Оцінка ефективності використання високоміцного сталефібробетону в будівництві конструкцій машин безперервного лиття заготовок у м. Дніпрі

Abstract

У процесі експлуатації машин безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) в електросталеплавильних цехах, будівельні конструкції камери вторинного охолодження зазнають нерівномірного температурно-вологісного впливу внаслідок гідроохолодження. Це призводить до утворення значного температурного градієнта — у зимовий період він може перевищувати 100?°C, що викликає нерівномірний нагрів конструкцій. В умовах таких експлуатаційних режимів на внутрішніх поверхнях формуються нерівномірні температурні поля, які спричиняють виникнення напружень у матеріалі. Це суттєво знижує несучу здатність та експлуатаційну надійність будівельних елементів. До нинішнього часу в подібних спорудах традиційно застосовували звичайні важкі жаростійкі бетони класу С20/25 середньої міцності. Водночас нормативна база для проектування та розрахунку таких конструкцій із урахуванням комплексного температурно-вологісного впливу залишається обмеженою або взагалі відсутня. Наявні експериментальні дослідження здебільшого стосуються впливу температурних режимів на якість сталевих заготовок і майже не охоплюють впливу на будівельні конструкції, що є критичним для їх проектування та подальшої експлуатації.

Слід також зазначити, що середній нормативний строк служби споруд МБЛЗ становить близько 10 років, тоді як перший капітальний ремонт внаслідок агресивних умов експлуатації та високих навантажень часто необхідно виконувати вже після 5 років функціонування. У процесі експлуатації будівельних конструкцій камери вторинного охолодження вже на п’ятому році функціонування спостерігаються пошкодження, що призводять до зниження їх несучої здатності та експлуатаційної придатності. Це, у свою чергу, зумовлює необхідність проведення додаткових заходів щодо підсилення конструкцій та продовження їхнього ресурсу, що потребує значних матеріальних витрат. Подібна ситуація підкреслює актуальність застосування матеріалів вищої якості з підвищеною стійкістю до температурно-вологісних впливів. У роботі представлено результати аналізу технічного стану конструктивних елементів камери вторинного охолодження машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ) заводу електродугових печей. Також подано теоретичне обґрунтування ефективності використання високоміцного сталефібробетону при зведенні будівельних конструкцій цієї споруди із застосуванням сучасних обчислювальних комплексів на основі методу скінченних елементів (МСЕ). У дослідженні розглянуто приклад використання діаграмних методів для розрахунку залізобетонної стінки камери охолодження за умов впливу підвищених температур. Проаналізовано вплив обраної методики на параметри напружено-деформованого стану (НДС) споруди з урахуванням реального режиму її експлуатації. Надано рекомендації щодо застосування дискретного армування під час проєктування та оцінювання НДС конструкцій, які функціонують у складних температурно-вологісних середовищах, із використанням програмного комплексу «ЛІРА-САПР». Об’єкт дослідження- будівництво великого просторового фундаменту для електроливарної машини ТОВ «ЕЛЕКТРОСТАЛЬ» в м. Дніпро, побудованого в 2007 році з монолітного залізобетону за рамною конструктивною схемою з несучими стінами (ребрами жорсткості ЗВО) товщиною 700 мм і колонадами розмірами 600?400 мм. Предмет дослідження- є напружено-деформований стан залізобетонних стінок вторинної холодильної камери з урахуванням початкових конструктивних рішень з жароміцного важкого бетону класу С20/25 при важких температурних і вологісних впливах, а також оцінка ефективності використання високоякісного бетону класу C50/60 при будівництві стінок камери МБЛЗ. Мета дослідження- виконати порівняльний розрахунок і теоретичний аналіз ефективності застосування високоміцного сталефібробетону в конструкції стінок вторинної камери гасіння машини безперервного лиття заготовок сталеплавильного заводу з метою збільшення нормативного терміну їх служби.

During the operation of continuous casting machines (CCMs) in electric steelmaking shops, the building structures of the secondary cooling chamber are subject to uneven temperature and humidity effects due to hydrocooling. This leads to a significant temperature gradient - in winter, it can exceed 100 °C, which causes uneven heating of the structures. Under such operating conditions, uneven temperature fields are formed on the internal surfaces, which cause stresses in the material. This significantly reduces the bearing capacity and operational reliability of building elements. Until now, such structures have traditionally used conventional heavy heat-resistant concrete of class C20/25 with medium strength. At the same time, the regulatory framework for the design and calculation of such structures, taking into account the complex temperature and humidity effects, remains limited or non-existent. The available experimental studies mainly concern the impact of temperature conditions on the quality of steel billets and hardly cover the impact on building structures, which is critical for their design and further operation.

It should also be noted that the average standard service life of CCM facilities is about 10 years, while the first major overhaul due to aggressive operating conditions and high loads is often required after 5 years of operation. During the operation of the secondary cooling chamber building structures, damage is observed as early as the fifth year of operation, which leads to a decrease in their bearing capacity and operational suitability. This, in turn, necessitates additional measures to strengthen the structures and extend their service life, which requires significant material costs. This situation emphasizes the relevance of using materials of higher quality with increased resistance to temperature and humidity effects. The paper presents the results of analyzing the technical condition of the structural elements of the secondary cooling chamber of a continuous casting machine (CCM) at an electric arc furnace plant. The paper also provides a theoretical justification for the effectiveness of using high-strength steel fiber concrete in the construction of building structures of this facility using modern computing systems based on the finite element method (FEM). The study considers an example of using diagrammatic methods to calculate the reinforced concrete wall of a cooling chamber under conditions of elevated temperatures. The influence of the chosen methodology on the parameters of the stress-strain state (SSS) of the structure is analyzed, taking into account the actual mode of its operation. Recommendations are given for the use of discrete reinforcement in the design and assessment of the stress-strain state of structures operating in complex temperature and humidity environments using the LIRA-SAPR software package. The object of research is the construction of a large spatial foundation for the electric arc furnace of Electrostal LLC in Dnipro, built in 2007 from monolithic reinforced concrete according to a frame structural scheme with load-bearing walls (stiffening ribs) 700 mm thick and colonnades 600 ? 400 mm in size. The subject of the study is the stress-strain state of the reinforced concrete walls of the secondary cooling chamber, taking into account the initial design solutions of heat-resistant heavy concrete of class C20/25 under severe temperature and humidity effects, as well as the assessment of the effectiveness of using high-quality concrete of class C50/60 in the construction of the walls of the CCM chamber. The purpose of the thesis is to perform a comparative calculation and theoretical analysis of the effectiveness of using high-strength steel fiber concrete in the construction of the walls of the secondary quenching chamber of a continuous casting machine at a steel plant in order to increase their standard service life.