СВОД ПЕЧИ Российский патент 2005 года по МПК F27D1/02 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве металлов на дуговых плавильных печах.

Известен свод электродуговой печи, включающий огнеупорную кладку из сводовых изделий и швы между ними, заполненные огнеупорным раствором. При этом толщина швов между кирпичами составляет 2-3 мм (Кайбичева М.Н. “Футеровка электропечей”, М., 1975, с.36).

Недостатком этой конструкции свода является низкая стойкость футеровки, т.к. тонкий шов недостаточно компенсирует термическое расширение кирпичей в процессе эксплуатации. Происходит механическое скалывание кусков кирпича.

Аналогичными недостатками обладает известный свод промышленной печи, включающий огнеупорную кладку периферии из сводовых изделий и швы между ними, заполненные огнеупорным раствором, толщиной 0,15-0,25 толщины сводовых изделий (Авт. св. №832289, F 27 D 1/02, 1979).

Предложение использовать комбинированную кладку с увеличенной толщиной швов на периферии и двукратным уменьшением толщины в центральной части свода также не обеспечивает компенсацию внутренних температурных напряжений в огнеупоре (Авт. св. №991123, F 27 D 1/02, 1983).

Известен огнеупорный камень для футеровки металлургических агрегатов, в котором, с целью повышения термической стойкости футеровки металлургических агрегатов, повышения герметичности кладки и снижения потерь тепла в окружающую среду, на боковых гранях вспомогательного участка выполнены выемки, а на противоположных гранях выступы, повторяющие форму выемок. Сопряжение смежных огнеупоров происходит в условиях замыкания футеровки в сплошную геометрическую конструкцию, замковая часть которой препятствует выпадению отдельных блоков при возможном разрушении подвесной системы (Патент России №2082928, 6 F 27 D 1/04, 1997).

Недостатками такого огнеупорного камня, в случае его использования в сводах печей с большой тепловой нагрузкой, требующей применения принудительного, например, водяного, охлаждения элементов его конструкции или всей поверхности свода, являются его низкая надежность и низкая стойкость футеровки. Выполненные на смежных боковых гранях огнеупорного камня по всей длине поверхностей граней и сопрягаемые друг с другом выемки, в условиях сильных температурных нагрузок, будут играть роль центров концентрации внутренних напряжений на границе основной и вспомогательной частей камня. Это будет приводить к скалыванию основной части, тем более, что возникающие разрушающие напряжения будут усиливаться изгибающим моментом на основную часть камня относительно выемки, возникающим в результате расклинивающего действия попадающих в зазор между поверхностями рабочих частей соседних камней продуктов плавки и невозможности перемещения вспомогательных частей соседних камней, которые будут защемлены под сжимающим усилием термических напряжений.

Известен водоохлаждаемый свод, содержащий металлический водоохлаждаемый корпус с футеровкой со стороны рабочего пространства печи, в котором, с целью повышения его стойкости, металлический корпус снабжен металлической перегородкой с дном, расположенной по всему его периметру и выполненной сплошной с зазором от дна, равным 0,003-0,005 диаметра свода, а в цокольной части свода выполнены отверстия по всей окружности дна для подачи воды в зазор. Между верхней стенкой корпуса и перегородкой установлены одна против другой две трубы, имеющие отверстия в боковых поверхностях, причем к середине каждой трубы прикреплены патрубки, один из которых сообщен с зазором в центре перегородки, другой для отвода воды соединен с боковой поверхностью корпуса, ребра жесткости которого, выполняющие роль крепления футеровки, выступают через нижнюю поверхность свода и образуют ячейки для нанесения футеровки - огнеупорной обмазки (Авт. св. №872930, F 27 D 1/02, 1981).

Недостатком такого устройства, при использовании в печах с большой тепловой нагрузкой, является низкая стойкость футеровки. Это связано с тем, что по мере удаления отверстий от места подвода охладителя, из-за увеличения сопротивления движению, снижается скорость истечения и уменьшается количество истекающего из отверстий коллектора охладителя. А это приводит к неравномерной интенсивности теплоотвода с тепловоспринимающей поверхности свода, что резко снижает физико-механические свойства металла, из которого выполнена эта часть свода, свод деформируется, огнеупорная обмазка под действием возникающих напряжений растрескивается и разрушается.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является свод дуговой печи, содержащий сводовое кольцо, кладку периферийной части, центральное кольцо, закрепленные на сводовом и центральном кольцах подвесные балки, скрепленные с помощью пластин и штырей с кирпичами, и жестко связанные с центральным кольцом опорные балки, в котором, с целью снижения напряжений в кладке свода и повышения его стойкости, свод снабжен пружинами, на которые оперты опорные балки, установленными в направляющих на нижние подвижные траверсы, связанные с верхними траверсами, смонтированными на заплечиках направляющих, которые жестко закреплены на сводовом кольце (Авт. св. №728457, F 27 D 1/02, 1986).

Недостатком такого устройства, при использовании в печах с большой тепловой нагрузкой, является низкая стойкость футеровки. Это объясняется тем, что при большой тепловой нагрузке предлагаемая частичная разгрузка свода, приводящая к некоторому снижению термических напряжений, будет оказывать положительное влияние в период разогрева футеровки и в начальный период, когда износ футеровки определяется сколами огнеупоров. При большей тепловой нагрузке, когда наблюдается преимущественный износ огнеупоров оплавлением, требуется организации принудительного теплоотвода, о чем говорится в описании изобретения применительно к центральной части свода, а также необходимо осуществление мероприятий по обеспечению монолитности и механической прочности футеровки, ее надежной фиксации на теплоотводящей поверхности свода.

Задача изобретения заключается в повышении стойкости свода.

Технический результат от использования изобретения заключается в увеличении стойкости свода за счет возможности эксплуатации футеровки до меньшей остаточной толщины.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве свода дуговой печи, включающем корпус с кольцевыми рядами кладки на огнеупорном растворе, каждый ряд которой выполнен в виде блоков из огнеупорных кирпичей с отверстиями, металлические пластины с отверстиями, неподвижно установленные на корпусе, штыри и футеровку центральной части, согласно изобретению каждый огнеупорный кирпич выполнен с плоским пазом и отверстием на одной стороне и отверстием на противоположной стороне, смежной с плоским пазом и отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича, блоки каждого кольцевого ряда расположены между двумя металлическими пластинами, крайние огнеупорные кирпичи блоков соединены при помощи штырей, установленных в отверстиях пластин, отверстия без штырей в огнеупорных кирпичах заполнены огнеупорным раствором, причем размер плоского паза соответствует размеру пластины, а отверстия в огнеупорном кирпиче и в пластине расположены соосно.

Выполнение на каждом огнеупорном кирпиче плоского паза на одной стороне необходимо для укрытия металлической пластины от разрушающих воздействий высокой температуры и печной среды, уменьшения шва между поверхностями огнеупоров, более быстрой и качественной установки и фиксации кирпича относительно пластины и, соответственно, кирпича в блоке и блока на поверхности свода.

Выполнение на каждом огнеупорном кирпиче на стороне плоского паза отверстия необходимо для установки стержня, который одновременно входит в отверстие в пластине и в отверстие соседнего в кольцевом ряду кирпича, что обеспечивает установку и фиксацию к поверхности свода кирпича и блока в целом. Если при наборе блока данный кирпич не требует установки пластины, то выполнение отверстия необходимо для образования, совместно с отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича, пространства, в котором будет формироваться своеобразная механическая связь с изменяющимися свойствами, зависящими от продолжительности времени ее формирования и от интенсивности воздействия на нее температуры печной среды.

Выполнение на каждом огнеупорном кирпиче отверстия на стороне, смежной с плоским пазом и отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича, необходимо для установки стержня, который одновременно входит в отверстие в пластине и в отверстие соседнего в кольцевом ряду кирпича, что обеспечивает установку и фиксацию к поверхности свода кирпича и блока в целом. Если при наборе блока данный кирпич не требует установки пластины, то выполнение отверстия необходимо для образования, совместно с плоским пазом и отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича, пространства, в котором будет формироваться своеобразная механическая связь с изменяющимися свойствами, зависящими от продолжительности времени ее формирования и от интенсивности воздействия на нее температуры печной среды.

Расположение блоков каждого кольцевого ряда между двумя металлическими пластинами необходимо для создания механической прочности и жесткости блока, надежного его крепления на поверхности свода.

Соединение крайних огнеупорных кирпичей блоков при помощи штырей, установленных в отверстиях пластин, необходимо для надежного соединения и крепления блоков между собой в кольцевом ряду кладки и на поверхности свода, создания необходимой механической прочности и жесткости кольцевого ряда кладки.

Заполнение отверстий без штырей в огнеупорных кирпичах огнеупорным раствором необходимо для того, чтобы огнеупорный раствор в процессе твердения сформировал в пространстве, образованном отверстиями, своеобразную механическую связь между огнеупорными кирпичами - огнеупорный стержень, который в зависимости от продолжительности времени его формирования и от интенсивности воздействия на него температуры печной среды будет иметь необходимые, в определенный период эксплуатации, свойства, которые, в свою очередь, будут определять необходимые для эксплуатации свойства кольцевых рядов кладки и стойкость кладки в целом.

Выполнение размера плоского паза, соответствующего размеру пластины, необходимо для быстрого и точного расположения и фиксации в заданном положении кирпича как в блоке, так и блока на поверхности свода.

Выполнение соосного расположения отверстий в огнеупорном кирпиче и в пластине необходимо для качественной и быстрой сборки огнеупорных кирпичей в блоки и блоков в кольцевую кладку.

Выполнение каждого кольцевого ряда кладки в виде блоков из огнеупорных кирпичей осуществляется для того, чтобы сформировать структуру расположения, в которой чередуется соединение двух смежных огнеупорных кирпичей жесткой механической связью - металлическим стержнем - с соединением установленных с ними рядом одного или двух огнеупорных кирпичей связью с переменными свойствами, зависящими от интенсивности воздействия температурного поля, т.е. температуры поля и продолжительности ее действия.

Совокупность перечисленных и обоснованных отличительных признаков предлагаемого устройства позволит получить эффект увеличения стойкости свода за счет возможности эксплуатации футеровки до меньшей остаточной толщины за счет формирования определенной структуры блоков из огнеупорных кирпичей и кольцевых рядов кладки из этих блоков, в которых чередуется соединение двух соседних кирпичей жесткой механической связью - металлическим стержнем - с соединением установленных с ними рядом одного или двух огнеупорных кирпичей связью с изменяющимися свойствами, причем последние зависят от продолжительности времени формирования этой связи и от интенсивности воздействия на нее температуры печной среды.

Известно устройство “Свод дуговой печи” (Авт. св. №691667, F 27 D, 1979), в котором имеется признак, сходный с заявляемым, а именно в своде печи часть огнеупорных кирпичей выполнена с отверстиями, в которые вставлены штыри, связывая кирпичи в кольцевые и радиальные ряды, образующие каркас, внутри которого расположены зоны из не связанных штырями кирпичей.

Однако в известном устройстве этот признак работает по другому. Штыри служат для соединения в кольцевых рядах всех кирпичей друг с другом или для соединения трех-пяти кирпичей в кольцевых рядах с периодически повторяющимся количеством кирпичей не связанных штырями, при этом три-пять этих кирпичей из рядом расположенных кольцевых рядов образуют радиальные ряды на своде печи. Необходимо подчеркнуть, что кирпичи в радиальных рядах не связаны между собой штырями, а связаны только в кольцевых рядах. Таким образом создается каркас из кольцевых и радиальных рядов, внутри которого расположены зоны из не связанных штырями кирпичей. Иметь достаточную строительную прочность в такой конструкции будут только кольцевые ряды, что определяет не начительную жесткость и низкую стойкость свода.

В заявляемом своде печи каждый огнеупорный кирпич выполнен с плоским пазом и отверстием на одной стороне и отверстием на противоположной стороне, смежной с плоским пазом, и отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича. Штыри не только соединяют крайние кирпичи в соседних блоках каждого кольцевого ряда, но одновременно и установлены в отверстиях металлических пластин, неподвижно расположенных на корпусе свода. Таким образом обеспечивается как соединение между блоками, так и фиксация блоков к металлической поверхности свода. Кроме этого отверстия без штырей в огнеупорных кирпичах заполнены огнеупорным раствором, который выполняет роль определенной связи с изменяющимися свойствами. По мере износа наружной рабочей поверхности огнеупорных кирпичей будет увеличиваться температура огнеупорного раствора, находящегося в пространстве формируемой связи, что, в конечном итоге, приводит к его спеканию и приобретению новых, не существовавших ранее свойств, в том числе к механической прочности спеченной керамической структуры, формирование которой сопровождается объемным расширением. Возникающие при этом объемные напряжения будут направлены противоположно термическим напряжениям в огнеупорных кирпичах и будут частично компенсировать их воздействие.

Подробный разбор и анализ сходного признака показывает, что в предлагаемом устройстве достигается новый эффект, который не мог быть достигнут в известном устройстве, что свидетельствует о соответствии заявляемого объекта критерию “изобретательский уровень”.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен свод печи в разрезе, на фиг.2 - узел А на фиг.1, на фиг.3 - разрез по Б-Б на фиг.2, на фиг.4 - огнеупорный кирпич.

