2. Испарительное охлаждение

В мартеновской печи охлаждению подвергают особенно много деталей - рамы завалочных окон, пяты главного свода и кессоны. С охлаждающей водой уносится до 293,1 кдж тепла на 1 т стали, а ее расход, например, для 500-т мартеновской печи составляет 300 м³/ч. В современных печах это тепло используют, применяя систему испарительного охлаждения. Питание системы должно осущест­вляться конденсатом или химически очищенной водой; в систе­ме производится промышленный пар. При этом расход воды по сравнению с охлаждением проточной водой сокращается примерно в 100 раз и благодаря отсутствию накипи срок службы охлаждаемых деталей увеличивается во много раз. Испарительное охлаждение применяют в доменных, марте­новских и нагревательных печах.

3. Кладка и фундаменты

Особенности кирпичной кладки и фундаментов печей

Печная кладка подвергается воздействию высоких темпера­тур, иногда меняющихся во времени, разъедающему действию пыли, шлаков, а иногда и газов. Вследствие этого кладка пе­чей расстраивается, теряет значительную часть своей строи­тельной прочности и монолитность.

Поэтому при производстве печной кладки принимают меры для компенсации температурных расширений: в кладке делают температурные швы, размер которых определяется ее материа­лом и рабочей температурой.

Кладку по возможности избавляют от строительных нагру­зок, которые передаются непосредственно на каркас печи. Так, например, арочные своды мартеновских печей опираются не на стенки, а прямо на сводовые подпятовые балки, закрепленные на стойках. Под регенеративной печи опирают на специальные балки, а не на своды и стенки регенераторов.

Пользование такой конструкцией печей, кроме того, очень облегчает ремонт их, позволяя расширять фронт ремонтных работ.

При сооружении печной кладки крайне нежелательно при­бегать к теске кирпича вследствие трудоемкости и высокой стоимости этой работы, обусловленной большой твердостью огнеупорных кирпичей.

Поэтому необходимо использовать для строительства печей фасонный кирпич всех марок и, в первую очередь, клиновой (для выкладки арочных сводов) и пятовый. Например, для выкладки доменной печи (с воздухонагревателями) применяют около 30 «фасонов», для выкладки коксовых печей - около четырехсот.

Ведение огнеупорной кладки на жидких растворах пресле­дует, в основном, цель придания кладке газоплотности, а не мо­нолитности. Многие огнеупоры кладут насухо с просыпкой швов порошком. Так ведут, например, кладку из магнезита и часто из динасового кирпича.

После разогрева печи наружную поверхность кладки, как правило, покрывают слоем уплотнительной и тепловой изоля­ции.

Новые перспективы открываются в деле сооружения печей с применением жароупорных бетонов

Обыкновенно давление на грунт даже от большой марте­новской печи не превышает 9,81 н/см². Поэтому сооружение печных фундаментов не представляет больших трудностей. Тем не менее, всегда нужно знать данные о грунте и уровне грунтовых вод и соблюдать строительные нормы на сооружение фундаментов.

В числе особенностей сооружения печных фундаментов нужно отметить следующие:

а) на один и тот же фундаментный массив нельзя опирать части печи и других сооружений, значительно отличающихся по массе. В этом случае может произойти различная осадка фундамента и появятся трещины и перекосы в сооружениях. В качестве примера можно указать на дымовую трубу, колонны здания, опоры под рабочее пространство мартеновской пе­чи. Для каждого из этих сооружений должен быть предусмот­рен отдельный фундамент, не связанный с другими;

б) подошва фундамента должна быть заложена ниже глу­бины промерзания грунта (обычно не ниже 1,8 м от уровня земли). В отапливаемых или горячих цехах, где грунт не за­мерзает, углубление фундамента под печь может быть очень незначительным;

в) если элементы печи, например регенераторы и борова, расположены ниже уровня грунтовых вод, то фундамент строят так, чтобы доступ воды к кладке печи исключался. Это очень важное, но, к сожалению, не всегда выполняемое требование. Известно много случаев, когда мартеновские печи приходилось останавливать только из-за попадания в регенераторы грунто­вых вод.

Одним из решений задачи является сооружение сварного из мягкой стали (при отсутствии агрессивности вод) кессона, который ставят на фундамент и в котором возводят всю огне­упорную кладку низа печи. Общий дренаж площади, занятой печами, также позволяет решить эту задачу.

Выбор толщины кладки

Если под, стены и свод печи сделать небольшой толщины, то это приведет к большим потерям тепла в окружающую среду и, кроме того, строительная прочность печи может ока­заться недостаточной. При большой толщине кладки потери тепла будут небольшими, но стоимость печи увеличится. Опти­мальная толщина кладки установлена практикой и приводится в справочниках.

