Вибір конструкції та розрахунок обладнання доменної печі об'ємом 5000м3

Міністерство освіти і науки України

Національна металургійна академія України

Кафедра металургії чавуну

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовий проект

 

з дисципліни “ Конструкції агрегатів доменного виробництва ”

на тему “ Вибір конструкції та розрахунок обладнання доменної печі об'ємом 5000м³”

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                  

 

 

 

 

Виконав студент гр. МЕ-01

Касаткін С.О.

                                                                    Перевірив проф.

                                                                          Бочка В.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дніпропетровськ НМетАУ

2013

 

1. Расчет профиля доменной печи

1.1. Профиль  доменной печи

Доменная  печь является плавильным агрегатом шахтного типа, т. е. с вытянутым в высоту рабочим пространством, в котором осуществляется принцип противотока. Внутреннее очертание рабочего пространства доменной печи называется профилем. Профиль печи делится на пять частей в зависимости от их геометрического очертания и технологического назначения. Верхняя часть печи, имеющая цилиндрическую форму, называется колошником. Наибольшая по объему часть печи, имеющая форму усеченного конуса, обращенного большим основанием вниз, называется шахтой. Наиболее широкая часть печи, имеющая форму цилиндра, называется распаром. Нижняя часть печи, также имеющая форму цилиндра, называется горном. Пространство между распаром и горном, имеющее форму усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх, называется заплечиками. Такая конфигурация рабочего пространства создает благоприятные условия для протекания необходимых аэродинамических и физико-химических процессов.

Основными размерами  профиля печи являются: полная и полезная высота, высота отдельных частей — колошника, шахты, распара, заплечиков и горна, диаметры горна, распара и колошника. Размеры профиля определяют общий размер доменной печи, который характеризуется величиной полезного объема.

Рассмотрим  значение каждого из перечисленных размеров профиля.

Полезная высота доменной печи определяется прочностью твердого топлива. Несоответствие высоты печи прочности твердого топлива приводит к разрушению последнего, в результате чего в нижней части печи образуется большое количество мелких фракций, загущающих шлак, который загромождает горн и препятствует нормальной работе печи.

Полная  высота больше полезной на величину, определяемую размером воронки засыпного аппарата, и зависит от конструкции засыпного аппарата,

Диаметр горна определяется количеством сжигаемого топлива в единицу времени. Практика работы доменных печей показывает, что увеличение диаметра горна не вызывает нарушений в доменном процессе и не ухудшает технических показателей плавки. Работа больших доменных печей доказала экономичность печей с широкими горнами.

Высота горна при заданном диаметре определяется количеством продуктов плавки, накапливаемых в горне между выпусками. Так как при увеличении объема печи, а следовательно, и ее производительности, диаметр горна возрастает, то высота его увеличивается незначительно. Чрезмерная высота горна недопустима вследствие снижения температуры в нижней его части и охлаждения накапливаемых продуктов плавки.

Диаметр распара в значительной мере определяет распределение газового потока по сечению печи. При малом диаметре распара, приближающемся к диаметру горна, чрезмерно усиливается периферийный поток газа. Чрезмерное увеличение диаметра распара усиливает неравномерность распределения материалов и газового потока в печи.

Высота  распара определяет угол наклона шахты при постоянных диаметрах распара и колошника. Углом наклона шахты определяются правильное распределение газового потока по сечению печи и опускание столба шихтовых материалов.

Диаметр колошника определяет распределение материалов в верхней части печи. Опасались недостаточной загрузки рудной частью шихты осевой зоны печи при ссыпании ее с засыпного аппарата. Практика работы больших доменных печей опровергла эти опасения.

Высота  колошника оказывает существенное влияние на распределение материалов в печи. Наличие цилиндрического колошника способствует уменьшению неравномерности в распределении материалов при изменении уровня засыпи. Доменная печь, лишенная цилиндрического колошника или с недостаточной его высотой, работает крайне неустойчиво, так как распределение материалов на колошнике резко изменяется с каждой подачей, загруженной ниже или выше нормального уровня засыпи.

