Колонны и опорные кольца

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

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

Рисунок 2.4 – Поперечное сечение опорных колонн (1 – 6)

Наиболее рациональной конструкцией из числа приведенных на рисунке 2.4 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 принимается с запасом прочности, рассчитанным на возможность выхода из строя одной колонны полностью и передачи дополнительных нагрузок на соседние. Для придания колоннам большей прочности внутрь полости их перпендикулярно к оси вклепывались, а теперь ввариваются диафрагмы. К тор­цам колонн крепятся опорные листы. Верхний лист крепится под углом к оси печи, поскольку опорное кольцо шахты гори­зонтально, а колонны для увеличения доступа к горну устанав­ливаются 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.

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–клепаных, чугунных литых, в настоящее время сварных. Иногда колонны связывают­ся 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 м для защиты в случае выхода чугуна на гори­зонте лещади. Внутренняя полая часть колонн от низа до рабо­чей площадки заполняется бетоном.

Опорные кольца шахты. Передача давления на колонны со стороны кладки шахты, ее холодильников, частично заплечиков я колошникового устройства (в зависимости от типа несущих конструкций) осуществляется через верхнее опорное кольцо – моратор, 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 обраба­тываются.

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

Кожух

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 он представляет собой свар­ную конструкцию, состоящую из конических и цилиндрических поясов (царг), изготовленных из низколегированных марок ли­стовой стали: 14Г2, 16Г2АФ, 10Г2С1, 15ХСНД и др., характери­зующихся высокой ударной вязкостью, большой прочностью, достаточной пластичностью и термостойкостью. Поэтому леги­рованные стали с большими прочностными характеристиками, такие как аустенитные, нержавеющие 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).

Кожух выполняют из листовой стали толщиной 30 – 50 мм, неодинаковой по высоте печи. Так, на доменной печи объемом 5000 м³ толщина листа (сталь 16Г2АФ) принята равной в ниж­ней части лещади 38 мм, в верхней части лещади, горне, фур­менной зоне, заплечиках и распаре 45, в шахте 38 – 30, колош­нике и куполе 45 мм. На доменной печи объемом 3200 м³ толщи­на листа (сталь 10Г2С1) составляет в лещади 40 – 50, в горне, за­плечиках и распаре 50, в шахте, колошнике и куполе 30 – 40 мм.

За рубежом кожух печи выполняют также 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 предлагается 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.

Поэтому 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.

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, влеку­щие за собой разрывы кожухов.

Напряжения особенно велики в течение первого месяца по­сле задувки печи в период разогрева огнеупорной 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 и 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 чаши большого конуса засыпного аппарата. Сим­метричные вырезы в куполе имеют круглое или овальное сече­ние и служат для примыкания газоотводов. Вырезы усилены мощными стальными амбразурами для придания жесткости.