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

Подождите немного. Документ загружается.

рами. При десульфурации чугуна карбидом кальция высокая стойкость футе-

ровки миксера получена при применении безобжиговых известковоперик-

лазовых изделий на пековой связке.

6.2.Служ6а огнеупоров в сталеплавильном производстве

6.2.1 Мартеновская печь

Рабочее пространство следует рассматривать как наиболее ответственный

элемент печи, в котором реализуется технологический процесс при высоких тем-

пературах и скоростях движения газового потока переменного направления. Оно

включает основные элементы, такие как под, переднюю и заднюю стенки и глав-

ный свод. С торцов к рабочему пространству примыкают пламенные окна голо-

вок печи. В передней стенке находятся нечетное количество завалочных окон,

через которые загружают шихту. Среднее окно используют для скачивания

шлака в процессе плавки и обработки сталевыпускного отверстия, расположенно-

го в задней стенке.

Под мартеновской печи состоит из кирпичной кладки и верхнего навар-

ного или набивного слоя. Кладку пода заменяют при реконструкции печи, по-

этому ее выполняют особо тщательно. Кладка пода должна обеспечить хорошую

стойкость наварного слоя, иметь малую потерю теплоты теплопроводностью и

гарантировать невозможность ухода жидкого металла в случае образования глубо-

ких ям на подине. Под мартеновской печи выкладывается в сварной чаше из

листовой стали толщиной 20-30 мм. Верхний контур чаши находится на

уровне порогов завалочных окон.

На металлический лист укладывают асбестовый картон толщиной 20 мм,

причем в местах сварных швов асбест кладут в стык с накладкой, чтобы по-

сле выстилки образовалась ровная поверхность основания подины. На асбест

кладут слой легковесного шамота толщиной 65 мм без температурных швов, за-

тем слой обыкновенного шамота толщиной 65 мм с засыпкой швов между

кирпичами шамотным порошком. Поверх шамотного кирпича выкладывают

толстый слой магнезитового кирпича, при этом необходимо обеспечить,

чтобы поверхность соприкосновения шамотной кладки с магнезитовой в тече-

ние многолетней эксплуатации пода не нагревалась выше 700°С. При более

высоком нагреве возможно взаимодействие основных и кислых оксидов кирпи-

чей, что приведет к разрушению пода и прорыву металла. Во избежание этого

шамотный кирпич не следует применять для кладки пода и откосов вблизи вы-

пускного отверстия. Потому что жидкий металл может иногда проникать глубоко

в разных местах кладки пода и откосов и чрезмерно нагревать эти места.

По длине и ширине кладки печи следует предусмотреть температурные

швы, величина которых определяется расчетом, с учетом повышения темпера-

туры от 400 до 600°С и температурного расширения магнезита. Температурные

швы создают заложением прокладок толщиной 2-4 мм, изготовленных из фанеры

или щепы.

Откосы ванны выкладывают из магнезитового кирпича с теми же темпе-

ратурными швами, что и для последнего слоя пода, и с заполнением швов

магнезитовым порошком. Откосы передней и задней стен выполняют под уг-

лом 45°, а продольные откосы - под углом 30 – 45 °.

Кладка подины мартеновской печи горизонтальными рядами представле-

ны на рис. 6.7.

Сталевыпускное отверстие выкладывают из магнезитового клинового

кирпича со швами не более 1 мм, предусматривая перекрытие верхними ря-

дами кладки нижележащих рядов. Лещадью сталевыпускного отверстия служит

продолжение кладки пода, уклон лещади 4-7°. При выкладке арочного перекры-

тия отверстия кладку задней стены соединяют со сводиком отверстия. Окаты

перекрытия выкладывают насухо, ширина шва при этом не должна превышать

2мм. Возможно изготовление сталевыпускного отверстия из периклазовых блоков

марки ПУПЛ производства ООО «Группа Магнезит»

Рис.6.7. Кладка подины, откосов и столбиков мартеновской печи

1. - магнезитохромитовый сводный кирпич;

2. - магнезитовый высокоогнеупорный кирпич;

3. - легковесный шамот класса Б;

4. - шамот класса Б;

5. - хромистая масса;

6. - хромомагнезитовый высокоогнеупорный кирпич.

Наварной слой подины сталеплавильных печей изготавливают из магне-

зитового порошка. При температуре 1600°С, близкой к рабочей температуре

подины, расплав в системе MgO-FeO появляется лишь при содержании 80%

FeO, тогда как в смесях FeO с доломитом, СаО, SiO

, Al

и Ca

SiO

100% рас-

плав получается уже при содержании FeO в пределах 40 - 70%.

В России разработана технология формирования подин без предвари-

тельного введения шлакующих материалов. Такая технология обусловлива-

ет минимальные простои печей на ремонтах подин до 0,5% календарного време-

ни. Подина состоит из двух слоев. Нижний слой толщиной от 460 до 640 мм

выкладывают из периклазового кирпича. Этот слой служит 15-20 лет. Верх-

ний слой толщиной 300-350 мм насыпают в один слои и утрамбовывают шты-

ревыми виброуплотнителями и пневмотрамбовками. Оптимальное содер-

жание зерен размером до 0,2 мм в магнезитовом порошке составляет 34 – 45 % , а

максимальный размер не более 6 мм, содержание оксида магния должно быть не

ниже 85%. Формирование структуры подины происходит одновременно с пер-

вой плавкой металла. Спекание магнезитового порошка начинается уже при

1000°С. Под влиянием ферростатического давления металла при температурах,

развиваемых в сталеплавильных печах, достигается объемная плотность набивной

части футеровки до 2,5...2,9 г/см

и образуется монолитная структура с равномер-

но распределенными во всем объеме кристаллами периклаза.

Подина подвергается значительным перепадам температур, и только бла-

годаря тому, что она частично находится в термопластичном состоянии

сохраняет строительную прочность. В процессе эксплуатации химический и

минералогический состав рабочего слоя подины претерпевает изменения под

влиянием металлических и неметаллических составляющих расплавленной ван-

ны. После выпуска металла, рабочая поверхность подины в течение нескольких

минут соприкасается со шлаком при температуре ~1690°С. В результатe

взаимодействия магнезиовюститовая связка подины заменяется известковоси-

ликатной, а в слое шлака увеличивается содержание MgO.

Подина участвует в окислительно-восстановительных процессах обезуг-

лероживания стали и становится местом концентрации газовых пузырьков, кото-

рые ускоряют процесс взаимодействия углерода в расплаве с кислородом, присут-

ствующим в металле и наварном слое. Существенное влияние на износ подины

оказывает проникновение в наварной слои расплавленного чугуна и стали, меха-

нические воздействия шихты при завалке, гидродинамическое движение стали,

продувка ванны кислородом и т.п.

Подина мартеновской печи со скрытой продувкой ванны азотам че-

рез под

Подина и система скрытой донной продувки (VVS) мартеновской печи

разработана фирмой RHI AG (Австрия) и TECHCOM (Германия). Она

внедрена на более чем 20 мартеновских печах России, Украины, Латвии и т.д.,

работающих по скрап процессу, в том числе и на печах заводов использую-

щих жидкий чугун (Чусовской и Донецкий металлургический завод).

Мартеновская печь дуплекс цеха Чуковского металлургического завода

(ЧМЗ) работает с измененной конструкцией пода по системе скрытой донной про-

дувки ванны азотом.

Мартеновская печь имеет следующие параметры: ёмкость - 270 т., пло-

щадь пода на уровне порогов рабочих окон - 67,9 м

, длину -14 м, ширину – 4,85

м, глубину ванны - 1,02 м и высоту свода - 3,03 м.