Высота  заплечиков при большой высоте заплечиков рабочее пространство печи будет сужаться раньше, чем уменьшится объем материалов, что затруднит их нормальное опускание. Малая высота заплечиков уменьшает угол их наклона, что также ухудшает условия опускания столба материалов.

Высота  шахты определяет угол наклона ее стен при постоянных диаметрах распара и колошника и заданной высоте распара.

 

 

 

       Рис.1.1. Схема профиля доменной печи и его размеры: Vп - полезный объем доменной печи, Н - полная высота печи; Нп - полезная высота; dк, hк - диаметр и высота колошника; hш - высота шахты, D, hр - диаметр и высота распара ; hз - высота заплечиков; dг, hг - диаметр и высота горна; hмс - толщина мертвого слоя; hф - уровень фурм; hшл - уровень шлаковой летки; aш, αз - углы наклона шахты и заплечиков.

 

1.2. Расчет профиля  по методу А.Н. Рамма 

Так названные  «нормальные» профили были выведены в результате статистической обработки размеров большого количества профилей советских и американских доменных печей. Проф. А.Н.Раммом было установлено, что основные размеры профиля находятся в определенных соотношениях с полезным объемом или с полной высотой, что описываются формулами типа , где с и n - постоянные коэффициенты для каждого из основных размеров профиля. Высота каждого из элементов профиля прямо пропорциональна полной высоте. Углы наклона шахты и заплечиков изменяются автоматически в зависимости от объема печи и соотношения высоты шахты и диаметров распара и колошника.

Диаметры:

Распара               

Горна                  

Колошника        

Высоты:

Полная                

Полезная             

Горна                   

Заплечиков          

Распара                

Шахты                 

Колошника          

Проверка объёма доменной печи

Ошибка расчётов

Вывод. Ошибка минимальна (в технических расчетах допускается ошибка до 5%), следовательно, расчет правилен.

Количество фурм  рассчитывается с использованием эмпирической формулы

2. Расчет фундамента

Фундамент доменной печи служит для равномерной передачи давления печи с загруженными в нее сырьевыми материалами на грунт. Конструкцию фундамента рассчитывают с учетом нагрузки, создаваемой массой печи, шихтовых материалов и продуктов плавки, а также термических воздействий, возникающих в результате нагрева.

Фундамент делится на две части: верхнюю наземную часть, называемую пнем, и нижнюю подземную, называемую подошвой. Глубина заложения подошвы фундамента зависит от свойств грунта и глубины его промерзания. Размеры подошвы определяются допустимым давлением на грунт. При слабом грунте фундамент приходится опирать на искусственные основания (сваи, опускной колодец и др.), чтобы избежать чрезмерных осадок фундамента, нарушающих связь печи с соседними сооружениями и вызывающих в них опасные деформации. Особенно вредны неравномерные осадки, нарушающие работу засыпного аппарата.

Фундамент доменной печи подвергается интенсивному тепловому воздействию и поэтому должен обладать достаточной термической прочностью, не разрушаясь и не давая трещин при нагреве. Поэтому верхняя часть фундамента выполняется из жароупорного бетона, а нижняя - из обычного.

Жароупорность придается бетону применением огнеупорного наполнителя — боя шамота. В качестве связующего применяется портландцемент с тонкомолотыми добавками (молотый шамот или огнеупорная глина).

Форма фундамента должна способствовать лучшему сопротивлению температурным напряжениям и равномерному распределению давления на основание. Фундаменты современных доменных печей имеют подошву в виде восьмиугольной плиты толщиной около 4м. Кольцевая арматура по периметру подошвы воспринимает усилия, возникающие в результате термических напряжений. Верхняя часть фундамента выполняется монолитной. Огнеупорная кладка дна горна — лещадь — укладывается на горизонтальную поверхность верхней части фундамента.

