Пековый кокс применяется для получения различных видов углеродной продукции, таких как анодная масса и графитированные электроды. Также из пекового кокса получают наполнители для выпуска специальных марок конструкционных графитов. Пек представляет собой обезвоженную каменноугольную смолу, полученную при охлаждении коксового газа. Пековый кокс получают путём коксования пека без доступа воздуха.
Одним из основных агрегатов пекового цеха является пекококсовая батарея, которую образуют пекококсовые печи. В состав пекококсовой печи входит отопительная система и собственно сама камера коксования, где и происходит образование пекового кокса. И отопительная система, и камера коксования выполняются из огнеупорных изделий. Качество получаемого пека и количество вторичных продуктов коксования (пекококсовый газ) напрямую зависят от состояния пекококсовой печи, а, следовательно, от состояния огнеупорной кладки.
Огнеупорная кладка тепловых агрегатов работает в тяжёлых условиях. В пекококсовых печах кладка длительное время пребывает под воздействием высоких температур (1250° С) – до полного выхода летучих (период коксования). За период коксования огнеупорная кладка отопительных простенков подвергается одновременному воздействию двух агрессивных сред: факел горения и продукты его сгорания – в отопительных каналах; пек переходящий в пековый кокс и выделяющийся при этом пекококсовый газ – со стороны камеры коксования. Кроме того на кладку негативно воздействуют: механические нагрузки от обслуживающих машин, термические удары при глубоких теплосменах, нарушения гидравлического и температурного режимов обогрева.
Таким образом, разработка мероприятий по снижению разрушения огнеупорной кладки тепловых агрегатов остаётся актуальной задачей.
Разработка мероприятий по снижению разрушения огнеупорной кладки тепловых агрегатов включает в себя изучение актуальности данной проблемы и обзор существующих методов решения данной проблемы. Для этого разрабатывается 3D – модель огнеупорной кладки теплового агрегата (отопительный простенок пекококсовой печи).
Разработка 3D – модели включает в себя расчет технологических показателей (материальный, тепловой и гидравлический балансы), составление и расчет показателей надежности (составление Дерева отказов и расчет коэффициентов значимости), представление в системном виде (представить агрегат в виде элементов со всеми внешними и внутренними связями), разработка математической модели накопления и развития дефектов (классификация дефектов и причин, вызывающих их, а также следствия этих дефектов).
В результате работы разрабатываются мероприятия по снижению разрушения огнеупорной кладки тепловых агрегатов.
Каменноугольным пеком называется остаток, получаемый при фракционировании каменноугольной смолы. Это продукт черного цвета, однородный по внешнему виду. Пек застывает в определенном температурном интервале в твердую хрупкую массу, имеет раковистый излом. Определенной температуры плавления и застывания он не имеет: плавится в температурном интервале. Плавление и затвердевание пека не сопровождается тепловым эффектом, он не имеет скрытой теплоты плавления. По своей химической природе каменноугольный пек представляет многокомпонентную смесь многоядерных углеводородов и гетероциклов, образующихся не только в процессе получения каменноугольной смолы при коксовании углей, но и при ее переработке в результате термической поликонденсации.
Соединения, входящие в состав пека могут быть разбиты на три группы:
1) мальтены, или 
-вещества, растворимые в нейтральном эфире (смешанный раствор кристаллизующихся веществ, образующих вязкую маслообразную фазу);
2) асфальтены, или 
-вещества, растворимые в толуоле, но нерастворимые в нейтральном эфире (плавкое вещество черного цвета), эта часть может вытягиваться в нити;
3) нерастворимый остаток, или 
-вещества, нерастворимые в толуоле (неплавкий и непластичный порошок черного цвета).
При температуре размягчения пека 63 – 70 °С выход -составляющей части около 25 %; -составляющей 41 % и -составляющей 34 %.
По физической природе каменноугольный пек представляет собой переохлажденную систему истинных и коллоидных растворов, в результате чего по своим свойствам он резко отличается от обычных твердых кристаллических веществ. Для пека характерен температурный интервал пластичности. Он определяется разностью двух условных температурных точек: температуры размягчения и температуры появления хрупкости. Этот интервал является важным техническим показателем, характеризующим пригодность пека для тех или иных процессов.
В зависимости от температуры размягчения пеки разделяются на мягкие, средние и твердые. Мягкие пеки имеют температуру размягчения 40 – 55 °С (плотность 1286 кг/м3), средние 65 – 90 °С (плотность 1290 кг/м3) и твердые 135 – 150 °С (плотность 1320 кг/м3).
