Кокс пековий застосовується для отримання різних видів вуглецевої продукції, таких як анодна маса та графітовані електроди. Також з пекового коксу отримують наповнювачі для випуску спеціальних марок конструкційних графітів. Пек являє собою зневожену кам'яновугільну смолу, отриману при охолодженні коксового газу. Кокс пековий отримують шляхом коксування пеку без доступу повітря.
Одним з основних агрегатів пекового цеху є пекококсова батарея, яку утворюють пекококсові печі. До складу пекококсової печі входить опалювальна система і власне сама камера коксування, де і відбувається утворення пекового коксу. І опалювальна система, і камера коксування виконуються з вогнетривких виробів. Якість отримуваного пеку й кількість вторинних продуктів коксування (пекококсовий газ) безпосередньо залежать від стану пекококсової печі, а, отже, від стану вогнетривкої кладки.
Вогнетривка кладка теплових агрегатів працює у важких умовах. У пекококсових печах кладка тривалий час перебуває під впливом високих температур (1250° С) – до повного виходу летючих (період коксування). За період коксування вогнетривка кладка опалювальних простінків піддається одночасному впливу двох агресивних середовищ: факел горіння і продукти його згорання – в опалювальних каналах; пек переходячий у пековий кокс і пекококсовий газ, що виділяється при цьому – з боку камери коксування. Крім того на кладку негативно впливають: механічні навантаження від обслуговуючих машин, термічні удари при глибоких теплозмінах, порушення гідравлічного й температурного режимів обігріву.
Таким чином, розробка заходів по зниженню руйнування вогнетривкої кладки теплових агрегатів залишається актуальним завданням.
Розробка заходів по зниженню руйнування вогнетривкої кладки теплових агрегатів включає до себе вивчення актуальності даної проблеми і огляд існуючих методів вирішення даної проблеми. Для цього розробляється 3D – модель вогнетривкої кладки теплового агрегату (опалювальний простінок пекококсової печі).
Розробка 3D – моделі включає розрахунок технологічних показників (матеріальний, теплової та гідравлічний баланси), складання і розрахунок показників надійності (складання Дерева відмов і розрахунок коефіцієнтів значущості), подання в системному вигляді (представити агрегат у вигляді елементів з усіма зовнішніми і внутрішніми зв'язками), розробка математичної моделі накопичення і розвитку дефектів (класифікація дефектів і причин, що викликають їх, а також наслідки цих дефектів).
В результаті роботи розробляються заходи щодо зниження руйнування вогнетривкої кладки теплових агрегатів.
Кам'яновугільним пеком називається залишок, що одержується при фракціонуванні кам'яновугільної смоли. Це продукт чорного кольору, однорідний по зовнішньому вигляду. Пек застигає у визначеному температурному інтервалі у тверду тендітну масу, має раковистий злам. Певної температури плавлення і застигання він не має: плавиться у температурному інтервалі. Плавлення і затвердіння пеку не супроводжується тепловим ефектом, він не має прихованої теплоти плавлення. По своїй хімічній природі кам'яновугільний пек представляє багатокомпонентну суміш багатоядерних вуглеводнів і гетероциклів, що утворюються не тільки в процесі отримання кам'яновугільної смоли при коксуванні вугілля, але і за її переробки в результаті термічної поліконденсації.
З'єднання, що входять до складу пеку можуть бути розбиті на три групи:
1) мальтени, або 
-речовини, розчинні у нейтральному ефірі (змішаний розчин речовин, що кристалізуються та утворюють в'язку маслообразну фазу);
2) асфальтени, або 
-речовини, розчинні в толуолі, але нерозчинні у нейтральному ефірі (плавка речовина чорного кольору), ця частина може витягуватися в нитки;
3) нерозчинний залишок, або 
-речовини, нерозчинні в толуолі (неплавкий і непластичний порошок чорного кольору).
При температурі розм'якшення пеку 63 – 70° С вихід -складової частини близько 25 %; -складової 41 % і -складової 34 %.
З фізичної природи кам'яновугільний пек являє собою переохолоджену систему істинних і колоїдних розчинів, внаслідок чого по своїм властивостям він різко відрізняється від звичайних твердих кристалічних речовин. Для пеку характерний температурний інтервал пластичності. Він визначається різницею двох умовних температурних крапок: температури розм'якшення і температури появи крихкості. Цей інтервал є важливим технічним показником, що характеризує придатність пеку для тих чи інших процесів.
В залежності від температури розм'якшення пеки поділяються на м'які, середні і тверді. М'які пеки мають температуру розм'якшення 40 – 55° С (щільність 1286 кг/м3), середні 65 – 90° С (щільність 1290 кг/м3) і тверді 135 – 150 °С (щільність 1320 кг/м3).
