blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2018-7-536-542blackmet-1367Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESАНАЛИЗ ПРИЧИН СНИЖЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА КОЛОСНИКОВ ОБЖИГОВЫХ ТЕЛЕЖЕК ИЗ СТАЛИ 40Х24Н12СЛ МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯMATHEMATICAL MODELING OF OPERATION OF THE PALLET CARS’ GRATE BARS MADE OF STEEL 40Kh24N12SLИвановД. И.IvanovD. I.

Начальник смены, аспирант

309504, Белгородская обл., Старый Оскол, Юго-западный промрайон,  площадка Фабричная, проезд-4, 309516, Белгородская обл., Старый Оскол, микрорайон Макаренко, 42

Shift Leader, Postgraduate

Stary Oskol, Belgorod Region

axel-crusader@mail.ruКожуховА. А.KozhukhovA. A.

Кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Металлургия и металловедение им. С.П. Угаровой»  

309516, Белгородская обл., Старый Оскол, микрорайон Макаренко, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Head of the Chair “Metallurgy and Metal Science named after S.P. Ugarova”

 Stary Oskol, Belgorod Region

СклярВ. А.SklyarV. А.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлургия и металловедение им. С.П. Угаровой»

309516, Белгородская обл., Старый Оскол, микрорайон Макаренко, 42

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Metal­lurgy and Metal Science named after S.P. Ugarova”

Stary Oskol, Belgorod Region

ОАО «Стойленский ГОК»; Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова, филиал НИТУ «МИСиС»РоссияOJS JSC “Stoilenskii Mining and Processing Works”; Ugarov Stary Oskol Technological Institute of National University of Science and Technology “MISiS”Russian FederationСтарооскольский технологический институт им. А.А. Угарова, филиал НИТУ «МИСиС»РоссияUgarov Stary Oskol Technological Institute of National University of Science and Technology “MISiS”Russian Federation201828072018617536542Copyright © Иванов Д.И., Кожухов А.А., Скляр В.А., 20182018Иванов Д.И., Кожухов А.А., Скляр В.А.Ivanov D.I., Kozhukhov A.A., Sklyar V.А.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1367

Для определения причин снижения эксплуатационного ресурса колосников обжиговых тележек из стали 40Х24Н12СЛ выпол­нен сравнительный анализ результатов макроисследований колосников после эксплуатации с результатами моделирования условий их эксплуатации. Моделирование проведено с применением метода конечных элементов, что позволило достичь высокой достоверности полученных результатов. Для этого было задано максимально возможное достоверное количество граничных условий моделирования, полученных как из макроисследований, проведенных ранее, так и из научной литературы. Применение метода конечных элементов позво­лило определить, что по сечению детали образуется высокий градиент температур с локальными зонами перегрева. Показано, что характер перегрева предсказуем и связан с условиями подачи теплоносителя в рабочую зону во время эксплуатации детали. Установлено, что в детали во время эксплуатации локально образуются зоны с большими значениями внутренних напряжений и деформаций. Показана зако­номерность появления этих зон, сильно зависящая от наличия неоднородностей в структуре детали, а также предположительно связанная с геометрической сложностью отливки. Установлено, что при наличии усадочных раковин все значения напряжений и деформаций резко возрастают, особо высоко растут значения в локальных максимумах. При этом характер распределения локальных зон с высокими значе­ниями напряжений и деформаций при наличии усадочных раковин остается практически неизменным. Анализ характера расположения зон с высокими значениями напряжений и деформаций позволил получить объяснение существующего принципа разрушения колосников трещинообразованием во время эксплуатации. Доказано, что одной из основных причин, вызывающих коробления, растрескивания и изломы колосников обжиговых тележек из стали 40Х24Н12СЛ является наличие в структуре металла усадочных раковин. В результате моделирования условий эксплуатации описан механизм протекания дефектообразования колосников, полностью совпадающий с результа­тами макроисследований и наблюдений, полученными во время эксплуатации.

To determine the reasons that decrease life of the grate bars of pellet cars from steel 40Kh24N12SL during the operation, a compara­tive analysis of the results of macro-investigations of the grate bars af­ter operation with the results of modeling the operating conditions for the grate was performed. The modeling of the operating conditions was carried out using the finite element method, which allowed achieving high reliability of the obtained results. For the reliability of the model­ing results, the maximum possible number of boundary modeling con­ditions was obtained, obtained from both macro-examples conducted earlier and from the scientific literature. The application of the finite element method made it possible to determine that a high temperature gradient with local overheating zones is formed along the section of the component. It is shown that the nature of overheating is predictable and is related to the conditions of the coolant supply to the working area during operation of the part. It is established that zones with large values of internal stresses and deformations are locally formed during operation. The regularity of appearance of these zones is shown, which highly dependents on the presence of inhomogeneities in the structure of the part, and is also supposedly related to geometric complexity of the casting. It is also established that in the presence of shrinkage shells, all values of stresses and deformations increase sharply, espe­cially in local maximums. In this case, the distribution of local zones with high stresses and deformations in the presence of shrinkage shells remains practically unchanged. An analysis of the location of zones with high stresses and strains made it possible to explain the existing principle of the destruction of the grate by cracking during operation. It is proved that one of the main causes of buckling, cracking and fracture of the grates of the pellet cars made of steel 40Kh24N12SL is the pres­ence of shrinkage shells in the metal structure. As a result of modeling the operating conditions, mechanism of the occurrence of buckling, cracking and fracture of the grates of steel 40Kh24N12SL during op­eration is described, which completely coincides with the results of macro-investigations and observations obtained during operation.  

