Розглянуто способи активного впливу на зовнішню поверхню обертових печей для підвищення достовірності ідентифікації дефектів внутрішнього шару при тепловому контролі.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Торгунаков В. Г., Суханов М. С.


The paper considers active influence methods on the outer surface of the revolving furnaces in order to increase the accuracy of the internal layer defects detection at thermal control.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва: 2005
    Журнал: Известия Томського політехнічного університету. Інжиніринг ГЕОРЕСУРСИ

    Наукова стаття на тему 'Активний теплової контроль обертових печей'

    Текст наукової роботи на тему «Активний теплової контроль обертових печей»

    ?УДК 621.384.3

    АКТИВНИЙ ТЕПЛОВОЇ КОНТРОЛЬ обертових печей

    В.Г. Торгунаков, М.С. Суханов

    ФГНУ НДІ интроскопии. Томськ E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Розглянуто способи активного впливу на зовнішню поверхню обертових печей для підвищення достовірності ідентифікації дефектів внутрішнього шару при тепловому контролі.

    Вступ

    Пасивний теплової контроль конструкційних матеріалів широко застосовується в промисловості [1, 2]. Роботи зі створення термографической апаратури для теплового контролю зовнішньої поверхні обертових цементних печей представлені, наприклад, в [3]. При такому контролі локальні відхилення експериментальних даних від даних, отриманих розрахунковим шляхом, використовують для якісної ідентифікації дефектів внутрішньої поверхні корпусу печі. Кількісна ідентифікація дефектів розглянута в роботі [4]. Активний теплової контроль стану внутрішньої поверхні печей [5, 6] слабо вивчений, тому автори вирішили звернути увагу на питання ідентифікації дефектів при зовнішньому тепловому впливі на корпус печі. Для зазначеної мети розглянуті зрошення водою та обдув повітрям, використовувані в цементній промисловості для технологічних цілей. Оскільки результати досліджень не залежать від того, яким способом отримані експериментальні дані про температуру зовнішній поверхні - за допомогою ІЧ-чи інших датчиків, то в подальшому викладі будемо дотримувати терміну "теплової контроль".

    Цементна піч (рис. 1) являє собою тришаровий циліндр, розташований під кутом до горизонту і обертається навколо власної осі. Залежно від типу печі її діаметр становить 3 ... 5 м, довжина 100 ... 160 м. Випалювання матеріалу (клінкеру), що переміщається уздовж осьового напрямку печі, здійснюється за рахунок факельного спалювання палива. Дефекти, що виникають в шарі теплозахисної обмазки, класифікують як відколи (стоншування) і настилу (опуклості).

    Як інструмент дослідження активних методів теплового впливу імітаційна модель теплових процесів обертається цементної печі, розроблена в ФГНУ НДІ интроскопии [7]. При розрахунку враховувалися: конвективний і променистий теплообмін з навколишнім середовищем на зовнішній поверхні печі; теплообмін шляхом теплопровідності усередині матеріалів корпусу печі; конвективний і променистий теплообмін з паливним газом усередині корпусу печі; обертання печі навколо осі; переміщення сировинної суміші.

    При моделюванні використовувалися такі вихідні дані [10]:

    Цеглу- 'готівка футерування

    Мал. 1. Цементна піч в розрізі

    Загальні дані:

    Довжина розрахункової зони, м 85

    Діаметр печі, м 4,5

    Ступінь чорноти зовнішньої поверхні 0,9

    Час розрахунку, з 5105

    Ступінь заповнення печі,% 10

    Частота обертання печі, об / хв 1,5

    Кут нахилу печі, град. 2

    Температура навколишнього середовища, ° С 25

    Температура орошающей води, ° С 25

    Температура газів, ° З 1800

    1-й шар (сталевий корпус):

    Матеріал - сталь СТ-5

    Товщина, м 0,05

    Теплопровідність, Вт / (м.К) 38

    Температуропроводності, м2 / с 7,410-6

    2-й шар (цегляна футерування):

