ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ Российский патент 1999 года по МПК C21B7/08 

Изобретение относится к металлургии черных металлов и может быть использовано в конструкции шахты доменной печи.

Известна конструкция доменной печи, футеровка которой содержит металлические сегменты в колошниковой части и огнеупорную футеровку в шахте [1]. При такой конструкции у доменных печей даже небольшого объема высота цилиндрической части колошника достигает 2 м и более.

Недостаток такой конструкции состоит в возникновении высоких боковых нагрузок на стенки колошника, что ведет к их износу и нарушению ровности схода шихтовых материалов. Высота цилиндрической части колошника, равная 2 м, избыточна для печей среднего объема. Она должна быть такой, чтобы зона загружаемых в печь материалов располагалась в ее пределах, а эпицентр зоны удара находился в верхних 2/3 колошника. Поэтому для печей объемом до 2700 м³ достаточна высота цилиндрической части колошника не более 1,75 м, а максимальная ее высота (для печей объемом 5000 м³ и выше) - до 2,5 м.

В конструкции [1] попытки уменьшить высоту цилиндрической части колошника приводят к разрушению огнеупорной кладки, находящейся немного ниже металлических сегментов, падающими с загрузочного устройства материалами. Создаются высокие боковые нагрузки в верхней части шахты с уменьшением активного веса столба шихты, ухудшается ровность схода плавильных материалов, использование химической энергии газового потока, снижаются технико-экономические показатели работы печи и сокращается ее кампания.

Известна конструкция доменной печи, футеровка верхней части шахты которой выполнена из подвижных стальных сегментов, установленных вперевязку и шарнирно связанных с колошником [2]. Такая конструкция устраняет недостатки вышеописанной конструкции, поскольку благодаря более низкому коэффициенту внешнего трения железорудных материалов по стали (f_c = 0,330-0,360), чем по огнеупорной кладке (f_o = 0,396-0,565) сход шихтовых материалов происходит ровнее. Перемещение сегментов обеспечивает необходимый угол наклона стенки шахты при выплавке чугуна из различных видов сырья. Но эксплуатация конструкции [2] сопряжена со значительными трудностями по уплотнению зазора между футеровкой и металлическими сегментами. Из-за нерешения этой задачи стойкость подвижных сегментов на д.п. N 2 НТМК составила всего около 1 года.

Из известных конструкций наиболее близким по технической сущности является футеровка доменной печи, содержащая колошниковую защиту, совмещенную с конструкцией верхней части шахты, подвешенную на тягах к куполу печи, и огнеупорную футеровку в шахте [3]. Колошниковая защита выполнена из пустотелых стальных маломерных сегментов (плит), соединенных между собой и с подвеской болтами. Сегменты обращены внутрь печи стенкой толщиной 100 мм, полости в них заполнены шамотным кирпичом на растворе. Подвески выполнены в форме ножей из металлического листа.

Недостатком прототипа является то, что перемещение защитных плит в вертикальной плоскости (вследствие термических напряжений) сильно затруднено из-за крепления сегментов на болтах. Поэтому на печах ММК и КМК с такой футеровкой наблюдалось выдвижение сегментов по направлению к оси колошника, достигавшее 100-500 мм, связанное с их расширением и пластической деформацией, а также с деформацией подвесок. Неплотности заполнялись цинксодержащими отложениями и деформация сегментов усиливалась. В результате затруднялся нормальный сход шихтовых материалов в верхней части печи. Колошниковую защиту необходимо было менять. Кампания печей между капремонтами III разряда составляла 2-3 года.

Задачей изобретения является уменьшение трения между стенкой шахты печи и шихтовыми материалами, а также повышение срока службы кладки шахты за счет улучшения конструкции футеровки.

Поставленная задача достигается тем, что футеровка доменной печи содержит металлические сегменты в колошниковой части и огнеупорную кладку шахту, отличающуюся тем, что с целью уменьшения сил трения между стенкой верхней части шахты и загружаемыми в печь шихтовыми материалами верхнюю часть шахты печи независимо от колошника футеруют металлическими сегментами на высоту одного - двух слоев загружаемых в печь материалов, устанавливая сегменты на специальные опоры.

Изобретение поясняется чертежами:
фиг. 1 - изображен разрез верхней части доменной печи;
фиг. 2 - предложенная конструкция верхней части шахты доменной печи.

Доменная печь состоит из кожуха 1, металлических сегментов на колошнике 2 и в шахте 3, и огнеупорной футеровки 4. Сегменты удерживаются опорами 5, выполненными в виде тавра. Для создания плотности в сегментах они заполнены шамотным кирпичем 6 на растворе, а зазор 7 между кожухом, сегментами и огнеупорной кладкой - асбестом хризотиловым. Опоры 5 расположены параллельно кожуху и исключают перемещение сегментов в горизонтальной плоскости, но позволяют им двигаться вертикально при тепловом расширении огнеупорной кладки 4. Цилиндрическая часть сегментов сверху защищается угловыми сегментами 8 от падающего потока шихты с загрузочного устройства.

Сегменты 3 образуют верхнюю часть шахты, угол наклона α₁ которых равен углу внешнего трения ϕ₁ шихтовых материалов в печи.

Высота шахты, футерованная сегментами 3, равна одному-трем слоям шихты 9 от загруженных в печь порций.

Из практики известно, что высота загружаемых порций материалов на доменных печах полезным объемом 1033-5000 м³ у стен колошника составляет 1,0-1,5 м. Высоту сегментов в шахте более трех метров делать нецелесообразно из-за снижения стойкости конструкции в зонах высоких температур и боковых нагрузок [2].

По данным исследований угол естественного откоса ϕ_o и внешнего трения ϕ шихтовых материалов в отсутствие газового потока показан в табл. 1 (см. в конце описания).

В условиях доменной плавки при уровне засыпи 1,25 м углы ϕ_o и ϕ уменьшаются под воздействием газового потока для агломерата, окатышей и кокса соответственно на 40,5; 31,2 и 38,1%.

Тогда угол наклона сегментов 3 равен:
α₁ = 90^o-ϕ₁. (1)
В современной доменной плавке используют не более 10% железной руды, а кокса преимущественно загружают в центральную и промежуточную зоны радиуса колошника. У стенки колошника находятся агломерат и окатыши. Поэтому угол наклона сегментов по (1) должен находиться в пределах α₁ = 78^o - 85^o на работающей печи, что хорошо согласуется с углами наклона шахт типовых и усовершенствованных профилей.

На остановленной доменной печи для предотвращения кострения материалов угол наклона сегментов должен составлять:
α₁ = 90^o-ϕ = 63^o-77^o (2)
Угол наклона сегментов меньше 63^o при плавке 100% агломерата и меньше 77^o при использовании 100% окатышей делать нецелесообразно, так как будут образовываться пустоты между потоком материалов и сегментами.

Доменная печь с такими углами наклона сегментов после длительных стоянок будет быстрее выходить на полный дутьевой режим. Рекомендуем делать печи с такими углами наклона сегментов, работающие с частыми остановками и раздувками (например, из-за отсутствия сырья или кокса и периодическом их накоплении).

В шахте с углом наклона сегментов больше 85^o при плавке 100% окатышей и свыше 78^o при использовании 100% агломерата на интенсивно работающих печах будут создаваться чрезмерные боковые нагрузки, ухудшающие сход шихты и разрушающие стенки.

При работе доменной печей на смеси агломерата и окатышей угол наклона сегментов должен быть установлен в соответствии с содержанием каждого компонента шихты, а также периодичностью работы и длительностью простоев.

Загружаемая в печь порция материалов 9 формируется в пределах колошника. При этом создаются боковые нагрузки в результате пластической деформации верхнего слоя.

Благодаря более низкому коэффициенту внешнего трения шихты по стали, чем по шамотному кирпичу, слой шихты быстрее опускается в шахту и фурменные очаги, повышая интенсивность доменной плавки, ровности хода печи и степень использования химической энергии газового потока.

Пример конкретной реализации изобретения
Предлагаемое техническое решение реализовано на ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат" в октябре 1995 г. на печи N 4 и в декабре 1995 г. на печи N 1 в период капитальных ремонтов II и I разрядов.

Верхняя часть шахты доменных печей представлена на фиг. 2. Печь N 4 сориентирована на выплавку ванадиевого чугуна с использованием повышенной до 70% доли окатышей, а печь N 1 - на проплавку местных Тагило-Кушвинских агломератов, поэтому угол α₁ на печах соответственно составляет 80^o25' и 80^o05'.

Сегменты с пазом устанавливают в опоры в виде тавра, и их приваривают к кожуху. По периметру сегменты между собой стягивают болтами.

Вначале на огнеупорную кладку уложили сегменты в шахте, а затем - сегменты в цилиндрической части колошника.

Порция материалов, опущенная с большого конуса, формируется в пределах цилиндрической части колошника. В результате пластической деформации верхнего слоя создаются максимальные боковые нагрузки. Благодаря меньшему коэффициенту внешнего трения шихты по стали, чем по огнеупорной кладке, опускание слоев шихты ускоряется, повышая интенсивность плавки по проплавленной рудной сыпи и ровность хода печи, а также степень использования химической энергии газового потока.

Технико-экономические показатели работы доменных печей N 4 и 1 при выплавке ванадиевого чугуна до и после внедрения предлагаемого технического решения представлены в табл. 2 и 4. Степень использования окиси углерода в колошниковом газе увеличилась с 0,463 до 0,481 и с 0,405 до 0,461.

Для доменной печи N 4 сравниваемые периоды взять с небольшим разрывом во времени, вызванным лишь ремонтом II разряда и выводом печи на запланированные показатели плавки.

В связи с продолжительным ремонтом (18 мес.) доменной печи N 1 и неудовлетворительными показателями плавки перед ремонтом разрыв во времени между стабильной работой в контрольном и опытном периодах составил свыше 4-х лет.

После приведения показателей плавки на доменных печах N 4 и 1 к одинаковым условиям (табл. 2 и 4) удельный расход кокса в периодах с внедрением нового технического решения сократился соответственно на 0,4 и 5,1%.

Из-за недостаточного количества сырья и существенного ухудшения качества кокса в периоде 2 на доменной печи N 1 снизили интенсивность плавки заменой воздушных фурм 160 на 140 мм, поэтому скорректированная производительность ее осталась примерно на одинаковом уровне (табл. 5).

На доменной печи N 4 изменение условий плавки не было столь существенным, как печи N 1, поэтому производительность ее после внедрения усовершенствованной колошниковой защиты возросла на 4,8% (табл. 3).

Благодаря предложенному техническому решению улучшаются технико-экономические показатели работы доменной печи (см. табл. 2-5).

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в конструкции шахты доменной печи. Сущность изобретения: доменная печь содержит заполненные огнеупорной футеровкой металлические сегменты в колошниковой части печи и в верхней части ее шахты на высоте одного - трех слоев шихты от загружаемых в печь порций, причем угол наклона рабочей поверхности сегментов к оси печи равен 63 - 85^o. Печь содержит также опоры в виде тавра, установленные с возможностью исключения перемещений металлических сегментов в горизонтальной плоскости и обеспечения их вертикального перемещения. Использование изобретения позволяет повысить срок службы кладки шахты печи за счет улучшения ее конструкции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

1. Доменная печь, содержащая заполненные огнеупорной футеровкой металлические сегменты в колошниковой и верхней части шахты печи и огнеупорную футеровку шахты, отличающаяся тем, что она снабжена опорами в виде тавра, установленными с возможностью исключения перемещения металлических сегментов в горизонтальной плоскости и обеспечения их вертикального перемещения, при этом металлические сегменты в верхней части шахты выполнены на высоте одного - трех слоев шихты от загружаемых в печь порций с углом наклона их рабочей поверхности к оси печи, равным 63 - 85^o. 2. Доменная печь по п.1, отличающаяся тем, что для интенсивно работающих печей угол наклона составляет 78 - 85^o. 3. Доменная печь по п.1, отличающаяся тем, что для печей с частыми остановками и раздувками угол наклона составляет 63 - 77^o.