короблениеизломтрещинаколосникистальдефектытрещинообразованиеэксплуатационный ресурстемпературный градиентнапряжениядеформацииусадочные пустотыраковинымоделированиеэксплуатацияметод конечных элементовbuckling deformationfracturegrate barssteeldefectscrack¬ingoperating lifetimetemperature gradientstressdeformationshrinkage cavitiescavitiesmodelingoperationfinite elements methodReferencesИванов Д.И., Кожухов А.А., Уразова Л.Ф. Механизм высоко¬температурной коррозии жаростойкой хромоникелевой стали // Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 3. С. 180 – 184.Ivanov D.I., Kozhukhov A.A., Urazova L.F. Mechanism of high-temperature corrosion of heat-resistant chromium-nickel steel. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metal¬lurgy. 2016, vol. 59, no. 3, pp. 180–184. (In Russ.).Иванов Д.И., Кожухов А.А. Определение и анализ причин ран¬него выхода из строя колосников обжиговых тележек // Совре¬менные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производство: Матер. XII Всероссийской науч.-практич. конф. – Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2015. С. 14 – 19.Ivanov D.I., Kozhukhov A.A. Identification and analysis of the causes of early shutting-down of pellet cars’ grate bars. In: Sovremennye problemy gorno-metallurgicheskogo kompleksa. Nauka i proizvod¬stvo: materialy Dvenadtsatoi Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii, s mezhdunarodnym uchastiem [Modern problems of the mining and metallurgical complex. Science and production: materials of the 12th All-Russian Sci. and Pract. Conf., with int. participation]. Stary Oskol: STI NITU MISiS, 2015, pp. 14–19. (In Russ.).Копоть Н.Н., Воробьев А.Б., Гончаров С.С. и др. Сравнитель¬ный анализ теплотехнических схем современных обжиговых конвейерных машин // Сталь. 2010. № 3. С. 8 – 13.Kopot' N.N., Vorob'ev A.B., Goncharov S.S., Butkarev A.A., Butkarev A.P. Comparison of heating systems in conveyer roasting ma¬chines. Steel in Translation. 2010, vol. 40, no. 3, pp. 233–238.Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. – 5-е изд., пе¬рераб. – М.: Металлургия, 1977. – 647 с.Gulyaev A.P. Metallovedenie: ucheb. dlya studentov vuzov [Metal science: Textbook for universities]. Moscow: Metallurgiya, 1977, 647 p. (In Russ.).Захаров Б.П. Термист. – Свердловск, Москва: Машгиз, УралоСибирское отделение, 1961. – 313 с.Zakharov B.P. Termist [Heat treater]. Sverdlovsk, Moscow: Mash¬giz, 1961, 313 p.Остапенко Н.Н., Криповницкий Н.Н. Технология металлов: Учебник для проф.-тех. училищ. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1970. – 344 с.Ostapenko N.N., Kripovnitskii N.N. Tekhnologiya metallov: ucheb. dlya professional'no-tekhnicheskikh uchilishch [Metal Technology: Proc. for vocational schools]. Moscow: Vysshaya shkola, 1970, 344 p. (In Russ.).Стерин И.С. Машиностроительные материалы. Основы метал¬ловедения и термической обработки: Учеб. пособие. – СПб.: Политехника, 2003. – 344 с.Sterin I.S. Mashinostroitel'nye materialy. Osnovy metallovedeniya i termicheskoi obrabotki: uchebnoe posobie [Engineering materials. Fundamentals of metallurgy and heat treatment: Manual]. St. Peters¬burg: Politekhnika, 2003, 344 p. (In Russ.).Буталов В.А. Технология металлов. – 3-е изд. – М.: Металлур¬гиздат, 1962. – 512 с.Butalov V.A. Tekhnologiya metallov [Metal technology]. Moscow: Metallurgizdat, 1962, 512 p. (In Russ.).Буткарев А.А., Буткарев А.П., Бородин А.А. и др. Опыт эксплуатации модернизированных обжиговых машин ОК-306 Лебединского ГОКа и пути их совершенствования с целью повышения эффективности производства // Сталь. 2005. № 3. С. 7 – 10.Butkarev A.A., Butkarev A.P., Borodin A.A., Zhilin S.N., Malyavin B.Ya. Modernized roasting machines at Lebedinskii GOK Joint Stock Company. Steel in Translation. 2005, vol. 35, no. 3, pp. 1–5.Буткарев А.А., Буткарев А.П., Зинчук Б.А. и др. Разработка технологических решений по увеличению производительности обжиговой машины фирмы Лурги // Сталь. 2007. № 6. С. 2 – 6.Butkarev A.A., Butkarev A.P., Zinchuk B.A., Zinchuk B.A., Shevchenko A.A., Dvornichenko I.F., Posokhov A.V. Improving the productivity of a Lurgi roasting machine. Steel in Translation. 