Отдельные стадии процесса коксообразования зарождаются в последовательном порядке одновременно у обеих стенок пекококсовой камеры и по мере проникновения тепла в глубь загрузки продвигаются к центральной осевой плоскости печи, где промежуточные слои (пластический, полукокс), перемещающиеся от стенок пекококсовой камеры, сближаются. При этом одноименные промежуточные зоны сходятся (а в пластическом состоянии сливаются), затем исчезают, переходя в последующее состояние.
При воздействии температуры и времени на загрузку, находящуюся в камере коксования, вязкая пластическая масса оказывает большее или меньшее сопротивление эвакуации продуктов разложения, которые стремятся увеличить объем загрузки (привести к ее вспучиванию); при этом может развиваться определенное давление распирания, которое зависит также от газопроницаемости слоев полукокса – кокса и густоты сети трещин, образующихся в них [4, 7].
В пекококсовых печах передача тепла происходит одновременно посредством теплопроводности, конвекции и теплоизлучения. Все виды передачи тепла возможны только при наличии разности температур.
В пекококсовых печах передача тепла осуществляется следующим образом. В каналах обогревательного простенка сгорает отопительный газ. Тепло продуктов горения лучеиспусканием и конвекцией передается поверхности стенки, обращенной к пламени. Затем тепло, воспринятое этой поверхностью, благодаря теплопроводности передается через стенку камеры. При этом создается тепловой поток между стороной стены, обращенной к обогревательному каналу, и стороной стены, обращенной в коксовую камеру.
От стены камеры к угольной загрузке передача тепла происходит сначала в результате теплопроводности, пока коксуемая загрузка прижата к стене, а после усадки – лучеиспусканием. Наружные поверхности печей передают тепло в окружающее пространство также лучеиспусканием и конвекцией.
В регенераторах на нисходящем потоке происходит отдача тепла нагретыми продуктами горения насадке регенератора, а на восходящем потоке тепло отдается насадкой воздуху или бедному (доменному) газу. Этот обмен тоже происходит путем лучеиспускания и конвекции.
Поддержание заданного температурного режима обогрева и стабильного распределения температур (кривой) по длине обогревательных простенков весьма важно для сохранения кладки печей. При высокой температуре подсводового пространства на свод и стены нарастает слой графита.
Гидравлический режим, т.е. регламентированное распределение давлений в камере коксования и отопительной системе пекококсовых печей, является основным фактором, определяющим необходимый срок их службы. С начала эксплуатации объем камеры коксования полностью отделен от отопительного простенка стенкой небольшой толщины и теоретически они не должны сообщаться. Однако на практике даже самая совершенная каменная кладка, какой является кладка пекококсовых печей, не может быть абсолютно плотной. В ней могут быть пустые швы, со временем образуются трещины и при даже очень небольшой разнице давлений в камере коксования и отопительных простенках, может наблюдаться переток газовых и воздушных потоков через неплотности кладки камеры коксования.
В начале процесса коксования, когда из пека происходит бурное выделение газообразных продуктов, избыточное давление в камере может достигать 6 – 8 кПа. При этом парогазовые продукты проходят через трещины в кладке, или неплотности дверей пекококсовой печи, разлагаются, заполняя их графитом, и, таким образом, камера коксования полностью отделяется от отопительной системы и атмосферы.
В конце периода коксования количество выделяющихся газообразных продуктов резко снижается. В результате может создаваться такое положение, когда давление газов в камере коксования станет меньше атмосферного и меньше давления в отопительной системе. В этом случае кислород воздуха в отопительных простенках и регенераторах на восходящем потоке может способствовать выгоранию графита в пустых швах, трещинах и других неплотностях раскаленной кладки простенков. Тот же процесс будет происходить с углеродистыми отложениями, уплотнившими двери печей. После того, как углерод выгорит, кислород воздуха, проходя в камеру коксования и соприкасаясь с раскаленным коксом, вызовет его интенсивное горение. В местах горения развивается высокая температура до 1600 °С. Основные соединения золы кокса, реагируя с кислой кладкой, дадут легкоплавкое соединение. Таким образом, в этом месте кладка камеры ошлакуется и при выдаче коксового пирога поверхность кладки разрушится.
При новой загрузке камеры процесс повторится. Вначале через разграфиченные неплотности кладки значительное количество парогазовых продуктов будет поступать в отопительную систему, гореть, особенно в регенераторах восходящего потока, заполненных воздухом, в отопительных простенках, где газ сжигается с избытком воздуха.
