1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 5.00 (1 Vote)

Журнал "Теория и практика металлургии" №4 за 1997г. ISSN 1028-2335

 

Пути совершенствования конструкций шахт доменных печей. 

Чеченев В.А. - первый заместитель генерального директора ОАО "Днепродомнаремонт", к.т.н., чл.-корр. АИНУ


        Проанализированы недостатки традиционной конструкции стенки шахты доменной печи, рассмотрены пути ее усовершенствования. Показана перспективность изготовления шахт из крупногабаритных охлаждаемых модулей, обеспечивающих повышение газоплотности кожуха и его стойкости. Расчетным и экспериментальным путями определены величины напряжений в кожухе модулей различной конструкции.
        Disadvantages of the conventional design of blast furnace stack wall are discussed and ways to improve it are addressed. It is shown to be advantageous to use large cooled modules and thus improve gas tightness and extend service life. Calculated and experimental estimates of stresses in the module shell are given for various module designs.

        Длительность межремонтного периода работы доменных печей в значительной степени определяется стойкостью их шахт. При традиционной конструкции стен шахты (кожух - холодильник - футеровка) проблема стойкости решалась путем совершенствования холодильных устройств. Большим достижением явилась разработка конструкции и технологии изготовления чугунных плитовых холодильников, что позволило существенно увеличить кампанию доменных печей.
        Однако опыт эксплуатации доменных печей с использованием в шахтах чугунных плитовых холодильников выявил ряд существенных недостатков, присущих этому типу холодильных устройств независимо от многообразия применяемых конструкций [1, 2].
        В начале эксплуатации печи после ее задувки, когда в шахте еще сохраняется огнеупорная футеровка, тепловые нагрузки на холодильники относительно равномерно распределяются по периметру шахты и составляют около 63-84 тыс. кДж/чм2 . Однако уже после 0.5-1 года работы печи футеровка в шахте практически изнашивается, а на поверхности холодильников образуется слой гарнисажа. Тепловые нагрузки на холодильники резко возрастают (до 250-340 тыс. кДж/чм2), наблюдается неравномерность их распределения по окружности и высоте шахты. В результате повышается температура чугуна рабочей стороны плит (до 900°С и более) в то время, как вблизи охлаждаемых труб она существенно ниже (не более 100-200°С).
        С повышением температуры снижается теплопроводность чугуна [3], что ухудшает охлаждение плит и в результате значительного градиента температур возникающие напряжения в толще чугунного холодильника образуют микро- и макротрещины. Этому способствует переход Fea->Fey (максимальное развитие процесса достигается при 700-720°С), сопровождающийся изменением объема чугуна, необратимо увеличивается его объем, в связи с разложением карбидов в условиях термоциклического режима работы холодильных плит.
        Содержащиеся в газовой печной среде СО, СО2, Н2, пары цинка, воды, сернистые соединения, щелочи отрицательно влияют на износостойкость, жаростойкость и ростоустойчивость чугуна. Усиливают процесс разрушения чугунных плит сернистый углерод, который, откладываясь в трещинах, оказывает распирающее воздействие.
        Перечисленные факторы не только разрушают чугунную плиту холодильника, но и вызывают колебания ее линейных размеров при практически неизменной длине стальных труб охлаждения внутри плиты. В результате этого происходит разрыв труб в месте разрушения плиты холодильника, попадание воды в печь, что сопровождается оползанием гарнисажа, выходом из строя воздушных фурм, повышением удельного расхода кокса и потерей производительности.
        С целью повышения стойкости чугунных плитовых холодильников, за рубежом применяют чугун с шаровидным графитом (такой чугун обладает более высокими пластическими свойствами). Для исключения науглероживания стальных труб в процессе отливки плиты, их покрывают слоем глинозема, который наносят плазменным способом. Однако такое решение исключает возможность применения испарительного охлаждения. Дело в том, что чугун с шаровидным графитом имеет примерно вдвое меньшую теплопроводность. Поэтому, чтобы исключить перегрев холодильников необходимо снизить температуру теплоносителя, заменять испарительное охлаждение более сложной, двухконтурной системой охлаждения холодной химически очищенной водой.
        В нашей стране, с целью устранения недостатков, присущих чугунным плитовым холодильникам, предложена конструкция из толстостенных стальных труб, межтрубное пространство которой заполнено не чугуном, а жароупорным бетоном [1, 4]. По существу, это техническое решение мало чем отличается от традиционно применяемых плитовых чугунных холодильников (рис.1 и 2). Опыт их эксплуатации на ряде доменных печей в целом подтвердил возможность замены чугуна на жароупорные бетоны в качестве заполнителя межтрубного пространства плиты охлаждения. Однако выявились серьезные недостатки, присущие этим холодильникам, главным из которых является наличие сварных соединений в рабочем пространстве доменной печи. Изменение температурного режима печи вызывало разрушение сварных швов, и, как следствие, отключение холодильника от охлаждения.




        Идея применения толстостенных труб и жароупорного бетона была положена в основу создания принципиально новой конструкции - крупногабаритных охлаждаемых модулей, из которых монтируется охлаждаемая часть шахты печи [5]. Конструктивно модуль выполнен из кожуха с вваренными в него толстостенными гнутыми в виде скоб стальными трубами, пространство между которыми залито жароупорным бетоном (рис.3). Между кожухом и бетоном в конструкции предусмотрен компенсационный слой асбесто-цементного картона. В ряде проектов со стороны рабочего пространства печи предусмотрена установка огнеупорной кладки и компенсационного зазора между бетоном и кладкой, наполненного углеродистой массой.