Толщину кладки принимают кратной размерам кирпича. Размеры нормального кирпича 230 X 115 X 65 и 250 X 125 X 65 мм. Чаще всего используют первые из указанных кирпи­чей. Если толщина кладки составляет 230 мм, то считают, что она выложена в один кирпич, если 230 + 115 мм, то в полтора кирпича; если 230 + 230 = 460 мм, в два кирпича и т. д.

В большинстве случаев внутренняя часть кладки подвер­жена действию высокой температуры, а наружная нагревается гораздо меньше. Поэтому внутреннюю часть кладки, например, для печей непрерывного действия, выполняют из огнеупорного материала толщиной 0,5-1,5 кирпичей, а наружную из теп­лоизоляции толщиной 50-200 мм.

Если печь работает периодически, то, кроме тепла, которое теряется через кладку теплопроводностью, нужно иметь в виду и тепло, расходуемое на разогрев кладки остывшей печи. По­тери тепла при охлаждении кладки могут быть весьма значительны; поэтому для уменьшения их и сокращения продолжи­тельности разогрева печи уменьшают массу кладки за счет сокращения ее толщины и использования легковесных огне­упоров.

Устройство пода печей

По поду печи, который держит на себе нагреваемую садку (а в кольцевых и туннельных печах металл передвигается вместе с подом), металл передвигается от окна загрузки до окна выдачи. В связи с этим большего внимания требует не сама кладка пода, а устройства, обеспечивающие транспорти­рование металла по печи.

Эти элементы печи характеризуют уровень механизации и автоматизации загрузки, выгрузки и передвижения материа­лов внутри нее. Идеальным устройством является такое, кото­рое превращает печь в поточный агрегат, действующий в об­щей цеховой поточной линии.

Служба кладки пода значительно тяжелее, чем служба стен, так как на под попадает окалина со слитков и шлак, которые могут вызвать рост подины или ее разрушение.

В нагревательных колодцах, например, в настоящее время из-за этих трудностей перешли на жидкое шлакоудаление, а при сухой окалине под выкладывают из хромомагнезитового кирпича.

В сварной зоне методических печей под выкладывают из магнезита, хромомагнезита или талька, а в относительно хо­лодных частях печи — из шамота в 2-3 кирпича. Тепловая изоляция пода всех печей совершенно обязательна.

Огнеупорную и изоляционную кладки пода располагают на фундаменте.

Фундамент печи состоит из слоя красного кирпича и бе­тонной подушки или бутовой кладки. Толщина фундамента и другие его размеры зависят от типа и размеров печи, а так­же от состояния грунта. При конструировании фундамента необходимо иметь в виду, что температура на поверхности бето­на не должна превышать 250° С, так как при более высокой тем­пературе бетон в значительной мере теряет свою механическую прочность.

Для печей, в рабочем пространстве которых развивается высокая температура (например, камерных), и для сварочной части прокатных и кузнечных печей кладку пода нельзя рас­полагать непосредственно на бетонной подушке. Ее рекомен­дуется помещать на листах котельного железа толщиной 10-20 мм, а листы - на поперечных балках (швеллерах или двутаврах № 16 до 24). Расстояние между балками должно быть около 300-400 мм. В этом случае не обязательно устройство сплошной бетонной подушки.

Для плавильных ванных печей толщина пода также колеб­лется в широких пределах в зависимости от мощности печей от 500 до 1200 мм; под выполняют из разных (в зависимости от назначения печи) огнеупорных материалов с хорошей теп­лоизоляцией. Большая толщина пода плавильных печей необ­ходима не только для уменьшения тепловых потерь, но и для предотвращения ухода жидкого металла через под. Из этих соображений внутреннюю часть пода делают наварной или на­бивной. Кладку пода помещают в сварную металлическую кю­вету из котельного железа, а кюветы - на поперечные балки, которые укладывают на фундамент или на продольные балки, опирающиеся на металлические или железобетонные колонны.

Подовые устройства для транспортирования металла

Роликовая подина представляет собой систему роликов, не­сущих нагреваемые материалы (обычно листы) и осуществля­ющих их передвижение. Обычно все ролики ведущие. Такую конструкцию применяют в термических печах при нагреве ме­талла даже до температуры порядка 1100° С. В этих случаях ось роликового вала делают с водяным охлаждением и на нее насаживают диски из жароупорной стали или керамики.

В нагревательных печах секционного типа ролики обеспе­чивают скорость движения заготовки в ритме прокатного ста­на, стоящего с ними в одной линии (рисунок 27).

Большие удобства представляет конвейерный под. Он по­зволяет в любом ритме транспортировать через печь изделия любой формы (не тяжелые). Лента конвейера обычно состав­лена из звеньев, изготовленных из жароупорных сплавов (30- 40% Ni, 15-18% Сr).

При этом температура печи может достигать 900° С. В слу­чае более высоких температур, употребляют ленты с керами­ческими звеньями.

