Металлургическая печь

1 Настоящее изобретение относится к металлургическому печному агрегату с цилиндрическим печным корпусом, возможность вращения и/или поворота либо иного аналогичного перемещения которого достигается благодаря наличию на нем, по меньшей мере, одного кольца, установленного снаружи на наружной поверхности корпуса, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. В частности, изобретение относится к вращающемуся конвертеру с верхним дутьем. Под "металлургическим печным агрегатом" в первую очередь понимается устройство,в котором при очень высоких температурах протекает соответствующий пирометаллургический процесс. К "металлургическим печным агрегатам" в контексте настоящего изобретения относятся также печные агрегаты, в которых протекают и другие металлургические процессы, не являющиеся строго пирометаллургическими, например, высокотемпературные процессы, в которых участвуют неорганические вещества. К такого рода печным агрегатам относятся плавильные печи, обжиговые печи или различного рода термические печи как периодического, так и непрерывного действия. Такие печные агрегаты имеют одно или несколько охватывающих снаружи корпус печи колец, которые обычно называют установочными кольцами и которые выполняют функцию направляющих, поворотных или опорных колец. Общей отличительной особенностью таких колец является то, что все они расположены снаружи фактического корпуса печи, т.е. у внешней поверхности наружной цилиндрической стенки корпуса печи. В настоящее время существует много различных типов металлургических печных агрегатов с определенной конструкцией, которая зависит от характера их перемещений во время работы. В качестве одного из примеров можно назвать вращающиеся, установленные с небольшим наклоном печи непрерывного действия с несколькими кольцами, опирающимися на приводные или только на опорные ролики. Другим примером являются горизонтальные конвертеры, совершающие различные виды перемещений, например, конвертеры, поворачивающиеся или вращающиеся относительно своей продольной оси. Такие конвертеры также опираются на ролики, выполненные в виде свободно вращающихся или приводных роликов,наличие которых обеспечивает возможность наклона или вращения конвертера. Известна также группа печей, которые представляют собой не горизонтальные конвертеры. Отличительной особенностью таких конвертеров является то, что они могут наклоняться или поворачиваться вокруг оси, расположенной перпендикулярно их продольной оси, а также то, что они имеют днище и верхнюю часть с отверстием,которое в направлении продольной оси распо 000658 2 ложено против днища. К таким конвертерам относятся вертикальные конвертеры типа кислородных конвертеров продувки обычного чугуна сверху, томасовских конвертеров, установок для кислородно-конвертерного процесса донной продувки томасовского чугуна или конвертеров BOLD, а также наклонные вращающиеся конвертеры, которые часто называют вращающимися конвертерами с верхним дутьем или конвертерами типа Калдо. Вращающиеся конвертеры должны не только наклоняться и/или поворачиваться, но и должны вращаться вокруг своей продольной оси, часто с относительно большой скоростью. Вращение конвертеров способствует процессу перемешивания и ускоряет протекающие в конвертере реакции, а наклон или поворот конвертера упрощает его загрузку, продувку, удаление шлаков, выпуск плавки и смену футеровки. Общей проблемой, присущей всем металлургическим печам указанного выше типа, является проблема, связанная с созданием простой в эксплуатации конструкции крепления кольца или колец к наружной поверхности корпуса печи, которая имела бы высокую надежность с учетом возникающих во время работы печи больших изменений температуры внутри печи и температуры ее стенок. Такие изменения температуры носят и пространственный, и временной характер. Кроме того, при большом весе печи и ее содержимого серьезные проблемы в подобных печах возникают и в связи с необходимостью перемещения печи во время работы, в частности вращения и наклона или поворота. Возникающие в печах изменения температуры сопровождаются периодическими расширениями и сжатиями печи как в радиальном, так и в продольном направлениях. Кроме того, расширение печи в пределах ее корпуса происходит неравномерно. Серьезные проблемы возникают при непосредственном и жестком креплении колец к наружной стенке корпуса печи, поскольку кольца не могут повторять тепловых деформаций стенки корпуса печи. Поэтому обычно крепление колец к корпусу печи выполняется относительно свободным с определенным люфтом,наличие которого создает возможность проскальзывания колец вокруг корпуса печи. При этом, однако, между кольцами и корпусом печи обязательно остается зазор, который приводит к интенсивному износу