3 Конструкции доменной печи

Фундамент и металлоконструкции доменной печи

Основанием доменной печи является фундамент (рисунок 3.1), состоящий из опоры или подошвы, расположенной ниже отметки заводского пола и наружной части - пня. Он может быть одновременно опорой прилегающих сооружений, связанных с конструкцией поддоменника и литейного двора.

Разновидностью современной конструкции является фундамент, выполненный из обычного бетона в виде монолитной плиты в нижней части и из жароупорного в верхней (в состав которых входят цемент не ниже марки 300 и портландцемент марки 400).

Фундамент представляет собой мощный железобетонный армированный массив, рассчитанный на огромные нагрузки (вес доменной печи объемом 5000 м³ с шихтой достигает 440 кН, а с учетом возможных динамических ударов подвисающих материалов до 490 кН). Основание его закладывают на твердом материковом грунте; по возможности оно должно доходить до скалы изверженного или осадочного происхождения. При слабом грунте фундамент опирают на свайное основание или делают опускной колодец, причем отметка подошвы фундамента должна быть на расстоянии, равном глубине промерзания, а глубина забивки свай при этом зависит от качества грунта, который должен выдерживать нагрузку не менее 245 кПа. Это защищает фундамент от больших неравномерных осадок, которые допускают в пределах 100 мм с неравномерностью 0,001. Особенно опасны лессовидные грунты, дающие осадки тем значительнее, чем больше влаги попадает в почву в непосредственной близости от фундамента.

Рисунок 3.1 - Фундамент доменных печей объемом 5000 - 5500 м³

Осадки нарушают монолитность фундамента, сопряжение наклонного моста или ленточного транспортера с верхом печи и центровку засыпного аппарата, ось которого отклоняется от оси печи. Это отражается на распределении материалов, ровности хода и создает условия для искажения профиля печи.

Развитие трещин в фундаменте и его неравномерная осадка могут нарушить сплошность массива лещади и привести к осевому прорыву горна. Подобные аварии были в практике как зарубежного, так и отечественного доменного производства. Возникновению их способствуют условия работы фундамента. После задувки печи температура пня постепенно возрастает, создаются напряжения, происходят структурные изменения в бетоне с образованием трещин. Происходит постепенное разрушение бетона, так как гидроалюминат и гидроксид кальция, выделяющиеся в процессе гидратации цемента, при высокой температуре теряют гидратную воду. При этом разрушается кристаллическая решетка цементного камня, снижается его прочность, особенно при нагреве бетона до 547 °С.

Выделяющийся оксид кальция гасится влагой воздуха с увеличением объема, а разница величин деформаций цементного камня и заполнителя приводит к образованию микротрещин в местах их соприкосновения, что и обусловливает постепенное термическое разрушение фундамента. Ослабление этого разрушения достигают сооружением верхней части фундамента из жароупорного бетона высотой 3,0-3,5 м, способного благодаря огнеупорному наполнителю (бою шамота) выдерживать температуру до 1100 °С при допуске для несущей части фундамента 250 °С. Применяемое в настоящее время охлаждение низа лещади воздухом или водой капитально решает вопрос защиты фундамента от термического разрушения. Температура поверхности его на границе с лещадью практически не превышает 100-150 °С.

Известковый и доломитовый щебень понижают термостойкость бетона. Кристаллический кварц при 753 °С подвергается перерождению с большим увеличением объема, поэтому лучше всего готовить бетон, применяя гравий.

Массив фундамента должен иметь хорошую сплошность, т. е. не иметь пустот и рыхлых полостей. Все материалы, применяемые для бетонирования, тщательно подготавливаются с точки зрения фракционного состава, отсутствия посторонних примесей и мусора. Бетонирование ведут ускоренным темпом, без перерывов от начала и до конца в целях получения максимальной однородности тела фундамента.

За состоянием фундамента ведут систематическое наблюдение как визуально, так и с помощью контрольно-измерительной аппаратуры (термопар). При появлении глубоких трещин проводят их инъектирование огнеупорным раствором. При капитальных ремонтах 1-го разряда бетон фундамента после удаления кладки лещади проверяют на степень дегидратации заливкой по­верхности пня водой. Размягчающуюся часть его удаляют и вновь бетонируют огнеупорным бетоном с восстановлением арматуры.