Для нагревательных кузнечных печей достаточно выносли­вы подины с шагающими балками. Металлические части ме­ханизма здесь удается разместить в нижних, более холодных участках печи. Самую же верхнюю часть балок делают кера­мической.

Рисунок 27 – Ролики секционной печи для нагрева слябов

В прокатных цехах наиболее распространены методические печи с толкателями.

Каждый раз толкатель проталкивает по подине всю садку на размер одного слитка. Садка движется по массивной кон­струкции из водоохлаждаемых (глиссажных) труб.

Ниже глиссажных труб или, как их раньше называли, стелюг, расположена зона нижнего обогрева слитков. Очень важ­но создавать надежную тепловую изоляцию стелюг, чтобы уменьшить потери тепла с охлаждающей водой. Без такой изоляции потери в тепловом балансе печи могут достигать 25%. Это важно и для уменьшения охлаждающего (местного) действия стелюг на перемещающиеся по ним слитки или за­готовки. Вариант теплоизоляции представлен на рисунке 28.

Чтобы использовать толкатель для передвижения коротких или негабаритных изделий, приходится их загружать в специ­альные поддоны. В конце печи нагретые изделия выгружают из поддонов, а поддоны возвращают к окну загрузки. Обычно такой метод применяют на небольших термических печах при нагреве мелких изделий. На нагрев поддонов тратится значи­тельное количество тепла.

Для нагрева тяжелых и коротких заготовок (трубных, ко­лесных) широко применяют кольцевые печи, в которых дви­жется весь под, выполненный в виде плоского кольца (рисунок 29).

1

Рисунок 28 - Изоляция подовых труб сборными блоками из огнеупорных сегментных кирпичей:

1 - огнеупорный сегментный кирпич; 2 - огнепорный заполнитель; 3 - ог­неупорная подмазка; 4 и 5 - асбестовые прокладки; 6 - металлическая обойма для подвешивания сегментных кирпичей к трубе; 7 - сварной шов

Рисунок 29 - Общий вид устройства пода кольцевой печи:

1 - загрузка заготовки; 2 - выгрузка заготовки

Для нагрева тяжелых слитков в цехах заводов тяжелого ма­шиностроения используют камерные печи с выдвижным подом. Грузоемкость пода практически не ограничена (существуют печи, предназначенные для слитков массой 250 т). Под пере­двигается с помощью электропривода. Выдвинутый из печи под попадает в сферу действия мостового крана, и, таким обра­зом, все работы по загрузке и выгрузке слитков оказываются полностью механизированными.

Печи с выдвижным подом оказались настолько удобными, что теперь их применяют очень широко — при термообработке, в сушилах и других печах большого и малого размеров.

Своды печей

Перекрытия печей, своды, делают арочными и подвесными. Если ширина печи более 3-4 м, то прочность свода уменьша­ется и сильно увеличиваются распорные усилия. В этом случае для нагревательных печей рекомендуется делать подвесные своды. Стрела прогиба арочных сводов может быть различной. Нормальным арочным является свод, у которого радиус кривизны равен ширине печи. Если радиус кривизны свода равен половине ширины печи, то такой свод называется полуциркуль­ным. Из-за больших распорных усилий не рекомендуется при­менять своды, у которых радиус кривизны больше ширины пе­чи. Своды металлургических печей выкладывают из специально­го сводового кирпича в форме клина и нормального. Тол­щина свода зависит от ширины пролета. Пролеты до 2-3 м можно перекрывать кирпичом толщиной 230 мм, при большей ширине применяют специальный сводовый кирпич размерами от 300 до 500 мм. Материалом для сводов нагревательных печей служит шамотный кирпич, а в области высоких темпера­тур - динасовый. Опоры для сводов выполняют из специаль­ного пятового кирпича, опирающегося на подпятовую балку (обычно швеллер), которая, в свою очередь, базируется на стойках и крепится к ним.

С наружной стороны своды должны быть хорошо тепло­изолированы. Для их изоляции можно пользоваться любым изоляционным материалом, достаточно огнеупорным при тех температурах, которые установятся в месте его соприкоснове­ния с кладкой свода.

Садочные окна и другие отверстия в стенах печей перекры­вают сводом нормальной кривизны толщиной в полкирпича или кирпич. Иногда перекрытия делают в два ряда по пол- кирпича, в этом случае говорят, что свод состоит из двух окатов.

Подвесные плоские своды выкладывают из особых фасон­ных кирпичей (рисунок 30), причем для создания подвесного свода можно либо каждый кирпич подвешивать отдельно, либо группы кирпичей укреплять на специальной балке и подвеши­вать ее. Понятно, что подвесной свод значительно дороже обычного, но при больших пролетах он надежнее. При наличии подвесного свода не требуется специального пятового кирпича. Распорные усилия подвесного свода невелики или отсутствуют совсем.