Общая толщина пода составляет 1130 мм, в том числе: слой асбеста 20

мм, кирпич шамотный 65 мм, кирпич периклазовый 575 мм и рабочий наварной

слой.

В процессе реконструкции печи огнеупорная кладка лещади пода из-

менена и была изготовлена следующим образом: на металлическом лиске рас-

полагались в последовательности слои асбеста, шамотного кирпича на плашку и

по одному ряду на ребро периклазохромитового и периклазового кирпичей с об-

щей толщиной кладки 315 мм. Затем равномерно по всей длине ванны

устанавливались шесть продувочных узлов пода в виде керамических колец с

бортами и размещенными в них загнутыми в кольцо трубами с отверстиями. Одно

из этих отверстий предназначалось для подвода азота, а остальные, диаметром

2 мм, которые располагались по всей длине загнутой трубы, для отвода посту-

пающего газа в пористый материал пода.

Пространство между керамическими кольцами до уровня их бортов

заполнялось порошком мелкого помола мирки "ANKERHARTH NN 25"

с размером зерен 0 – 5 мм. Порошок тщательно уплотнялся. Внутренняя по-

лость колец и пространство над ними до уровня рабочей поверхности пода за-

сыпалось порошком более крупного помола. Слой этого утрамбованного

порошка формировал продувочную зону пода. Для ее изготовления применялся

порошок, марки "ANKKRIIAR 111-TLS2" с размером зерен 0 – 8 мм.

Конструкция такого пода с размещением продувочных узлов представ-

лена на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Под мартеновской печи в системе со скрытой донной продувкой азотом ванны

Для изготовления пода применялись порошки разных марок, но отлича-

лись они в основном зерновым составом, а химический же их состав был доста-

точно постоянен и характеризовался такими компонентами: MgO 74-77 %,

СаО 19-21%, SiO

0,6 %, Al

0,3 %, Fe

2,9-3,7%.

Минералогический состав порошков был предопределен составом и

свойствами природных материалов, из которых они были получены. В качестве

такого исходного материала служили минералы, входящие и состав карбонато-

кальциевого ряда (MgCO

– СаСО

) ведущим компонентом в котором был

минерал магнезит. Внутри

этого ряда в качестве возможных трудно различимых минералов мог-

ли присутствовать, например, доломит CaMg(CO

)

, или, как в данном слу-

чае анкерит Ca(Mg,Fe) (СО

)

. Кстати, название порошков "ankorharth" указывает

на их получение путем обжига из природного материала карбонато-кальциевого

ряда, включающего минерал

анкерит. Однако следует отметить, что при минералогических исследо-

ваниях порошков было выявлено отчетливое обособление крупных агрегат-

ных скоплений периклазовых зерен, принадлежащих дополнительно введенному

магнезиту. Обращает на себя внимание также наличие в составе порошков ог-

раниченного количества примесей типа SiO

, Al

, Fe

, в сумме не превы-

шающем 4-5%. Это обстоятельство указывает на наличие стабильных условий

при высокотемпературном спекании зернистой массы материалов. При этом

отметим также, что в процессе обжига такого материала

присутствующие примеси SiO

, Al

, Fe

, в первую очередь взаи-

модействуют с зернами извести, активность которой выше активности перикла-

за. Такие межфазные процессы сопровождаются образованием защитных сло-

ев на поверхности зерен, снижающих склонность извести к гидратации на ста-

дии хранения порошков.

Водоустойчивость порошков и связи с наличием в их составе указанных

примесей была оценена коэффициентом К

, по Кинду. При (Al

/ Fe

)<0,64

- (СаО-0,7 Fe

-1,1 Al

)/2,8 SiO

Увеличение коэффициента насыщения свыше 1 ( в данном случае он дос-

тигает 10-11 ) характеризует увеличение содержания свободной извести в соста-

ве порошков при ограниченной концентрации трехкальциевого силиката и

трехкальциевого алюмината. В зернах периклаза, полученного в процессе обжи-

га, образовывалось также ограниченное количество твердых растворов магнезио-

феррита и смешанных кристаллов с магнезиоферритом.

