Thiết bị lò quay trong một dây chuyền sản xuất của các nhà máy xi măng
là một thiết bị được ví như “trái tim” của dây chuyền. Đảm bảo cho thiết
bị lò quay hoạt động ổn định, đạt và vượt năng suất, chất lượng sản
phẩm và duy trì hệ thống nung luyện clinker hoạt động dài ngày trong một
năm sản xuất là một mục tiêu hàng đầu của bất kỳ một nhà máy sản xuất
xi măng nào trên thế giới.
Như chúng ta đã biết, thiết bị lò quay nằm trong hệ thống nung luyện clinker hoạt động liên tục ở môi trường chịu nhiệt độ cao, có độ dốc, chịu tải trọng phức tạp. Vì vậy, toàn bộ phần tải trọng tĩnh và tải trọng động của lò quay khi lò hoạt động sẽ được đỡ trên các vành lăn (live ring) và sẽ truyền tải xuống các bệ móng thông qua các bệ đỡ con lăn (supporting roller - bao gồm các bệ đỡ con lăn đỡ lò theo phương nằm ngang và các bệ đỡ con lăn đẩy thủy lực).
Các vành lăn và con lăn là các chi tiết máy có kích cỡ và khối lượng rất lớn, được gia công chế tạo từ phôi đúc (cast stell) và phôi rắn (force stell) mà hiện tại Việt Nam chưa có khả năng gia công chế tạo được, phải nhập ngoại.
![]()
Hệ thống lò nung.
Trong thực tế sản xuất, sau một thời gian khá dài đã nẩy sinh hư hỏng vành lăn, đó là xuất hiện các vết nứt tại một số vành lăn, con lăn. Khi các vết nứt vành lăn phát triển sẽ buộc các Nhà máy phải dừng sản xuất để xử lý bằng cách hàn sửa chữa vết nứt hoặc thay thế vành lăn.
Giới thiệu một số thông tin về phá hủy mỏi
a. Khái niệm chung
- Một phần tử kết cấu có thể chịu được một mức tải trọng tĩnh nào đó, nhưng nó lại có thể bị phá hủy khi tải trọng đó biến đổi.
- Sự phá hủy thường xảy ra sau một số lượng chu trình của tải trọng biến đổi - phá hủy mỏi.
- Phá hủy mỏi là dạng phá hủy phổ biến nhất các kết cấu hàn quan trọng, như cầu thép, vỏ tàu, bình áp lực, khung máy, các bộ phận chịu lực của ô tô, máy bay …
- Theo số liệu thống kê có tới 50 đến 90% phá hủy liên kết hàn là do mỏi.
- Tương tự phá hủy giòn, phá hủy mỏi thường xẩy ra ở một mức độ ứng suất khá thấp so với giới hạn đàn hồi của vật liệu làm kết cấu và thường không có dấu hiệu báo trước rõ rệt.
- Ứng suất chu kỳ có thể là uốn, dọc trục, xoắn hoặc hỗn hợp.
b. Các đặc trưng của phá hủy mỏi
Quá trình phá hủy mỏi thường trải qua ba giai đoạn sau đây:
* Phát sinh vết nứt
+ Thường là từ các vết nứt tế vi tại bề mặt (nơi có ứng suất cao nhất, có tác động của môi trường và có thay đổi về mặt hình học);
+ Các vết nứt này tự lan truyền;
+ Nguyên nhân phát sinh: do tải trọng mang tính chu kỳ, tạo ra chuyển vị kế tiếp nhau của kim loại dọc các mặt phẳng trượt (~ 450 so với bề mặt);
+ Khi tải trọng không đổi, ứng suất sẽ tăng vì vết nứt sẽ phát triển lớn hơn, khiến tiết diện chịu lực giảm dần.
* Phát triển chậm vết nứt
+ Hướng lan truyền dọc mặt phẳng trượt, vào khoảng vài mm, lúc đầu sẽ vuông góc với ứng suất kéo tối đa, sau đó đổi hướng thành vuông góc với trục dọc;
+ Vết nứt mỏi phát triển xuyên qua hạt tinh thể, lan truyền bên trong hạt hơn là dọc tinh giới hạt.