    Матеріал - цегла периклазом-хромітової

    Товщина, м 0,25

    Теплопровідність, Вт / (м.К) 2,6

    Температуропроводності, м2 / с 8,610-7

    3-й шар (теплозащитная обмазка):

    Матеріал - клінкер

    Товщина, м 0,23

    Теплопровідність, Вт / (м.К) 1,7

    Температуропроводності, м2 / с 7,210-7

    клінкер:

    Теплопровідність, Вт / (м.К) 1,7

    Температуропроводності, м2 / с 7,210-7

    Кут скочування клінкеру, град. 40

    Початкова температура, ° з 1350

    1. Ідентифікація дефектів

    при водяному зрошенні корпусу печі

    Розглянемо, яким чином змінюється тепловий контраст між дефектною і бездефектной областями корпусу печі при різних формах впливу зрошенням на її зовнішню поверхню.

    На рис. 2 представлено зміна контрасту температур між точкою, розташованої в середині дефектної зони, і точкою в цільної області для дефектів фіксованої довжини 150 см і різної глибини при рівномірному по площі печі впливі водяним зрошенням інтенсивністю 2 г / (м2.с). З малюнка видно, що зміна контрасту після включення зрошення відбувається монотонно, контраст зростає, в першому наближенні, за експоненціальним законом. Це пояснюється тим, що робочий діапазон температур зовнішній поверхні печі становить 100 ... 500 ° С, отже тепловий потік, що відводиться від печі при кипінні і випаровуванні води, однаковий як для дефектних зон, так і для цілісних ділянок:

    = [(Т - Тв) Св + г] N ДБД, І

    де ДQЩ (ЦИТЬ? - теплота, що витрачається на нагрівання і випаровування води, кДж, Тк = 100 ° С - температура кипіння води, Тв - вихідна температура орошающей води, Св = 4,19 кДж / (КГК) - питома теплоємність води, гв = 2,256 кДж / кг - питома теплота пароутворення води, другі - інтенсивність зрошення, кг / (м2.с), - елемент площі, м2, Д / - відрізок часу, с. Тепловий потік, що надходить з центру печі, для гарячих (дефектних ) зон в силу меншого теплового опору стінки корпусу більше, ніж для холодних (бездефектних). Отже, додатковий, фіксований тепловий потік, см. (*), що направляється на випаровування води, в меншій мірі вплине на температуру в дефектних зонах і призведе порівняно холодні зони до більшого охолодження, ніж гарячі.

    При використанні температурного контрасту як ознака виявлення, його зростання сприяє збільшенню достовірності ідентифікації дефектів. Оптимальний час для контролю настає після закінчення 4.104 с після початку стимулювання поверхні. Швидкість зміни температурного контрасту при зрошенні падає з плином часу. Найбільша швидкість його зміни зберігається протягом перших Н04 с, тому для ідентифікації дефектів по першій похідній температурного контрасту доцільно застосовувати вплив на поверхню печі в формі прямокутного імпульсу зазначеної тривалості. На рис. 3 представлено зміна контрасту температур між дефектним і цільним ділянками корпусу печі для дефектів фіксованої довжини 150 см і різної глибини при імпульсному впливі водяним зрошенням з інтенсивністю 4 г / (м2.с).

    З представленої на рис. 4 залежно видно, що швидкість наростання контрасту температур змінюється прямо пропорційно глибині дефекту з коефіцієнтом пропорційності 0,35 мградДсхм).

    Про 40 80 Час, с * 103

    Мал. 3. Зміна контрасту температур при імпульсному впливі водяним зрошенням з інтенсивністю 4 г / (м2с) тривалістю 1104 з

    4

    і

    ж

    5 *

    Q. Про a

    Про 1

    .......J_____. J____ .... 1 ...- J?-

    1 _________! ___ 1 1 1 1 1 r i________

    ! 1! 1 1 1 J / 1 !