Окремі стадії процесу коксоутворення зароджуються в послідовному порядку одночасно в обох стінок пекококсової камери і проникнення тепла в глиб завантаження просуваються до центральної осьовий площині печі, де проміжні шари (пластичний, напівкокс), що переміщуються від стінок пекококсової камери, зближуються. При цьому однойменні проміжні зони сходяться (а в пластичному стані зливаються), потім зникають, переходячи в подальший стан.
При впливі температури і часу на завантаження, що знаходиться в камері коксування, в'язка пластична маса має більший або менший опір евакуації продуктів розкладання, які прагнуть збільшити обсяг завантаження (призвести до її спучування); при цьому може розвиватися певний тиск розпирання, який залежить також від газопроникності шарів - коксу та напівкоксу густоти мережі тріщин, що утворюються в них [4, 7].
У пекококсових печах передача тепла відбувається одночасно за допомогою теплопровідності, конвекції і тепловипромінювання.
У пекококсових печах передача тепла здійснюється наступним чином. В каналах опалювального простінка згорає опалювальний газ. Тепло продуктів горіння тепловипромінюванням і конвекцією передається поверхні стінки, зверненої до полум'я. Потім тепло, сприйняте цієї поверхнею, завдяки теплопровідності передається через стінку камери. При цьому створюється тепловий потік між стороною стіни, зверненої до опалювального каналу, і стороною стіни, зверненої в коксову камеру.
Від стіни камери до вугільної завантаженності передача тепла відбувається спочатку в результаті теплопровідності, доки коксуюча завантаженность притиснута до стіни, а після усадки – тепловипромінюванням. Зовнішні поверхні печей передають тепло в навколишній простір також тепловипромінюванням і конвекцією.
У регенераторах на спадному потоці відбувається віддача тепла нагрітими продуктами горіння насадці регенератора, а на висхідному потоці тепло віддається насадкою повітрю або бідному (доменному) газу. Цей обмін теж відбувається шляхом тепловипромінювання і конвекції.
Підтримка заданого температурного режиму обігріву і стабільного розподілу температур (кривий) по довжині опалювальних простінків дуже важливо для збереження кладки печей. При високій температурі подсводового простору на зведення та стіни наростає шар графіту.
Гідравлічний режим, тобто регламентований розподіл тиску в камері коксування й опалювальній системі пекококсових печей, є основним чинником, що визначає необхідний термін їх служби. З початку експлуатації об'єм камери коксування повністю відокремлений від опалювального простінка стінкою невеликої товщини і теоретично вони не повинні єднатися. Однак на практиці навіть найдосконаліша кам'яна кладка, якою є кладка пекококсових печей, не може бути абсолютно щільною. У ній можуть бути порожні шви, згодом утворюються тріщини і при навіть дуже невеликій різниці тисків в камері коксування і опалювальних простінках, може спостерігатися перетікання газових і повітряних потоків через нещільності кладки камери коксування.
На початку процесу коксування, коли з пеку відбувається бурхливе виділення газоподібних продуктів, надлишковий тиск у камері може досягати 6 – 8 кПа. При цьому парогазові продукти проходять через тріщини в кладці, або нещільності дверей пекококсовой печі, розкладаються, заповнюючи їх графітом, і, таким чином, камера коксування повністю відділяється від опалювальної системи і атмосфери.
В кінці періоду коксування кількість газоподібних продуктів, що виділяються, різко знижується. У результаті може створюватися таке становище, коли тиск газів в камері коксування стане менше атмосферного і менше тиску в опалювальній системі. У цьому випадку кисень повітря в опалювальних простінках і регенераторах на висхідному потоці може сприяти вигоранню графіта в порожніх швах, тріщинах і інших нещільностях розжареної кладки простінків. Той же процес буде відбуватися з вуглеродистими відкладеннями, уплотнившими двері печей. Після того, як вуглерод вигорить, кисень повітря, проходячи в камеру коксування й стикаючись з розпеченим коксом, викличе його інтенсивне горіння. У місцях горіння розвивається висока температура до 1600° С. Основні з'єднання золи коксу, реагуючи з кислою кладкою, дадуть легкоплавке з'єднання. Таким чином, в цьому місці кладка камери ошлакуется і при видачі коксового пирога поверхня кладки зруйнується.
При новому завантаженні камери процес повториться. Спочатку через разграфичені нещільності кладки значна кількість парогазових продуктів буде надходити в опалювальну систему, горіти, особливо в регенераторах висхідного потоку, заповнених повітрям, в опалювальних простінках, де газ спалюється з надлишком повітря.
