На правах рукописи

Швецов Виталий Иванович

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ

НАДЕЖНОСТИ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ СЛУЖБЫ

КОКСОВЫХ БАТАРЕЙ

Специальность 05.17.07 Химическая технология топлив

и высокоэнергетических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЁНОЙ

СТЕПЕНИ ДОКТОРА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Екатеринбург- 2011 2

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Восточный научно-исследовательский углехимический институт".

(ФГУП «ВУХИН»)

Научный консультант: Доктор технических наук

, профессор, Сухоруков Вадим Иванович ФГУП "ВУХИН"

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

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

Доктор технических наук, профессор Султангузин Ильдар Айдарович ЗАО НТЦ «ЛАГ Инжиниринг»

Ведущая организация: Уральское федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Защита состоится _ на заседании диссертационного совета Д 212.204. 08 в РХТУ им. Д. И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9) в.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева.

Автореферат диссертации разослан _ 20 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.204.08, к.т.н. Разина Г.Н.

Общая характеристика работы

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие основные задачи:

Изучить состояние и перспективы развития производства кокса в России 1.

и в мире, основные его проблемы, новые технические решения.

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

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

Провести экспериментальные исследования, разработать методы и технологию ремонта отопительных простенков на различную глубину путем «горячей»

перекладки без остановки обогрева смежных простенков.

Выполнить сопоставительный технический, технико-экономический и 5.

экологический анализ технологии «холодной» и «горячей» перекладки отопительных простенков.

Определить перспективы и направления реконструкции и модернизации 6.

печного фонда России.

Научная новизна 1. Научно обоснована взаимосвязь величины давления коксования в промышленных условиях и плотности угольной загрузки, которая описывается уравнением регрессии Где: Р -давление коксования, кПа; - плотность насыпной массы угольной загрузки в печной камере, кг/м3 (с.в.).

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

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

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

4. Впервые выполнен промышленный эксперимент по инструментальному измерению величины перемещения верха простенков высотой 7 м в процессе коксования. Результаты эксперимента убедительно доказывают, что такие простенки при отсутствии защемления в своде печей работают по «консольной» схеме нагружения.

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

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

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

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

2 Промышленное исследование давления коксования в печах высотой 7 м 3 Исследование взаимосвязи давления коксования и плотности угольной загрузки 4 Исследование взаимозависимости серийности загрузкивыдачи печей и величины нескомпенсированного давления коксования 5 Теоретические исследования простенков коксовых батарей на прочность 6 Промышленные исследования перемещения верха простенков высотой 7 м при отсутствии защемления в своде 7 Разработка и исследование механизма ускоренного разрушения кладки большегрузных коксовых батарей при нагруже- нии их простенков по схеме «консоль»

8 Теоретические исследования и прогнозный расчет производственной мощности коксовых батарей за период эксплуатации 9 Научное обоснование теплотехнических параметров процессов совмещения кладки и частичного разогрева вновь уложен- ного огнеупора 10 Разработка технологии и промышленные исследования способа «горячей» перекладки простенков на различную глу- бину 11 Модернизация способа «горячей» перекладки простенков на всю длину 12 Разработка принципиальных положений по проектированию новых, реконструкции и капитальному ремонту старых коксовых батарей.

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

К важнейшим технологическим разработкам отнесены:

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

Рекомендации предприятиям по применению серийности выдачизагрузки печей.

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

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

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

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

Апробация работы: Материалы работы:

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

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

-на Российских семинарах:Состояние печного фонда и перспективы производства кокса в России».// Кокс и химия.- 2002.- № 5.- С. 11-21;

-«Школа-семинар специалистов коксового производства». //Кокс и химия.С. 40-47;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Содержание работы Глава 1 Общая характеристика и состояние коксового По состоянию на январь 2011 г. в России на 11 коксохимических предприятиях находятся 59 коксовых батарей общей проектной мощностью 37 млн. тонн кокса/год.

Фактическое производство кокса в 2008 г. составило около 32 млн.т., в 2009 г – 27, млн.т., т.е снизилось на 14%, в 2010 г. – увеличилось до 29,7 млн.т или на 8,4%.

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

В период кризиса 2008-2009 г.г. из эксплуатации были выведены 8 наиболее возрастных батарей общей проектной производительностью 4,936 млн. т кокса в год, за счет этого средний возраст батарей в России снизился по сравнению с 2008 годом и составил 21,4 года, при сроке амортизации 18 лет. Для приведения печного фонда в полностью рабочее состояние требуются либо значительные инвестиции для дорогостоящего нового строительства, либо разработка необходимых условий коксования, методов капитальных ремонтов для продления службы действующих коксовых батарей.

