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

Подождите немного. Документ загружается.

образований. Открытая пористость насыщенной щелочами части алюмосиликат-

ного огнеупора снижается до 2,5 %. Муллит растворяется под действием щело-

чей. Щелочные соединения могут восстанавливаться под действием углерода и

разлагаться. При 1500°С образуется газообразный калий и металлический крем-

ний. В нижней части шахты образуются цианиды KCN и NaCN. Одна часть циа-

нидов уносится с газами, а другая, реагируя с огнеупорами, образует расплав.

Исследования взаимодействия щелочей с огнеупорами доказали непри-

емлемость SiO

– содержащих огнеупоров в нижнем строении доменных печей.

Известно, что к щелочам устойчивы корундовые изделия (95— 98%

Аl

). Но и это решение оказалось не оптимальным. Как уже отмечалось, ко-

рундовые изделия образуют β-глинозем, кроме того, обладая высоким значением

ТКЛР они растрескиваются. Взаимодействие огнеупоров собственно с чугуном

не вызывает проблем. Даже при наличии всех термодинамически вероятных ре-

акций износ огнеупоров под воздействием чугуна мал, так как скорость взаимо-

действия невелика, а продукты реакции образуют твердый инертный защитный

слой. Угол смачивания большинства огнеупоров чугуном при 1500°С более 100°.

В последние годы для футеровки доменных печей успешно применяют

углеродистые и особенно карбидкремниевые огнеупоры. Карбидкремниевые ог-

неупоры в сравнении с другими доменными огнеупорами имеют следующие

преимущества: высокую устойчивость к щелочам, высокую термостойкость и

теплопроводность, наименьший размер пор. Это не значит, что карбидкремние-

вые изделия вытесняют все другие огнеупоры из нижнего строения доменной

печи. Перспективным считается сочетание карбидкремниевых огнеупоров с гра-

фитовыми.

Независимо от химико-минерологического состава доменных огнеупоров

к ним предъявляют повышенные требования по пористости. Считается, что при

пористости изделий < 12% пропитка их шлаками резко снижается. Истирание

при комнатной температуре изделий с пористостью <12% в 5 - 6 раз ниже, чем

изделий с пористостью 17%, а при 980°С в 10 - 20 раз ниже.

Существенным фактором стабильной работы футеровки доменных печей

является охлаждение.

Футеровка горна и лещади непрерывно служит до капитального ремонта

15-20 лет. В этот период ремонтируют по ходу компании фурмы дутья, чугунные

и шлаковые летки. Фурмы выполняют из особокачественных огнеупоров и заме-

няют их по мере износа. Летки забивают специальной легочной массой при каж-

дом цикле выпуска чугуна и шлака табл.5.9. Легочные массы должны обладать

пластичностью и устойчивостью к жидкому чугуну и шлаку, высокой скоростью

затвердения, они не должны выделять вредные газы, загрязняющие окружаю-

щую среду. В настоящее время широко распространены безводные легочные

массы на смоляной связке, которые содержат кремнезем, высокоглинистый ма-

териал, карбид кремния, небольшое количество угля и глины и ~15% каменно-

угольной смолы или пека. Однако такие массы медленно затвердевают, образу-

ют газы, создавая тяжелые условия работы на литейном дворе. Недостатки уст-

раняются при применении в качестве связки фенолформальдегидной смолы, ко-

торая при нагревании переходит в твердое состояние. Растворителем смол слу-

жит этиловый спирт. Высокую стойкость на фенолформальдегидной смоле име-

ют массы системы А1

- SiC - С и массы MgO - С. Применение таких масс со-

кращает продолжительность заделки летки.

Огнеупоры выпускных желобов доменных печей (табл.6.2.) должны иметь

высокую химическую стойкость, устойчивость к абразивному износу при повы-

шенных температурах и к сменам температур. Стойкость футеровки желобов

повышают применением: высокоглиноземистых масс с добавлением карбида

кремния; карбидкремниевых, карбидкремнийглиноземистых и карбидкремние-

вых на связке из нитрида кремния. Лучшую стойкость имеют массы на нитрид-

кремниевой связке. Нитрид кремния отличается высокой прочностью при темпе-

ратурах службы в сочетании с низким термическим расширением и наибольшей

теплопроводностью. Поэтому такая связка обладает высокой термостойкостью,

она практически инертна по отношению к расплаву металла и устойчива к исти-

ранию. Кроме того, при повышенных температурах на поверхности кристаллов

нитрида кремния образуется оксидная пленка, предохраняющая связку от износа

Стойкость футеровки выпускных желобов определяется режимом работы

печи, методом выполнения футеровки и конструкцией самих желобов. Имеется

прямая связь между стойкостью футеровки и глубиной ванны жидкого чугуна в

желобе на участке падения струи металла. На стойкость зоны падения струи

влияет также ширина желоба: более узкие желоба имеют меньшую стойкость.

Желоба торкретируют горячим и холодным методом той же массой, которой фу-

терован желоб.

Футеровка куполов и стен воздухонагревателей доменных печей выпол-

няется торкретированием из шамотного бетона на глиноземистом цементе. Мо-

нолитная футеровка показала достаточную надежность в эксплуатации.

6.1.2. Воздухонагреватель доменной печи

Воздухонагреватель представляет собой теплообменный аппарат рис.6.2.,

функция которого заключается в нагреве воздушного дутья перед подачей его в

доменную печь. Это высокое сооружение (30-40м). В конструктивном отноше-

нии различают воздухонагреватели с внутренними и выносными камерами горе-

ния. В камерах горения сжигается газ, продукты горения поднимаются под ку-

пол воздухонагревателя и, проходя насадку, нагревают ее и удаляются в нижней

части воздухонагревателя. После нагрева насадки через нее пропускают холод-

ный воздух (снизу вверх), который, воспринимая тепло насадки, нагревается.

Ставится задача иметь температуру воздушного дутья 1400 или 1500°С и даже

выше, температура под куполом при этом будет достигать 1550 -1700°С В наи-

более тяжелых условиях в воздухонагревателях работает купол, верхняя часть

насадки и футеровка камеры горения.

В связи с необходимостью применения в верхней части высокотемпера-

турных воздухонагревателей усиленной теплоизоляции, кожух имеет в верхней

части несколько больший диаметр, чем внизу. Изнутри кожух футеруют шамот-

ным, а у высокотемпературных воздухонагревателей в верхней части - высоко-

глиноземистым кирпичом. Внутри воздухонагревателя размешается камера го-

рения, служащая для сжигания газа. Остальное пространство заполняется насад-

кой из фасонных изделий.

Насадка поддерживается массивной чугунной поднасадочной решеткой с

отверстиями, соответствующими каналам насадки. Решетка лежит на поднаса-

дочных чугунных колоннах. Воздухонагреватель крепят к фундаменту мощными

болтами, чтобы воздух, подаваемый в него под большим давлением, не мог вы-

гнуть нижнее плоское днище.

Смесь доменного и природного газов подается через горелку вместе с не-

обходимым для горения воздухом в камеру горения. Продукты горения подни-

маются в подкупольное пространство и затем опускаются вниз через насадку,

нагревая ее. Пройдя насадку, охлажденные до 150-200°С газы уходят из подна-

садочного пространства в боров, соединяющий воздухонагреватели с дымовой

трубой.

После того, как насадка нагреется до требуемой температуры, горелку

выключают и холодный воздух поступает через патрубок холодного дутья в

поднасадочное пространство. Воздух проходит снизу вверх насадку, постепенно

нагреваясь за счет аккумулированного насадкой тепла, тем самым охлаждая ее, и

поступает в подкупольное пространство, откуда через камеру горения и штуцер

горячего дутья подается в воздухопровод горячего воздуха, соединяющий возду-

хонагреватели с кольцевым воздухопроводом доменной печи. Как только насад-

ка охладится до заданной температуры, подачу холодного воздуха в воздухонаг-

реватель прекращают, и повторяется цикл нагрева насадки. Переключение воз-

духонагревателей с «дутья» на «нагрев» и обратно производится автоматически,

в зависимости от заданной минимальной температуры воздуха или температуры

нагрева насадки.