и колец, и стенки корпуса,особенно при большом весе перемещающейся во время работы печи. Для решения этих проблем в последние годы были разработаны различные конструкции крепления колец, в частности конструкции, в которых для крепления колец к корпусу печи используются различные виды подвижных болтовых соединений. В одной из таких конструкций, описанной в GB-A 1218441, крепление опорного кольца к стенке корпуса печи, в частности к стенке конвертера типа Калдо, осущест 3 вляется с помощью специальных опор и "упруго" деформируемых болтов, которые расположены в отверстиях с вытянутым поперечным сечением, выполненных в кольце и опоре параллельно продольной оси печи таким образом,что продольная ось каждого отверстия лежит в радиальной плоскости печи, при этом противоположные концы болтов упираются в опорные поверхности, которые выполнены на кольце и опоре. Такая конструкция обеспечивает возможность поворота каждого болта в радиальной плоскости печи. При этом болты фактически образуют механическую связь, допускающую направленные под углом наружу от центра печи перемещения кольца. Общим недостатком всех известных и испытанных конструкций, в которых кольца установлены на корпусе печи, является повышенный износ корпуса печи и необходимость частого и регулярного проведения дорогостоящих ремонтно-профилактических работ. Именно по этой причине такие хорошо известные и испытанные конструкции не нашли в настоящее время должного распространения. С увеличением размеров и веса печей проблема износа корпуса печи приобретает еще большую остроту. Особенно острой эта проблема становится при создании печей, загрузка которых часто достигает 100 т. Наличие любого люфта в конструкции печи является не только причиной интенсивного износа, но и причиной возникновения при больших скоростях вращения печи значительного нарушения равновесия, что еще больше обостряет проблему износа. В DK-A 68786 предложена конструкция, в которой опорные кольца соединены с наружной поверхностью печи с помощью так называемых упругих несущих элементов. Эти несущие элементы жестко крепятся к наружной цилиндрической поверхности печи и к опорным кольцам с помощью, например, нескольких, расположенных рядами болтов. Каждый несущий элемент под действием приложенной к нему нагрузки изгибается, воспринимая перемещения корпуса печи, обусловленные его тепловым расширением. При соответствующей упругости материала, из которого изготовлены несущие элементы, такая конструкция может оказаться технически вполне эффективной и позволяет в определенной степени решить рассматриваемую проблему. Для лучшего использования упругих свойств таких несущих элементов они выполняются в виде пластин, стального профиля или имеют другую аналогичную форму и соединяются с коротким цилиндрическим элементом,расположенным у того конца несущего элемента, которым он соединяется с кожухом печи. При наличии у печи кожуха в нем предпочтительно выполнить осевые пазы, облегчающие возможность изгиба упругих несущих элементов. При разработке предлагаемой в настоящем изобретении конструкции были выполнены рас 000658 4 четы ряда предложенных ранее, но до сих пор еще не испытанных (по имеющейся информации) конструкций, предназначенных для решения указанной выше проблемы, связанной с тепловыми расширениями корпусов печей,имеющих опорные кольца. Такие прочностные расчеты печей, выполненные на компьютерах с использованием анализа по методу конечных элементов, показали, что при больших нагрузках и частых знакопеременных изменениях напряжений (из-за вращения печи) возникающие в корпусе печи напряжения выше предела усталости могут в отдельных местах привести к разрушению корпуса. Связано это, в первую очередь, с наличием в определенных местах корпуса концентраторов напряжений, образованных очерченными по радиусу пазами и крепежными отверстиями, которые существенно снижают срок службы всей конструкции. Одна из причин, по которой обладающая очевидными недостатками известная конструкция не нашла широкого применения, связана возможно с многочисленными отрицательными результатами,полученными при экспериментальных исследованиях печей. Отрицательные результаты экспериментов легко можно объяснить существующими в настоящее время методами расчета на прочность, основанными на использовании современной вычислительной техники. Настоящее изобретение, как уже было сказано выше, не ограничено вращающимися конвертерами, хотя фактически оно в первую очередь относится именно к таким агрегатам, из-за особой остроты присущей им проблемы крепления установочных колец, обусловленной отчасти специфическими условиями их работы, требующими одновременно вращения и наклона или поворота конвертера. О существовании таких проблем хорошо известно специалистам в области металлургии, имеющим опыт работы с вращающимися конвертерами. Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача создать металлургическую печь, конструкция которой существенно снижала бы остроту существующих в настоящее время проблем, связанных с креплением к корпусу печи установочных колец, обеспечивающих возможность вращения, наклона и/или поворота печи. Другой задачей настоящего изобретения является создание металлургической печи, отличающейся надежной работой и меньшими, чем у известных печей, затратами на ремонт и обслуживание. Указанные выше задачи решаются с помощью предлагаемой в изобретении конструкции металлургической печи, отличительные признаки которой представлены в приведенной ниже формуле изобретения. Предлагаемая в изобретении печь имеет кольца, в частности установочные кольца, такие, как опорные, наклонные или другие анало 5 гичные кольца, которые с зазором расположены вокруг корпуса печи и каждое из которых соединяется с корпусом печи передающим нагрузку опорным элементом, который вытянут в направлении продольной оси печи и препятствует перемещениям кольца вслед за обусловленными тепловым расширением перемещениями корпуса печи, передавая при этом на кольцо всю приходящуюся на него часть нагрузки от печи, включая вес ее содержимого. В предлагаемой в изобретении конструкции опорный элемент выполнен в виде закрытой оболочки, называемой в дальнейшем кожухом, который охватывает корпус печи и соединен с корпусом печи и с кольцом упругим соединением,которое обеспечивает при тепловом расширении корпуса печи ограниченное изменение угла между кожухом и корпусом печи и кольцом. Такая конструкция решает проблемы, связанные с тепловыми перемещениями корпуса, и обеспечивает крепление кольца к корпусу печи без изгиба опорного элемента или какой-либо другой деформации кожуха. При этом компенсация всего теплового расширения корпуса происходит без какой-либо деформации кожуха. В этом отношении кожух предлагаемого в изобретении опорного элемента можно назвать кожухом,"поглощающим расширение" корпуса печи. Под "поглощающим расширение кожухом" в изобретении, таким образом, понимается кожух, конструкция которого позволяет использовать специфические свойства конструкционного материала (обычно стали) и который выполнен таким образом, что при нагреве до определенной температуры он повторяет тепловые перемещения корпуса печи только в месте его крепления к корпусу печи, при этом диаметр его другого конца, который нагревается до меньших температур и менее подвержен изменениям температуры, остается практически постоянным и используется при креплении к кожуху установочного кольца, которое при этом расширяется намного меньше, чем другие детали. Кожух можно выполнить в виде цилиндра и соединить его на одном из концов или рядом с одним из концов с фланцем или другим подобным выступающим наружу элементом корпуса печи, радиальная протяженность которого должна соответствовать разнице между диаметром установочного кольца и диаметром корпуса печи, когда корпус находится в холодном состоянии, т.е. при отсутствии теплового расширения корпуса. В другом варианте кожух может иметь форму конуса, и его можно соединить с корпусом печи на конце с меньшей площадью поперечного сечения. В предпочтительном варианте между кожухом или той его частью, к которой крепится установочное кольцо, и корпусом печи следует расположить теплозащитный экран, препятствующий чрезмерному нагреванию кожуха, установочного кольца и опорного кольца и соот 000658 6 ветствующих подшипников и максимально ограничивающий возможные изменения их температуры. В кожухе и/или в выступающем фланце корпуса печи можно предусмотреть сквозные отверстия для прохода воздуха. Наличие таких отверстий способствует циркуляции воздуха между кожухом и корпусом печи и позволяет поддерживать температуру корпуса на достаточно низком уровне. Ниже изобретение более подробно поясняется на примере предпочтительного варианта его выполнения, в частности, на примере конвертера типа Калдо, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано: на фиг. 1 - вид сбоку корпуса конвертера типа Калдо; на фиг. 2 - этот же корпус в поперечном разрезе; на фиг. 3 - схема, иллюстрирующая принцип работы конвертера типа Калдо; на фиг. 4 - схема упругого крепления кожуха к корпусу конвертера и на фиг. 5 - предпочтительный вариант предлагаемой в изобретении конструкции крепления кожуха. Показанный на фиг. 1 и 2 конвертер типа Калдо имеет цилиндрический корпус 2 с конической нижней частью 3 и конической верхней частью 4. Корпус конвертера вращается вокруг геометрической продольной оси 5. Снаружи корпус 2 конвертера частично окружен "поглощающим расширение" корпуса кожухом 6, на конце которого расположено установочное кольцо 7. Кожух 