Глава 2 Основные проблемы и перспективы Основные факторы, определяющие сохранность коксового печного фонда:

-угольная сырьевая база коксования, ее качество и стабильность;

- исходное состояние коксового печного фонда, качество эксплуатации;

-технологические факторы и, прежде всего давление коксования, серийность выдачи и загрузки печей;

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

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

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

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

Автор не претендует на новые сведения по этому вопросу, так как это не входило в задачи исследований в данной работе, поэтому воспользовался лишь известными литературными данными для определения роли отдельных стадий процесса коксования на давление коксования и нагрузки на стены печных камер, определяющих их прочность и надежность.

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

Глава 3 Технологии подготовки углей к коксованию и их влияние на Боковая нагрузка на стены камер обусловлена:

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

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

- статическим боковым давлением угольной загрузки;

- давлением на стены камер выделяющихся парогазовых продуктов;

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

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

Рис. 3. 1. Давление коксования (1) и газовое давление (2) в промышленных Способы подготовки угольных шихт и их влияние на давление коксования На большинстве коксохимических предприятий России и за рубежом применяются обычные схемы подготовки угольных шихт: ДШ (дробление шихты), ДК (дробление компонентов), ДДК (дифференцированное дробление компонентов) и ГДК (групповое дробление компонентов). Насыпная плотность таких шихт при уровне измельчения 75-80% содержания класса 0 и при t = 0, N = N0, то методом разделения переменных находим:

Для оценки величины показателя степени n в уравнении (5.2) введем новый Анализ этого уравнения приводит к выводу, что - безразмерная величина.

Расчеты динамики производительности коксовой батареи исходя из уравнения (5.3) показали, что n 9. При 0,6 производительность батареи снижается на ~ 1%;

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

Из изложенного выше следует, что срок службы батареи, в течение которого повреждения кладки печей еще не влияют на возможность выдачи коксового пирога, связан с величиной соотношением Результаты расчетов динамики производительности коксовых батарей различных типов при работе на проектном обороте по состоянию головочных участков простенков представлены в табл. 5.1, а по состоянию основного массива простенков в табл. 5.2.

Динамика производительности различных коксовых батарей по состоянию головочных участков простенков Производительность батарей с объемом камер, м3, % от проекта Из курса сопротивления материалов известно, что под действием одинаковых нагрузок напряжения в консольной балке в 4 раза больше, чем в двухопорной. В табл.

5.3 представлены результаты расчета динамики производительности различных коксовых батарей по состоянию основного массива простенков только от действия вертикальных растягивающих напряжений при схеме нагружения «консоль».

Динамика производительности различных коксовых батарей по состоянию основного массива кладки простенков Производительность батарей с объемом камер, м3, % от проекта Динамика производительности различных коксовых батарей по состоянию основного массива кладки простенков от действия только вертикальных растягивающих напряжений при схеме нагружения «консоль»

Производительность батарей с объемом камер, м3, % от проекта Из таблиц 5.2 и 5.3 видно, что увеличение вертикальных растягивающих напряжений в 4 раза незначительно влияет на производительность батарей во времени.

Вместе с тем, многолетними исследованиями установлено, что фактический срок эксплуатации батарей до начала проведения крупных капитальных ремонтов в условиях России составляет для печей с объемом камер, м3:

30 - 19-26 лет; 30,3 - 20-26 лет; 30,9 - 7-19 лет; 41,6 - 12-22 года.

Тогда средний коэффициент скорости развития дефектов основного массива кладки от действия локальных растягивающих и срезывающих напряжений составит, для печей объемом, м3:

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

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

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

Глава 6. Ремонт огнеупорной кладки коксовых батарей.

Традиционно капитальные ремонты (перекладки) простенков коксовых батарей производятся с полным или частичным охлаждением смежных участков кладки.

Характерной особенностью динаса является значительное обратимое термическое расширение в интервале температуры 100-800оС (особенно в интервале 100-300оС) и практически нулевое расширение при более высокой температуре (Рис. 6.1).

Рис. 6.1. Кривая обратимого термического расширения динаса По этой причине охлаждение неизбежно приводит к возникновению дополнительных дефектов огнеупорной кладки простенков, смежных с ремонтируемыми.

«Горячая» перекладка, без отключения смежных простенков от обогрева, была впервые успешно осуществлена на ОАО «Алтай-кокс». Простенок делили на три участка, которые перекладывались в три приема. С участием автора эта технология была усовершенствована, что позволило проводить перекладку простенков за один прием и исключить нарушения геометрии камер на стыках ремонтных участков.

