Строительные элементы печей

Фундаменты печей

Фундамент предназначен для передачи силы тяжести всего сооружения на грунт. Нагрузка, производимая подошвой фундамента на грунт, не должна превышать 250 кПа. Для обеспечения равномерной осадки фундамента нагрузка дол­жна быть одинаковой по всему периметру подошвы. Назва­ния элементов фундамента приведены на рис. 70, где пока­заны фундаменты различных печей. Геометрическая форма фундамента может быть разной, поскольку она зависит от конструкции печи и ее размеров.

Фундамент должен обладать большой прочностью. Фун­даменты сооружают из красного кирпича (в сухих грунтах), бутового камня, выложенного на растворе, и чаще все­го из бетона и железобетона. При строительстве печей вне крытых цехов (доменные, обжиговые печи и др.), глубина заложения фундамента должна быть ниже глубины промерзания грунта; при строительстве печей внутри цехов это правило не имеет значения. Во влажных грунтах фунда­менты защищают от воздействия грунтовых вод, покрывая поверхность фундамента гидроизоляционными материалами или осушая территорию вокруг фундамента отводом грун­товых вод. В случае, если некоторые узлы печи (регенера­торы, борова) размещаются ниже уровня грунтовых вод, для них сооружают гидроизолированные кессоны из мягкой стали или из специального железобетона.

Обязательной является защита фундамента и от воздей­ствия высоких температур. Для того чтобы его температура не превышала 200 °С между фундаментом и футеровкой по­да печи предусматривают слой теплоизоляционного мате­риала.

Каркасы печей

Каркас печи возводят на фундаменте. Его выполняют из различных металлоконструкций. Главная задача каркаса — воспринимать усилия, возникающие в футеровке печи при ее тепловом расширении. Каркас также несет на себе всю арматуру печи (заслонки, рамы), площадки для обслужи­вания, горелки, механизмы и другое оборудование печи.

Конструкция каркаса зависит от конструкции печи. Так, у конверторов, шахтных печей и малых нагревательных уст­ройств кожух и каркас выполняются как единая конструк­ция. Для большинства плавильных и нагревательных печей сооружают каркасы стоечного типа. Их подразделяют на подвижные и жесткие.

Подвижный каркас, показанный на рис. 71, а, представ­ляет собой стойки, расположенные по бокам и торцам печи, связанные между собой попарно поперечными и продольны­ми болтовыми связями. По мере разогрева печи болтовые связи отпускают, а при ее охлаждении затягивают, компен­сируя температурное расширение кладки. Многократный от­пуск связей может привести к перекосу каркаса и печи. Помимо этого, подвижный каркас требует значительных за­трат на обслуживание. Поэтому в настоящее время такие каркасы почти не применяют.

В последнее время наибольшее распространение получи­ли жесткие каркасы (рис. 71, б). В этой конструкции стой­ки жестко связаны между собой продольными и поперечны­ми связями, роль которых выполняют балки, приваренные к соответствующим стойкам. При кладке футеровки печи в этом случае предусматривают зазоры (называемые темпе­ратурными швами), которые заполняются за счет расширения кладки при разогреве печи, исключая возникновение опасных термических напряжений.

Важным элементом конструкции печи являются подпятовые балки, которые служат для восприятия и передачи на каркас распорного уси­лия арочного свода. Эти балки крепят к стойкам каркаса. Они могут быть водо- и неводоохлаждаемыми (рис. 72).

Каркасы печей с ароч­ным сводом и подпятовые балки рассчитывают по рас­порным усилиям свода. На рис. 72, а показано, что си­ла, направленная по норма­ли к плоскости пятового кирпича, может быть разло­жена на две составляющие: горизонтальную Н и вертикальную Р_в. Вертикальная составляющая Р_в передается через кладку стенки печи на фундамент, а горизонтальная Н стремится отклонить вер­тикальные стойки каркаса и прогнуть подпятовую балку. Поэтому подпятовую балку рассчитывают на изгиб как рав­номерно нагруженную по длине и покоящуюся на двух опо­рах, т. е. между двумя стойками каркаса. Вертикальные стойки рассчитывают на изгиб под действием силы Н, а сечение горизонтальных поперечных тяг каркаса определяют, исходя из того, что они не должны деформироваться под действием растягивающей их силы Н. Значение силы Н можно найти из выражения

где G — вес арочного свода, H; j— центральный угол сво­да (см. рис. 71, а); п — число пар стоек каркаса, восприни­мающих распорное усилие свода.