Огнеупорность материала порошков в связи с содержанием в них химически

несвязанной извести возрастает. Тем не менее, невысокое содержание примесей не

способствует повышению водоустойчивости порошков и вызывает ограниченную

продолжительность их хранения.

Подготовка пода к процессу плавки стали. После разогрева кладки и на-

бивного слоя пода до температуры поверхности 1600°С была произведена загрузка

в печь шихтовых материалов в следующей последовательности (в масс. %): на под

печи - железо-стальная стружка (4,5%), углеродсодержашие стальные отходы

2-го передела (11,1%), известняк (6%) и отходы малоуглеродистой стали 2-

го передела (20%), а после прогрева до температуры 1200°С залили весь жидкий

полупродукт (64,4%).

На первых двух плавках, проведенных без продувки пода азотом,

масса садки печи была снижена до 230 т. При этом продолжительности опера-

ций плавок ( первой/второй в часах) составляли: завалка шихтовых материалов -

5,08 / 5,58 ч, плавление шихты 3,66 / 2,75 ч, доводка - 0,93/ 1,01 ч; общая продол-

жительность плавок- 10,0/ 10,33 ч.

В процессе разогрева пода и последующем проведении на нем первых двух

плавок для выплавки малоуглеродистой стали ("3 СП") набивная часть его слоя

находилась под воздействием компонентов сталеплавильной ванны. Оно прояв-

лялось, прежде всего, по причине пористости материала пода (до 27 %), в увели-

чении его теплового сопротивления и снижении степени прогрева слоя порошка.

С момента загрузки в печь твердая металлическая шихта подвергалась

окислительному воздействию печных газов. По данным М.М. Карнаухова [I] и

П.В.Умрихина |2| при этом устанавливается прямая зависимость степени окис-

ления скрапа от его свойств и весового состава, а также от продолжительности за-

валки. Так степень окисления крупногабаритного тяжеловесного скрапа эквива-

лентна получению 2 кг FеО на каждые 100 кг скрапа в шихтe, a соответст-

вующая величина для мелкого скрапа, по данным [3], достигает 8 кг. Причем

отмечается, что при увеличении поверхности скрапа на 1 м

степень окисления

увеличивается на 2 – 3 %.

При

увеличении продолжительности загрузки шихты в

печь до 5,5 часа масса образующегося монооксида железа достигает 6,5 кг на каж-

дые 100 кг скрапа. При увеличении продолжительности до 7.5 час масса продукта

окисления удваивается. Подобная фаза расплавляется при температуре 1369°С сте-

кает с поверхности металла еще до начала его плавления и накапливается в нижних

горизонтах ванны, достигая поверхности пода.

По мере последующего прогрева металлической ванны печи и повышения

температуры пористого пода создаются условия для перемещения расплава моно-

оксида железа в слой порошка вследствие наличия капиллярного потенциала. Изу-

чение скорости проникновения жидкости в такой капиллярно-пористый материал

показывает, что глубина его пропитки в зависимости от времени находится в

параболической зависимости, на величину которой оказывают влияние по-

верхностное натяжение расплава, угол смачивания на поверхности расплав твердое

тело, радиус капилляра и динамическая вязкость расплава. В данном случае капил-

лярная пропитка порошка пода протекает при наличии градиента температуры в

направлении пропитки, что влияет на изменение, вязкости расплава с изменением

температуры. По этой причине под печи, изготовленный из порошка марки

"ANKRRHARTH NN 25" с последующим уплотнением, как показали исследова-

ния, в состоянии пропитываться монооксидом железа на глубину до 50 мм в начале

процесса, а по мере уменьшения теплового сопротивления слоя при эксплуатации

пода достигает 150-180 мм.