    1 + 1. 1 > L l 1 1 1 1 i i i

    lili

    30 40 Час, з-Ю-1

    Рис 2. Зміна контрасту температур між точкою, розташованої в середині дефектної зониI, і точкою в бездефектной області при впливі водяним зрошенням інтенсивністю 2 г / (м2с)

    Про 2 4 6 8 10 12 Глибина дефекту, см Рис. 4. Швидкість наростання різниці температур між цілісною і дефектної областями після включення зрошення інтенсивністю 4 г / (м2с) в залежності від глубіниI дефекту

    Практичний інтерес представляє залежність контрасту від протяжності дефектів. На рис. 5 наведено зміна контрасту температур між точкою, розташованої в середині дефектної зони, і точкою, віддаленої від такої зони для дефектів різної довжини, але фіксованої глибини 12 см.

    150

    140

    Н130

    Про.

    I 120

    про

    110

    100

    Гі 1 ''

    Т і г г т |Лі! Довжина г 1 дефекту, см 1 [\ 150'125 т>

    I ^ --1-Ж1_75_

    1Г \ г г т

    1 'г -1-50

    I г т

    1 | |

    120

    • 10 '

    мірі залежить від поздовжніх розмірів. У всьому представленому діапазоні довжин дефекту (50 ... 150 см) швидкість наростання різниці температур змінюється всього на 11,6%, що в три-чотири рази менше, ніж зміна температури дефектної зони для того ж діапазону при пасивному контролі, наведене в роботі [8].

    2. Ідентифікація дефектів

    при впливі повітряним потоком

    Розглянемо, як впливають розміри дефекту на зміну температурного контрасту при впливі повітряним потоком на зовнішню поверхню печі. На рис. 7 представлена ​​залежність контрасту температур для дефектів різної глибини, але фіксованої довжини 150 см.

    0 40 80 Час, з •

    Мал. 5. Зміна контрасту температур між точкою в центрі дефекту і точкою в бездефектной зоні після включення водяного зрошення з інтенсивністю 4 г / (м2с) на час 10 тис. З і подальшого переходу на зрошення з інтенсивністю 1 г / (м2с)

    З представлених графіків видно, що вплив сусідніх бездефектних ділянок на температуру в центрі дефекту (умовно нескінченний дефект) починає позначатися при його поперечних розмірах менше 75 см. Характер залежності швидкості наростання різниці температур від довжини дефекту представлений на рис. 6.

    Мал. 6. Швидкість наростання контрасту температур після включення зрошення інтенсивністю 4 г / (м2с) в залежності від довжини дефекту (глибина дефекту 12 см)

    Залежність, представлена ​​на рис. 6, ілюструє той факт, що зміна швидкості наростання різниці температур в набагато меншому ступені залежить від довжини дефекту, ніж температура в дефектної зоні. Тобто при активному контролі визначення глибини дефекту в меншій

    час,

    Мал. 7. Зміна контрасту температур при впливі потоком повітря зі швидкістю 6 м / с

    З представлених залежностей видно, що контраст температур при охолодженні повітряним потоком на початковій ділянці зменшується, але через час порядку 1,0 ... 1,5.10 "з знак зміни контрасту змінюється на позитивний (немає монотонної залежності, як це спостерігається при впливі зрошенням, але є чітко виражений мінімум контрасту). Це вказує на існування оптимального часу для проведення контролю. Зменшення контрасту між дефектною і цільної областями пояснюється тим, що потік тепла, що відводиться при охолодженні, лінійно залежить від температури стінки корпусу:

    А ^ = а (Тст - Т0) Абага,

    де АQобдуea - теплота, відведена при охолодженні, Дж, Ттт - температура стінки корпусу, ° С, а - коефіцієнт тепловіддачі, що враховує конвективную і радіаційну складову, Вт / (м2.К), що розраховується за формулами [9], Т0 - температура повітря , ° с, - елемент площі, м2, А / - відрізок часу, з.

    У сталому режимі зменшення контрасту мало в порівнянні з початковим значенням. На рис. 8 показано зміна температури в зоні дефекту, в бездефектной зоні і зміна контрасту між цими точками. Стає зрозумілим, що ні-

    монотонне зміна температурного контрасту пояснюється неоднаковими постійними часу зменшення температури в різних точках в залежності від наявності дефекту і його розмірів.