Существует несколько типов несущих конструкций доменных печей.

Шотландский (рис. 3.2, а), с опорой колошника через кожух и моратор на так называемые основные колонны печи. Число колонн обычно делают кратным числу фурм. Другое сочетание неудобно, так как затрудняет обслуживание фурм и создает неравномерное размещение их по окружности горна.

Несмотря на меньшую массу конструкции и более низкую стоимость по сравнению с другими типами, она имеет существенный недостаток - передает вибрации от скипового подъемника и оборудования колошника непосредственно на печь. Кроме того, схема не обеспечивает возможности проведения скоростных ремонтов и реконструкций доменных печей поскольку требует демонтажа колошникового устройства или сооружения специальной опорной системы при смене кожуха.

Немецкий (рис. 3.2, б), с опорой колошника на четыре самостоятельные колонны. Несмотря на улучшенное обслуживание горна, в этой конструкции не исключено наличие значительных напряжений, так как вес шахты передается полностью на заплечики и фурменную зону.

Усиление конструкций до необходимой прочности затруднено ухудшением доступа к заплечикам. При этом большое значение имеет расстояние от кожуха печи до колонн, так как от этого зависит конструктивное решение, обеспечивающее передачу массы кожуха на колонны.

Рис. 3.2 - Различные типы металлоконструкций доменных печей

Комбинированный (рис. 3.2, в), в котором уменьшены указанные выше напряжения, но усложнено обслуживание горна. Схема обеспечивает достаточную прочность и работоспособность кожуха печи даже при появлении в нем больших трещин. Это особенно важно для печей, работающих на шихте со значительным содержанием цинка, который с последующим образованием цинкита создает большие давления на кожух во всех направлениях.

Японский (рис. 3.2, г), с шестью колоннами, имеющими кронштейны (применяют на современных печах Японии). Колонны тяжелы из-за эксцентриситета нагрузок. Диаметр кольцевого воздухопровода, расположенного вне колонн, значительно больше, чем в других вариантах. Это увеличивает и утяжеляет детали фурменного устройства. Возможности организации напольного транспорта вокруг горна ограниченны.

Американский (рис. 3.2, д), с четырьмя колоннами, разработанный в последние годы в США. В этом случае устраняются последствия вибрации, вызываемые загрузочными устройствами, и имеется широкий доступ для обслуживания леток и фурм горна.

Самонесущий кожух шахты без маратора. Эту конструкцию применяли на доменных печах полезным объемом 3200, 5000 и 5500 м³. Опора колошникового устройства при этом выполнена в двух вариантах в зависимости от типа литейного двора. При прямоугольной его форме опора состоит из шести колонн, связанных вокруг печи кольцевой балкой, передающих нагрузку на фундамент печи. Опорную балку выполняют из стали 10Г2С1. На печах с кольцевыми литейными дворами опорные колонны отсутствуют и колошниковое устройство опирается на перекрытие шатра поддоменника (рис. 3.3).

Рис. 3.3 - Самонесущий кожух доменной печи

с опорой на шатер поддоменника

Данными конструктивными решениями исключают необходимость в мараторе, который является наиболее слабым узлом шахты при обычной конструкции с опорой на колонны. Маратор вместе с примыкающими к нему царгами кожуха непрерывно испытывает переменные деформации, с одной стороны, от сжатия под действием горизонтальной составляющей реакции колонн, а с другой - от кольцевых усилий, возникающих от внутреннего давления, создаваемого газом и материалами в печи. Растягивающие силы преобладают над сжимающими и являются причиной образования напряжений в кладке маратора с последующим разрушением кирпича. В силу этого мараторные (основные) колонны не воспринимают в полной мере массу расположенных выше конструкций (кожуха, кладки, холодильников) и шихты, что способствует ослаблению мараторного узла и нарушению его прочности.

Улучшение службы футеровки достигают устранением переменных напряжений в кладке и кожухе. Конструктивно это осуществляют подвешиванием верхней части шахты к кольцевой балке на колошнике в восьми точках с одновременным креплением подвесок кольцевого воздухопровода к кожуху низа шахты. Постоянно действующие на него растягивающие усилия исключают переменные напряжения.

Таким образом, кожух печи, кроме внутренних сил давления, обусловленных комплексом происходящих в печи процессов, испытывает внешние силы, а именно вес металлоконструкций и атмосферные явления. При нормальной температуре кожуха не выше 60-80 °С эти силы не представляют опасности. Однако при сильном нагреве кожуха они могут вызвать существенные его деформации.

Колонны и опорные кольца. Кожух доменной печи

В течение длительного периода существования чугуноплавильного производства опорные колонны являлись обязательным элементом металлоконструкций доменных печей, передающим нагрузку всего верхнего строения печи на ее фундамент.

В отечественной и немецкой практике колонны, как правило, делали клепаными из листового или профильного металла. Впоследствии их стали делать сварными или цельнокатаными. Материалом для их изготовления служат низколегированные стали типа 15ХСНД, 14Г2, 16Г2АФ.

Наиболее рациональной конструкцией из числа приведенных на рис. 3.4 следует считать колонну 1, принятую в свое время для типовых печей Гипромеза. Колонна имеет наружные угольники (с целью облегчения изготовления) и промежуточную стенку, предназначенную для усиления колонны на случай частичной потери ее несущей способности. Кроме того, мощность колонны принимают с запасом прочности, рассчитанным на возможность при выходе из строя одной колонны полностью и передаче дополнительных нагрузок на соседние. Для придания колоннам большей прочности внутрь полости их перпендикулярно к оси вклепывали, а в настоящее время вваривают диафрагмы. К торцам колонн крепят опорные листы. Верхний лист крепят под углом к оси печи, поскольку опорное кольцо шахты горизонтально, а колонны для увеличения доступа к горну устанавливают наклонно. Нижний срез колонны из-за нижнего опорного башмака делается перпендикулярным к ее оси. Для плотного прилегания торцов колонн к опорным листам и соответствующей передачи нагрузок срезы обрабатываются.

Рис. 3.4 - Поперечное сечение опорных колонн

Опоры колонн. Колонны, несущие большие нагрузки, должны надежно опираться на пень фундамента. Для этого их закрепляют в фундаменте на отдельных опорах: чугунных литых башмаках или фундаментных кольцах - клапаных, чугунных, литых, в настоящее время сварных. Иногда колонны связывают с массивом пня специальными фундаментными болтами. Площадь опор зависит от нагрузки на колонны и допускаемого напряжения бетона фундамента. Опоры размещают ниже кладки лещади на 2-3 мм для защиты в случае выхода чугуна на горизонте лещади. Внутренняя полая часть колонн от низа до рабочей площади заполняется бетоном.

Опорные кольца шахты. Передача давления на колонны со стороны кладки шахты, ее холодильников, частично заплечиков и колошникового устройства (в зависимости от типа несущих конструкций) осуществляется через верхнее опорное кольцо - маратор, представляющий собой мощную кольцевую балку. Кольцо состоит из горизонтальных листов и вертикального листа первого пояса (царги) кожуха шахты и соединяется с верхом колонн при помощи болтов через промежуточную опорную плиту. Поверхности соприкосновения листов и плиты тщательно обрабатывают.

Маратор является основой для огнеупорной кладки шахты и допускает раздельное и одновременное выполнение футеровки низа и верха доменной печи.

Увеличение объемов доменных печей, режим повышенного давления газа на колошнике и другие факторы интенсификации процесса требуют тщательного подхода к выбору металла для изготовления кожуха. Прочность и способность его противостоять деформациям должны быть рассчитаны также и на нагрузку крепящихся к нему различных вспомогательных сооружений. В современном исполнении кожух представляет собой сварную конструкцию, состоящую из конических и цилиндрических поясов (царг), изготовленных из низколегированных, нормализованных марок листовой стали: 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 15ХСНД и др., характеризующихся высокой ударной вязкостью, большой прочностью, достаточной пластичностью и термостойкостью. Поэтому легированные стали с большими прочностными характеристиками, такие как аустенитные, коррозионностойкие или ферритные, для сооружения кожуха непригодны, поскольку они увеличивают склонность его к деформациям и образованию трещин (первые в силу высокого коэффициента термического расширения, вторые вследствие потери пластичности при повышенном нагреве в случае частичного или полного износа кладки). Так, на доменных печах 3200, 5000 и 5500 м³ кожух выполнен из листовой стали марок 10Г2С1, 16Г2АФ и 16Г2Ф соответственно толщиной 30-60 мм различной по высоте печи. Сталь улучшена шлаковым переплавом. За рубежом кожух печи выполняют цельносварным из котельной стали и стали других марок. Толщина у основания до 60, на колошнике 30 мм. Имеются печи с толщиной кожуха 70 (Бельгия) и 50 мм (Франция). В Японии предполагают сооружать кожух шахты, распара и заплечиков в виде единой цельнометаллической конструкции при одинаковой толщине кладки с приваркой опорного кольца к кожуху печи для передачи нагрузки на колонны.

Кожух печи в процессе эксплуатации испытывает различные напряжения. Кроме растягивающих кольцевых (горизонтальных) усилий от давления шихты и термического расширения кладки в радиальном направлении, имеют место и вертикальные (меридиональные) нагрузки.

В связи с этим деформация может значительно превышать величину нагрузок, соответствующих началу текучести металла. Она бывает переменной по высоте и окружности вследствие неравномерности давления кладки и холодильников на кожух. Трение между кладкой и кожухом препятствует перераспределению этих деформаций по окружности печи.

Размеры кожуха по толщине (мм) приведены ниже:

Объем печи, м3	3200	5000	5500
Зона:
лещади (верхняя часть)	45	45	60
горна, заплечиков, распара	50	45	60
Нижняя часть лещади	38	38	60
Шахта охлаждаемая	30-40	38-30	60
Колошник и купол	30-40	45	40-50

Так, в цилиндрическом кожухе лещади зафиксированы растягивающие меридиональные напряжения 102-126 МПа, а под чугунной леткой они составляют 309 МПа. В этой же области установлено резкое повышение растягивающих кольцевых усилий до 431 МПа при 212-231 МПа на других участках. В кожухе стен горна эти напряжения равны пределу текучести металла. В конической части кожуха фурменной зоны над чугунной леткой отмечены кольцевые растягивающие напряжения 124,5 МПа, а в остальных зонах горна 42-91 МПа.

Сжимающие меридиональные напряжения в том же кожухе фурменной зоны составляют 30,4-66,6 МПа и растягивающие под леткой 41 МПа. В кожухе шахты меридиональные сжимающие усилия достигают 147-196 МПа при отсутствии растягивающих кольцевых напряжений. На величину напряжений влияет конструкция кожуха. Так, в зоне лещади при осевых усилиях, достигающих 400 МПа, в случае конической формы кожуха возникают напряжения до 525 МПа от изгибающих моментов в местах конструктивных переломов, стыков вертикальных плитовых холодильников, а также в местах с малой величиной зазора между кладкой и холодильниками. Это указывает на преимущество цилиндрической конструкции горна перед конической, имеющей большое количество разрывов кожуха, особенно в районе чугунной летки. Разнонаправленные меридиональные и кольцевые напряжения, а также неравномерный нагрев кожуха и рост кладки вызывают дополнительные местные растягивающие силы, влекующие за собой разрывы кожухов.

Анализ причин отказов кожухов, т.е. образования в них трещин и разрывов, показал, что главным образом они происходят вследствие нарушений технологии производства и правил технической эксплуатации оборудования и конструкций; недостаточной интенсивности охлаждения и низкой стойкости холодильников при больших разгарах кладки; действия паров цинка и цинкита на кожух и кладку; нарушения графика планово-предупредительных ремонтов и выработки ресурсов металлоконструкций; неправильных проектных решений, способствующих возникновению высоких местных напряжений в металле.

«Отказы» кожухов не однотипны и связаны со спецификой процессов, происходящих в различных зонах печи (рис. 3.5). В горне и лещади они составляют до 30 % от общего числа выявленных трещин и встречаются на 40% печей (тип 1); в районе горна и фурменной зоны 40 и 65 % осмотренных печей (тип 2).