Учитывая дополнительные усилия, возникающие в ароч­ном своде при нагреве вследствие термического расшире­ния, найденную силу Н умножают на эмпирический коэф­фициент запаса, равный 2—3 (в зависимости от температу­ры печи).

При расчете каркаса для печи с плоским, подвесным сво­дом рассчитывают поперечные тяги на изгиб под действием силы тяжести свода, а вертикальные стойки — на попереч­ный изгиб. Усилия, действующие на каркас в этом случае, меньше и поэтому каркасы таких печей легче и проще.

С учетом тяжелых условий службы при расчете любых каркасов печей допустимые расчетные напряжения для ста­ли, из которой их изготовляют, принимают в два раза мень­ше номинальных.

Футеровка печей

Футеровка печи состоит из пода, стен и свода. Кладка всех этих элементов футеровки осуществляется различными методами. Кирпичи укладывают в большинстве случаев на плашку (рис. 73, а), но в подах и сводах печей их часто кла­дут на ребро и на торец (рис. 73, б, в). Различают также укладку кирпича ложковую (рис. 73, г) и тычковую (рис. 73, д).

В каждом последующем ряду кладки кирпичи смещают (на ¼, на ½ или ¾ размера кирпича) относительно преды­дущего ряда с тем, чтобы швы в двух соседних рядах не сов­падали. Это укрепляет кладку и делает ее более устойчивой по отношению к шлаку и к газам. Такое смещение швов на­зывают перевязкой.

Вертикальные швы перевязывают всегда, а горизон­тальные — редко. Некоторые примеры перевязки швов показаны на рис. 74.

Огнеупорный слой с теплоизоляционным перевязывают крайне редко, поскольку их разные коэффициенты терми­ческого расширения могут вызвать смещение и разрушение кладки. Для компенсации термического расширения кладки в ней предусматривают температурные швы, размеры и чи­сло которых зависят от рабочей температуры печи и мате­риала и колеблется от 5 до 15 мм на 1 м кладки.

Под печи

Его выкладывают либо прямо на фундаменты, либо на стальные листы, опирающиеся на подподовые балки, а в небольших печах прямо на подовые стальные листы. Зазор между подом и фундаментом, образуемый благодаря подподовым балкам, служит для предотвращения перегрева верха фундамента.

Под всегда выполняют многослойным. Нижние его слои, называемые выстилкой, кладут из теплоизоляционного кирпича и низших сортов огнеупорного кирпича, а иногда из красного кирпича. Верхние слои пода выполняют из соот­ветствующих характеру работы печи огнеупорных материа­лов. При кладке пода всегда обеспечивают тщательную пе­ревязку швов, а ряды кирпичей размещают вперемежку, че­редуя кладку на плашку и на ребро. Верхний ряд кирпичей кладут всегда на ребро или в елочку (как паркет). Это обе­спечивает продление срока службы пода благодаря его луч­шему сопротивлению механическому воздействию загружа­емого в печь металла.

Верхний ряд кирпичей пода укладывают так, чтобы они не были перевязаны с кладкой боковых стен. Это позволя­ет легко удалять верхний, наиболее изнашиваемый слой фу­теровки пода при ремонтах.

В термических печах с подподовыми топками под выпол­няют в виде арочных сводов (рис. 70, в), либо перекрыва­ют специальными подовыми плитами и брусьями.

Толщина кладки пода в нагревательных печах в зависи­мости от рабочей температуры и размеров печи составляет от 230 до 460 мм. В плавильных печах она значительно боль­ше и достигает, например, в крупных мартеновских и двухванных печах 1200 мм (вместе с наварным слоем).

Стены печи

Их выкладывают всегда, размещая кирпичи на плашку. Так же, как и при кладке пода, швы перевязывают. Стены плавильных печей делают часто наклонными с толщиной, уменьшающейся кверху, а стены нагревательных печей — всегда вертикальными с постоянной по высоте толщиной. Толщина стен плавильных печей всегда весьма значительна. Например, стены горна доменной печи достигают 1,6, а шах­ты 1,1 м. Стены мартеновских и двухванных печей на уров­не порогов рабочих окон выкладывают толщиной до 1,1, а в верхней их части до 0,9 м. Толщина футеровки стен нагре­вательных печей изменяется в довольно широких пределах и зависит от условий их работы и размеров печи.