    Про 24 48 96 180 Час, з-103 Рис. 8. Зміна температури і контрасту після включення повітряного обдування

    Мал. 9. Перехідні процеси зміни контрасту температур між точкою в центрі дефекту і точкою в бездефектной зоні при імпульсному впливі потоком повітря зі швидкістю 6 м / с

    --------Г "1 ----" "" Г "------ 1 ---- Г

    --------h- _---- --1-- ------ h jif ------- I

    1 -------- h --- 1 1 1 "t" 1 + 1 - 1 - \ jt / l Г I I I 1 ------- I I

    ________ l. ^ L \ ____I____ .._ [______

    J ^ T L J L _ __. L___ L

    б

    8

    10 12

    Глибина дефекту, см Рис. 10. Залежність швидкості убування температурного контрасту від глибини дефекту при імпульсному впливі повітряним потоком

    Існування оптимального часу контролю призводить до висновку, що для цілей ідентифікації дефектів внутрішньої поверхні цементної печі шляхом теплового впливу повітряним потоком доцільне використання імпульсного сигналу прямокутної форми. Імпульсний вплив віз-

    задушливим потоком на зовнішню поверхню призводить до перехідних процесів, рис. 9.

    З представлених графіків видно, що найбільш ефективним часом контролю при охолодженні є перші 5.103 с. Як і в разі впливу зрошенням, швидкість зміни температурного контрасту може бути використана для визначення глибини дефекту - вона має прямопропор-нальних залежність, рис. 10.

    Обговорення результатів і висновки

    Застосування активного теплового контролю (зрошення водою, обдув повітрям) стану внутрішньої поверхні обертової цементної печі призводить до підвищення достовірності результатів контролю (часто такі дії обходяться без матеріальних витрат - можна використовувати випадання атмосферних опадів або проводити контроль у вітряну погоду).

    Існує принципова відмінність між зрошенням і обдувом повітрям - при зрошенні контраст температур між дефектною і бездефектной точками збільшується, в той час як при охолодженні він зменшується. Можна виділити наступні аспекти застосування активного контролю:

    1. При впливі на зовнішню поверхню печі шляхом водяного зрошення контраст температур між точками дефектної і бездефектной зон монотонно зростає (за псевдоекспоненціальному закону).

    2. При впливі на зовнішню поверхню печі шляхом обдування повітрям контраст температур між точками дефектної і бездефектной зон спочатку зменшується, а потім протягом тривалого часу компенсується. Це пояснюється неоднаковими постійними часу перехідних теплових процесів для порівнюваних точок корпусу печі.

    3. Збільшення температурного контрасту при зрошенні (в деяких випадках в 1,7 рази) сприяє підвищенню достовірності ідентифікації дефектів при використанні в якості об-наружітельного ознаки величини контрасту. При охолодженні - контраст зменшується, і цей показник застосовувати недоцільно.

    4. Швидкість зміни контрастного сигналу при зрошенні і охолодженні пропорційна глибині дефекту і може використовуватися в якості ідентифікує ознаки.

    5. Для економії матеріальних і енергетичних ресурсів рекомендується імпульсний характер впливу, що обурює.

    6. Існує оптимальний час для контролю при тепловій дії на корпус печі (наприклад, при зрошенні і спостереженні за контрастом воно становить 3 год, при охолодженні і аналізі швидкості зміни температурного контрасту ефективними є перші 1,5 год).

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. обода А.М., Фірсова Н.Є. Пасивний теплової контроль конструкційних матеріалів під час експлуатації // дефектоскопії. - 1991. - № 11. - С. 77-83.

    2. Вавилов В.П., Горбунов В.І. Теплові методи неруйнівного-ного контролю багатошарових структур // дефектоскопії. -1981. - № 4. - С. 5-22.