6 крепится к корпусу печи через круглый фланец 8, выполненный на корпусе печи в виде кольцевого выступа, который по окружности охватывает всю внешнюю поверхность корпуса и крепится к ней. Способ крепления кожуха 6 более наглядно показан на фиг. 2. К корпусу 2 конвертера крепится также выступающее защитное кольцо 9, которое препятствует попаданию шлака и других крупных кусков материала в стык между установочным кольцом 7 и опорными колесами (роликами) 13. В другом варианте кожух 6 можно закрепить непосредственно на корпусе конвертера. В этом случае кожух 6 должен быть выполнен в виде конуса. Крепление кожуха 6 и соответственно установочного кольца 7 к корпусу 2 конвертера или к его фланцу 8 выполнено в виде упругого соединения. Конструктивно упругое соединение можно выполнить самыми разными способами. В частности, крепление, которое допускает в ограниченных пределах изменение углового положения соединяемых деталей, можно выполнить в виде соответствующего специально разработанного для этой цели сварного крепежного или фланцевого соединения. При этом крепление обоих концов кожуха б должно обеспечивать необходимую передачу тепла и выравнивание температуры в точках крепления. Кожух 6 можно изготовить из любой конструкци 7 онной качественной стали, свойства которой выбираются в зависимости от конкретных условий. На фиг. 3 конвертер типа Калдо показан в рабочем положении. Расположенный в продольном направлении наклонно конвертер 1 опирается на опорный подшипник 11 и вращается вокруг своей продольной оси 5 приводным двигателем 12, в качестве которого можно использовать гидравлический двигатель или электрический двигатель с зубчатым редуктором. Вращающийся конвертер 1 опирается на опорные колеса (ролики) 13, расположенные в нижней части конвертера 1. Опорные ролики 13 вращаются в подшипниках, которые установлены на соответствующей раме 14. Конвертер 1 имеет установочное кольцо 7, которое закреплено на одном из концов "поглощающего расширение" кожуха 6, который в свою очередь крепится к фланцу 8, приваренному к цилиндрическому корпусу 2 конвертера или соединенному с ним иным способом. На фиг. 4 показана схема крепления конического "поглощающего расширение" кожуха 6,край которого, имеющий меньшее поперечное сечение, крепится непосредственно к корпусу 2 конвертера в точке 6 а, которая так же, как и другие точки нежесткого или упругого крепления, изображена на чертеже сплошной линией в виде окружности. Конический кожух 6 выполняет такую же функцию, что и показанный на фиг. 3 цилиндрический кожух 6. На фиг. 5 показан предпочтительный вариант конструкции узла крепления "поглощающего расширение" кожуха. Корпус 2 конвертера имеет фланец 8 с проточкой 17 а для установки фланца 17 кожуха 6, расположенного, как показано на чертеже, на его левом конце. На правом конце кожуха 6 имеется другой фланец 16, который входит в соответствующую проточку 16 а установочного кольца 7. Во фланце 8 корпуса конвертера и в левом фланце 17 кожуха, а также в установочном кольце 7 и в правом фланце 16 кожуха имеются отверстия 15, через которые проходят соединительные болты (не показаны). Фланцы 16, 17 кожуха, оптимальная геометрия которых определена компьютерным расчетом по так называемому методу конечных элементов, имеют небольшие размеры и небольшую поверхность контакта, по которой они прижимаются к установочному кольцу 7 и фланцу 8 корпуса. При небольшой поверхности контакта изменение угла между фланцем 16, 17 и соответственно установочным кольцом 7 и фланцем 8 корпуса конвертера не сопровождается возникновением недопустимых напряжений или деформаций в болтах или фланцах 16, 17. При этом очень важно правильно выбрать посадку между установочным кольцом 7 и фланцем 16 кожуха, при которой между ними не должно быть никакого радиального зазора. При такой конструкции кожух 6 упруго крепится и к уста 000658 8 новочному кольцу 7, и к фланцу 8 корпуса конвертера, а его положение может меняться в соответствии с радиальными перемещениями фланца 8, обусловленными радиальными перемещениями корпуса 2 конвертера, расширяющегося под действием выделяющегося внутри него тепла. Поскольку, однако, независимо от возможных изменений температуры конвертера 1 и его корпуса 2 установочное кольцо 7 не нагревается и остается холодным, его положение при расширении корпуса конвертера не изменяется, и поэтому кожух 6 приобретает по существу коническую форму. Перемещения корпуса 2 конвертера и его фланца 8, обусловленные их тепловыми расширениями, по существу воспринимаются кожухом 6 и его соединениями. При этом через кожух 6 от корпуса конвертера к установочному кольцу 7 передается очень мало тепла. Основным источником тепла, под действием которого происходит нагревание установочного кольца 6,является