Во всех случаях стены печей выполняются двухслойны­ми, а иногда и трехслойными. Внутренний слой, подвергаю­щийся воздействию высоких температур, расплавленных ме­таллов и шлаков, выполняют из плотного огнеупорного кир­пича с высокими рабочими свойствами, но с невысокими теплоизоляционными характеристиками. Наружный слой (или слои) делают из теплоизоляционных материалов или засыпок, отличающихся невысокой плотностью и низкой теплопроводностью.

Толщина теплоизоляционного слоя оказывает очень силь­ное влияние на потери тепла теплопроводностью через клад­ку и ее увеличение позволяет резко уменьшить проходящий через футеровку тепловой поток. Однако чрезмерное увели­чение толщины теплоизоляционного слоя опасно, поскольку оно может привести к снижению механической прочности стен в связи с очень низким сопротивлением теплоизоляци­онных материалов сжатию. Кроме того, увеличение общей толщины футеровки стен вызывает повышение потерь тепла на аккумуляцию при разогреве, что особенно важно для пе­чей периодического действия.

Рекомендуемые толщины футеровки топливных нагрева­тельных печей приведены в табл. 11.

При выборе футеровки для электрических нагреватель­ных печей вопрос экономии дорогостоящей электроэнергии приобретает очень большое значение, а опасность местных перегревов внутреннего огнеупорного слоя уменьшается. Поэтому слой тепловой изоляции в этих печах делают сравнительно толще, чем в топ­ливных, по отношению к ог­неупорному слою.

Рекомендуемые толщины футеровки электрических нагревательных печей при­ведены в табл. 12.

В стенках печей всегда выполняют отверстия: рабо­чие и смотровые окна отвер­стия для горелок и форсу­нок и т. д. Для того, чтобы эти отверстия не ослаблялифутеровку, изоляционный слой около них не выкладыва­ют, а кладку из огнеупорного кирпича ведут прямо до ко­жуха, на всю толщину стены. Небольшие смотровые отвер­стия перекрывают одним кирпичом, а окна — специальны­ми брусьями либо арочным сводом. С наружной стороны окон для обеспечения плотного прилегания заслонок ус­танавливают рамы, которые делают водоохлаждаемыми в высокотемпературных печах.

Свод печи

Его выполняют арочным или подвесным. Конструкция и основные размеры арочного свода показаны на рис. 71, а. Радиус кривизны этих сводов обычно принимают равным пролету свода В, т.е. ширине печи. Такой профиль свода называют циркульным. Реже выполняют полуциркульные арочные своды, у которых радиус кривизны равен половине пролета. Толщину свода S берут обычно равной торцовому размеру кирпича, т. е. обычно 230 мм (иногда 300 мм).

Своды сталеплавильных печей обычно выполняют без теплоизоляции во избежание их перегрева, а своды нагре­вательных печей изолируют, как правило, слоем засыпки толщиной от 65 до 230 мм.

Арочные (распорные) своды применяют для тех печей, у которых ширина пролета не превышает 4 м. При большем пролете слишком возрастает распорное усилие и это вызы­вает необходимость сооружения очень мощного каркаса с большей затратой металла, а также делает свод ненадеж­ным.

При ширине пролета печи 4 м, а иногда и меньше свод выполняют подвесным. Его набирают из специальных кир­пичей, подвешиваемых к рамным металлоконструкциям, укрепляемым на стойках и на поперечных связях каркаса печи. Примеры выполнения подвесного слоя показаны на рис. 75.

Своды мартеновских и двухванных печей очень массив­ны. Поэтому их выполняют распорноподвесными, т. е. часть веса свода передается через подпятовые балки на стойки каркаса, а часть воспринимается поперечными связями че­рез специальные подвесные устройства.

Для тех печей, у которых своды делают съемными (элек­трические дуговые печи, нагревательные колодцы), их на­бирают в специальных металлических рамах, воспринимаю­щих все возникающие нагрузки.

Кирпичи в арочных сводах укладывают двумя способами: кольцами и вперевязку. Как в том, так и в другом случаях для кладки свода возводят опалубку, которую ставят на под печи. Укладка кольцами заключается в том, что один ряд кирпича поперек печи укладывают от одной подпятовой балки до другой.

При этом параллельные ряды (кольца) кирпича не свя­заны между собой. В случае ремонта можно легко заменить один ряд, не трогая соседние. При укладке вперевязку все кирпичи свода перевязываются, т. е. производится смещение швов между ними. Эта конструкция более прочная, но ее труднее ремонтировать, так как все кирпичи в своде оказы­ваются связанными между собой.

Сооружение печей