Воронов Г.В., Старцев, В.А. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 6. СЛУЖБА ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ В

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧАХ РАЗЛИЧНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

Применение огнеупоров в промышленных печах принято называть служ-

бой огнеупоров. Продолжительность службы огнеупоров в большой степени за-

висит от условий, при которых их применяют, чем от свойств огнеупоров в ис-

ходном состоянии.

В связи с этим возникла необходимость изучения влияния условий экс-

плуатации на продолжительность службы. Так, еще в 1933 г. была учреждена

Государственная инспекция по службе и качеству огнеупоров (Гисогнеупор).

Особенно велико значение изучения условий службы при создании новых высо-

котемпературных технологических процессов в металлургии.

Служба огнеупоров как научно-техническая проблема включает:

1)Определение условий эксплуатации (температура и градиент темпера-

туры, время, состав жидких и газовых сред, механические напряжения, действия

различных интенсификаторов тепловых процессов и т.п.);

2)Изучение физико-химических и химико-минералогических процессов,

происходящих в огнеупорах под влиянием условий эксплуатации;

3)Разработку мероприятий по защите огнеупоров и восстановлению фу-

теровки;

4) Рекомендации, как по выбору огнеупоров, так и по созданию новых

огнеупоров, свойства которых соответствовали бы данным условиям службы.

Служба огнеупоров как техническая дисциплина выполняет роль "обрат-

ной связи" теоретическим основам технологии огнеупоров. От состояния усло-

вий эксплуатации в значительной степени зависит расход огнеупоров на единицу

продукции, их технико-экономическая эффективность.

Экономическая значимость проблемы определяется повышением произ-

водительности за счет сокращения времени простоев печей, вызываемых ремон-

тами, а также за счет применения огнеупоров, допускающих интенсивное веде-

ние технологических процессов.

Приведенный далее материал не ставит целью систематическое изложе-

ние проблемы "служба огнеупоров”, а лишь знакомит с отдельными наиболее

характерными вопросами службы огнеупоров в основных агрегатах черной ме-

таллургии.

6.1. Служба огнеупоров при производстве чугуна

6.1.1. Доменная печь

Доменная печь (ДП) рис.6.1 потребляет - 73% всей энергии, затрачивае-

мой на получение готового металла, в том числе расходуется примерно 0,5 т

кокса на 1 т чугуна. Расход же огнеупоров при производстве чугуна составляет ~

1,6 кг/т. На первый взгляд расход кажется небольшим, но остановка доменной

печи на ремонт связана, прежде всего, с износом огнеупорной футеровки.

На кладку доменной печи объемом, например, 5000 м

расходуется 3,5

тыс. т огнеупоров; на три воздухонагревателя и другие вспомогательные устрой-

ства доменного цеха - 27,5 тыс. т.

По условиям службы и особенностям взаимодействия футеровки с корро-

диентами огнеупорную кладку ДП подразделяют на несколько зон. Верхняя

часть печи – шахта состоит из двух частей: верхней, неохлаждаемой, и нижней,

охлаждаемой специально плитовыми холодильниками (водяное охлаждение). За-

тем идет распар - зона восстановления. В следующую зону - заплечики подается

дутье. Это зона горения. Ниже находится цилиндрическая часть – горн.

Рис.6.1 Доменная печь:1 - углеродистая масса, 2 - вертикальные гра-

фитированные блоки лещади, 3 - графитированные блоки лещади, 4 - углеро-

дистые блоки горна. 5 - углеродистая засыпка, 6 - защитные сегменты колош-

ника, 7 -шахта, 8,13-периферийныехолодильники, 9 – распар, 10- кольцевой

воздухопровод, 11,12- высокоглиноземистые части горна и лещади, 14 - под-

лещадные холодильники, 15 пень, 16 – заплечики, 17 - защитный слой.

Влияние цинка на стойкость футеровки горна доменной печи.

Одной из причин разрушения огнеупорной футеровки горна является по-

вышенное содержание цинка в передельном железорудном сырье. Нет ясности в

том, какое количество цинка допустимо без проявления его отрицательного воз-

действия на стойкость футеровки горна.

Можно полагать, что в условиях горна цинк находится в атомарном со-

стоянии в газовой фазе, а также в виде растворов в чугуне и шлаке. Опасность

для футеровки горна представляет газообразный цинк, способный легко прони-

кать в нее на любую глубину. Часть цинка в шлаке приходит в горн в виде его

природных и вторичных из зоны циркуляции оксидов, другая часть окисляется в

фурменных очагах и поглощается шлаком уже в горне.

Механизм воздействия цинка на футеровку горна. Пары цинка через швы

и трещины проникают в глубь футеровки и конденсируются, переходя в жидкую

фазу. При колебаниях температуры и остановках печи жидкий цинк затвердева-

ет.

Затвердевание цинка сопровождается уменьшением его удельного объема

на 2,25% или линейных размеров на 1.30%, и этот процесс для футеровки горна

опасности не представляет. Заходящий в швы и трещины футеровки монооксид

углерода при 400 - 800°С интенсивно распадается по реакции 2СО = СО

+ С.

Образующийся диоксид углерода в указанном интервале температур окисляет

цинк по реакции Zn + CO

= ZnO + СО. Результирующая реакция

Zn + СО = ZnO + С протекает с образованием твердого цинкита и сажи-

стого углерода.

Окисление цинка в футеровке при температурах ниже 450°С может идти

и за счет паров воды, образующихся в горне печи при сжигании природного газа,

а также под фурменными очагами по реакции МеО + Н

=Ме + Н

О.

Если окисление твердого цинка происходит в швах или трещинах огне-

упорных блоков, это приводит к появлению в них распирающих усилий, росту и

разрушению огнеупорной футеровки, иногда с полным замещением ее цинки-

том.

Чем меньше парциальное давление (количество) цинка в газовой фазе

горна, тем ниже температура его конденсации и тем глубже в футеровку он спо-

собен проникать. Однако количество цинка в газе по мере его проникновения в

футеровку горна уменьшается, а его окисление с образованием цинкита при тем-

пературе ниже 300°С прекращается.

При поступлении газообразного цинка в футеровку из горна его первона-

чальная конденсация происходит при сравнительно высоких температурах. В ус-

ловиях горна, где парциальное давление цинка при его максимальном накопле-

нии в доменной печи можно оценить величиной 70 кПа, эти температуры со-

ставляют 850 - 870 °С. Последние порции цинка из газовой фазы конденсируют-

ся в футеровке периферийной зоны горна при 200 °С в виде металлической фазы,

которая уже не окисляется.

Очевидно, что количество цинкита в швах и трещинах футеровки должно

достичь определенной величины, чтобы в ней стали возникать заметные распи-

рающие усилия.

Наиболее реальным и целесообразным методом борьбы с разрушающим

действием цинка на кладку доменной печи являются перемещение зоны опасных

температур из кладки в зазор между кожухом и кладкой.

Существуют и другие факторы, вызывающие постепенное разрушение

огнеупорной кладки. Например, в температурном интервале 425-650 °С протека-

ет реакция Белла

2СО → СО

+ С.

Сплав цинка с железом является одним из катализаторов этой реакции, в

результате которой выделяется сажистый углерод. Наиболее разрушительно са-

жистый углерод действует на футеровку шахты ДП, которая выкладывается с

использованием шамотных огнеупоров табл.6.1. Придать шамотному кирпичу

стойкость к СО можно лучше всего высокой температурой обжига огнеупоров,

при которой оксиды железа и минералы полностью переходят в силикаты желе-

за, не являющиеся катализаторами реакции Белла.

В условиях интенсифицированного доменного процесса применяют бога-

тые железом офлюсованные агломераты, используют высокотемпературное ду-

тье, обогащенное кислородом, природный газ, а также повышают давление на

колошнике, которое в значительной мере усиливает прогревание футеровки из-за

увеличения теплоотдачи от газов к огнеупорной кладке. В результате газы, ще-

лочи и первичные шлаки воздействуют на огнеупорную кладку интенсивнее.

Водород при высоких температурах восстанавливает некоторые оксиды,

что приводит к разрыхлению кладки. С увеличением содержания агломерата и

окатышей футеровка доменной печи изнашивается быстрее.

Агломерат (в отличие от рудной шихты), содержащий шлак, образовав-

шийся из примесей при агломерации руды, расплавляясь в нижней части шахты,

интенсивно разъедает огнеупорную футеровку. При снижении пористости до-

менных шамотных огнеупоров их механическая и химическая стойкость повы-

шается.

Износ огнеупорного материала в горне происходит вследствие химиче-

ского взаимодействия со шлаком. Одним из путей повышения стойкости футе-

ровки горна и лещади, кроме соответствующих конструктивных решений, явля-

ется применение для этих зон углеродистых огнеупорных материалов (блоков).

Высокая термическая стойкость огнеупорных углеродистых блоков по-

зволяет избежать образования в них трещин во время службы, а практически

полное постоянство объема исключает возможность раскрытия швов кладки, что

делает вероятность прорыва чугуна весьма малой.

Теплопроводность углеродистых блоков приблизительно в шесть раз пре-

вышает теплопроводность шамотного кирпича, что способствует повышению

интенсивности охлаждения футеровки и созданию большей надежности в экс-

плуатации.

Если жидкий чугун насыщен углеродом, то углеродистые огнеупорные

изделия в нем не растворяются и, следовательно, стойкость углеродистых блоков

окажется высокой. При недостаточном насыщении чугуна углеродом в жидкий

чугун может перейти некоторое количество углерода из огнеупорного материа-

ла.

Углеродистые огнеупоры не образуют со шлаком легкоплавких соедине-

ний и слабо взаимодействуют с большинством его компонентов. Однако оксиды

железа и марганца, содержащиеся в шлаках, при 1000 – 1300 °С могут окислять

углерод по следующим реакциям:

FeO + C → Fe + CO;

MnO + C → Mn + CO.

Углеродистая футеровка горна может в некоторой степени подвергаться

окислению, которое можно замедлить, интенсифицируя охлаждение футеровки.

Для кладки лещади и горна поставляют шлифованные, рассортированные

по рядам и замаркированные огнеупорные изделия и углеродистые блоки. Каж-

дый ряд лещади, выкладываемый из алюмосиликатных изделий комплектуется

изделиями одной из групп по длине и ширина, заплечиков и распара - изделиями

одной группы по толщине, горна - по длине и толщине, районов чугунных леток-

по длине, ширине и высоте.

В крупных доменных печах, работающих с удельной производительно-

стью 2 - 2,5 т чугуна/(м

▫сут) при давлении газа на колошнике 0,2 - 0,25 МПа,

чаще всего применяют огнеупоры с высоким содержанием глинозема: обожжен-

ные корундовые на муллитовой связке (88 - 94% Аl

, открытая пористость

13,5-15%: обожженные корундовые на глиноземистой связке (88% Аl

, откры-

тая пористость 13 -16%); обожженные корундохромитовые (92% Al

, 7,5%

Сr

, открытая пористость 16 - 19%).

Таблица 6.1.

Шамотные изделия, применяемые в футеровке шахты ДП

Наименование показателей

Нормы для изделий марок

ШПД-

ШПД -

ШПД-

1 .Массовая доля Аl

, %, не менее 42 41 39 37

2.Массовая доля Fе

, %, не более 1,5 1,5 1,5 1,5

3.Огнеупорность, °С, не ниже 1750 1750 1750 1730

.Температура начала размягчения под на-

рузкой 0,2 Н/м

, °С, не ниже

1520 1500 1440 1400

5.Дополнительная линейная усадка при

емпературе 1450 °С, %, не более

0,2 0,2 0,3 0,3

6.Открытая пористость, %, не более 12 12 16 17

7.Предел прочности при сжатии, Н/мм

, не

менее, для изделий номеров: 5; 6; 7; 8

40 40 - -

8.Кривизна, мм, не более для изделий,

идущих на кладку:

горна

остальных мест

0,5

1,0

0,5

1,0

1,5

9.Отбитость углов и ребер при общей длине

отбитостей не более 15 мм на одно ребро,

глубиной, мм, не более

- 5 - -

10.Отдельные выплавки: диаметром

более 3 мм

диаметром 3 мм и менее

Не допускаются

Не нормируются

11.Отдельные поверхностные посечки ши-

риной до 0,5 мм, не образующие сетки и не

пересекающие ребер

Не допускаются

Не нормируются

12.Трещины шириной более 0,5 мм и дли-

ной более 15 мм

Глиноземистые огнеупоры обладают повышенной устойчивостью к воз-

действию доменных шлаков, эрозии жидким чугуном, истиранию при высоких

температурах и инертны к монооксиду углерода, однако при работе в условиях

высоких температур в щелочной среде наблюдается переход корунда в β-

глинозем. Такой переход сопровождается увеличением объема на 20% и приво-

дит к растрескиванию огнеупорного кирпича. С парами щелочей в первую оче-

редь взаимодействует связка. Замена в корундовых кирпичах корундовой связки

на муллитовую или хромоглиноземистую повышает устойчивость изделий к

воздействию щелочей.