Після заграфичення кладки і зменшення кількості газів, що виділяються процес піде в зворотному порядку. При багаторазовому повторенні цих явищ в кладці камер коксування можуть утворюватися прогари, насадка регенераторів може бути оплавлена [2, 3].
Подання пекококсової печі в системному вигляді полягає в розкладанні її на елементи (складальні одиниці і деталі), описі властивостей і зв'язків цих елементів; виділення в елементах компонентів (поверхні, ребра), описі їх властивостей і параметрів, а також описі робочих середовищ, які безпосередньо контактують з компонентами.
Введемо позначення:
1 – Складальна одиниця (
).
2 – Деталь (
).
3 – Компонент (
).
Наведемо структуру пекококсової печі (рисунок 2) [8].
За допомогою програми КОМПАС 3D V11 розроблена 3D – модель опалювального простінка пекококсової печі. Модель складається з 2877 деталей, з них унікальних 112.
Знос кладки пічних камер починається з розпушення поверхневої структури цегли («сорочки»), появи тріщин на стінових цеглинах проти крайніх вертикалов. Динаміка і характер тріщиноутворення на стінках камер проти крайніх вертикалов і руйнування кладки між тріщинами показані на рис. 4.
Спочатку з'являються тріщини на цеглі в окремих рядах кладки, а надалі їх кількість постійно збільшується до створення суцільної тріщини у всіх рядах кладки від поду до перекриття вертикалів. Спочатку з'являється одна, а потім друга паралельна тріщина. По крайках тріщин, що виходять на поверхню стін камер, з'являються відколи цегли. Відколи крайок поступово збільшуються і поглиблюються. Як тільки глибина скола по краях тріщини стає більше величини поперечної усадки пеку, кокс залишається в крайці й при видачі створює зусилля, які призводять до зсуву «стовпчиків» між паралельними тріщинами. Схема появи таких зусиль показана на рис. 5. У зв'язку з цим дуже важливо приступити до ремонту тріщин до того, як глибина відколів по крайках тріщин не перевищить критичних величин (10 – 15 мм).
Фактори, що впливають на знос кладки пекококсових печей можна підрозділити:
1) механічні зусилля;
2) термічні удари при глибоких теплозмінах;
3) порушення гідравлічного й температурного режимів обігріву [1, 2, 5].
До найпоширеніших видів зносу камер коксування відносяться:
1) вертикальні тріщини на крайніх вертикалах і зміщення – деформація кладки між ними;
2) завуження – деформація стін камер на рівні верхніх рядів кладки крайніх вертикалів;
3) деформація стін – опуклості або ввігнутості проти різних вертикалів;
4) тріщини і висунення цегли в центральній частині камер;
5) «підрізи» – борозни в стінках на перших двох рядах кладки від поду;
6) раковини – корозія динасу в зоні максимальних температур на 2 – 3 вертикалах коксової сторони на 5 – 8 рядах від поду;
7) отбитости і відколи крайок заплечиків з боку армуючих бронею;
8) тріщини;
9) стертості і руйнування крайніх сводових і подових цеглів;
10) прогари в стінах.
При складанні імовірнісної математичної моделі прийняті наступні припущення та обмеження:
– Процес експлуатації складається з циклів навантаження, що володіють постійними параметрами;
– Час t дискретен, тобто t = 0, 1, 2, ...;
– Стани пошкодженості дискретні і позначені через 1, 2, ..., j, ..., b. При досягненні стану b відбувається відмова простінка і вилучення печі на ремонт або досягнення розмірів дефекту недопустимих значень і неодмінне його усунення;
– Зміна стану об'єкта за цикл навантаження залежить тільки від параметрів цього циклу навантаження і від стану об'єкта у його початку.
За n циклів об'єкт може залишитися у поточному стані, або перейти у стан з більш високим номером.
Складена матриця перехідних ймовірностей:
де pjj – імовірність того, що об'єкт залишається в стані j за один крок;
qjk – імовірність переходу пошкодження за один крок зі стану j в одне з наступних станів {j+1 ,..., b}.
Розподіл ймовірності досягнення об'єктом певного стану до моменту часу t
де p0 – розподіл ймовірності знаходження об'єкту в певному стані в початковий момент часу експлуатації об'єкта [5, 6, 9, 10].
На момент здачі сайту робота ще не закінчена, тому результати роботи не представлені. Про передбачувані результати можна судити лише по приведеній вище структурі роботи. Результати роботи можна буде переглянути у автора або у керівника після грудня 2011 року.