Отметим также, что процесс доставки монооксида железа к поверхности по-

да протекал и по причине высокой поверхностной активности кислорода па гра-

нице раздела металл-под, которая сильно проявлялась на заключительной стадии

периода планки при снижении концентрации углерода до величины, допустимой

при выплавке стали марки "3 сп". На рассматриваемых плавках содержание углеро-

да в металле находилось в пределах 0,10 – 0,11 %. Зафиксированное содержание

монооксида железа поверхностном слое пода при такой концентрации углерода в ме-

талле можно проиллюстрировать рис.6.9 [4]. Показательны в этом отношении

результаты, полученные при проведении специально выполненного исследования

по изучению взаимодействия технически-чистого нераскисленного железа, расплав-

ленного и нагретого до температуры 1570 °С, с материалом тигля, изготовленным

в данном случае из периклазового кирпича. Расплав выдерживали в тигле в те-

чение 15-ти минут. После освобождения от металла материал тигля был под-

вергнут изучению его состава и структуры. В стенке тигля были обнаружены две

зоны: зона от поверхности контакта с расплавом внутрь огнеупора протяженно-

стью 7 мм и наружная зона с неизменившейся первоначальной структурой

периклазового кирпича - 3 мм. Химический состав зоны контакта характеризо-

вался (в мас.%): 52,03% MgO, 42,75% FeO и 1,73% Fe

, а состав неизменной

зоны: 92,0% MgO и 2,1% Fe

При минералогическом же исследовании структура

материала стенки тигля, обращенной к расплаву, была перерождена и вместо пер-

воначально формировавших ее зерен периклаза зоной магнезиовюстита

Mg FeO

В связи с указанным представляет интерес величина допустимого радиуса

пор, при котором возможен процесс пропитки, только вследствие проявления

поверхностного натяжения. Размер радиуса оценен по уравнениям [5,6]. Его ми-

нимально допустимая величина составляет в среднем 0,007 мм. Фактическая же

величина радиуса пор в порошке продувочной зоны пода с учетом его уплотнения

находится в пределах от 0,5 до 1,4 мм.

Работа печи па первом этапе. Во время разогрева рабочего пространства

печи и плавки стали при проведении первых двух плавок были получены необхо-

димые условия по формированию непосредственно рабочей корки пода из по-

рошка марки "ANKERHARTH TLS2". Это, с одной стороны, результат про-

явления взаимодействия монооксида железа с порошком, а с другой - обогаще-

ние компонентами конечных шлаков, омывающих под на заключительной стадии

выпуска металла из печи. Состав конечных шлаков: 39% СаО, 16-16,8% SiО

, 10-

15,2% FeO.

Вязкость шлаков при температуре 1600 °С составляла 0.04 Пa▫c, что указы-

вало на их высокую жидкого-кучесть, обусловленную присутствием оксидов же-

леза. В поверхностный слой пода поступали оксиды СаО и SiO

в соотношении

соответствующем 2CaO▫SiО

, которые заполняли межзеренное пространство в

поде. Поступающие в слой оксиды железа, контактируя с поверхностью зерен пе-

рик.лаза и образуя твердые растворы, вызывали смещение в них межчастичных

связей с раскрытием плоскостей спайности вплоть до трещин. Это ускоряло

капиллярное перемещение оксидов в глубь зерен и тем самым расширяло фронт

молекулярного переноса частиц в твердую фазу.

Положительный объемный эффект образования периклазоферритовых

твердых растворов, оказывая существенное влияние на уплотнение слоя порошка,

облегчал спекание зерен в прочный каркас.

Межзеренное пространство заполнялось в основном оксидом кальция и про-

дуктами его взаимодействия с компонентами шлака и слоя - CaO▫MgO▫SiO

(CaO▫MgO▫SiO

)FeO, 2CaO▫SiO

Количество указанной монтичеллитовой составляющей в процессе экс-