Таблица 6.2

Массы для желобов доменного производства

Наименование показа-

телей

ВГМ

В-21

ВГМВ-

21Б

ВГМВ-

ВГМ

В-23А

ВГМ

В-23Б

ВГМ

Н-11

ВГМН-

ВГМТ

-11

ВГМТ

-21

ВГ

МТ

-17

ШМВ-23

Массовая доля, %

,не менее

,не более

1,5

2,0

Изменение массы при

прокаливании

%, не более

3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 фа-

культ

фа-

культ

фа-

культ

Массовая доля влаги,

%, не более

4,5 - 4,5 - - 6-7,5 5-6 6-7,5 4-6

Предел прочности при

сжатии после термооб-

работки при:

800 °С, Н/мм

, не менее

1000 °С, Н/мм

, не бо-

лее

Линейная усадка после

термообработки при

800 °С, %, не более

1000 °С, %, не более

1,0

Открытая пористость

после термообработки

при:

800 °С, %, не более

1000 °С, %, не более

19-24

20-25

19-25

20-25

25-34

23-29

25-34

27-32

29-

19-23

Таблица 6.2 продолжение

Зерновой состав, %:

Остаток на стенке №7,

не более

Остаток на стенке№4,

не более

Проход через сет-

ку№10, не менее

Проход через сетку

№0063, не менее

100

фа-

культ

100

фа-

культ

100

фа-

культ

100

фа-

культ

100

фа-

культ

фа-

культ

фа-

культ

фа-

культ

Кажущаяся плотность

уплотнения сырой мас-

сы, г/см

, в пределах

2,4-

2,7

2,65-

2,9

2,4-

2,7

Назначение:

ВГМВ-21, ВГМВ-21Б – для футеровки зоны металла главных горнов желобов доменного производства методом вибролитья

ВГМВ-23, ВГМВ-23А, ВГМВ-23Б – для футеровки зоны шлака главных горновых желобов доменного производства метал-

лов вибролитья

ВГМН-11, ВГМН-23 – для футеровки желобов доменного производства методом набивки

ВГМТ-11, ВГМТ-21 – для торкретирования желобов доменного производства

ШМВ-23, ВГМТ-17 – для

футеровки крышек желобов.

Рис. 6.2 Общий вид воздухонагревателя с внутренней камерой горения:

1 — газопровод; 2 — газовый дроссель; 3 - вентилятор; 4 — горелка; 5 — отсекающий дроссель; 6 —

штуцер горелки; 7 — люк; 8 — камера горения; 9 - трубопровод горячего дутья; 10 — отделительный

клапан горячего дутья; 11 - штуцер горячего дутья; 12 - внутренняя стена камеры горения; 13 — разде-

лительная стена камеры горения; 14 — купол; '5 — подкупольное пространство; 16 — люк; 17 —

термопара; 18 — кожух; 19 — радиальная стена; 20 — насадка с зонами из разного огнеупора; 21 —

поднасадочная решетка и колонны; 22 — поднасадочное пространство; 23 — дымовой патрубок; 24 —

дымовой клапан; 25 — термопара; 26 — боров; 27 — трубопровод холодного дутья; 28 — шибер хо-

лодного дутья

Тепловая работа насадки и требования к огнеупорам. Воздухонагреватели

являются регенеративными аппаратами, насадка которых служит аккумулятором

тепла дымовых газов. Для передачи возможно большего количества тепла от

дымовых газов насадке необходимо, чтобы теплоотдача дымовых газов к по-

верхности нагрева была достаточно интенсивной, аккумуляция тепла насадкой

была возможно большей и теплоотдача от поверхности насадки к воздуху за весь

цикл была высокой.

Количественный анализ показывает, что необходимая поверхность нагре-

ва для доменных воздухонагревателей изменяется почти обратно пропорцио-

нально коэффициенту теплоотдачи. Поэтому разработка и внедрение насадок с

высоким коэффициентом теплоотдачи позволяют существенно сократить по-

верхность нагрева и габариты воздухонагревателей.

Насадка воздухонагревателя должна обладать высокими теплообменны-

ми характеристиками (коэффициентом теплоотдачи и удельной поверхностью

нагрева); материал насадки должен иметь высокие показатели теплопроводно-

сти, плотности и удельной теплоемкости Однако, теплофизические свойства на-

садки играют второстепенную роль На первое место должно быть поставлено

соответствие свойств огнеупоров условиям их службы в воздухонагревателе.

При температуре дутья 600-900°С и температуре купола около 1200°С

футеровку и насадку воздухонагревателей выкладывали из шамотных огнеупо-

ров. Срок службы таких воздухонагревателей был до 20 лег. Повышение темпе-

ратуры дутья привело к сокращению срока их службы до 5—7 лет и менее.

