Причины разрушения лещади доменных печей

Правильный выбор конструкции лещади может быть сделан на основании верных представлений о службе огнеупоров и механизмов разрушений кладки.

Первые попытки создания теории разрушения фундаментов и лещадей были сделаны И.Г. Половченко и И.Д. Семикиным, А.Ф. Шейнбергом. Авторы исходили из совместного рассмотрения температурного поля и распределения напряжений в материале лещади с учетом жесткости кожуха.

При этом лещадь рассматривали как монолит, в котором наряду со сжатием отдельных участков (центральная часть лещади) происходит растяжение периферийной части. В действительности, в периферийных частях лещади не могут возникать напряжения растяжения, так как лещадь не монолитна, а состоит из отдельных кирпичей.

Теория разрушения лещадей была развита институтом «Гипросталь». Найдено распределение температур с учетом перерождения шамотного огнеупора и рассчитаны напряжения в составной кирпичной кладке для лещадей различных конструкций.

Механизм разрушения лещади существующих конструкций доменных печей представляется следующим образом (рис. 138, 139).

Основной причиной разрушения лещади является всплывание кирпича. Наличие в горне жидкого чугуна, нагретого до ~1450° С, и охлаждение лещади создают в ней определенное температурное поле, характеризуемое падением температуры к периферии лещади. Под воздействием этого температурного поля лещадь деформируется. Кладка ее состоит из отдельных, не связанных между собой слоев, свободно скользящих один относительно другого. В результате изменения температуры кирпич центральной части слоя расширяется во всех направлениях в большей степени, чем кирпич, находящийся на периферии.

Раскрытие швов увеличивается от центра к периферии в тем большей степени, чем больше перепад температур между центром и периферией слоя.

При отсутствии кожуха удлинению лещади в радиальном направлении ничто бы не препятствовало, и раскрытые швы доходили бы до центра лещади.

Противодействие кожуха свободному расширению лещади в радиальном направлении вызывает в кладке силы сжатия, действующие также в радиальном направлении. В результате сжатия кирпича в радиальном направлении возникает поперечное его расширение. При этом зазоры в кладке уменьшаются, а в центральной части закрываются полностью. Это приводит к двустороннему сжатию центральной части слоя.

Чем больше толщина кожуха и его жесткость, тем большее радиальное давление оказывает кожух на лещадь. Чем больше радиальное давление кожуха и чем податливее материал лещади, тем большая часть слоя лещади подвергается уплотнению и тем меньше ширина раскрытых швов.

Каждый слой в целом дополнительно деформируется от неравномерного нагрева по толщине лещади. Так как верхние грани кирпича удлиняются больше нижних, то происходит вспучивание первоначально плоского слоя кирпича.

В результате неравномерного нагрева лещади в радиальном и осевом направлениях появляется центральная уплотненная зона и периферийная зона, где радиальные швы расходятся. Вследствие коробления слоев кладки между ними образуются пустоты. Если жидкий чугун через зазоры в периферийной зоне проникает под слой кладки, то этот слой под действием подъемной силы, равной разности удельных весов чугуна и кладки, стремится всплыть. Удержать кирпичи от всплывания могут лишь силы трения.

Противодействующие всплыванию силы трения приблизительно пропорциональны радиальному давлению кожуха на лещадь и увеличиваются с увеличением толщины кожуха. Анализ деформаций кладки набойки и кожуха позволяет расчетным путем определить размеры зоны раскрытия швов и характеристики напряженного состояния кладки и кожуха.

В качестве примера на рис. 140 приведены температурное поле и основные геометрические характеристики лещади типовой доменной печи объемом 1033 м3. От величины температурного градиента в радиальном направлении зависит раскрытие радиальных швов; им же определяется глубина их раскрытия. Одновременно с температурным градиентом возникает отпор со стороны кожуха, вызывающий обжатие кладки и, следовательно, препятствующий распространению радиальных зазоров. Характеристикой состояния кладки может служить относительная ширина зазоров е, определяемая как сумма следующих относительных удлинений в окружном направлении. Определим относительное удлинение окружности радиуса r в зависимости от различных факторов:

а) от нагрева внутренних слоев

б) от собственного нагрева

в) от давления кожуха на кладку.