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

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

После замены кладки и разогрева переложенного участка на всех типах батарей наблюдался один и тот же дефект – разрушение изделий, заложенных в «штробу»

со старой кладкой, вертикальное смещение новой кладки относительно старой и образование сплошного вертикального шва на их стыке. Средний срок эксплуатации простенков высотой 4,3-5 м после ремонта не превышал 5-7 лет, а на печах высотой м такой ремонт осуществить не удалось вследствие разрушения изделий на стыке уже в начальной стадии процесса разогрева.

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

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

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

2.способом, предложенным автором - совмещением процессов укладки и частичного разогрева динасовых изделий так, чтобы следующий ряд укладывался уже на частично разогретый, т.е. расширившийся предыдущий слой. При анализе формы кривой температурного расширения динаса становится ясно, что частичный разогрев следует вести до температуры не менее чем 300 оС, при этом разница остаточного расширения старой и новой кладки составит не более 0,25 %, что позволит избежать разрушения «штробы» на стыке.

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

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

где T – температура материала плиты в момент в точке с координатами (x, y, z), = /c - температуропроводность материала плиты, Оси координат показаны на том же рисунке. Ось z направлена вверх от плоскости чертежа.

По результатам эксперимента, при доверительной вероятности 0,95 значимым оказалось влияние на температуру новой кладки на стыке (Т1) начальной температуры старой кладки Тс.к. и длительности прогрева t. Эта зависимость описывается уравнением:

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

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

Промышленный эксперимент по горячей перекладке простенков батарей с высотой печей 7 м на глубину 4-6 вертикалов, выполненный под руководством автора в начале 1999 г. на меткомбинатах «Нова Гуть» (Чехия), «VSP», «BSP» (Индия), завершился успешно. Более чем десятилетнее изучение состояния отремонтированных участков показали, что скорость развития дефектов замененной кладки практически полностью соответствует таковой для батарей с аналогичным сроком эксплуатации.

Это позволяет сделать вывод, что стойкость выполненного ремонта составит, как минимум, 15-17 лет.

Сопоставительный анализ "холодной" и "горячей" перекладки отопительных простенков на глубину 4-6 вертикалов приведен в таблице 6. Технология горячего ремонта с совмещением процессов кладки и частичного разогрева позволило также выполнить перекладку зоны перекрытия вертикалов основного массива и головочных участков простенков с установкой Т-образных сводовых изделий (коксовая батарея № 9 ОАО «НТМК», 2003 г.) с целью изменения схемы нагружения простенков от «консоли» к «балке, защемленной с двух сторон».

1.Отключение обогрева и охлаждение до Температура в вертикалах смежных температуры ниже 3000С на всю глубину полупростенков и неперекладываеремонта полупростенков: мых вертикалах ремонтируемого простенка поддерживается на уровне -ремонтируемый - 2. Происходит дополнительное разруше- Не происходит охлаждения и дополние кладки стен камер коксования, зон ко- нительного разрушения кладки трех сых ходов и регенераторов при охлажде- полупростенков, зон косых ходов и 3. В камерах устанавливаются глухие кир- В камерах через соответствующие запичные перемычки, отсекающие зону ре- грузочные люки устанавливаются монта, что наряду с низкой температурой вертикальные экраны, позволяющие смежных участков простенков препят- вентилировать ремонтную зону за ствует частичному разогреву и расшире- счет открывания крышек стояков и 4. Разогрев охлажденных полупростенков Частичный разогрев и рост кладки ведется теплопередачей от соседних полу- происходит в процессе ее выполнепростенков, причем оставляемых с уровня ния, особенно на стыке оставляемой и 300о С, переложенного практически с новой кладки (при устройстве проуровня температуры окружающей среды, ектной перевязки изделий) что предопределяет значительную разницу Следующий ряд укладывается на их расширения при нагреве до рабочих расширившийся предыдущий ряд.

температур. Это приводит к невозможно- Незначительный рост кладки при сти выполнения проектной перевязки кир- окончательном разогреве не приводит пичей на стыке кладок, ускоренному раз- к появлению разрушений, в том числе 5 Длительность разогрева 10-12 суток Длительность разогрева 2-3 суток Продолжительность службы отремонти- Продолжительность службы отрерованных простенков 5-7 лет монтированных простенков 15-17 лет Глава 7. Масштабы внедрения и эффективность разработанных технологий горячей перекладки простенков В части горячей перекладки простенков полностью или частично на 21 коксовых батареях в России и за рубежом объем выполненных работ по состоянию на август 2009 г. представлен в таблице 7.1.