* Phá hủy
Khi vết nứt phát triển, ứng suất tại tiết diện còn lại tăng, tương ứng với tốc độ phát triển vết nứt. Cuối giai đoạn này, khi tiết diện còn lại không còn khả năng chịu được tải và sẽ xảy ra sự phá hủy.
Giải thích nứt vành lăn của lò quay theo cơ chế phá hủy mỏi
Dựa vào hiện tượng hư hỏng nứt vành lăn lò quay và một số đặc trưng của phá hủy mỏi như đã giới thiệu, có thể giải thích nguyên nhân gây nứt vành lăn của lò quay theo cơ chế phá hủy mỏi như sau:
Các vành lăn được gia công chế tạo từ phôi thép đúc, phụ thuộc vào thiết kế lò theo kiểu lò hai bệ đỡ hoặc từ ba bệ đỡ trở lên. Tại vị trí làm việc bề mặt bên ngoài của vành lăn sẽ làm việc theo chế độ chu kỳ thấp, ứng suất cao và chịu ứng suất hỗn hợp. Theo thời gian làm việc với thời gian dài, từ khi xuất hiện các vết nứt tế vi trên bề mặt đến khi lan truyền và phát triển vết nứt theo tuần tự như hai giai đoạn đầu của phá hủy mỏi. Đối với các vành lăn có sự trượt tương đối giữa vành lăn và vỏ lò, thì ngoài nguy cơ phát sinh vết nứt ở bề mặt bên ngoài còn có nguy cơ phát sinh vết nứt từ bề mặt bên trong (bề mặt tiếp xúc với guốc lò) và vết nứt cũng sẽ phát triển theo cơ chế phá hủy mỏi.
Để tránh gây ra phá hủy vành lăn như giai đoạn ba, các nhà quản lý thiết bị bắt buộc phải dừng lò để xử lý bằng hàn sửa chữa hoặc thay thế vành lăn.
Ứng dụng phân tích kết cấu bị phá hủy mỏi để giải thích và nhận biết được nguyên nhân gây hư hỏng nứt vành lăn của lò quay, nhằm đưa ra một số biện pháp thông thường và đặc biệt cần lưu ý trong quá trình vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra vành lăn nói riêng, hệ thống các thiết bị của lò nung xi măng nói chung, góp phần giảm rủi ro dừng lò dài ngày là một công việc có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật thực tiễn. Tác giả mong muốn cung cấp thêm một số thông tin về mặt lý thuyết về cơ chế phá hủy mỏi để trao đổi cùng bạn đọc.
Các vành lăn và con lăn là các chi tiết máy có kích cỡ và khối lượng rất lớn, được gia công chế tạo từ phôi đúc (cast stell) và phôi rắn (force stell) mà hiện tại Việt Nam chưa có khả năng gia công chế tạo được, phải nhập ngoại.
Hệ thống lò nung.
Trong thực tế sản xuất, sau một thời gian khá dài đã nẩy sinh hư hỏng vành lăn, đó là xuất hiện các vết nứt tại một số vành lăn, con lăn. Khi các vết nứt vành lăn phát triển sẽ buộc các Nhà máy phải dừng sản xuất để xử lý bằng cách hàn sửa chữa vết nứt hoặc thay thế vành lăn.
Giới thiệu một số thông tin về phá hủy mỏi
a. Khái niệm chung
- Một phần tử kết cấu có thể chịu được một mức tải trọng tĩnh nào đó, nhưng nó lại có thể bị phá hủy khi tải trọng đó biến đổi.
- Sự phá hủy thường xảy ra sau một số lượng chu trình của tải trọng biến đổi - phá hủy mỏi.
- Phá hủy mỏi là dạng phá hủy phổ biến nhất các kết cấu hàn quan trọng, như cầu thép, vỏ tàu, bình áp lực, khung máy, các bộ phận chịu lực của ô tô, máy bay …
- Theo số liệu thống kê có tới 50 đến 90% phá hủy liên kết hàn là do mỏi.
- Tương tự phá hủy giòn, phá hủy mỏi thường xẩy ra ở một mức độ ứng suất khá thấp so với giới hạn đàn hồi của vật liệu làm kết cấu và thường không có dấu hiệu báo trước rõ rệt.
- Ứng suất chu kỳ có thể là uốn, dọc trục, xoắn hoặc hỗn hợp.
b. Các đặc trưng của phá hủy mỏi
Quá trình phá hủy mỏi thường trải qua ba giai đoạn sau đây:
* Phát sinh vết nứt
+ Thường là từ các vết nứt tế vi tại bề mặt (nơi có ứng suất cao nhất, có tác động của môi trường và có thay đổi về mặt hình học);
+ Các vết nứt này tự lan truyền;
+ Nguyên nhân phát sinh: do tải trọng mang tính chu kỳ, tạo ra chuyển vị kế tiếp nhau của kim loại dọc các mặt phẳng trượt (~ 450 so với bề mặt);
+ Khi tải trọng không đổi, ứng suất sẽ tăng vì vết nứt sẽ phát triển lớn hơn, khiến tiết diện chịu lực giảm dần.
* Phát triển chậm vết nứt
+ Hướng lan truyền dọc mặt phẳng trượt, vào khoảng vài mm, lúc đầu sẽ vuông góc với ứng suất kéo tối đa, sau đó đổi hướng thành vuông góc với trục dọc;
+ Vết nứt mỏi phát triển xuyên qua hạt tinh thể, lan truyền bên trong hạt hơn là dọc tinh giới hạt.
* Phá hủy
Khi vết nứt phát triển, ứng suất tại tiết diện còn lại tăng, tương ứng với tốc độ phát triển vết nứt. Cuối giai đoạn này, khi tiết diện còn lại không còn khả năng chịu được tải và sẽ xảy ra sự phá hủy.
Giải thích nứt vành lăn của lò quay theo cơ chế phá hủy mỏi
Dựa vào hiện tượng hư hỏng nứt vành lăn lò quay và một số đặc trưng của phá hủy mỏi như đã giới thiệu, có thể giải thích nguyên nhân gây nứt vành lăn của lò quay theo cơ chế phá hủy mỏi như sau:
Các vành lăn được gia công chế tạo từ phôi thép đúc, phụ thuộc vào thiết kế lò theo kiểu lò hai bệ đỡ hoặc từ ba bệ đỡ trở lên. Tại vị trí làm việc bề mặt bên ngoài của vành lăn sẽ làm việc theo chế độ chu kỳ thấp, ứng suất cao và chịu ứng suất hỗn hợp. Theo thời gian làm việc với thời gian dài, từ khi xuất hiện các vết nứt tế vi trên bề mặt đến khi lan truyền và phát triển vết nứt theo tuần tự như hai giai đoạn đầu của phá hủy mỏi. Đối với các vành lăn có sự trượt tương đối giữa vành lăn và vỏ lò, thì ngoài nguy cơ phát sinh vết nứt ở bề mặt bên ngoài còn có nguy cơ phát sinh vết nứt từ bề mặt bên trong (bề mặt tiếp xúc với guốc lò) và vết nứt cũng sẽ phát triển theo cơ chế phá hủy mỏi.
Để tránh gây ra phá hủy vành lăn như giai đoạn ba, các nhà quản lý thiết bị bắt buộc phải dừng lò để xử lý bằng hàn sửa chữa hoặc thay thế vành lăn.
Ứng dụng phân tích kết cấu bị phá hủy mỏi để giải thích và nhận biết được nguyên nhân gây hư hỏng nứt vành lăn của lò quay, nhằm đưa ra một số biện pháp thông thường và đặc biệt cần lưu ý trong quá trình vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa, kiểm tra vành lăn nói riêng, hệ thống các thiết bị của lò nung xi măng nói chung, góp phần giảm rủi ro dừng lò dài ngày là một công việc có ý nghĩa kinh tế kỹ thuật thực tiễn. Tác giả mong muốn cung cấp thêm một số thông tin về mặt lý thuyết về cơ chế phá hủy mỏi để trao đổi cùng bạn đọc.
ximang.vn (Theo Tạp chí KHKT xi măng)