С появлением высокотемпературных воздухонагревателей потребова-

лись более качественные огнеупорные материалы для их сооружения. Исследо-

вания и опыт эксплуатации показали, что повышение температуры в насадке и

футеровке на несколько десятков градусов часто приводит к катастрофически

быстрой деформации огнеупоров и выходу воздухонагревателей из строя.

Разные условия работы отдельных участков насадки, камеры горения и

купола потребовали применения огнеупоров с разными свойствами.

Огнеупорная кладка воздухонагревателей испытывает следующие воз-

действия:

1. Воздействие пыли. Содержание пыли в доменном газе снизилось до

3—10 мг/м

. Это почти исключило шлакование насадок.

2. Воздействие температуры. При температуре службы огнеупоров про-

исходит их дополнительная усадка (алюмосиликатные огнеупоры) или дополни-

тельный рост ( динас).

Изменение размеров огнеупоров в процессе их службы необходимо учи-

тывать наряду с температурным расширением при проектировании кладки, вы-

боре толщины швов и зазоров.

3. Термические нагрузки (напряжения), вызванные периодическими ко-

лебаниями температуры в насадке, камере горения и куполе. Колебания темпе-

ратуры в насадке за период могут достигать на отдельных участках 300—400°С,

но, благодаря относительно тонким стенкам между каналами, перепад темпера-

тур по толщине стенки насадки составляет всего несколько градусов. Возни-

кающие при этом термические напряжения в большинстве случаев не опасны

для насадки.

Термические напряжения, возникающие в куполе и стенах воздухонагре-

вателя, часто приводят к образованию трещин в радиальных стенах, стенах ка-

меры горения и куполе, обрушению кладки и, следовательно, к необходимости

преждевременного ремонта воздухонагревателей.

4. Механические нагрузки, вызываемые собственной массой кладки и на-

садки. Сжимающие напряжения возрастают сверху вниз. В нижней части возду-

хонагревателя нагрузки максимальные, но температура низкая, а в верхней части

температура максимальная, но нагрузки небольшие. Это облегчает выбор огне-

упоров для верхней, наиболее нагретой части воздухонагревателя. Однако при

весьма большой высоте современных воздухонагревателей нагрузка от массы

вышележащей насадки может достигать величин, опасных для огнеупоров в на-

гретом состоянии и приводящих к ползучести. Она представляет собой непре-

рывно растущую во времени деформацию под влиянием постоянного давления.

Огнеупоры для высокотемпературных зон. С повышением температуры

дутья до 1100-1200°С вместо шамотных огнеупоров стали применять высоко-

глиноземистые с содержанием не менее 45-62% Al

(табл. 6.3).

Однако применение этих огнеупоров сначала не дало заметных улучше-

ний по сравнению с применением высокообожженного шамотного кирпича . Это

объясняется как недостатками технологии производства высокоглиноземистого

кирпича, свойства которого, особенно постоянство объема и ползучесть под на-

грузкой, определяются не только содержанием Al

, но и правильным выбором

сырья, типа связи, температуры обжига и других условий, так и нарушение пра-

вил эксплуатации воздухонагревателей (перегрев купола, длительный нагрев на-

садки, догорание газов в насадке и т.п.)

Таблица 6.3

Свойства огнеупорных изделий (по ГОСТ 20901-75)

Показатель Марка изделий

ШВ-

МКРВ

-50

МЛВ

-62

МКВ-

ДВ

Содержание, %

SiO

(не менее)

≤1,7

≤1,4

≤1,3

≥2,0

Огнеупорность, °С

(не ниже)

1670 1730 1750 - - - 1690

Температура нача-

ла деформации, °С

(не ниже), под на-

грузкой 20 Н/см

1270 1320 1520 1540 1500 1550 1620

Термостойкость

(нагрев до 1300°С),

водяные теплосме-

ны (не менее)

5 5 6 8 5 5 -

Рекомендованная

область темпера-

тур, °С

≤700 700-

900

900-

1300

1200-

1300

1200

1350

1100-

1350

1100-1550

Для температуры дутья выше 1400 °С (до 1700°С ) рекомендуют высоко-

температурные зоны воздухонагревателя выкладывать из корунда, а для темпе-

ратур дутья до 2000°С — из двуокиси циркония.

В воздухонагревателях, работающих с температурой купола до 155О°С