Расчетная оценка причин образования трещин в кожухе воздуховода горячего дутья

Abstract

Воздухонагреватель доменной печи имеет металлический корпус, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Технологический процесс предполагает циклическое изменение температуры газов внутри нагревателя от 400 до 1200 °С с длительностью цикла 3 часа. После определенной наработки в металлическом корпусе появляются трещины. Внутренне давление в корпусе невелико, но трещины тем не менее представляют опасность, поскольку поток горячего (1200 °С) обогащенного кислородом воздуха из трещины может повредить окружающие конструкции. Способы борьбы с трещинами зависят от механизма их образования. В качестве возможных механизмов рассматривались нескомпенсированные силы от теплового расширения всей конструкции в целом, вибрации и термические напряжения от локальной неравномерности нагрева кожуха. Наблюдаемые трещины имеют различную ориентацию и в ряде случаев расположены достаточно близко друг к другу. Такая картина характерна для тепловых трещин и не характерна для трещин, вызванных механическими нагрузками и/или вибрациями. Расчетный анализ показал, что наблюдаемая неравномерность температуры (весьма малая на наружной поверхности кожуха) может быть причиной появления термоусталостных трещин. Фрактографические исследования подтвердили термоусталостный характер трещин. В качестве возможной меры борьбы рассмотрено создание 2-слойного кожуха, оценена эффективность такого решения.The heater of blast furnace intended to provide hot blast and has a metal casing lined inside with refractory bricks. The technological process involves cyclic temperature changes of gas in the heater from 400 to 1200°C with cycle duration of 3 hour. After some operating time, cracks appear in the casing. Internal pressure in the apparatus is low, but nevertheless the cracks are dangerous because the stream of hot (1200°C) oxygen-enriched air can damage surrounding structures. A way to prevent cracks depends on the mechanism of their formation. Three possible reasons of the crack formation were considered: uncompensated forces caused by thermal expansion of the entire structure, vibration and thermal stresses due local uneven heating of the casing. Observable cracks have different orientations and in some cases are located sufficiently close to each other. This pattern is characteristic for thermal cracks and is not typical for cracks caused by mechanical loads and/or vibrations. Numerical analysis shows that the non-uniformity of temperatures may cause the thermal fatigue cracks despite the fact that the non-uniformity observed on the outer surface of the casing is small enough. Fractography had confirmed the thermofatigue nature of the cracks. As a possible measure to prevent cracking the usage of 2-layer casing was analyzed; numerical estimations proved potential effectiveness of such solutions.