Относительное удлинение в случае сплошного слоя в соответствии с решением задачи Ламе представляется в следующем виде:

Здесь Kл — поправочный коэффициент, учитывающий неоднородность кладки лошади, согласно экспериментальным данным Л.А. Сорокина для шамотной кладки Кл = 7;

В сжатой зоне е<0, в зоне раскрытия швов е>0; следовательно, граница раздела зон определяется из условия е=0. Итак, для нахождения границы раздела зон воспользуемся уравнением

определяющим радиус r границы сжатой зоны.

Величина давления кожуха на кладку определяется из уравнения неразрывности, выражающего равенство радиальных удлинений в месте контакта кладки, набойки и кожуха

где радиальный рост кладки

радиальный температурный рост кожуха

радиальное сжатие набойки, заполняющей зазор между кладкой и кожухом

увеличение радиуса кожуха

радиальное сжатие кладки

Подставив выражения (63)—(65) в формулу (68), получим квадратное уравнение для определения P:

Итак, последовательное решение уравнений (62) и (61) позволяет определить границу сжатой зоны, а заодно и напряжения в кожухе по известной формуле

Для численного расчета применительно к доменной печи объемом 1033 м3 имеем следующие значения параметров.

Граница сжатой зоны определена для двух сечений. Первое находится на глубине 1600 мм от дна металлоприемника, второе — на расстоянии 1545 мм от него.

В результате расчета получено:

для сечения I:

р=18 кгс/см2; о=3000 кгс/см2; r=1500 мм;

для сечения II:

р=14,5 кгс/см2; ок=2500 кгс/см2; r=1750 мм.

Рассмотрим температурную деформацию кладки в вертикальном направлении. Вертикальное удлинение в точке с координатами (г, Z) определяется по формуле

Зависимость (70) для значений z1 = 360 см и z2 =325 см для функции t (r,z) представлена на рис. 141. Из графиков видно, что слои кладки стремятся изогнуться, приобретают выпуклую форму. Выпучивание слоев, во-первых, приводит к дополнительному раскрытию горизонтальных швов, во-вторых, существенно изменяет характер отпора кожуха, так как обжатие искривленного слоя, материал которого не сопротивляется изгибающим усилиям, может вызвать разрушение кладки из-за потери устойчивости.

Вертикальный рост кладки оказывает решающее влияние на стойкость лещади, так как служит причиной образования зазоров между горизонтальными слоями.

Неравномерность роста по радиусу и вертикали приводит к смещению стоящих рядом кирпичей и образованию пустот. При достаточно высокой температуре эти пустоты заполняются жидким чугуном и начинает проявляться действие подъемных гидростатических сил.

Всплывание кирпичей в случае проникновения чугуна под слой кладки определяется соотношением между величиной подъемной силы и силами трения, обусловленными давлением кожуха. Выделим элементарный объем единичной толщины с произвольным радиусом r.

Подъемная сила Q выражается формулой

Сила трения F по контуру r равна

Равновесие сохраняется при условии F>Q или при

В случае проникновения чугуна под слой кладки всплывание происходит неизбежно. Сдерживающим фактором может быть только перерождение огнеупоров при высоких температурах, наблюдаемое на практике. Сжатый слой кладки может при этом спрессоваться, что равносильно многократному увеличению коэффициента трения.

Таким образом, в процессе разогрева кладки последовательно разрушаются горизонтальные слои. Процесс разрушения слоев по мере разгара лещади замедляется, так как уменьшается величина вертикального расширения. Ввиду снижения температуры вблизи охлаждающих устройств и сокращения размеров кладки механическое разрушение кладки прекращается в слоях, близко примыкающих к охлаждающим устройствам, где вертикальный рост ничтожно мал, а температура под верхним сохранившимся слоем ниже точки плавления чугуна. Понятно также, что механическое разрушение исключено в периферийной кладке, где всплыванию кирпичей противодействуют вышележащие слои кладки горна.

Кладка лещади будет разрушаться слой за слоем до тех пор, пока не создадутся условия для «замораживания» чугуна на уровне нижней грани слоев кирпича.

Принятый механизм разрушения огнеупорной кладки лещади позволяет сформулировать основной принцип, который необходимо соблюдать при проектировании лещадей: для предотвращения всплывания кладки изотерма 1500° С, соответствующая температуре застывания чугуна, должна быть расположена выше нижней грани первого ряда огнеупоров.

Этот принцип должен быть положен в основу анализа стойкости всех конструкций лещадей и проектирования новых конструкций.