Теплоизоляцию подвесного свода осуществляют при помо­щи специальных плит. Насыпную изоляцию не используют, по­тому что металлические подвески оказались бы закрыты слоем изоляции, прогрелись бы и потеряли свою механическую проч­ность; кроме того, смена отдельных кирпичей была бы сильно осложнена.

Существуют конструкции арочных распорно-подвесных сво­дов, применяемые основных мартеновских печах. Недостат­ком подвесных сводов является огромная трудность их уплот­нения. Они дают большой подсос воздуха.

В ряде печных конструкций устраивают съемный свод (пол­ностью или секционно). В этом случае пяты свода опираются на жесткую литую или сварную раму. Кольцевые печи прямо­угольного и круглого сечений также перекрывают съемным сводом, заключенным в жесткую литую раму, причем кладка свода либо образует купол, либо ее подвешивают к раме. Для создания герметичности съемные своды у пят снабжены вы­ступами, которые в момент опускания свода входят в песочный затвор.

Рисунок 30 - Варианты конструкции подвесных сводов

Своды плавильных печей подвергают воздействию высоких температур и разрушающему действию шлаков. В этом случае материал для свода должен быть высокоогнеупорным и до­статочно шлакоустойчивым. Таким материалом является динасовый кирпич и лучшие сорта шамотного.

Применяют также магнезитовый и хромомагнезитовый кирпич особых сортов, однако они дороже и потому их используют только в высоко­температурных и сталеплавильных печах.

Металлический каркас печи

Каркас печи выполняет многообразные функции:

а) скрепляет кладку печи; при этом он воспринимает час­тично и вес кладки, в том числе вес сводов, передавая его на фундамент. Каркас воспринимает вертикальные и горизонталь­ные усилия, возникающие от распора арочных сводов. Элемен­ты каркаса преимущественно работают на растяжение и из­гиб, так как сама кладка может работать только на сжатие;

б) является скелетом, на котором монтируют всю гарнитуру печи: рамы и заслонки окон, топочные дверцы, горелки, форсунки и т. д. Кладка, как строительная конструкция, долж­на быть свободной от этих функций;

в) противостоит температурным расширениям кладки и на­правляет их в сторону температурных швов (жесткий каркас) или компенсирует их с помощью подвижных тяг (подвижной каркас).

Подвижное крепление показано на рисунке 31.

1

б

Рисунок 31 - Подвижное крепление:

а - устройство подвижного каркаса; б - конструкции пятовых балок;

1 - верхняя связь; 2 - стойка; 3 - пятовая балка; 4 - нижняя связь

При подвижном каркасе кладку иногда делают плотной без температурных швов и прокладок. По мере разогревания печи нижняя и верхняя связи опускаются и кладка свободно рас­ширяется в сторону «податливого» каркаса. Благодаря отпуску связей усилия в кладке и каркасе можно сократить до величи­ны, которую они имеют в холодном состоянии. Однако в на­стоящее время подвижной каркас печи почти совсем не при­меняют вследствие того, что отпуск связей практически почти невозможно выполнить в точном соответствии с температур­ными расширениями кладки. Поэтому теоретические преиму­щества подвижного каркаса фактически полностью не удается использовать. Кроме того, многократный отпуск связей после ремонтов и, следовательно, разогревов печи приводит к тому, что различные стойки принимают различный наклон и печь теряет свои проектные архитектурные формы. Наконец, как в строительстве, так и в эксплуатации устройство подвижного каркаса обходится дороже.

Жесткий каркас должен представлять собой монолитное строительное сооружение. Применение жесткого каркаса выдвигает ряд специальных условий, которые должны соблюдаться во время выполнения кладки печи. В стенах и вдоль оси свода делают температурные швы в соответствии с температурными расширениями упот­ребляемых огнеупоров. Ориентировочная ширина температур­ных швов должна составлять: для шамотной кладки из расчета 6 мм на 1 м длины; для динасовой и магнезитовой 12 мм на 1 м длины. При выкладке арочных сводов под пяты и по всей арке через 4-6 кирпичей закладывают прокладки из картона или рубероида. Толщина всех прокладок должна быть равна удлинению арки при ее разогреве до рабочих температур. Вы­бор толщины прокладок — дело ответственное, и обычно удов­летворительного результата достигают только тогда, когда хо­рошо изучены особенности кирпича, употребляемого для сво­дов.

Литература: 4 осн. [190-241].

Контрольные вопросы:

1. Перекидные устройства, конструкции задвижек и дросселей.

2. Конструкции устройств для подъема заслонок.

3. Особенности кирпичной кладки и фундаментов печей, выбор толщины кладки, устройство пода печей.

4. Конструкции подовых устройств для транспортирования металла.

5. Конструкции подвесных сводов печей.

6. Конструкция подвижного каркаса печи.