровки.

Этим же объясняется нецелесообразность применения в качестве материала для корпуса легированных сталей и ограничение выбора материала сталью М16С, обладающей хорошими показателями при повышенных и пониженных температурах.

К сожалению, пока еще не разработано надежных методов учета действительного взаимодействия между футеровкой и корпусом вращающейся печи, а также инерционного воздействия на корпус как материала, находящегося в печи, так и самой футеровки. Большое значение для правильного выбора толщины листовых элементов корпуса печи имеют непосредственные замеры деформаций корпуса на работающих печах с последующим сравнением полученных данных с расчетными. Эта задача тоже полностью еще не решена.

При расчёте корпусов вращающихся печей усилия, действующие на корпус, определяются, как для многопролетной неразрезной балки переменной жесткости. При расчете неразрезных балок наибольшее распространение имел метод, использующий уравнение трех моментов для определения неизвестных опорных моментов. Этот расчет трудоемкий, так как связан с составлением и последовательным решением системы из n - 1 уравнений, где n – число пролетов, не считая консольных пролетов, а при расчете корпусов имеющих расширения или сужения в той или иной части этот метод вообще неприемлем.

ВНИИЦеммаш, например, отдает предпочтение методу распределения неуравновешенных моментов, который был предложен американским проф. Харди Кроссом и в дальнейшем разработан проф. Уральского политехнического института С.А. Рогицким. Этот метод дает возможность определять неизвестные опорные моменты табличным способом, при котором процесс вычислений происходит почти механически, а результаты могут быть получены с желаемой степенью точности.