После заграфичивания кладки и уменьшения количества выделяющихся газов процесс пойдет в обратном порядке. При многократном повторении этих явлений в кладке камер коксования могут образовываться прогары, насадка регенераторов может быть оплавлена [2, 3].
Представление пекококсовой печи в системном виде заключается в разложении её на элементы (сборочные единицы и детали), описании свойств и связей этих элементов; выделении в элементах компонентов (поверхности, рёбра), описании их свойств и параметров, а также описании рабочих сред, непосредственно контактирующих с компонентами.
Введём обозначения:
1 – Сборочная единица (
).
2 – Деталь (
).
3 – Компонент (
).
Приведём структуру пекококсовой печи (рисунок 2) [8].
С помощью программы КОМПАС 3D V11 разработана 3D – модель отопительного простенка пекококсовой печи. Модель состоит из 2877 деталей, из них уникальных 112.
Износ кладки печных камер начинается с разрыхления поверхностной структуры кирпича («рубашки»), появления трещин на стеновых кирпичах против крайних вертикалов. Динамика и характер трещинообразования на стенках камер против крайних вертикалов и разрушения кладки между трещинами показаны на рис. 4.
Вначале трещины появляются на кирпичах в отдельных рядах кладки, а в дальнейшем количество их непрерывно увеличивается до образования сплошной трещины во всех рядах кладки от пода до перекрытия вертикалов. Сначала появляется одна, а затем вторая параллельная трещина. По кромкам трещин, выходящим на поверхность стен камер, появляются сколы кирпичей. Сколы кромок постепенно увеличиваются и углубляются. Как только глубина скола по краям трещины становится больше величины поперечной усадки пека, кокс остается в кромке и при выдаче создает усилия, приводящие к смещению «столбиков» между параллельными трещинами. Схема появления таких усилий показана на рис. 5. В связи с этим очень важно приступить к ремонту трещин до того, как глубина сколов по кромкам трещин не превысит критических величии (10 – 15 мм).
Факторы влияющие на износ кладки пекококсовых печей можно подразделить:
1) механические усилия;
2) термические удары при глубоких теплосменах;
3) нарушения гидравлического и температурного режимов обогрева [1, 2, 5].
К самым распространенным видам износа камер коксования относятся:
1) вертикальные трещины на крайних вертикалах и смещения – деформация кладки между ними;
2) заужения – деформация стен камер на уровне верхних рядов кладки крайних вертикалов;
3) деформация стен – выпуклости или вогнутости против различных вертикалов;
4) трещины и выдвижение кирпичей в центральной части камер;
5) «подрезы» – борозды в стенках на первых двух рядах кладки от пода;
6) раковины – коррозия динаса в зоне максимальных температур на 2 – 3 вертикалах коксовой стороны на 5 – 8 рядах от пода;
7) отбитости и сколы кромок заплечиков со стороны армирующих броней;
8) трещины;
9) стертости и разрушения крайних сводовых и подовых кирпичей;
10) прогары в стенах.
При составлении вероятностной математической модели приняты следующие допущения и ограничения:
– Процесс эксплуатации состоит из повторяющихся циклов нагружения, обладающих постоянными параметрами;
– Время t дискретно, т.е. t = 0, 1, 2, …;
– Состояния поврежденности дискретны и обозначены через 1, 2, …, j, …, b. При достижении состояния b происходит отказ простенка и вывод печи на ремонт либо достижение размеров дефекта недопустимых значений и непременное его устранение;
– Изменение состояния объекта за цикл нагружения зависит только от параметров этого цикла нагружения и от состояния объекта в его начале.
За n печевыдач объект может остаться в текущем состоянии, либо перейти в состояние с более высоким номером.
Составлена матрица переходных вероятностей:
где pjj – вероятность того, что объект остается в состоянии j за один шаг;
qjk – вероятность перехода повреждения за один шаг из состояния j в одно из последующих состояний {j+1 ,…, b}.
Распределение вероятности достижения объектом определенного состояния к моменту времени t:
где p0 – распределение вероятности нахождения объекта в определенном состоянии в начальный момент времени эксплуатации объекта [5, 6, 9, 10].
На момент сдачи сайта работа еще не была закончена, поэтому результаты работы не представолены. О предполагаемом результате можно судить лишь по приведенной выше структуре работы. Результаты работы можно будет просмотреть у автора или у руководителя после декабря месяца 2011 года.