    3. Торгунаков В.Г., Ямана М.С., Чигарев С.Т. Дворівнева система термографічного контролю промислових теплоі-становок // Оптичні, радіохвильові, теплові методи і засоби контролю природного середовища, матеріалів промислового середовища: Тез. VII Міжнар. науково-техн. конф. - Череповець, Росія. - 1997. - С. 45-46.

    4. Суханов М.С., Торгунаков В.Г., Ямана М.С., Чигарев С.Т. Ідентифікація дефектів внутрішньої поверхні цементної печі // Известия Томського політехнічного університету. -2002. - Т. 305. - № 5. - С. 179-184.

    5. Гардайк Х.О., Роземанн X., Людвіг X. Зміна температури корпусу обертових печей для аналізу стану футеровки

    і обмазки // Цемент-Гіпс. - 1984. - № 3. - С. 131-142 (переклад з нім.).

    6. Торопов М.А., Волконський Б.В. Про механізм утворення обмазки при водяному охолодженні обертових печей: Нове в науці і техніці про цемент. - Л .: Гипроцемент, 1952. - № 1. -С. 14-19.

    7. Torgunakov V.G., Sukhanov M.S. Computer Model of Thermal Processes in a Cement Kiln for Application in IR Defectoscopy // 7th European Conference on non-destructive testing. - Copenhagen, 26-29 May, 1998. - P. 2676-2679.

    8. Суханов М.С., Торгунаков В.Г. Імітаційна модель теплових процесів цементної печі // Цемент і його застосування. -1999. - № 5. - С. 37-41.

    9. Бесєдін П.В., Трубаєв П.А, Нусс М.В. і ін. Розрахунок втрат тепла через корпус цементних обертових печей // Цемент і його застосування. - 2001. - № 2. - С. 13-17.

    10. Теплотехнічний довідник / Під загальною ред. В.Н. Юреня-ва і П.Д. Лебедєва. - Т. 1. - М .: Енергія, 1975. - 728 с.

    1. Розробка методу і системи активної діагностики

    В основу матеріалів даної статті були покладені результати проведених теоретичних і експериментальних досліджень процесів тре-щінообразованія при зварюванні [1-6], виникнення непровару [7], визначення координат дефектів [8], структури металу зварного шва [9], а також усунення тріщиноподібних дефектів [10-12], які були взяті в якості вихідних даних і дозволили розробити метод контролю зварювання циліндричних виробів [13].

    Метод заснований на прийомі і поділі сумарного сигналу акустичної емісії (АЕ), що несе інформацію про дефекти, на сигнали, що характеризують джерела зароджуються непроварів і тріщин. Утворилися в процесі зварювання зони непроварів через систему зворотного зв'язку додатково проплавляющей, а джерела вже зароджується тріщини в процесі зварювання знищують потужним імпульсом випромінювання оптичного квантового генератора (ОКГ) [13].

    Основна вимога до системи активної діагностики, повинно бути таким, щоб було забезпечено узгодження входу даного пристрою з виходом вимірювача акустичних

    сигналів, до якого даний пристрій підключається. Вихідні сигнали вимірювача акустичних сигналів, зокрема ІАС-4, відповідають ТТЛ-елементам з навантажувальною здатністю 4.

    Відповідно до цієї вимоги була розроблена система, яка реалізує даний метод контролю, функціональна схема якої приведена на рис. 1-4.

    Мал. 1. Функціональна схема зварювального комплексу і системи активного впливу на зароджуються дефекти / в процесі зварювання

    УДК 548.4.001: 621.791.052.08: 620.179.16

    СИСТЕМА АКТИВНОЇ ДІАГНОСТИКИ ПРОЦЕСУ ЗВАРЮВАННЯ

    А.М. Апасов

    Юргінскій технологічний інститут Томського політехнічного університету E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    На основі вперше проведеної роздільної реєстрації параметрів сигналів акустичної емісії від джерел зароджуються тріщин і непроварів разработаниi метод і пристрій непрерие / вного контролю і запобігання даних дефектів при зварюванні в реальному масштабі часу.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити