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
Зона:
лещади (верхняя часть)
горна, заплечиков, распара
Нижняя часть лещади
Шахта охлаждаемая	30-40	38-30
Колошник и купол	30-40		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.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: