.png)
.png)
Email this article 
Open Access
Subscription Access
Features of the fracture of refractory linings depending on the size of equipment
https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-12-3-11
Abstract
Using computer simulation, we studied the influence of the size factor on cracking in refractory linings by the example of steel-pouring ladles of ferrous metallurgy. The stress-strain state of the linings was analyzed at the macroscopic scale without taking into account their discrete structure (individual bricks) and the microstructure of the refractory material. We revealed that the maximum thermally and mechanically induced stresses in the linings are confined to certain regions associated with the design features of the equipment. Due to the distribution of mechanical loads and heat transfer features that regions become macroscopic stress concentrators. However, for small equipment size, these maxima are not sufficiently pronounced, and the stress fields formed by different stress concentrators overlap. Apparently, this is the reason for the relatively chaotic arrangement of cracks in the lining. In large equipment, the stress fields of «construction conditioned» concentrators do not overlap due to the large distance between them. The stresses in these concentrators exceed the background values in the surrounding regions of the lining by an order of magnitude or more. This determines the high probability of the formation of a characteristic fracture pattern with cracking in the vicinity of «construction conditioned» stress concentrators.
About the Authors
A. S. GrigorievRussian Federation
S. V. Danilchenko
Russian Federation
A. V. Zabolotsky
Russian Federation
A. O. Migashkin
Russian Federation
M. Yu. Turchin
Russian Federation
V. T. Khadyev
Russian Federation
References
1. Dai, Y. Corrosion mechanism and protection of BOF refractory for high silicon hot metal steelmaking process / Y. Dai, J. Li, W. Yan, C. Shi // Journal of Materials Research and Technology. ― 2020. ― Vol. 9. ― P. 4292‒4308. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.02.055.
2. Chen, J. Corrosion and penetration behaviors of slag/steel on the corroded interfaces of Al2O3‒C refractories: role of Ti3AlC2 / J. Chen, L. Chen, Y. Wei, N. Li, S. Zhang // Corrosion Science. ― 2018. ― Vol. 143. ― P. 166‒176. DOI: 10.1016/j.corsci.2018.08.022.
3. Fruhstorfer, J. Erosion and corrosion of alumina refractory by ingot casting steels / J. Fruhstorfer, L. Schöttler, S. Dudczig [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. ― 2016. ― Vol. 36. ― P. 1299‒1306. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2015.11.038.
4. Zhang, L. Measurement of erosion state and refractory lining thickness of blast furnace hearth by using three-dimensional laser scanning method / L. Zhang, J. Zhang, K. Jiao [et al.] // Metallurgical Research and Technology. ― 2021. ― Vol. 118. ― Article 106. DOI: 10.1051/metal/2020085.
5. Madej, D.Detailed studies on microstructural evolution during the high temperature corrosion of SiC-containing andalusite refractories in the cement kiln preheater / D. Madej, J. Szczerba // Ceram. Int. ― 2017. ― Vol. 43. ― P. 1988‒1996. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.10.166.
6. Schacht, C. А. Refractory linings: thermomechanical design and applications / C. A. Schacht. ― CRC Press : Boca Raton, Florida, USA, 2019. ― 504 p. DOI: 10.1201/9780203741078.
7. Кащеев, И. Д. Исследование термостойкости огнеупоров для импульсных высокотемпературных установок / И. Д. Кащеев, К. Г. Земляной, Р. В. Дзержинский, А. В. Федотов // Новые огнеупоры. ― 2016. ― № 7. ― С. 43‒47. DOI: 10.17073/1683-4518-2016-7-43-47.
8. Кондрукевич, А. А. Влияние эксплуатационных факторов на стойкость рабочего слоя футеровки сталеразливочных ковшей / А. А. Кондрукевич, Д. В. Рябый // Новые огнеупоры. ― 2017. ― № 9. ― С. 3‒9. DOI: 10.17073/1683-4518-2017-9-3-9.
9. Samadi, S. Thermomechanical finite element modeling of steel ladle containing alumina spinel refractory lining / S. Samadi, S. Jin, D. Gruber, H. Harmuth // Finite Elements in Analysis and Design. ― 2022. ― Vol. 206. ― Article 103762. DOI: 10.1016/j.finel.2022.103762.
10. Oliveira, R. L. G. Thermomechanical behaviour of refractory dry-stacked masonry walls under uniaxial compression / R. L. G. Oliveira, J. P. C. Rodrigues, J. M. Pereira [et al.] // Engineering Structures. ― 2021. ― Vol. 240. ― Article 112361. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.112361.
11. Bareiro, W. G. Numerical modelling of the thermomechanical behaviour of refractory concrete lining / W. G. Bareiro, E. D. Sotelino, F. de Andrade Silva // Magazine of Concrete Research. ― 2021. ― Vol. 73. ― P. 1048‒1059. DOI: 10.1680/jmacr.19.00371.
12. Заболотский, А. В. Влияние расстояния между напряженными зонами конструкций на характер разрушения: тез. докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии» (6‒10 сентября 2021 г., Томск, Россия) / А. В. Заболотский, М. Ю. Турчин, В. Т. Хадыев [и др.]. ― Томск : Издво ТГУ, 2021. ― С. 539. DOI: 10.17223/978-5-907442-03-0-2021-341.
13. Заболотский, А. В. Численное исследование напряженно-деформированного состояния хрупкого пористого материала в условиях многоосевого нагружения: тез. докл. междунар. конф. «Физическая мезомеханика материалов. Физические принципы формирования многоуровневой структуры и механизмы нелинейного поведения» (5‒8 сентября 2022 г., Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия) / А. В. Заболотский, В. Т. Хадыев, М. Ю. Турчин, А. О. Мигашкин. ― Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2022. ― 556 с. DOI: 10.25205/978-5-4437-1353-3-176.
14. Гольдштейн, Р. В. Модель хрупкого разрушения пористых материалов при сжатии / Р. В. Гольдштейн, Н. М. Осипенко // Математическое моделирование систем и процессов. ― 2009. ― № 17. ― С. 47‒58.
15. Kuliev, V. D. The gradient deformation criterion for brittle fracture / V. D. Kuliev, E. M. Morozov // Doklady Physics. ― 2016. ― Vol. 61. ― P. 502‒504. DOI: 10.1134/S1028335816100062.
16. Lajtai, E. Z. Effect of tensile stress gradient on brittle fracture initiation / E. Z. Lajtai // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences and Geomechanical Abstracts. ― 1972. ― Vol. 9. ― P. 569‒578. DOI: 10.1016/0148-9062(72)90009-5.
17. Григорьев, А. С. Компьютерное моделирование влияния вспомогательных слоев футеровки сталеразливочного ковша на локализацию и направление роста термических трещин / А. С. Григорьев, С. В. Данильченко, А. И. Дмитриев [и др.] // Новые огнеупоры. ― 2022. ― № 10. ― С. 3‒15.
18. Zabolotskiy, A. V. Numerical investigation of refractory stress-strain condition under transient thermal load / A. V. Zabolotskiy, M. Y. Turchin, V. T. Khadyev, A. O. Migashkin // AIP Conference Proceedings. ― 2020. ― Vol. 2310. ― Article 020355. DOI: 10.1063/5.0034479.
19. Ramesh, K. T. A review of mechanisms and models for dynamic failure, strength, and fragmentation / K. T. Ramesh, J. D. Hogan, J. Kimberley, A. Stickle // Planetary and Space Science. ― 2015. ― Vol. 107. ― P. 10‒23. DOI: 10.1016/j.pss.2014.11.010.
20. Kimberley, J. A scaling law for the dynamic strength of brittle solids / J. Kimberley, K. T. Ramesh, N. P. Daphalapurkar // Acta Materialia. ― 2013. ― Vol. 61. ― P. 3509‒3521. DOI: 10.1016/j.actamat.2013.02.045.
21. Grigoriev, A. S. Analysis of the quasi-static and dynamic fracture of the silica refractory using the mesoscale discrete element modelling / A. S. Grigoriev, A. V. Zabolotskiy, E. V. Shilko [et al.] // Materials. ― 2021. ― Vol. 14. ― Article 7376. DOI: 10.3390/ma14237376.
Supplementary files
For citation: Grigoriev A.S., Danilchenko S.V., Zabolotsky A.V., Migashkin A.O., Turchin M.Y., Khadyev V.T. Features of the fracture of refractory linings depending on the size of equipment. NOVYE OGNEUPORY (NEW REFRACTORIES). 2022;1(12):3-11. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-12-3-11
Refbacks
- There are currently no refbacks.