1. Размер подошвы фундамента  рассчитывается исходя из допустимой нагрузки (давления) на почву, которое определяется на основании гео- и гидрологических исследований. В зависимости от плотности почвы эта нагрузка составляет для плотных 200-600кПа; средней плотности 100-250кПа. Массу доменной печи обычно принимают равной М_ДП = (13 ...15) V_П. Следовательно, площадь подошвы фундамента можно подсчитать согласно с выражением

 

    d_п=17.7м

 

Рис.2. Схема фундаменту типової доменної печі

 

Диаметр круглой  подошвы (в действительности она  восьми или шестнадцатигранная), рассчитывается из следующей геометрической зависимости

Диаметр пня рассчитывается с выражения

Где d_Г- диаметр горна;

       В_Г- толщина стен горна (1-2м).

Тогда диаметр верхней  части подошвы

Где В_П- ширина площадки (1,5-2,5м) на верхней части подошвы, где находятся колоны горна.

Высота нижней части подошвы h₁ составляет приблизительно 2м. Угол наклона конической части подошвы Высота верхней части подошвы  h₃ составляет приблизительно  1- 2м. Для определения высоты конической части подошвы можно  применить формулу

Высота пня обычно составляет 2-3м и зависит от параметров литейного двора  для обеспечения  постановки и налива чугуновозных ковшей.

3. Выбор и описание конструкций доменной печи
1. Металлические конструкции

Доменная  печь снаружи заключена в металлический кожух, состоящий из ряда цилиндрических и конических поясов.

Кожух выполняется из листов низколегированной высокопрочной стали марки 16Г2АФ, толщина которых определяется местом их установки с учетом механических усилий и температурных напряжений. В зависимости от размеров печи, конструкции кожуха и марки стали толщина кожуха лещади и горна составляет 50мм, заплечиков 50мм, шахты, колошника и купола печи  45мм. 

На печи объемом 5000 м³ опорные колонны отсутствуют, и колошниковое устройство опирается на перекрытие шатра поддоменника.

 

Рис.3.1. Самонесущий кожух доменной печи с опорой на шатер поддоменника.

 

Данными конструктивными решениями исключается необходимость в мораторе, который является наиболее слабым конструктивным узлом шахты при обычной конструкции с опорой на колонны. Моратор вместе с примыкающими к нему царгами кожуха непрерывно испытывает переменные деформации, с одной стороны, от сжатия под действием горизонтальной составляющей реакции колонн и, с другой стороны, от кольцевых усилий, возникающих от внутреннего давления, создаваемого газом в печи. Растягивающие силы преобладают над сжимающими и являются причиной образования напряжений в кладке моратора с последующим разрушением кирпича.

      Кожух самонесущей конструкций, т. е. кожух шахты, колошника и купола, опирается на кожух нижней части печи (мораторное кольцо отсутствует).

Кожух выполняют из листовой стали толщиной 30 – 50 мм, неодинаковой по высоте печи. Так, на доменной печи объемом 5000 м³ толщина листа принята равной в нижней части лещади 38 мм, в верхней части лещади, горне, фурменной зоне, заплечиках и распаре 45, в шахте 38 – 30, колошнике и куполе 45 мм.

Колошниковое устройство опирается на шатер здания литейного двора.

На нескольких горизонтах по высоте печи вокруг кожуха размещены площадки, необходимые для обслуживания печи. Площадки соединены. между собой лестницами и лифтом.

Металлический кожух доменной печи создает герметичность, которая особо важна при работе печи при повышенном давлений газа в рабочем пространстве. В нижней части (под лещадью) кожух печи иногда имеет дно, предназначенное для герметизации печи. Верхняя часть кожуха стягивается литым стальным фланцем, являющимся опорой для засыпного аппарата.

3.2. Конструкция лещади, горна, заплечиков, шахты и колошника

Огнеупорная кладка лещади омывается жидким чугуном, поэтому испытывает большое гидростатическое и температурное напряжение. В связи с этим она выполняется из материала, имеющего высокую огнеупорность и высокую температуру начала деформации под нагрузкой. Лещади доменных печей  выполняются из углеродистого и высокоглиноземистого материала.