I. Фундаменты печей

Расчет фундаментов для печей ведут по методике и нормам, применяемым при проектировании строительных сооружений.

Размеры подошвы фундамента определяются допускаемым давлением на грунт. Оно колеблется от 6∙10⁴ Па для слежавшихся щебенистых грунтов до 1,5 ∙10⁴ Па для насыщенных водой песчаных грунтов. Обыкновенно давление на грунт даже самых больших печей, за исключением шахтных и вращающихся барабанных, не превышает 1∙10⁴ Па, поэтому сооружение фундаментов не представляет больших трудностей.

Материалом для фундаментов служат бутовый камень, красный строительный кирпич, железобетон и бетон марок 100, 110 и др. Фундаменты могут быть в виде сплошной подушки (плиты), узких параллельных плит (лент) и отдельных столбов.

Толщина фундамента должна быть такова, чтобы давление от печи передавалось на всё основание, и в фундаменте не возникало слишком больших изгибающих и скалывающих усилий. В числе особенностей сооружения печных сооружений необходимо отметить следующее:

1) на общий фундамент нельзя опирать части печи других сооружений;

2) если конструкция печи располагается ниже уровня грунтовых и ключевых вод, то фундамент строят так, чтобы исключался доступ воды к кладке путём:

а) установки вокруг фундаментов глиняных стенок до 300 мм толщиной;

б) гидроизоляции фундамента рубероидом;

в) сооружения сварного кессона из мягкой стали (при отсутствии агрессивных вод);

3) основание фундамента должно быть расположено ниже глубины промерзания грунта;

4) температура фундамента должна быть не выше 200ºС; для предотвращения сильного нагревания фундамента от кладки устраиваются воздушные каналы между ними;

5) в случае заделки стоек каркаса в фундамент последний должен быть проверен на достаточную прочность от скалывающих усилий.

Фундамент следует закладывать на глубину, при которой исключена возможность выпирания слоев грунта. Её можно рассчитать по формуле

где h - глубина заложения, м;

Н - высота столба грунта, м; её определяют по формуле

Р – давление фундамента, Па;

F – площадь фундамента, м²;

γ - объёмная масса грунта, кг/м³;

φ - угол естественного откоса грунта;

b - ширина фундамента, м.

II. Каркасы промышленных печей

Металлический каркас противостоит температурным расширениям кладки и направляет их в сторону температурных швов или компенсирует тягами. На нём крепится гарнитура печи.

Конструкция каркаса определяется конструкцией кладки печи. Различают каркасы жёсткие и подвижные (рис. 1).

При жёстких каркасах рамной конструкции стойки скрепляются между собой жёсткими связями, приваренными к ним, и при работе печи остаются в постоянном положении. Расширение кладки при этом направляется сторону температурных швов и компенсируется ими.

Рис.1. Каркасы печей. а) подвижный каркас; б) жёсткий каркас; 1 - стойка, 2 - верхняя поперечная связь, 3 - нижняя связь, 4 - продольные связи, 5 - пятовая балка, 6 - фундамент.

При подвижных каркасах расширение кладки компенсируется (частично) пружинами, устанавливаемыми между связями и вертикальными стойками, или ослаблением натяжения гаек на связях при разогреве печи.

При проектировании следует по возможности не принимать подвижный каркас, так как отпуск связи практически почти невозможно выполнить в точном соответствии с температурным расширением кладки.

Иногда устраивается комбинированное крепление - низ стоек закрепляется жестко, а верх подвижно.

Размещение стоек нужно выполнять совместно с размещением гарнитуры, горелок и т.д. У барабанных вращающихся и вертикальных шахтных печей каркасы выполняются в виде сплошного кожуха из листовой стали.

У печей с арочным сводом для восприятия горизонтального распора необходимо наличие пятовых балок (рис. 2), которые чаще всего изготовляются из швеллеров и уголков, а в некоторых высокотемпературных печах их делают водоохлаждаемыми, сваренными из листовой стали или из двух швеллеров.

Рис. 2. Конструкции пятовых балок.

Рис. 3. Схема силы распора кладки.

Из рис. 3 видно, что теоретически на пяту симметричного свода действуют две силы

вертикальная

и горизонтальная

где G – вес части свода, заключённой между двумя соседними стойками, кг;

α – центральный угол свода.

В действительности за счёт расширения свода при нагревании эти силы будут больше и силу Р примерно можно определить по формуле.

, Па

где коэффициент n в зависимости от температуры свода равен:

до 800 ºС – 1,5

900 ºС – 2,0

1000 ºС – 2,5

1300 ºС – 3,0

1500 ºС – 3,5

Элементы каркасов печей выполняются в основном из проката различного профиля. Рассчитывают их по допускаемому напряжению, которое для элементов из стали марки Ст. З принимают равным σ = 1,2∙10⁷ Па. Такая величина принимается, исходя из возможности нагрева, воздействия агрессивных газов и других специфических условий службы каркасов.

Расчёт каркаса. Расчетом определяется пятовая балка, стойки и верхние связи. Определение момента сопротивления пятовой балки проводят по формуле

, см³,

где l –расстояние между стойками каркаса, см.

Конструкцию пятовой балки выбирают по рис. 2 и определяют номер профиля по найденному моменту сопротивления.

Момент сопротивления боковой стойки определяют по формуле:

, см³,

где h₁ – расстояние от нижней связи до пяты, см;

h₂ – расстояние от пяты свода до верхней связи, см.

Определяют номер профиля по найденному моменту сопротивления.

Определение сечения верхней связи производится по следующей формуле

, см.

В качестве связи для жёсткого каркаса служит угольник или полоса; для подвижного каркаса можно взять круглую связь. Продольные связи должны быть положены над сводом также высоко, как и поперечные. В длинных печах во избежание изгиба продольных связей рекомендуется прокладывать их над поперечными (рис. 1,а).

Пример расчета каркаса приведен в [Л. 7].