тепло, излучаемое корпусом 2 конвертера. Для защиты установочного кольца 7 от такого теплового излучения можно использовать расположенную между установочным кольцом 7 и корпусом 2 конвертера теплоизоляцию (не показана) из соответствующего материала. Пример. Предлагаемую в изобретении конструкцию узла крепления установочных колец к корпусу конвертера испытывали на двух недавно смонтированных конвертерах типа Калдо. Один из этих конвертеров был смонтирован на медеплавильном комбинате в Казахстане, а другой - в Швеции, в составе плавильного агрегата Rnnskr фирмы Boliden AB. Оба эти конвертера имеют одинаковые размеры и следующие основные технические характеристики: общий вес (без кирпича и расплавленного металла) 21300 кг, вес расплавленного металла(во время работы) 6000 кг, вес кирпича 18500 кг,максимальная скорость наклона 0,6 об/мин,максимальная скорость вращения 20 об/мин. Оба конвертера проработали уже около 8 месяцев и при этом не возникло никаких проблем,связанных с креплением установочных колец. Во время проверки состояния конвертера,смонтированного в Швеции, особенно тщательно были проверены моменты затяжки болтовых соединений и во время осмотра не было обнаружено никаких следов износа или других повреждений установочных колец и изменений состояния оборудования с момента его поставки. На основании проверки состояния этого конвертера можно сделать вывод о том, что предлагаемая в изобретении конструкция решает все поставленные в изобретении задачи и позволяет создать металлургическую печь, в которой узел крепления установочных колец может достаточно долго работать по существу без проведения каких-либо ремонтных работ. 9 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Металлургическая печь (1) с цилиндрическим корпусом (2), который выполнен с возможностью вращения и/или наклона либо перемещения иным аналогичным образом и который имеет, по крайней мере, одно кольцо (7), которое расположено на наружной поверхности корпуса (2) печи и обеспечивает возможность его перемещения и которое расположено на некотором расстоянии от корпуса (2) печи и соединено с ним передающим усилия несущим элементом (6), вытянутым в направлении продольной оси печи (1) и препятствующим передаче теплового расширения корпуса (2) печи кольцу (7) и воспринимающим внешние нагрузки от веса корпуса и веса загруженных в печь материалов, отличающаяся тем, что несущий элемент (6) выполнен в виде закрытого кожуха,расположенного вокруг корпуса (2) печи, и соединен соответственно с корпусом (2) печи и с кольцом (7) упругими соединениями, обеспечивающими возможность изменения в ограниченных пределах угла между кожухом (6) и корпусом (2) печи, обусловленного перемещениями корпуса (2) печи при его тепловом расширении,при этом указанные перемещения не сопровождаются какими-либо значительными искривлениями или другой деформацией самого кожуха(6). 2. Металлургическая печь по п.1, отличающаяся тем, что кожух (6) выполнен цилиндрическим и соединен одним своим концом или в точке, расположенной в непосредственной близости от его конца, с фланцем (8) или другим аналогичным элементом, соединенным с корпусом (2) печи и выполненным в виде выступа на его наружной поверхности. 10 3. Металлургическая печь по п.1, отличающаяся тем, что кожух (6) выполнен коническим и крепится к корпусу (2) печи тем своим концом, который имеет меньшее поперечное сечение. 4. Металлургическая печь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что между кольцом(7) и корпусом (2) печи расположен теплоизоляционный экран. 5. Металлургическая печь по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что кожух (6) и/или фланец (8) корпуса (2) печи имеет сквозные отверстия для прохода охлаждающего воздуха. 6. Вращающийся конвертер (1) с верхним дутьем, имеющий цилиндрический корпус (2),конические нижнюю и верхнюю части (3) и (4) и установочное кольцо (7), расположенное на наружной поверхности цилиндрического корпуса (2) печи на некотором от него расстоянии и соединенного с ним цилиндрическим или коническим несущим элементом (6), вытянутым в направлении продольной оси конвертера (1) и воспринимающим перемещения, вызванные тепловым расширением корпуса (2) конвертера,отличающийся тем, что несущий элемент (6) выполнен в виде закрытого кожуха, расположенного вокруг корпуса (2) конвертера и соединенного соответственно с корпусом (2) конвертера и с кольцом (7) упругими соединениями,обеспечивающими возможность заданного изменения в ограниченных пределах угла между кожухом (6) и корпусом (2) конвертера, обусловленного перемещениями корпуса (2) конвертера при его тепловом расширении, при этом указанные перемещения не сопровождаются какими-либо значительными искривлениями или другой деформацией самого кожуха (6).