Анализ работы лещадей доменных печей различных конструкций

Лещади доменных печей, построенные в 30-х годах в России и за рубежом, выкладывали из маломерного шамотного кирпича без охлаждения снизу.

В лещади этого типа изотерма 1150° С по мере всплывания кладки опускалась и уровень чугуна часто достигал бетона фундамента.

С 1944 г. в бывш. СССР для лещадей применяют большемерные углеродистые блоки, которые отличаются высокой химической стойкостью. Ho это ценное свойство может быть использовано, если исключить их всплывание.

Впервые углеродистые блоки в лещади уложили в два слоя общей толщиной 800 мм поверх хромисто-углеродистой набойки. Стены горна выложены из углеродистых блоков. После 12 лет работы блоки на периферии сохранились вполне удовлетворительно, но в центре лещади всплыли.

Подобные лещади имели доменные печи объемом 1386 м3.

По показаниям изотопов верхние слои углеродистых блоков в центре этих лещадей всплывали через 1—2 месяца после задувки печей. У нескольких отечественных доменных печей объемом 1513 м3 лещади такого же типа.

Аналогичные конструкции лещади применяют в Англии, США и других странах.

В институте «Гипросталь» выполнены работы по определению температурного поля в лещади такой конструкции.

Теоретические соображения, исследования и практические замеры с помощью радиоактивных индикаторов показали, что применение углеродистых блоков в верхней части двухслойной лещади нецелесообразно, так как глубина проникновения жидкого чугуна в ней максимальна. При укладке углеродистых блоков горизонтальными слоями толщиной по 400 мм жидкий чугун проникает под все эти слои, и блоки всплывают.

Попытки защемления углеродистых блоков (гофрированные поверхности и пр.) не могут дать положительных результатов.

С 1957 г., начиная с доменных печей объемом 1719 м3, в России применяют лещади с «углеродистым стаканом», для чего применяют углеродистые блоки на периферии в виде кольца кладки и в дне лещади. Верхняя часть кладки выполнена из алюмосиликатного огнеупора. Одновременно было внедрено воздушное охлаждение дна лещади.

На рис. 142 и в табл. 53 приведены результаты электромоделирования теплового поля лещади типовой доменной печи объемом 1386 м3; температуры в характерных точках лещади и глубина зоны перерождения огнеупора (положение изотермы 1150° C) при различном разгаре кладки с нижним воздушным охлаждением и без него.

Из приведенных данных видно, что глубина проникновения жидкого чугуна при охлаждении лещади снизу существенно уменьшается.

Применительно к лещади типовой доменной печи объемом 2700 м3 выполнены тепловые и механические расчеты, представленные на рис. 143, 144.

На рис. 143 нанесены тепловое поле и расположение зоны разошедшихся швов при сохранившейся огнеупорной кладке, на графиках рис. 144 показано распределение температур при последовательном всплывании рядов высокоглиноземистого кирпича.

В случае перерождения алюмосиликатная кладка должна разрушиться из-за всплывания блоков, так как жидкий чугун проникает под все ряды кирпича за исключением самого нижнего.

Приведенные данные указывают, с одной стороны, на надежность такой конструкции лещади в части центральных прорывов; с другой стороны — на нецелесообразность двухслойного выполнения огнеупорной кладки ввиду того, что алюмосиликатная часть лещади разрушается из-за всплывания блоков.

При наличии в периферийной части кладки зоны разошедшихся швов становится весьма нежелательным увеличение глубины мертвого слоя, образующегося за счет разгара кладки и соответствующее увеличение ферростатического давления.

Из всего этого следует, что стойкая против всплывания лещадь может быть выполнена в различных конструктивных вариантах, описанных ниже.

А. Лещади выкладывают из большемерных огнеупорных блоков из углеродистого или алюмосиликатного огнеупора. Блоки устанавливают вертикально, низ лещади охлаждается воздухом. При такой конструкции изотерма 1150° С, соответствующая границе проникновения жидкого чугуна, будет проходить выше нижней грани блоков и, следовательно, они не всплывут.

На рис. 145 представлена предлагаемая конструкция горна и лещади, выполненная применительно к типовой доменной печи объемом 2700 м3.

В первом варианте (см. рис. 145, левая сторона) центральная часть лещади выполнена из трех рядов вертикально установленных блоков, а периферийная — из горизонтальных.

Второй вариант (см. рис. 145, правая сторона) представляет собой усовершенствованную конструкцию, у которой блоки, примыкающие к холодильникам лещади, устанавливают вертикально с перевязкой горизонтальных швов и с дополнительным зазором между ними и горизонтальными блоками, расположенными ближе к центральной части. Это выполнено для того, чтобы зона разошедшихся швов не доходила до периферийных холодильников.

Расширение центральной части кладки будет компенсироваться промежуточным зазором, в результате чего примыкающие к холодильникам блоки останутся на прежнем месте, и вертикальные швы между ними не будут расходиться.

Б. Форма составных элементов кладки и лещади и их укладка исключают возможность всплывания при любом распределении температур.

Институтом «Гипросталь» предложена конструкция лещади сферической формы. При тонкостенной конструкции лещади со сферической углеродистой частью толщиной 1550 мм температура днища в центральной части лещади составит 150—160° С. При этом потери тепла через все днище составят 220 тыс. ккал/ч, или в среднем 2300 ккал/(м2*ч).

Зона возможного проникновения жидкого чугуна (изотерма 1150° С) не опускается ниже 500 мм.

На рис. 146 представлена конструкция лещади, выполненная для типовой доменной печи объемом 1513 м3.

Металлоприемник имеет сферическую форму с глубиной мертвого слоя до 1300 мм. Верхняя часть лещади выложена из клиновидных углеродистых блоков длиной до 1500 мм. Низ лещади выкладывают либо из пяти рядов прямоугольных углеродистых блоков, либо (в центральной части) из шамотной кладки, а по периферии и снизу — из углеродистых блоков. На основании опытов, проведенных на электрической модели, установлено, что в первом случае температура днища не превышает 120, а во втором 60° С. Целесообразнее представляется первый вариант, так как шамотная кладка ослабляет влияние нижнего воздушного охлаждения.

Применение блоков в виде четырехстороннего клина исключает возможность их всплывания. Кожух и масса вышележащей кладки горна препятствуют расширению лещади. Между блоками возникают силы сжатия, величина которых возрастает с увеличением толщины кожуха и его жесткости. В результате швы между блоками не расходятся. Чтобы снизить распорные усилия на стыке клиновидных вертикальных швов с прямоугольными, а также между днищем и кладкой, необходимо предусмотреть компенсационную набойку.

Запорожский электродный завод изготовляет для футеровки лещади доменных печей углеродистые блоки прямоугольного сечения размерами 400х400 и 550х550 мм, а также горновые блоки в виде двустороннего клина, что достигается механической обработкой прямоугольных блоков на фрезерных станках. Изготовление блоков, имеющих форму четырехстороннего клина, не потребует существенных изменений оборудования.

Для лещади печи объемом 1513 м3 нужны блоки десяти марок, допускается их использование и для печей меньшего объема. Центральный блок можно изготовить из круглой заготовки диаметром 800—900 мм. Блоки в виде четырехстороннего клина получают методом прессования как из углеродистого, так и из шамотного материала. Для этой цели потребуется не более 11 специальных форм.