Увеличение объемов печей, режим повышенного давления газа на колошнике и другие факторы интенсификации процесса требуют тщательного подхода к выбору металла для изготовления кожуха доменной печи. Прочность и способность его противостоять деформациям должны быть рассчитаны также и на нагрузку крепящихся к нему различных вспомогательных сооружений.
В современном исполнении кожух доменной печи представляет собой сварную конструкцию, состоящую из конических и цилиндрических поясов (царг), изготовленных из низколегированных, нормализованных марок листовой стали: 14Г2, 09Г2С, 10Г2С1, 15ХСНД и др., характеризующихся высокой ударной вязкостью, большой прочностью, достаточной пластичностью и термостойкостью.
Поэтому легированные стали с большими прочностными характеристиками, такие как аустенитные, коррозионностойкие или ферритные, для сооружения кожуха непригодны, поскольку они увеличивают склонность его к деформациям и образованию трещин (первые в силу высокого коэффициента термического расширения, вторые вследствие потери пластичности при повышенном нагреве в случае частичного или полного износа кладки). Так, на доменных печах 3200, 5000 и 5500 м3 кожух выполнен из листовой стали марок 10Г2С1, 16Г2АФ и 16Г2Ф соответственно толщиной 30-60 мм, различной по высоте печи. Сталь улучшена шлаковым переплавом.
За рубежом кожух доменной печи выполняют цельносварным из котельной стали и стали других марок. Толщина у основания до 60, на колошнике 30 мм. Имеются печи с толщиной кожуха 70 (Бельгия) и 50 мм (Франция). В Японии предложено сооружать кожух шахты, распара и заплечиков в виде единой цельнометаллической конструкции при одинаковой толщине кладки с приваркой опорного кольца к кожуху печи для передачи нагрузки на колонны. Размеры кожуха доменной печи по толщине (мм) приведены ниже:
Объем печи, м3
3200
5000
5500
Зона:
лещади (верхняя часть)
45
45
60
горна, заплечиков и распара
50
45
60
лещади (нижняя часть)
38
38
60
шахта охлаждаемая
30-40
38-30
60
колошник и купол
30-40
45
40-50.
Кожух печи в процессе эксплуатации испытывает различные напряжения. Кроме растягивающих кольцевых (горизонтальных) усилий от давления шихты и термического расширения кладки в радиальном направлении, имеют место и вертикальные (меридиональные) нагрузки. В связи с этим деформация может значительно превышать величину нагрузок, соответствующих началу текучести металла.
Она бывает переменной по высоте и окружности вследствие неравномерности давления кладки и холодильников на кожух доменной печи. Трение между кладкой и кожухом препятствует перераспределению этих деформаций по окружности печи.
Так, в цилиндрическом кожухе лещади зафиксированы растягивающие меридиональные напряжения 102—126 МПа, а под чугунной леткой они составляют 309 МПа. В этой же области установлено резкое повышение растягивающих кольцевых усилий до 431 МПа при 212—231 МПа на других участках. В кожухе стен горна эти напряжения равны пределу текучести металла. В конической части кожуха фурменной зоны над чугунной леткой отмечены кольцевые растягивающие напряжения 124,5 МПа, а в остальных зонах горна - 42—91 МПа.
