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

Подождите немного. Документ загружается.

плуатации такого рабочего слоя пода имеет тенденцию к снижению по причине

его перерождения в ортосиликат по реакции:

CaO▫MgO▫Si0

+ СаО = 2CaO▫SiO

+ MgO

Процесс формирования корки пода во время ошлакования слоя моноокси-

дом железа и оксидами шлака на первых двух плавках не завершается. Он продол-

жается на последующих плавках во время эксплуатации печи. Первоначальная грани-

ца расположения этого слоя от поверхности пода находится на удалении около

50 мм и определяется величиной температурного градиента. Последний в дан-

ном случае достигает 5 °С/мм слоя.

Температурный градиент в слое пода имеет тенденцию уменьшаться

(рис. 4.3) по причине уменьшения теплового сопротивления при пропиты-

вании слоя порошка оксидами. В связи с ним условно принимаем температуру

порошка равной 900 - 1000°С, которая достигается в нем при вводе газообразно-

го азота.

Для продувки материала пода используется газообразный азот со следую-

щими параметрами: давление азота на входе в печной коллектор составляло

0,52 МПа при температуре 10°С, а его расход осуществлялся с учетом периодов

плавки по программе в следующей последовательности: в течение первых 60 ми-

нут от начала плавки 10 л/мин, затем 90 минут 20 л/мин, 510 минут 10 л/мин че-

рез каждый продувочный элемент.

Подвод азота сопровождался его нагревом в зоне продувочных узлов и

выше в слое порошка. В случае формирования плотного рабочего слоя на по-

верхности пода давление газа на границе с ним могло бы возрастать в 4-5 раза в

сравнении с первоначальным. Однако это, по-видимому, не происходит по сле-

дующим причинам. При одностороннем прогреве огнеупорного порошкооб-

разного слоя наличие температурного градиента в слое сопровождается воз-

никновением термически напряженного состояния при отсутствии постоянства в

объёме спекшегося материала. Это обстоятельство не обеспечивало получение

высокой прочности всего формируемого рабочего слоя пода. Другой, не менее

важной причиной, является наличие в объёме пор компонентов из шлаково-

го расплава, формирующих минерал монтичеллит, который находится в состоя-

нии перехода в жидко-твердое состояние при температуре поверхности пода.

Это вытекает из анализа диаграммы состояния системы MgO▫CaO▫SiO

и в ка-

честве иллюстрации приводим его результаты рис. 6.10 [7].

Рис.6.10. Количество расплава в бинарных системах в MgO, в зависимости от

температуры при 15% других фаз:

1 - 100% MgО; 2 - с FeO; 3 - с Ca

SiO

; 4 - с CaMgSiO

; 5 – Са

;

Передняя и задняя стенки. Переднюю стенку выкладывают рядами

под углом 4-6° к горизонтали и сторону ванны из магнезитового кирпича всухую

с заполнением швов тонкомолотым магнезитовым порошком с крупностью

зерен не более 1 мм. Между кладкой столбиком и подпятовыми балками свода

оставляют температурный зазор (30 - 40мм), забиваемый магнезитохромовой мас-

сой. Для улучшения стойкости кладки столбики выполняют наклонными пол

углом 70 – 75° к горизонту в сторону арматуры печи.

Низкая стойкость столбиков передней стены, как с водяным охлаждени-

ем, так и без него, является следствием конструктивного несовершенства этого

элемента кладки и условиями эксплуатации. Заправка их магнезитовым или доло-

митовым порошком затруднена большим уклоном и направлением поверхности

столбика внутрь печи, что приводит к зарастанию откосов против столбиков

вследствие осыпания заправочных материалов. Различные способы кладки стол-

биков ожидаемого положительного результата не дают.

Заднюю стенку печей выкладывают из магнезитового и магнезитохромито-

вого кирпича всухую с засыпкой швов молотым магнезитовым порошком с крупно-

стью зерен не более 1 мм и с температурными швами шириной 20 мм, которые ос-

тавляют через каждые 920 мм по длине стены симметрично оси печи. Между

кладкой стены и подпятовыми балками свода предусматривают температурный

зазор, забиваемый вручную магнезитохромитовой массой.

Ряды магнезитохромитового кирпича в кладке задней стенки наклонены к

горизонту под углом 4...6°. Для увеличения стойкости рабочая поверхность

задней стенки на уровне шлакового пояса выполнена с уклоном 45° к горизонта-

ли, что способствует удержанию на ней заправочных материалов. Одну треть

верхней её части по высоте выполняют вертикальной. Это несколько умень-

шает ширину открытой части свода рабочего пространства и защищает пято-

вую балку от прямого воздействия теплового потока.

Такая конструкция задней стенки позволяет сократить расход заправоч-

ных материалов, так как наваривают в основном только нижнюю часть стенки,

которая подвергается интенсивному разрушению в шлаковом поясе. Во время

кипения ванны шлак попадает как на нижнюю часть стенки, так и на ее верх-

нюю часть. Однако из-за того, что верхняя часть стенки вертикальная, то большая

часть шлака стекает вниз не успевая прореагировать с огнеупором. За счет этого

увеличивается стойкость стенки и срок службы её становится соизмеримым

стойкости свода рабочего пространства печи.

Основной свод печи. Огнеупорный материал в сводах подвергается хи-

мическому воздействию шлака, паров металла и плавильной пыли, химическому

действию окислительной и восстановительной среды газов и переменному

давлению массы самого свода. Температура газового потока в подсводовом про-

странстве сталеплавильных печей доходит до 1800-1850°С. Огнеупоры ис-

пытывают резкие колебания температур, связанные с различными периодами

плавки, поэтому сводовые огнеупоры должны отвечать следующим требованиям:

- высокой огнеупорностьи;

- высокой температуре начала деформации под нагрузкой;

- хорошей термостойкости;

- шлако- и металлоустойчивости;

- стойкости против механического износа;

- постоянства объема в службе (отсутствием дополнительной усадки и

отсутствие увеличения объема в условиях насыщения изделий раз-

личными корродиентами);

- точности размеров и правильности формы.

Подобрать огнеупорные изделия, которые бы одновременно обладали

всеми этими свойствами, вряд ли возможно.

Основным требованиям: огнеупорности, устойчивости к химическому

воздействию оксидов железа и термостойкости отвечают периклазохромитовые

изделия. Однако такие огнеупоры характеризуются сравнительно низкой тем-

пературой начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа, составляющей

1500...1540°С и имеют большую массу - кажущаяся плотность их ~ 3 г/см

. Из та-

ких тяжелых изделий нельзя делать свод большого пролета арочной конструк-

ции, так как под влиянием тяжести самого свода горизонтальный распор

может вызвать напряжение в изделиях, превышающее их прочность при высоких

температурах.

Горизонтальный распор Н арочного свода (рис.4.6) определяют по фор-

муле В.Е. Грум-Гржимайло

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ctg

или определяют по формуле В. Бюэлла

KlQ

5,0

⋅

где Q - масса арки; К - коэффициент, учитывающий увеличение распора

в нагретом своде; остальные значения по рис.6.11.

Рис.6.11. Схема арки с обозначением основных параметров

Известно, что под действием силы тяжести в правильно набранном

своде (в "холодном" состоянии) в верхней части арки свода действуют

сжимающие напряжения; а в нижней растягивающие. При нагревании свод

растет и наблюдается обратное явление. Таким образом, изменение температуры

вызывает изменение величины и знака напряжений в сводовых изделиях.

Чтобы периклазовые изделия могли служить в своде, надо выполнить два

условия: снять часть тяжести свода и стабилизировать нейтральную линию давле-

ния в оптимальном положении. Первое условие выполняется, если свод подве-

сить, второе достигается ограничением роста свода. Так родилась конструкция

распорно-подвесного свода А.С. Френкеля. Свод выкладывают кольцами. Кир-

пичи в кольцах соединяют стальными стерженьками, а между кирпичами укла-

дывают стальные пластины толщиной 0,8 мм. С помощью этих пластин группу

кирпичей подвешивают к продольным балкам. Рост свода ограничивают специ-

альными упорами. При работе свода стальные пластины окисляются, образовав-

шийся оксид железа дает с оксидом магния кирпича магнезиоферрит и магнезиовю-

стит, которые соединяют кирпичи в кольце свода в монолит. Существует много

разновидностей конструкций распорно-подвесных сводов. Оптимальное со-

отношение между той частью массы свода, которая "подвешивается", и той ее ча-

стью, которая создает горизонтальный распор, а также допустимый рост находят

опытным путем. В связи с тем, что по мере службы свод изнашивается и масса его

уменьшается неравномерно, возникла необходимость создания регулируемого оп-

тимально-напряженного свода (свод В.М. Панферова и И.П. Басьяса). Свод такой

конструкции имеет более продолжительную кампанию, но вследствие сложно-

сти конструкции подвески их применяют редко.

В процессе службы периклазохромитовые изделия приобретают зональное

строение. Образование зон происходит при наличии градиента температуры и

диффузии расплавов, содержащих оксиды железа.

В кирпиче свода выделяют три зоны: рабочая, переходная и малоизменен-

ная. В основу разделения изделии на зоны положен следующий принцип: в ра-

бочей зоне изменяется химический, минералогический состав и структура, в пе-

реходной – только структура, а в слабоизмененной зоне сохраняется исходный

состав и структура. Рабочую зону в магнезитохромитовых изделиях под-

разделяют на подзоны: шпинелидную, пористую, плотносиликатную.

Шпинелидная подзона плотная, имеет металлический блеск, в ней нет отдель-

ных зерен периклаза и хромита, она состоит из шпинелидов сложного состава. В

пористой подзоне рабочей зоны еще отмечают отдельные зерна периклаза и хро-

мита. Зерна хромита здесь имеют пористое строение вследствие миграции силика-

тов в следующую подзону и "перехода" оксида хрома с образованием хромшпи-

нелидов. В силикатной подзоне скапливаются расплавы силикатов, как "свои", так

и принесенные из вне. Силикаты заполняют все имеюшиеся поры и застывают.

Механизм образования подзон представляется сложным. Образование силикатной

подзоны идет главным образом по механизму термокапиллярной миграции. Этот

процесс зависит как от вязкости расплавов, так и от уже измененной

структуры более "горячих" участков кирпича. Причем трудно оценить роль на-

чальной структуры, поскольку скорость износа магнезитохромитовых изделий как

обожженных, так и безобжиговых, имеющих разную структуру в исходном со-

стоянии, примерно одинакова и определяется главным образом химико-

минералогическим составом.

Образование пористой подзоны определяется реакциями, зависящими oт

исходного зернового и вещественного состава, количества и состава образую-

щейся жидкой фазы. Вследствие неравновесного состояния расплава наблюдается

образование двух несмешивающихся жидкостей. Когда в основной по количе-

ству жидкости с наименьшим поверхностным натяжением (силикатной) нахо-

дится вторая жидкость с большим поверхностным натяжением (железисто-

марганцовистая) в виде капель, то наблюдается встречное движение: силикатной -

в сторону более низких температур, а железисто-марганцовистой – в более горя-

чую

В переходной зоне изменение структуры объясняется процессами спека-

ния в условиях относительно невысоких температур и их градиента. Здесь

спекаются отдельные участки. Частицы обособляются в сепаратные группы

(фрагменты). Сепаратные группы, являясь более плотными по сравнению с не-

изменной зоной, слабо связаны между собой - происходит разрыхление и паде-

ние прочности переходной зоны в целом, хотя суммарная пористость зоны

может быть как меньше, так и больше, чем у малоизмененной зоны. Пере-

ходная зона, таким образом, характеризуется разрыхленностью структуры и

малой прочностью. Протяженность зон зависит от многих факторов. Из

них главные - исходный химико-минералогический состав и градиент темпе-

ратур. К концу кампании, когда градиент температуры, по мере износа свода,

увеличивается, зоны как бы сжимаются.

Вследствие разных термомеханических свойств зон при колебаниях

температуры в футеровке возникают напряжения и сколы. Наблюдаются два ха-

рактерных вида сколов: крупные сколы 20...25 мм, проходящие вблизи границ

между рабочей зоной и переходной (частично по силикатной подзоне) и сравни-

тельно небольшие сколы до 10 мм (шелушение), проходящие в районе границ

шпинелидной и пористой подзон рабочей зоны. Крупные сколы характерны для

периклазохромитовых изделий, а шелушение для периклазошпинелидных.

Размеры сколов и их частота определяют стойкость сводов. По статисти-

ческим данным с увеличением емкости мартеновских печей стойкость сводов

уменьшается, хотя механические напряжения в своде при одинаковой марке

сводовых изделий примерно одинаковы, так как большегрузные печи имеют

большой пролет, но соответственно и больший угол свода. Следовательно,

стойкость свода зависит не только от механических напряжений, но и от суммы

конструктивных, технологических, теплотехнических и эксплуатационных

факторов.