Выполненный объем горячих перекладок отопительных простенков Индия Бхилайский меткомбинат Турция Искендерунский мет- 1, 2, 3, Китай Джиугуанский меткомбинат Сведения об экономическом и экологическом эффектах Экономический эффект от внедрения технологии ремонта с полной перекладкой отопительных простенков составил на коксовых батареях: № 2 ОАО «Алтайкокс» 0,711 млрд. руб., № 5 ОАО «Кокс» 2,868 млрд. руб., №№ 7,8 ЗАО «Русская металлургическая компания» 1,398 млрд. руб. Экономический эффект по зарубежным предприятиям - 0,151 млрд.руб.

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

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

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

Глава 8. Принципиальные положения по проектированию новых, реконструкции и капитальному ремонту действующих коксовых С учетом недостаточно благоприятной перспективы развития угольной сырьевой базы коксования России, вряд ли возможно существенное увеличение габаритных размеров печных камер при новом строительстве и реконструкции старых изношенных коксовых батарей.

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

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

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

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

-в обязательном порядке предусматривать защемление верха простенков в своде печей.

На основании анализа действующего коксового печного фонда России выявлены причины его неудовлетворительного состояния, предложены направления продления срока службы батарей до 35-40 лет за счет оптимизации технологии коксования и проведения эффективных профилактических и капитальных ремонтов. В результате комплекса работ сформулированы научные основы воздействия технологических параметров на кладку и разработаны современные способы ремонтов.

Рассмотрены основные проблемы, определяющие сохранность коксового печного фонда:

- состояние угольной сырьевой базы коксования и способы подготовки шихты;

- фактической величины давления коксования в промышленных печах (15- кПа) значительно превышающей принимаемую в расчетах конструкции отопительных простенков батарей (7-10 кПа);

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

Проведены теоретические и промышленные исследования, обоснован механизм возникновения дефектов и разрушений огнеупорной кладки отопительных простенков коксовых батарей, в том числе и по схеме нагружения «консоль». Показано, что для повышения срока эксплуатации основного массива кладки действующих большегрузных батарей необходимо производить перекладку зоны перекрытия вертикалов и печей с установкой Т-образных сводовых изделий. Для всех типов вновь строящихся и реконструируемых батарей проектным организациям также предусмотреть обязательную установку Т-образных сводовых изделий.

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

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

Показана сравнительная эффективность проведения «горячих» и «холодных» ремонтов.

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

Общий достигнутый экономический эффект от внедрения разработок по горячей перекладке простенков составляет 5,64 млрд. руб. Суммарный экономический эффект, приходящийся на долю автора – 1.5 млрд. руб. Экологический эффект заключается в снижении выбросов вредных веществ в атмосферу с 6 до 1,4 кг/т кокса.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

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

2. Борисов В.И., Швецов В.И., Топчий М.П. Обогрев печных камер смесью доменного и коксового газов с повышенной теплотой сгорания// Кокс и химия.-1985.С.16-19.

3. Швецов В.И., Стахеев С.Г., Сухоруков В.И. и др. О механизме разрушения обогревательных простенков коксовых батарей.// Кокс и химия.- 1997.- № 12.- С.11Сухоруков В.И., Стахеев С.Г., Швецов В.И. О механизме возникновения и развития давления распирания.// Кокс и химия.- 1997.- № 10. - С.9-12.

5. Сухоруков В.И., Копелиович Л.В., Швецов В.И., Стахеев С.Г. О расчетах обогревательных простенков коксовых печей на прочность.// Кокс и химия. -1997. № 9.- С.16-22.

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

7. Швецов В.И., Чемарда Н.А. Об эффективности горячих ремонтов огнеупорной кладки коксовых батарей.// Кокс и химия.- 1999. -№ 9.- С.18-22.

8. Патент Российской Федерации RU № 1258. «Комплект оборудования для восстановительного ремонта огнеупорной футеровки промышленных печей» (Авторы: Швецов В.И., Сухоруков В.И., Чемарда Н.А., Макаров А.В.). Бюлл. № 4 от 10.02.2000 г.

9. Патент Российской Федерации RU № 2147359 «Способ восстановительного ремонта огнеупорной футеровки промышленных печей» (Авторы: Швецов В.И., Сухоруков В.И., Чемарда Н.А., Макаров А.В.). Бюлл. № 10 от 10.04.2000 г.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

25.V.I. Sukhorukov, V.I.Shvetsov. Operational Experience with Coke Batteries and Preservation of Existing Coke Furnaces. 2.Maitenance and Information Services//ISSN 1068-364X, Coke and Chemistry.- 2011.-Vol.54.-№ 5.- pp. 157-164.