        Система охлаждения может работать на воде или на паре [6, 7].
        К настоящему времени накоплен опыт работы доменных печей, шахты которых изготовлены из крупногабаритных охлаждаемых модулей [8].
        Вместе с тем, продолжают оставаться актуальными вопросы обоснования конструктивных параметров элементов крупногабаритных модулей с позиций прочности и оценки термонапряженного состояния их кожуха. Ведь наличие слоя жароупорного бетона в шахте, изготовленной из крупногабаритных модулей, создает иные, чем традиционные, условия нагрузки кожуха от термического расширения кладки и бетона.
        Учитывая это, рассчитаны величины напряжений в кладке, бетоне и кожухе при следующих вариантах работы печи:
        1 - кладка шахты и слой жароупорного бетона крупногабаритных модулей полностью сохранены, что характерно для первых месяцев работы печи после ее задувки (рис.4а);
        2 - кладка в охлаждаемой части шахты полностью разрушена, а огнеупорный бетон модулей сохранился (рис.4б) или частично разрушен (бетон сохраняется в промежутках между трубами и за ними со стороны кожуха). Такое состояние наступает обычно через 1-1.5 года после задувки печи и длится до остановки печи на капитальный ремонт.




        Таким образом, конструкция стенки шахты печи представляет собой многослойную усеченную слабоконическую (ctg a- 0.11042, а- угол наклона образующей к основанию) оболочку, находящуюся под действием внутреннего давления и температурного поля. В первом варианте количество слоев равно 5, во втором - 3.
        В расчетах принято, что внутреннее давление (q) изменяется по высоте шахты по линейному закону (значения q представлены на рис.4), температура на периферии может достигать 800-1350°С, а кожуха - не более 100°С.
        Огнеупорная кладка шахты выполнена из огнеупора марки ШПД-39 (ГОСТ 1598-75), кожух - сталь 09Г2С-12 (ГОСТ 19282-73). Зазор между футеровкой и бетоном модулей заполнен углеродистой набивкой ДЭЗ ТУ 48-12-26-74.
        В расчетах принято, что материалы всех слоев, за исключением кожуха, деформируются по схеме ортотропного упругого материала. Кожух считается упругим и изотропным.
        Следует отметить, что до настоящего времени свойства огнеупорных материалов, углеродистых масс, засыпок остаются недостаточно изученными, поэтому использование приближенных значений этих величин вносит определенную погрешность в результаты численных расчетов с помощью ЭВМ термонапряженного состояния шахты печи новой конструкции.
        Вычисления выполнялись при следующих значениях параметров:
        -количество разбиений области интегрирования по высоте т =40;
        -количество разбиений по радиусу п =42;
        -количество конечных элементов MN = 2360;
        -точность решения задачи квадратичного программирования EPS = 0.0001;
        -начальные значения узловых перемещений u0=0, V0=0;
        Процесс минимизации функции узловых перемещений завершается при выполнении неравенства


 



        Таким образом, при применении системы охлаждения из стальных толстостенных труб и жароупорного бетона огнеупорная футеровка в шахте доменной печи может не предусматриваться. Кожух шахты и в этом случае удовлетворяет условиям прочности. Хотя можно снизить величину напряжений в нем либо путем увеличения проектной толщины слоя бетона, либо установкой компенсационных швов в слое бетона по высоте и окружности шахты.
        Например, увеличение толщины бетона с 0.27 до 0.47 м может обеспечить, как свидетельствуют результаты расчетов, снижение максимальных значений интенсивности напряжений в кожухе до 98.6 МПа, что существенно ниже расчетного сопротивления для материала кожуха.
        Однако предпочтительнее второй путь, не требующий увеличения расхода бетона. Для снижения напряжений в бетоне и кожухе шахты предусматриваются компенсационные швы в слое бетона шириной 10-15 мм через каждые 1.5 м по высоте и окружности модулей шахты.
        Первый опыт применения конструкций крупногабаритных охлаждаемых модулей шахты без защитной огнеупорной футеровки (доменная печь №4 ДМК) свидетельствует о том, что работа кожуха шахты обеспечивается в области допустимых напряжений (рис.6). Это позволило рекомендовать такую конструкцию стенки шахты и на других доменных печах.




БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

        1.Холодильные плиты из стальных толстостенных труб для шахт доменных печей / А.И.Толочко, Л.Д.Грицук, Д.Б.Куцыкович и др. // Сталь. -1986. - №6. - С. 106-110.
        2.Повышение технического уровня доменного производства на комбинате им.Ильича / С.Т.Плискановский, Е.А.Царицын, И.М.Пефтиев и др. // Сталь. -1987. - №2. - С.4-7.
        3.Мюльнер П., Экнер Б. Расчет допустимой тепловой нагрузки на плитовые холодильники доменных печей // Черные металлы. -1983. - №4. - С.21-25.
        4.Плискановский С.Т. Совершенствование системы охлаждения доменных печей: Экспресс-информация. -М.: Черная металлургия, 1990. - 8с.
        5.Пат. UA №14336 Украины, МКИ4 F 27 D 1/08. Способ изготовления шахты доменной печи / Ю.П.Горлов, С.Т.Плискановский, В.А.Чеченев и др. - Опубл. 25.04.97, Бюл. №2.
        6.Андоньев С.М., Филипьев О.В., Кудинов Г.А. Охлаждение доменных печей. - М.: Металлургия, 1972. - 368с.
        7.Зайцев Ю.С., Филипьев О.В. Новые технические решения в охлаждении шахт доменных печей. - Харьков: Основа, 1992. - 224с.
        8.Опыт применения крупногабаритных охлаждаемых модулей на доменных печах / С.Т.Плискановский, Е.А.Царицын, В.А.Чеченев и др. // Сталь. -1997. - №2. - С.9-13.