В заплечиках и мараторном кожухе 15 % от общего числа обследованных печей (тип 3) образуются трещины в охлаждаемой зоне шахты (типы 4, 5) и в неохлаждаемой от местных перегревов, давления кладки на кожух и от местных напряжений (тип 6). По этой причине возникают разрывы в углах вырезов брони для холодильников (тип 7) и у вставок кожуха (тип 8); на куполе печи (типы 9, 10) трещины возникают в местах примыкания газоотводов и колошникового фланца (тип 11) из-за неравномерного нагрева. В местах приварки оборудования к кожуху (тип 12) они образуются вследствие неправильного выбора марок стали. Выпучивание кожуха (тип 13) происходит из-за недостаточной его герметичности; изгиб и кольцевые трещины в мора-торном кольце (тип 14) - от жесткой связи кожуха с кладкой или от недостаточных зазоров между ними. Все эти трещины иногда достигают 60-80 мм и более по ширине при длине до 1,5-2 м.

Рис. 3.5 - Схема расположения трещин на кожухе печи

Дальнейшее улучшение службы кожухов связано не только с устранением указанных недостатков, но и с поисками новых, более пригодных марок стали.

Напряжения особенно велики в течение первого месяца после задувки печи в период разогрева кладки и конструкций. В дальнейшем они стабилизируются и постепенно снижаются. Величина напряжений зависит и от температуры атмосферного воздуха, с понижением которой они резко увеличиваются.

В связи с напряженностью металла в кожухе печи отверстия в нем для воздушных амбразур, шлаковых леток усиливают накладками, а для чугунной летки специальной стальной рамой. Вырезы для холодильников шахты должны быть минимальными по числу и площади, а также не иметь острых углов во избежание излишних напряжений. В нижней части (под лещадью) кожух печи иногда имеет так называемое «донышко», назначение которого сводится к предупреждению газопроницаемости в лещади и увеличению ее прочности.

Верхняя часть кожуха (купол шахты) стягивается основным кольцом, литым стальным фланцем, являющимся также опорой для засыпного аппарата. Симметричные вырезы в куполе имеют круглое или овальное сечение и служат для примыкания газоотводов. Вырезы усиливают мощными стальными амбразурами для придания жесткости.

Колошниковое устройство. Газоотводы

Колошниковое устройство (рис. 3.6) представляет собой многоэтажную металлическую конструкцию для поддерживания комплекса механизмов, предназначенных для загрузки шихты в доменную печь, устройств для их монтажа и ремонта. В колошниковое устройство входят также газоотводы с системой клапанов.

Основной частью колошникового устройства является вертикальная металлическая конструкция - копер 8, опирающийся на колонны шахты через колошниковую площадку 1, либо, при самонесущем кожухе печи, на специальные колонны или шатер здания литейного двора (см. рис. 4.3) и четыре горизонтальные площадки, предназначенные для установки оборудования. На кожух печи опираются только засыпной аппарат и газоотводы. Такая конструкция обеспечивает большую жесткость установки всего оборудования.

Колошниковая площадка служит для осмотра засыпного устройства и размещения ручной лебедки 22, служащей приводом для передвижения монтажной тележки 9, и электрической лебедки 2, являющейся приводом механизма подъема консольно-поворотного крана 13.

Вторая площадка 6 - площадка приемной воронки - предназначена для осмотра и ремонта засыпного устройства. Между колошниковой и второй площадкой расположены площадки для размещения привода вращающегося распределителя и осмотра распределителя, уравнительных клапанов и зондов.

1-колошниковая площадка; 2-лебедка консольно-поворот-ного крана; 3-за-сыпной аппарат; 4-распределитель шихты; 5-приемная воронка; 6-площадка приемной воронки; 7-газоотводы; 8-колошниковый копер; 9-монтажная тележка; 10-площадка монтажной тележки; 11-опорная тележка балансиров; 12-площадка балансиров; 13-консольно-поворотный кран; 14-атмосферные клапаны газоотводов; 15-атмосферные клапаны малого конуса; 16-свечи газоотводов; 17-площадка атмосферных клапанов; 18-балансиры; 19-шкивы скипового подъемника; 20-наклонный мост скипового подъемника; 21-скип; 22-лебедка монтажной тележки; 23-уравнительный клапан большого конуса; 24-газопровод получистого газа.

Рис. 3.6 - Конструкция колошникового устройства доменной печи с двухконусным засыпным аппаратом:

Третья площадка 10 - площадка монтажной тележки - служит для доставки оборудования на верх печи и замены вышедших из строя элементов засыпного устройства. Эта площадка вынесена в сторону и снабжена люком, через который поднимают оборудование. По монтажной балке перемещается монтажная тележка, предназначенная для замены и монтажа засыпного устройства.

Четвертая площадка 12 - площадка балансиров - служит для установки и осмотра балансиров, а также размещения опорной тележки 11, предназначенной для поддерживания контргрузов во время монтажа и ремонта.

Пятая площадка 17 - площадка атмосферных клапанов 15, на которой проводится их ремонт и обслуживание. Для облегчения ремонта атмосферных клапанов над площадкой установлен консольно-поворотный кран 13. Балки монтажной тележки и балансиров, а также все площадки опираются на копер, состоящий из четырех несущих колонн. От купольной части печи отходят четыре газоотвода 7, расположенные под углом 90° друг к другу (на печи объемом 5000 м³ - восемь газоотводов). Такое расположение газоотводов обеспечивает равномерное распределение газа по сечению печи. Площадь поперечного сечения газоотводов должна быть максимально возможной для того, чтобы не увеличивать скорость газа и, следовательно, вынос пыли. В месте примыкания к печи суммарная площадь газоотводок составляет 0,4-0,5 площади колошниковой части печи. Сечение газоотводов круглое. Во избежание зарастания их пылью угол наклона газоотводов, отходящих от печи, составляет не менее 50°.

От печи газоотводы направляются вертикально вверх в виде четырех труб-свечей 16. В верхней части газоотводы соединяются попарно, а затем сводятся в один или два нисходящих газопровода, соединяющих печь с агрегатом для очистки газа - пылеуловителем. Угол наклона нисходящего газопровода составляет не менее 28-37°, что предотвращает осаждение пыли. Газоотводы и нисходящий газопровод выполняются сварными из стального листа толщиной 10-12 мм. Внутри они футеруются огнеупорным кирпичом для предохранения кожуха от воздействия высоких температур и абразивного действия пыли. Места перегибов защищаются от истирания пылью стальными плитами или листами из износоустойчивой стали.

В верхних точках вертикальных газоотводов установлены атмосферные клапаны, предназначенные для выпуска газа в атмосферу при остановках печи. На доменных печах, работающих при повышенном давлении газа на колошнике, установлены тарельчатые открытые клапаны. Клапан (рис. 3.7) состоит из стального разъемного по горизонтали корпуса 2. Нижним фланцем корпус крепится болтами к переходному патрубку 1, привариваемому к свече газоотвода. Сверху корпуса установлено седло 3, которое закрыто крышкой 4, шарнирно соединенной валом 7 с плечом рычага 6. Последний вращается на оси 5 в подшипниках. Контактная поверхность корпуса и крышки для уменьшения абразивного действия пыли наплавлена твердым сплавом. В закрытом состоянии крышка плотно прижимается к корпусу действием контргруза, подвешенного на тяге к длинному плечу рычага. Масса контргруза обеспечивает надежное закрывание клапана во время работы печи при повышенном давлении газа на колошнике. Для открывания клапана служит электропривод.

Рис. 3.7 - Конструкция атмосферного клапана

Во время работы при повышенном давлении доменная печь оборудуется системой газопроводов и клапанов для выравнивания давления перед опусканием конусов засыпного аппарата. Для нормальной работы большого конуса в межконусное пространство подается очищенный газ по газопроводу чистого газа 24 (см. рис. 3.6), соединяющему межконусное пространство и газопровод, отводящий газ после очистки. В межконусное пространство газ поступает через уравнительный клапан большого конуса 23 тарельчатого типа. Для выравнивания давления в межконусном пространстве перед опусканием малого конуса газ из межконусного пространства выпускается в атмосферу через выпускной газопровод, оборудованный атмосферным клапаном 14 тарельчатого типа. Незадолго до опускания малого конуса клапан 24 закрывается, а клапан 14 открывается; давление в межконусном пространстве становится равным атмосферному, и малый конус может опускаться при нормальных усилиях, приложенных к штанге. После закрывания малого конуса клапан 14 закрывается, а клапан 23 открывается, межконусное пространство наполняется получистым газом, тем самым выравнивается давление под большим конусом и в межконусном пространстве. При наборе всех материалов большой конус может открываться при нормальном усилии, приложенном к штанге. Работа уравнительных клапанов автоматизирована и сблокирована с работой конусов засыпного аппарата.