6.2. Исследование напряженно-деформированного состояния огнеупорных плит скользящих затворов

6.2. Исследование напряженно-деформированного состояния огнеупорных плит скользящих затворов

При исследовании нагрузок, возникающих в элементах системы скользящего затвора во время его эксплуатации, в первую очередь, необходимо получить информацию о предельно опасных напряжениях, способных вызвать разрушение наименее прочной детали. Такими деталями в конструкции ковшового затвора являются огнеупорные плиты, уступающие по прочности металлическим элементам и подвергающиеся воздействию наибольших тепловых и механических нагрузок.

Учитывая известные трудности, связанные с проведением натурных исследований в условиях промышленного применения скользящих ковшовых затворов, наиболее приемлемыми методами решения поставленных задач следует считать физическое и математическое моделирование, позволяющие с минимальными материальными и временными затратами получить необходимую информацию и найти оптимальное конструктивное исполнение проектируемой механической системы.

До недавнего времени в работах, посвященных изучению напряженного состояния огнеупорных плит затворов с использованием численных методов [76, 104, 166] или с проведением лабораторных и промышленных экспериментов [63, 70] рассматривалось влияние на деформацию и стойкость керамических частей шибера температурных условий его эксплуатации. В результате таких исследований установлено, что условия работы верхней и нижней плит неодинаковы, зафиксирована динамика изменения температуры отдельных зон огнеупорных элементов в процессе разливки стали, а также разработаны рекомендации по подбору оптимальных материалов для изготовления плит с учетом марочного состава разливаемого металла.

Такой односторонний подход в изучении напряженно-деформированного состояния элементов затвора, не учитывающий условий приложения к ним механических нагрузок, действующих как при сборке шибера, так и в процессе разливки, не позволял в полной мере объяснить причины выхода из строя разливочных устройств и дать рекомендации по их устранению. В связи с этим для получения достоверной информации о механических нагрузках, возникающих в огнеупорных плитах и металлических обоймах затвора, необходимо проведение комплексных исследований, рационально сочетающих лабораторные эксперименты с физическим и математическим моделированием [10].

Выполненные исследования являются основанием для развития метода полного математического описания систем ковшовых затворов с целью повышения достоверности результатов расчета напряжений в их ответственных деталях и выдачи рекомендаций по выбору оптимальных конструктивных решений, направленных на улучшение рабочих характеристик оборудования, используемого при разливке стали.

Для достижения поставленной цели с использованием положений теории упругости и пластичности разработали методику расчета объемного напряженно-деформированного состояния огнеупорных плит скользящих затворов, реализованную в виде пакета программ в соответствии с концепцией метода конечных элементов (МКЭ) [89, 90].

Полученная с помощью метода конечных элементов информация о напряженно-деформированном состоянии элементов скользящих затворов служит основой для развития теории расчета их энергосиловых параметров. Следует отметить, что при выполнении расчетов с использованием такой методики требуется вводить большое количество конечных элементов, а это резко увеличивает объем необходимых вычислений, перегружающих память даже современных ПЭВМ. В связи с этим следует признать целесообразным проведение специальных дополнительных исследований, позволяющих заранее выявить наиболее неблагоприятные схемы нагружений огнеупорных плит скользящих затворов, для которых в первую очередь необходимо выполнять оценку их напряженно-деформи-рованного состояния.

Для получения качественной картины расположения наиболее деформированных участков в керамических изделиях скользящих затворов при различных вариантах воздействия на них силы прижатия и изменении относительного смещения применили поляризационно-оптический метод. С этой целью изготовили плоские прозрачные модели из оптически малочувствительного материала, выполненные подобными по форме и нагрузке исследуемым огнеупорным плитам и просвечиваемые белым светом при плоской поляризации. Материалом для моделей плит служило органическое стекло, имеющее при комнатной температуре следующие характеристики: модуль упругости Е'=3,1 кПа, коэффициент Пуассона и =0,37, предел прочности на растяжение Qр = 70 МПа.

Конструктивно упрощенные модели двух- и трехплитного затворов, выполненные в масштабе 1:2, представляли собой две стальных балки, имитировавшие металлические обоймы шиберных устройств и передававшие статическую нагрузку на плиты, создаваемую с помощью четырех заранее тарированных витых пружин, сжимаемых навинчиваемыми на шпильки гайками (рис. 79).

Преимущество поляризационно-оптического метода состоит в том, что с его помощью можно получить в наглядном виде поля напряжений внутри объема плит в зонах концентраций - вблизи отверстий и стенок канала, а также на границе кромок при относительном смещении огнеупорных деталей затвора и различных вариантах их внешнего нагружения.

Во время проведения лабораторных экспериментов наблюдали характерные картины полей напряжений для трех фиксированных положений плит: двух крайних и одного промежуточного. Для каждого из указанных положений плит имитировали различные условия их нагружения путем затяжки каждой пары гаек с фиксированной силой прижатия, контролируемой путем измерения сжатия протарированных витых пружин.

На рис. 80 и 81 приведены применявшиеся схемы нагружения моделей двух- и трехплитных затворов и соответствующие им поля напряжений в виде картин изоклин-темных линий, соединяющих точки плоских пластин с одинаковым направлением главных напряжений.

Полученные опытные данные позволяют судить о существенном влиянии на напряженное состояние огнеупорных плит скользящих затворов как их относительного смещения, так и степени равномерности затяжки винтов. Зоны повышенной концентрации напряжений возникают в местах действия консольных нагрузок. При этом концентрация напряжений дополнительно увеличивается, если не обеспечено равномерное приложение силы прижатия плит, создаваемое винтами или пружинными устройствами.

Рис. 79. Схемы моделей двух- (а) и трехплитного (б) затворов для исследования поляризационно-оптическим методом напряженно-деформированного состояния огнеупорных плит:
I и 6 - нижняя и верхняя балки; 2 - элемент, имитирующий плиту; 3 - гайка; 4 - пружина; 5 -шпилька

Учитывая многообразие возможных комбинаций схем нагружения плит затворов, их геометрических параметров и механических характеристик, можно сделать заключение о целесообразности получения универсальных зависимостей, позволяющих определять максимальные значения напряжений в керамических деталях разливочного устройства для конкретных вариантов его практического использования.