Устройство содержит металлический корпус 1, на внутренней поверхности которого выполнена кольцевая кладка 2, каждый ряд которой состоит из примыкающих друг к другу огнеупорных блоков, набранных на огнеупорном растворе 3 из огнеупорных кирпичей 4. Каждый огнеупорный кирпич 4 имеет плоский паз 5 и отверстие 6 на одной стороне, смежной с соседним в кольцевом ряду огнеупорным кирпичом, и отверстием 7 на противоположной стороне. Крайние огнеупорные кирпичи 4 блоков соединены с неподвижно установленными на корпусе 1 пластинами 8 с отверстиями 9 при помощи штырей 10, установленных в их отверстиях, соответственно отверстия 6 и 7 огнеупорных кирпичей 4 и отверстия 9 пластин 8. В блоках отверстия 6 и 7 смежных огнеупорных кирпичей 4, в которых не расположены штыри 10, заполнены огнеупорным раствором 3. В каждом огнеупорном кирпиче 4 размер плоского паза 5 соответствует размеру пластины 8, а отверстия 6 и 7 имеют одинаковый диаметр. Диаметр отверстия 9 пластины 8 несколько больше диаметра отверстий 6 и 7 огнеупорного кирпича 4. Отверстия 6, 7 огнеупорного кирпича 4 и отверстие 9 пластины 8 расположены соосно.

Устройство работает следующим образом. Изготовленный на стенде и высушенный свод устанавливается на печь и подключается к магистралям подвода и отвода теплоносителя - воды (не показаны). В начальный период эксплуатации свода возникающие объемные расширения огнеупоров и термические напряжения в них частично компенсируются за счет деформации кладки, а линейным деформациям футеровки свода препятствуют металлические пластины 8, одной стороной неподвижно установленные на корпусе 1, а на другой стороне имеющие отверстия 9, в которых расположены металлические штыри 10, входящие в отверстия 6 и 7 огнеупорных кирпичей 4. Такая подвеска и жесткая фиксация огнеупорных кирпичей 4 в блоках обеспечивает надежное прилегание огнеупорных кирпичей 4 к поверхности свода 1, что способствует организации теплопередачи от поверхности кирпичей, контактирующих с рабочим пространством печи, к водоохлаждаемой поверхности корпуса 1 свода без потерь, связанных с возможным образованием пустот, т.е. без теплосопротивлений. По мере износа наружной рабочей поверхности огнеупорных кирпичей 4 увеличивается температура огнеупорного раствора, находящегося в отверстиях 6 и 7 смежных огнеупорных кирпичей, что, в конечном итоге, приводит к его спеканию и приобретению новых, не существовавших ранее свойств, в том числе к механической прочности спеченной керамической структуры, формирование которой сопровождается объемным расширением. Возникающие при этом объемные напряжения будут направлены противоположно термическим напряжениям в огнеупорных кирпичах и будут компенсировать их воздействие. Результат - увеличение стойкости огнеупорных кирпичей 4. Прочности спеченной керамической структуры достаточно, чтобы выдерживать нагрузку от веса огнеупорных блоков в тот момент, когда часть металлических пластин 8 вместе с установленными в их отверстиях 9 металлическими штырями 10 разрушается под воздействием температуры и атмосферы рабочего пространства печи. Это приводит к уменьшению надежной остаточной эксплуатационной толщины огнеупорных кирпичей и может способствовать формированию гарнисажного слоя на их рабочей поверхности, что повысит срок их службы.

Пример конкретного выполнения устройства.

Согласно проекту ТВ 2519.00.00.00.СБ “Футеровка свода печи РНБ-5” устройство содержит металлический корпус, на внутренней поверхности которого выполняли кольцевую кладку из 5 рядов, каждый ряд которой состоит из примыкающих друг к другу огнеупорных блоков, которые набирали на огнеупорном хромитопериклазовом растворе из огнеупорных кирпичей марок ХПТУ-1А, ХПТУ-8А (113А), ХПТУ-9А, ХПТУ-10А. Каждый огнеупорный кирпич имеет на одной стороне плоский паз размером 75×64 мм. Плоский паз начинается у торца кирпича, примыкающего к поверхности корпуса свода, и расположен симметрично вертикальной оси этой стороны кирпича. Аналогично осесимметрично на этой поверхности кирпича выполнено на расстоянии 45 мм от торца кирпича глухое отверстие диаметром 18 мм на входе и 17 мм у дна. Глубина отверстия 15 мм и соосно ему на противоположной стороне кирпича также выполнено глухое отверстие глубиной 20 мм с диаметрами на входе 18 мм и 17 мм у дна. Раскладка огнеупорных кирпичей в блоки выполнена таким образом, что в огнеупорный блок между металлическими пластинами преимущественно набирается по два или три огнеупорных кирпича. Отверстия крайних огнеупорных кирпичей блоков соединены при помощи металлических стержней через отверстия в приваренных с внутренней стороны к металлоконструкции корпуса свода пластинах с отверстиями в смежных огнеупорных кирпичах. В блоках отверстия в смежных огнеупорных кирпичах, в которых не расположены штыри, заполнены огнеупорным хромитопериклазовым раствором. В каждом огнеупорном кирпиче размер плоского паза соответствует размеру пластины, а диаметр сквозного отверстия в металлической пластине 17,5 мм, при этом отверстие в огнеупорном кирпиче и отверстие в пластине расположены соосно.

Состав хромитопериклазового раствора на жидком стекле на 1 куб. м.:

- заполнитель хромитопериклазовый (ЗХПУ), класс 7

(насыпной вес 2,0-2,2 г/ куб.см.) 2000 кг (1000 л)

- жидкое стекло (плотность 1,36-1,38 г/куб.см) 870 кг (640 л)

- натрий кремнефтористый (насыпной вес 1,29 г/куб.см) 87 кг (67 л)

Хромитопериклазовый раствор для наборки свода приготавливают на месте кладки в растворомешалках с вращающимися лопастями любого типа. Загруженный в растворомешалку заполнитель по мере перемешивания увлажняют жидким стеклом до получения раствора густой консистенции.

Применение новой конструкции свода на печи РНБ-5 позволило надежно уменьшить остаточную толщину огнеупорных кирпичей до 30-35 мм, что примерно в 1,5-2,0 раза меньше, чем было. Это способствовало увеличению срока службы свода на 15-20%.

Заявляемое техническое решение является оригинальным, не вытекает очевидным образом из существующего уровня техники и соответствует требованиям “изобретательский уровень”.

Таким образом, заявляемое техническое решение полностью выполняет поставленную задачу. Заявляемое техническое решение на настоящее время не известно в Российской Федерации и за рубежом и соответствует требованиям критерия “новизна”.

Техническое решение может быть реализовано промышленным способом в условиях серийного производства с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия “промышленная применимость”.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве металлов на дуговых сталеплавильных печах. Свод печи содержит корпус с кольцевыми рядами кладки на огнеупорном растворе, каждый кольцевой ряд которой выполнен в виде блоков из огнеупорных кирпичей с отверстиями, металлические пластины с отверстиями, неподвижно установленные на корпусе, штыри и футеровку центральной части. Каждый огнеупорный кирпич выполнен с плоским пазом, отверстием на одной стороне и отверстием на противоположной стороне, смежной с плоским пазом отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича. Блоки каждого кольцевого ряда расположены между двумя металлическими пластинами, крайние огнеупорные кирпичи блоков соединены при помощи штырей, установленных в отверстиях пластин, отверстия без штырей в огнеупорных кирпичах заполнены огнеупорным раствором. Размер плоского паза соответствует размеру пластины, а отверстия в огнеупорном кирпиче и в пластине расположены соосно. При использовании изобретения существенно повышается стойкость свода. 4 ил.

Свод печи, содержащий корпус с кольцевыми рядами кладки на огнеупорном растворе, каждый ряд которой выполнен в виде блоков из огнеупорных кирпичей с отверстиями, металлические пластины с отверстиями, неподвижно установленные на корпусе, штыри и футеровку центральной части, отличающийся тем, что каждый огнеупорный кирпич выполнен с плоским пазом и отверстием на одной стороне и отверстием на противоположной стороне, смежной с плоским пазом и отверстием соседнего в кольцевом ряду кирпича, блоки каждого кольцевого ряда расположены между двумя металлическими пластинами, крайние огнеупорные кирпичи блоков соединены при помощи штырей, установленных в отверстиях пластин, отверстия без штырей в огнеупорных кирпичах заполнены огнеупорным раствором, причем размер плоского паза соответствует размеру пластины, а отверстия в огнеупорном кирпиче и в пластине расположены соосно.