Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Cement is one of the most used building materials in the world and Finnsementti produce the cement for Finnish markets and it has two factories in Finland. Lappeenranta factory was invested in the new kiln line in 2007, which was the most advanced technology in the world. During operations of the new kiln plastic deformations and fracture was observed in the system pre-heater devices, especially in the calsiner. The aim of this work was in-vestigate system’s temperature effects on the steel structure, which can be the reason for existing displacements and fracture on the calciner’s steel shell. In the beginning a review of various fractures phenomena and their creation is introduced. Bricks used in the lining of the calsiner, especially their behavior under high tempera-tures, was also investigated as they are an integral part of the preheat system. In the ex-perimental section of the work steel strength properties were analyzed by examining the microstructure as well as by performing tensile tests and investigating the hardness on the material. In the second phase the displacements were measured during the system shut-down. Computational part investigated the possibility of fatigue failure and determined the occurrence of steel distortion effect of bursting and fracture load. Finite element method was used to analyze temperature’s effect on displacements and to find reasons why the structure is actually moving into a different direction than originally intended in the design. Additionally, FEM models were created from the brick rack and the calsiner shell support ring to investigate the stresses due to temperature change. The material used in the steel structure was found to be common structural steel S235, or its equivalent grade of steel. The steel is not suitable for properties in high temperatures, which makes the insulation system, i.e. the brick lining, particularly important in ensuring the design life of the structure as the amount of heat load the steel shell may receive de-pends on the conditions of the lining. The possibility of fatigue failure was minimal due to small changes in the temperature during production phase. Analysis of the results showed that a slow temperature change but moderately high value between extreme ends as well as the effect of swelling of the bricks have a very important role in development of cracks in the material.