Повышение стойкости футеровки связанно с применением карбидкрем-

ниевых изделий, особенно для футеровки нижней части шахты и заплечиков.

Карбид кремния - химически инертный огнеупорный материал с исключитель-

ной высокой стойкостью к абразивному износу и лучшей устойчивостью к окис-

лению в сравнении с углеродистыми изделиями. Основная проблема состоит в

разработке связки с достаточно высокой устойчивостью к воздействию щелочей.

Из испытанных карбидкремнийграфитовых изделий на смоляной связке, карбид-

кремниевых на керамической (глинистой), оксинитридной и нитридной связках

лучшую стойкость имеют изделия на нитридной Si

. Однако более щело-

устойчивым оказался "самосвязный" карбид кремния. Поскольку самосвязный

карбид кремния труден в изготовлении, разработаны различные комбинации ог-

неупоров, содержащие карбид кремния: глиноземокарбидкренмиевые, графито-

карбидкремниевые и др.

В нижней части шахты, распаре и заплечиках периклазовые огнеупоры

показали стойкость выше чем высококачественные шамотные, но ниже карбид-

кремниевых.

Футеровку лещади и горна выполняют в основном из углеродистых из-

делий. Преимущества углеродистых изделий заключаются в их высокой огне-

упорности в восстановительной или инертной среде (свыше 3000°С), увеличении

прочности с повышением температуры, термостойкости, объемопостоянстве в

широком интервале температур, несмачиваемости металлами и шлаками, а также

возможности получения крупных блоков с жесткими допусками. Лещадь выкла-

дывают из трех - четырех рядов крупных гофрированных углеродистых блоков

длиной до 1,5 -3,5 м и сечением (0,5 - 0,65) х (0,5 - 0,65) м. Верхние ряды центра

лещади выполняют из высокоглиноземистого гофрированного (для предупреж-

дения всплывания кирпича. Всплывание кирпичей предупреждается также при

кладке их, так называемым тычковым методом. Минимальной температурой

взаимодействия огнеупора с чугуном считают 1100 -1150°С.

Большие печи оборудуют регулируемым охлаждением лещади снизу. Ос-

новная причина износа лещади (всплывание кирпичей) - проникание чугуна в за-

зоры между кирпичами. Поэтому элементы лещади предварительно собирают на

стенде с тщательной подгонкой блоков. Общая толщина огнеупорной кладки

лещади на больших печах достигает 5 м. Это необходимо для того, чтобы предо-

хранить фундамент печи от нагревания (особенно неравномерного) и не допус-

тить случайных прорывов чугуна при разрушении лещади.

Горн выкладывают из углеродистых и алюмосиликатных огнеупоров. Уг-

леродистая кладка стен горна охлаждается с помощью типовых холодильников

или водяной рубашкой (двойного кожуха). Верхнюю часть горна (фурменная зо-

на) целесообразно футеровать карбидкремниевыми огнеупорами.

Представляет интерес выбора эффективных огнеупоров в историческом

плане. Раньше считали, что углерод, выделяющийся при разложении оксида уг-

лерода, отлагается в порах и трещинах огнеупорного кирпича, что и приводит к

разрушению огнеупора. Оксиды железа, входящие в состав огнеупора и отложе-

ния цинка считались катализаторами этой реакции. Снижение науглероживания

огнеупора возможно при применении более плотных изделий с минимальным

содержанием оксидов железа. Существенного повышения стойкости футеровки

доменных печей при этом не произошло.

Затем обратили внимание на разрушающее действие паров щелочей. Со-

держание щелочей в доменной шихте на уровне нижней части шахты возле фу-

теровки достигает 10—15 %, в то время как в центральной части печи их содер-

жится 1—2 %. Взаимодействие щелочей с огнеупорной футеровкой включает в

себя следующие стадии: образование паров щелочесодержащих соединений, их

проникновение внутрь огнеупоров, конденсация, насыщение пор, реакция рас-

плава с газовой средой печи. При наличии в огнеупоре SiO

(в муллитовом зерне

или в связке) образуются щелочные соединения.

Образование щелочных алюмосиликатов сопровождается увеличением

объема до 45%, что приводит к возникновению напряжений и скалыванию ново-