2007, vol. 37, no. 6, pp. 505–509.Буткарев А.А., Буткарев А.П., Жомирук Е.А. и др. Отработка технологических режимов обработки окатышей на модерни¬зированной обжиговой машине ОК-124 // Сталь. 2010. № 3. С. 16 – 19.Butkarev A.A., Butkarev A.P., Zhomiruk P.A., Martynenko V.V., Grinenko N.V. Pellet heating on modernized OK-124 roasting ma¬chine. Steel in Translation. 2010, vol. 40, no. 3, pp. 239–242.Буткарев А.А. Исследование и совершенствование процесса управления термообработкой окатышей на обжиговых конвейерных машинах // Сталь. 2011. № 5. С. 4 – 8.Butkarev A.A. Improving the control of pellet heat treatment in con¬veyer roasting machines. Steel in Translation. 2011, vol. 41, no. 5, pp. 395–399.Буткарев А.А. Оценка реверсивной схемы охлаждения окаты¬шей на обжиговых машинах // Сталь. 2005. № 4. С. 71 – 73.Butkarev A.A., Butkarev A.P. Evaluation of the reversing scheme of pellet cooling on the firing machines. Stal'. 2005, no. 4, pp. 71–73. (In Russ.).Идельчик Б.М., Лященко А.Е. Защита от коррозии компрессор¬ных машин. – Ленинград: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. – 119 с.Idel'chik B.M., Lyashchenko A.E. Zashchita ot korrozii kompres¬sornykh mashin [Corrosion protection of compressor machines]. Leningrad: Mashinostroenie, 1984, 119 p. (In Russ.).Дьяков В.Г., Медведев Ю.С. и др. Легированные стали для неф¬техимического оборудования. – М.: Машиностроение, 1971. – 183 с.D'yakov V.G., Medvedev Yu.S. etc. Legirovannye stali dlya neft¬ekhimicheskogo oborudovaniya [Alloyed steels for petrochemical equipment]. Moscow: Mashinostroenie, 1971, 183 p. (In Russ.).Семенова И.В., Флорианович Г.М. и др. Коррозия и защита от коррозии. – М.: Физматлит, 2002. – 336 с.Semenova I.V., Florianovich G.M. etc. Korroziya i zashchita ot kor¬rozii [corrosion and corrosion Protection]. Moscow: Fizmatlit, 2002, 336 p.Никольс Р.В. Конструирование и технология изготовления сосудов давления: Пер. с англ. – М.: Машиностроение, 1975. – 464 с.Pressure vessel engineering technology. Nichols R.W. ed. New York: Elsevier, 1971, 603 p. (Russ.ed.: Nichols R.W. Konstruirovanie i tekhnologiya izgotovleniya sosudov davleniya. Moscow: Mashinostroenie, 1975, 464 p.).Колотыркин Я.М. Коррозия и защита от коррозии. Т. 3. – М.: 1974. – 208 с.Kolotyrkin Ya.M. Korroziya i zashchita ot korrozii [Corrosion and corrosion protection]. Vol. 3. Moscow: 1974, 208 p. (In Russ.).Зрунек М. Противокоррозионная защита металлических кон¬струкций: Пер. с чешск. Л.М. Левина. – М.: Машиностроение, 1984. – 136 с.Zrunek M. Protivokorrozionnaya zashchita metallicheskikh konstruktsii [Corrosion protection of metal structures]. Transl. from Czech. Moscow: Mashinostroenie, 1984, 136 p. (In Russ.).Миллер С.А. Ацетилен, его свойства, получение и применение. Т. 1. – Ленинград: Химия, Ленингр. отд-ние, 1969. – 680 с.Ivanov D.I., Kozhukhov A.A. Mechanism of corrosion destruction of heat-resistant chromium-nickel steel. In: Sovremennye problemy gorno-metallurgicheskogo kompleksa. Nauka i proizvodstvo: mate¬rialy Dvenadtsatoi Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferent¬sii, s mezhdunarodnym uchastiem [Modern problems of the mining and metallurgical complex. Science and production: materials of the 12th All-Russian Sci. and Pract. Conf., with int. participation]. Stary Oskol: STI NITU MISiS, 2015, pp. 244-249. (In Russ.).Иванов Д.И., Кожухов А.А. Механизм коррозионного разруше¬ния жаростойкой хромоникелевой стали // Современные проблемы горно-металлургического комплекса. Наука и производ¬ство: Матер. XII Всероссийской науч.-практич. конф. – Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2015. С. 244 – 249.Gudkov A.A. Treshchinostoikost' stali [Fracture toughness steel]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 376 p. (In Russ.).Гудков А.А. Трещиностойкость стали. – М.: Металлургия, 1989. – 376 с.Гудков А.А. Трещиностойкость стали. – М.: Металлургия, 1989. – 376 с.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.