Организация безопасного ведения процесса в доменных печах в условиях интенсификации его и выплавки больших масс чугуна и шлака является сложной и ответственной задачей. Решается она не только совершенствованием технологии и техники производства, но и прогрессивностью конструкций и оборудования всего комплекса доменной печи. Качество материалов, идущих на его сооружение, соответствие их технологии производства чугуна являются фактором сохранности основных и вспомогательных агрегатов. Оно обусловливается синхронной службой главных элементов печи — кожуха, системы охлаждения и огнеупорной кладки, взаимно дополняющих друг друга и обеспечивающих их нормальное состояние. Своевременное выявление степени износа этих элементов, его причин и профилактические меры для поддержания их в надежном рабочем состоянии имеют большое значение. Несмотря на сложность организации контроля, осуществление его должно быть обеспечено при всех условиях и является повседневной заботой эксплуатационного персонала в соответствии с инструкциями для каждого рабочего места.

Кожух доменной печи

Назначение кожуха — обеспечение строительной прочности сооружения доменной печи. Кроме давления, обусловленного процессами, происходящими в ее рабочем пространстве, кожух испытывает нагрузки от веса колошникового устройства, частично наклонного моста или транспортера, газоотводов, различных площадок и других конструкций. При нормальных условиях работы кожуха эти учтенные нагрузки не опасны, но при температурах выше 60 — 100° С они снижают его несущую способность.

Таким образом, состояние и работоспособность кожуха зависят от условий его эксплуатации. Характер разгара кладки, недостаточная интенсивность ее охлаждения создают неравномерные и повышенные прогревы. Возникают термические напряжения, явление усталости металла и потери им своих прочностных характеристик. Поэтому кожух должен быть максимально прочным и герметичным. Это достигается качеством стали, сварных швов, минимальным количеством перегибов и различных вырезов, в том числе отверстий для фурменных приборов, которые не должны занимать более 65% площади кожуха в фурменной зоне горна. Способность противостоять сосредоточенным нагрузкам от внутренних давлений, предохранение кладки от образования трещин и исключение контакта через них газов с металлом — обязательное условие для нормального температурного режима кожуха.

Учитывая специфику эксплуатации, он сооружается из марок стали, обладающих свойствами высокой вязкости, пластичности и термической стойкости. Обязательно соблюдение норм проектирования металлоконструкций, обеспечивающих службу металла в условиях высокого давления газов. Наиболее приемлемыми из них являются низколегированные стали марок 14Г2,16Г2АФ, 10Г2С1, 15ХСНД, 09Г2С и нормализированная Вст3сп. Их исследование на возможность повышения прочностных и пластических свойств и сопротивления хрупкому разрушению показали, что нормализация и закалка значительно повышают эти свойства.

Изыскания последних лет выявили новые перспективные марки более высокого качества. Таковыми являются малоуглеродистые низколегированные стали типа 06Г2ФР и 06Г2МФБ. Они обладают оптимальным комплексом прочности, пластичности, вязкости, хладостойкости и термической трещиностойкости.

Рекомендуется также для кожухов печей и воздухонагревателей толстолистовая (30 — 50 мм) сталь 09Г2МФБ с высоким сопротивлением хрупкому разрушению после длительного воздействия повышенных температур (тепловая хрупкость). Применение высококачественного металла с большими прочностными характеристиками (аустенитные, нержавеющие, перлитные и др.) не показано, так как высокий коэффициент термического расширения одних и низкая пластичность других способствуют деформации кожуха и образованию в нем трещин. Толщина листового металла для кожухов принимается от 25 до 75 мм в зависимости от объемов печей и размещения его по зонам профиля. Анализ причин так называемых “отказов” кожухов, т. е. образование в них трещин и разрывов, показал, что они сводятся, главным образом, к следующему:

  1. Нарушению технологии производства чугуна и правил технической эксплуатации конструкций и оборудования. По мере увеличения напряжений, особенно при неровном ходе печи, образование новых трещин, короблений и разрывов заметно возрастает.
  2. Недостаточная интенсивность охлаждения и низкая стойкость холодильников при больших разгарах кладки. Значительное ослабление системы охлаждения, если таковая своевременно не восстанавливается. Это особенно важно для горизонтальной или вертикально-горизонтальной схемы, когда образующиеся “лысины” (площадь кожуха, лишенная охлаждения) способствуют его местному перегреву.
  3. Действие паров цинка (Zn) и его окиси — цинкита (ZnO) и сажистого углерода (C) на металл кожуха и кладку.
  4. Нарушение графика планово-предупредительных ремонтов и из-за выработки ресурса металлоконструкций.
  5. Неправильные проектные решения, способствующие возникновению высоких местных напряжений в металле с образованием трещин и разрывов. Их ликвидация составляет 15 — 20% от общих простоев печей с потерей до 30% производства.

“Отказы” возникают преимущественно в углах вырезов для сменяемых холодильников или для вывода трубок несменяемых, а также для других целей, если вырезы не имеют угловых закруглений или круглой формы, предупреждающих концентрацию напряжений в металле. Образование трещин и разрывов объясняется наличием в кожухе растягивающих кольцевых (горизонтальных) усилий, оказываемых давлением от термического расширения кладки, шихтовых материалов и трением их о стенки печи. Одновременно с ними действуют также силы меридиальные (вертикальные), обусловленные ростом кладки по высоте профиля.

Деформация кожуха шахт доменных печей КМК

Наличие двухосного растяжения увеличивает степень деформации кожуха и ускоряет его разрушение. Оба вида деформаций прогрессируют по мере увеличения длительности кампании печей и достигают значительных размеров и колебаний по величине в различных зонах профиля (рис. 37). Так, меридиальные усилия в шахте бывают до 1500 — 2000 кг/см2, в фурменной зоне — 310 — 620 кг/см2, в цилиндрическом кожухе лещади — 1049 — 1290 кг/см2, под чугунной леткой — до 3150 кг/см2, а кольцевые в ее области — до 4400 кг/см2 при 2160 — 2350 кг/см2 в других участках горна. При конической его конструкции усилия в изгибе брони достигают 5350 кг/см2 при 4070 кг/см2 в других участках. Это объясняется возникновением в местах пересечения цилиндрической и конической частей кожуха значительных краевых напряжений (большой изгибающий момент) (рис. 38). Поэтому резкие переломы, образующие опасные сечения в местах их перегиба, нежелательны.

Экспериментальные кольцевые (среднеосевые) напряжения в кожухе доменной печи

С этой точки зрения горные печи с цилиндрической конфигурацией имеют преимущество, уменьшая возможные нарушения сплошности брони, особенно в непосредственной близости к чугунным леткам. Типовым проектированием принята форма кожуха горна конусообразная с целью увеличения толщины футеровки металлоприемника в области выпускных отверстий. Однако аварийность в указанной зоне не исключена. Сохранность канала леточного отверстия и его конструктивное оформление определяются не утолщенной футеровкой, находящейся вне сферы охлаждающего влияния горновых (леточных) холодильников, а качеством леточной массы, квалифицированным уходом за леткой с соблюдением технологии и графиков выпусков чугуна, с нормальной “продувкой” печи. Нарушение этих условий является главной причиной износа передней стенки горна, ведущей к прорывам его в области чугунных леток, независимо от формы кожуха (рис. 39). “Отказы” кожуха металлоприемника по этой причине составляют 20 — 65% от общего числа дефектов брони горна. В целом по печи они неоднотипны и связаны со спецификой процессов, происходящих в ее различных зонах.

Разрушение футеровки горна в области чугунной летки

Институт ВНИИмехчермет в своих работах дает схему наиболее типичных образований трещин на различных участках кожуха печи (рис. 40). В области горна и лещади образуются вертикальные трещины шириной до 60 — 80 мм и протяжением от фурменной зоны до низа лещади (рис. 40, п. 1). Они составляют до 30% выявленных трещин и встречаются примерно на 40% обследованных доменных печей. Расположение их часто совпадает с вертикальными стыками плитовых холодильников или со сварными швами. Они обычно возникают от недостаточных компенсационных свойств набивки и зазоров между кладкой и холодильниками. Величина их определяется до сих пор только эмпирическим путем. Перелом кожуха с большим краевым эффектом, расширение “козлового” чугуна после капитальных ремонтов 2-го разряда и неравномерность радиального давления кладки на кожух через холодильники также отражается отрицательно.

Схема кожуха доменной печи и наиболее распространенных дефектов кожуха

Пример 1.
На доменной печи одного из заводов Приднепровья вскоре после капитального ремонта 2-го разряда появились две вертикальные трещины на кожухе горна и лещади (рис. 41) шириной от 160 до 450 мм и длиной до 7700 мм. Разрыв был связан с изменением объема массы “козлового” чугуна. Охлажденная за время ремонта, она значительно увеличилась в объеме, создавая давление на кожух. Интенсивность давления зависит от величины зазора между кладкой и холодильником горна и компенсационных свойств набойки. Поэтому выдувку печи на ремонт 2-й категории надлежит проводить с минимальным количеством воды и возможно большим запасом тепла в горне, предупреждая излишние потери его за период ремонта. В современном производстве практикуется частичный выпуск “козлового” чугуна подобно ремонту 1-й категории.

Трещины кожуха, идущие от выводных трубок холодильников

Одной из причин “отказа” кожуха в области чугунных леток являются периодические нагрузки на него при закрывании пушками, имеющими для закрепления зацепы на брони передней стенки горна. Сконструированные в настоящее время новые модели пушек с боковым захватом у поворотного механизма устраняют этот недостаток. Однако этим не исключается появление в районе чугунных, шлаковых леток и фурменной зоны трещин по другим причинам. Они разнообразны и встречаются примерно на 65% обследованных печей, составляя до 40% от всех выявленных трещин (рис. 40, п. 2). Их длина составляет до 1,5 — 2,0 м. Чаще всего они начинаются от углов леточной рамы с прямоугольным отверстием для установки “венчика”. Поэтому предпочтительнее иметь отверстие овальной формы.

Будучи несколько сложнее по сооружению овальный венчик значительно прочнее и надежнее предохраняет раму чугунной летки и холодильники от термоусталостных явлений в металле, которые вызываются резкими колебаниями в нагреве кожуха и возникающими концентрациями напряжений. Особенно при недостаточном смягчении их компенсационным зазором между кладкой и холодильником. “Отказы” кожуха по этим причинам составляют около 10 -15% от всех нарушений целости металлоконструкций доменных печей. Району заплечиков, охлаждаемых плитовыми вертикальными холодильниками, свойственны вертикальные трещины, берущие начало от маратора (рис. 40, п. 3). Они обычно появляются в местах выхода из строя “сапожковых” холодильников, защищающих маратор и его стык с заплечиками, и составляют примерно 15% от общего числа повреждений. Их причиной является износ кладки распара (иногда из-за излишне большого угла наклона шахты), низкой стойкости холодильников и большого краевого эффекта в сопряжении кожуха заплечиков и распара.

Пример 2.
Высокие напряжения в районе холодильников и “отказ” кожуха по этой причине на одной из печей Северо-Запада России произошел из-за образования трещины, прошедшей через отверстия для болтов крепления холодильников (рис. 41). Простой печи составил более 8 ч., потери производства 1500 т. Такие трещины связаны с появлением мест концентрации напряжений, возникающих из-за давления бобышек плитовых холодильников. Оно передается на кожух усилиями от термического расширения кладки; давления болтов крепления, собственного веса холодильников и термического их расширения; локальных напряжений вокруг отверстий, вызванных давлением материалов и температурой из рабочего пространства печи. Реакции опорных колонн маратора при совместных двухосных усилиях от вертикально-горизонтального давления кладки противостоят силам кольцевых напряжений в кожухе, создают большие усилия. Они приводят к изгибу маратора с образованием кольцевых трещин (рис. 40, п. 14), отрыву его от колонн с потерей ими несущей способности. Эти деформации значительно усиливаются при малом и полном отсутствии зазора между футеровкой шахты и холодильниками. Его величина должна быть не менее 250 — 350 мм, особенно при работе на цинксодержащей шихте. Оптимальная величина его нуждается для своего определения в методике теоретического расчета в соответствии с условиями плавки.

“Отказы” маратора послужили основанием для перехода на конструкцию кожуха печи без него и его основных колонн, со свободно стоящей шахтой. Отсутствие колонн компенсируется передачей веса шахты на кольцевую балку колошника через специальные подвески. Однако полное отсутствие маратора нерационально, так как при ремонтах печей возведение кладки шахты одновременно с нижележащими горизонтами невозможно. Поэтому в более поздних конструкциях маратор меньшей ширины (400 мм), но достаточной для основания кладки шахта — восстановлен с установкой специальных колонн для опоры кольцевого воздухопровода.

Пример 3.
На одной из печей Северо-Западного района России объемом 2000 м3 допустили отступления от проекта. Зазор между холодильниками шахты и кладкой при капитальном ремонте 2-го разряда ликвидировали полностью. Давление кладки на кожух (работавший уже не одну кампанию), усиленное дополнительным ростом ее от насыщения цинком (Zn), превысило допустимые пределы усилий и стало причиной разрыва кожуха на протяжении 11 м по высоте. Разрыв сопровождался выбросом большого количества шихтовых материалов и тяжелыми последствиями. Сопутствующей причиной аварии была неправильная заварка небольшой трещины, образовавшейся в районе прорыва ранее, примерно за месяц. Вместо заделки концов трещины и последующей ее заварки — края трещины были скреплены только скобками, приваренными к кожуху. Раскрытие этой трещины явилось импульсом для дальнейшего разрыва кожуха (рис. 42). Печь простояла 20 суток. Потери производства составили около 120000 т чугуна.

Разрыв кожуха шахты доменной печи

Пример 4.
Другая доменная печь объемом 2000 м3 с комбинированной системой охлаждения (вертикально-горизонтальная), с вырезами в кожухе работала нормально в течение 15 лет с компенсационным зазором между кладкой шахты и холодильниками. При капитальном ремонте кладка шахты была уложена впритык к кожуху. Уже через две недели после задувки на шахте появилась трещина длиной 300 мм, увеличившаяся через 2 — 2,5 мес. до 2,0 м (рис. 43). Капитально трещину не закрепили. Вместо заварки с восстановлением прочности кожуха ограничились установкой уплотнения из уголков и поперечных ребер. Через три месяца после задувки произошел большой разрыв кожуха из-за увеличения незаваренной трещины. Разрушение кожуха могло привести к серьезным последствиям. Как показали поверочные расчеты, напряжения в металле были близки к предельным. Основной причиной разрыва явилось отсутствие зазора между кладкой шахты и холодильниками, ослабление кожуха вырезами для горизонтальных холодильников и технически неправильное решение по закреплению появившейся трещины вскоре после задувки.

Линия разрыва кожуха шахты при аварии

Образование трещин в заплечиках прогрессирует при повреждениях системы их охлаждения. Наружная поливка кожуха водой, хотя и является широко применимой мерой, компенсирующей отсутствие холодильников, полной сохранности кожуха не гарантирует. Более того, она способствует коррозии металла, создает дополнительные термические напряжения и возможность затекания воды за броню. При вынужденной поливке слой воды должен быть тонким и сплошным по всей охлаждаемой поверхности. Броню следует тщательно проверить на герметичность.

В неохлаждаемой части шахты “отказы” кожуха с образованием горизонтальных трещин (длиной до 3 м), как правило, появляются из-за малых зазоров между кладкой и холодильниками. Для заполнения их предпочтительно применять углеродистую массу. Способствуют образованию трещин и малые зазоры между кладкой и защитными сегментами на колошнике, жестко закрепленными на кожухе шахты. Подвесные конструкции колошниковой защиты (например, конструкция КМК с подвесными на куполе, регулируемыми по высоте косынками (рис. 44), скрепленными между собой литыми сегментами типа коробок “Фрейна”) более рациональны. Как в охлаждаемой, так и в неохлаждаемой зоне шахты на кожухе возникают, кроме кольцевых, и трещины различного направления.

Подвесная колошниковая защита конструкции кузнецкого металлургического комбината (КМК)

Это связано с выходом из строя холодильников или большого износа кладки и возникающих отсюда местных перегревов кожуха. Трещины чаще всего образуются в углах вырезов для установки холодильников различных конструкций, особенно прямоугольной конфигурации. Углы вырезов должны быть закруглены. Это особенно характерно для кронштейновых холодильников, установку которых, несмотря на длительное применение на заводах Донбасса и Приднепровья, рекомендовать нельзя как имеющих к тому же малую площадь охлаждения. Основное значение — поддержание кладки — осуществляется теперь более рациональными путями.

Пример 5.
Неудовлетворительное предохранение кожуха было причиной внезапного разрыва его на одной из печей Юга объемом 1719 м3. Печь была оборудована кронштейновыми холодильниками шахты и работала с повышенным давлением газа на колошнике — 0,15 МПа. Разрыв образовал проем площадью до 42 м2. Было выброшено на литейный двор около 800 м3 шихты со значительным повреждением конструкций, оборудования печи и здания литейного двора (рис. 45). Расследование причин разрыва показало, что первоначально он возник в месте стыкового шва-вставки кожуха с распространением по целому металлу на старую трещину, развиваясь в горизонтальном направлении. Обнаружено плохое качество заварки старой трещины с нарушением техники сварочных работ в виде раковин, непроваров и других дефектов в швах неразрушенных, но создавших ослабление этой зоны кожуха. Прямоугольные вырезы для кронштейновых холодильников без установки усиливающих амбразур способствовали возникновению аварийной ситуации при значительном разгаре кладки. Коррозия кожуха при длительном наружном охлаждении водой и общее его ослабление установкой нижних царг кожуха шахты тоньше на 5 мм (30 мм против 35 мм) сыграли свою роль так же, как и нарушение запланированного срока ремонта, намечавшегося за год до аварии.

Разрыв кожуха шахты

Повреждения кожуха по этим причинам составляют до 10% всех дефектов кожухов, даже при овальной конфигурации вырезов. Особое значение поэтому приобретает состояние и конструкция охладительной системы, которую при любых условиях необходимо сохранять в рабочем состоянии. Если при горизонтальной системе это осуществляется своевременной заменой холодильников, не считаясь с затратой необходимого времени (оно окупится дальнейшей нормальной работой печи), то при вертикальной или вертикально-горизонтальной задача ремонта ее значительно усложняется.

Продолжительная работа с поврежденным охлаждением губительно сказывается на остатках изношенной кладки, а затем и на самом кожухе. В этом случае следует произвести смену холодильников на ближайшем ремонте 2-го или 3-го разряда с вырезкой карт на кожухе и последующей их заваркой “встык”. Металл новых вставок и старого кожуха должен иметь одинаковую характеристику. Ширина вставок — не менее 400 мм для предупреждения в них возникновения трещин из-за напряжений в околошовных зонах, параллельных сварным швам. Поэтому от старых швов следует отступать не менее чем на 150 мм. При нарушении этих условий возможно появление трещин вдоль сварных швов или непосредственно на них длиной до 1,0 — 2,0 м вследствие механических и термических нагрузок, что и отмечалось неоднократно.

Пример 6.
На доменной печи Донбасса произвели частичную замену кожуха шахты. Как выяснилось после “отказа” его, сварные швы были выполнены с нарушением инструкции по производству сварочных работ и без проверки их качества ультразвуковой дефектоскопией. Трещина образовалась по сварке (рис. 46). Эксплуатационный персонал работу не контролировал.

Схема трещины горна доменной печи

При значительных повреждениях охлаждения работоспособность кожуха возможно поддерживать наружной поливкой (при соответствующей герметизации его) до ближайшего ремонта или подставлять горизонтальные холодильники. Создавая вокруг себя гарнисаж, они надежно предохраняют кожух от деформаций, компенсируя ухудшение его герметичности. Трещины и вспучивание в кожухе неохлаждаемой части шахты образуются от недостаточной герметичности кладки с перегревом металла в местах выгорания ее и проникновением газов непосредственно к кожуху (рис. 40, п. 6). Отсутствие или повреждение изолирующих перемычек это облегчает.

Из таких “отказов” кожуха наиболее опасными бывают кольцевые вспучивания по всему периметру шахты от сильного перегрева металла и потери им несущей способности. При этом нарушается соосность засыпного аппарата и оси печи. Радикальное средство для ликвидации прогрева — заливка под давлением шамотно-цементного раствора за броню через приваренные для этой цели штуцеры с кранами. Указанные виды повреждений кожухов не исчерпывают всех возможных “отказов” металлоконструкций. Они могут возникать в местах приварки литых деталей к кожуху из-за неправильного выбора марки стали (рис. 40, п. 15) или ошибочных конструктивных решений в сопряжениях литья и кожуха, в примыкании к куполу печи газоотводов, колошникового фланца и в опорном основном кольце. Эти повреждения вызывают трудно устраняемые загорания газа на колошнике, без капитальной локализации которых на печи работать нельзя.

Пример 7.
На одной из печей Урала (рис. 47) произошел разрыв кожуха в неохлаждаемой зоне шахты длиной до 10 м. Причиной аварии послужило оставление в кожухе монтажных скоб, передававших на него давление кладки и холодильников. Кожух печи был изготовлен из стали ВСт3сп5 (ГОСТ 380-71) толщиной 40 мм, которая не имеет гарантированных свойств по ударной вязкости и должна подвергаться нормализации. После нее способность стали к хрупкому разрушению значительно снижается, а закалка с отпуском повышает прочность, придавая ей высокий уровень пластичности. В данном случае термической обработки этой стали не было проведено. Печь имела простой 78,5 ч., потери производства — 9500 т чугуна.

Трещины на кожухе доменной печи

Повреждения кожуха в области колошника и купола являются следствием горения газа из-за хронически допускаемых длительных и глубоких опусканий шихты с высокими температурами колошника (до 450 — 500°С и выше) и местных прогревов купола из-за нарушения защиты его (футеровки, выкрашивание торкретбетона, обрыва холодильных плит). Аварии по этим причинам составляют до 15 — 20% от общего числа “отказов” металлоконструкций.

Пример 8.
На доменной печи объемом 5034 м3 через непродолжительное время после задувки появились трещины в кожухе шахты и по шву приварки колошникового фланца к куполу печи. Продувы газа, его горение вызвали частые остановки для заварки трещин с большой потерей производства. Трещины были следствием большого перегрева колошника (до 1000°С) из-за больших “опусков” уровня материалов и развитого периферийного хода (влияние отраженного гребня). Такой ход, часто допускаемый на длительное время, привел к разрушению футеровки и прогару холодильников в шахте. Ко времени ремонта печи (через 3 года после задувки) 15% их вышло из строя. Часть их сгорела полностью, что повышало нагрев кожуха до 800°С. Последний охлаждался наружной поливкой.

Пример 9.
На одной из доменных печей Юга лопнула броня по вертикали от фурменной зоны до низа лещади. Вместо вставки компенсирующей карты ограничились заваркой трещины. Броня лопнула снова. В зазор вставили узкую полоску брони и снова заварили. Разрывы и заварки после этого продолжались неоднократно в течение нескольких лет. Ширина разрыва постепенно увеличивалась и достигла 130 мм. Руководители цеха полагали, что причиной разрыва является застывший чугунный “козел”, который, разогреваясь, давит на кладку лещади и заставляет ее расширяться. Однако причиной оказалась недостаточная и не соответствующая своему назначению набойка между кладкой и холодильниками, которая не могла компенсировать температурное расширение лещади. В конечном счете произошел дополнительный разрыв брони, и в образовавшийся проем вышел чугун. Последствия аварии были весьма тяжелыми.

Пример 10.
Сильно изношенная печь на одном из заводов Юга России намечалась к остановке на капитальный ремонт. Но перед выдувкой произошел разрыв брони шахты с выбросом материалов на литейный двор. На ликвидацию аварии пошло значительное время. Причина аварии: водопроводчик, делая очередной обход шахты, не сообщил мастеру печи, что им на кожухе обнаружен разрыв по старой трещине. Ее следовало немедленно закрепить ребрами жесткости, что могло обеспечить работоспособность брони до остановки печи на ремонт. Это сделано не было, и через три часа после осмотра шахты водопроводчиком произошла авария с травмированием обслуживающего персонала.