Факторы, определяющие износ свода можно разбить на три группы. В

первую группу входят состав и структура огнеупоров. Вторая - объединяет

конструктивные параметры свода, размеры, угол расхождения свода, высоту свода

над ванной и т.п. Третью группу образуют условия эксплуатации. К ним, в ча-

стности, относят температурный режим кладки, интенсивность разбрызгивании

металла и шлака при продувке ванны кислородом, состав шлака, запыленность и

скорость движения газов в рабочем пространстве печи. В отличие от факторов вто-

рой группы, эксплуатационные факторы могут существенно меняться по ходу

кампании печи и от плавки к планке. Изучение микро- и макроструктуры отра-

ботанных сводовых изделий показывает, что образование скола происходит по

широким трещинам

– п

лоскостям, расположенным, как правило, перпендикулярно

градиенту температур. Такие полости образуются не сразу, а постепенно выраста-

ют из начальных микротрещин или пор. Если образование начальных трещин -

результат термических напряжений и физико-химических превращений струк-

туры, то постепенный рост полостей связан с коалесценцией и миграцией пор, суще-

ственно ускоряющийся действием силы тяжести. Сам отрыв куска изделия под

действием силы тяжести происходит мгновенно. В связи с таким представлением

износа свода разработан и в некоторых случаях успешно используется ряд мер,

задерживающих окончательный отрыв кусков изделий. Например, когда

свод набирают чередованием в кольце двух видов изделий марок: МХС - ПШC

или обожженных - безобжиговых и т.п., то в соседних изделиях сколы образу-

ются неодновременно и на разных горизонтах. В таких случаях образовавшийся

скол одного изделия оказывается зажатым соседними изделиями и окончательного

отрыва куска не происходит.

Непрерывное определение толщины свода по ходу кампании показало, что

износ огнеупоров протекает во времени весьма неравномерно. Отчетливо на-

блюдается снижение скорости износа в конце кампании. Одновременно с перио-

дами интенсивного износа наблюдаются продолжительные периоды кампании (по

50 плавок и более) с практически постоянной толщиной свода.

Исследование образования трещин и сколов в сводовых изделиях типа МХС

позволило установить, что скорость изменения температуры в районе тре-

щин составляет 3...5 град/мин, а градиент температуры 1,3...6 град/мм. По данным

В.М. Панферова напряжения при этих параметрах температуры в горячей

части кирпича составляют 0,6 - 0,8 МПа, а в холодной ~ 0,6 МПа. В районе

сколов содержание оксидов железа не превышает 10 - 15% и здесь не следует ожи-

дать значительных изменений объема при окислительно-восстановительных про-

цессах. Сопоставляя приведенные факты, И.П. Басьяс и Г.А. Фарафонов делают вывод

о усталостном характере образования сколов в МХС огнеупорах.

Представления о преобладающем влиянии скалывания на износ огнеупо-

ров верны при отсутствии подачи кислорода в сталеплавильные печи. С по-

дачей кислорода в факел характерны значения максимальных температур поверх-

ности свода 1750- 1780°С.

Наибольшее влияние на скорость износа сводов δ при интенсификации

теплообменных процессов оказывают два фактора: интенсивность продувки ван-

ны кислородом (J, м

/ч) и температура внутренней поверхности свода (t

св

, °С). За-

висимость δ = f(J, t

св

) носит пороговый характер. Она показывает, что, при данной

конструкции свода, числе и конструкции фурм для подачи кислорода существует не-

которая достаточно узкая область критического значения J

кр

, превышение кото-

рой вызывает резкое ускорение износа. При значениях J, не превышающих кри-

тического уровня, продувка ванны кислородом может не оказывать значительного

влияния на стойкость свода. С увеличением высоты свода значение J

кр

также увеличи-

вается. Стойкость свода зависит не только и не столько от общего расхода кислоро-

да, сколько от расхода через одну фурму. Это свидетельствует о доминирующем

влиянии образования взвесей шлака, поступающих на свод. Известно, что ин-

тенсивность каплеобразования и высота подъема капель зависят от расхода

кислорода через фурму. Внутренняя поверхность свода при продувке кисло-

родом бомбардируется каплями металла и шлака размерами от 5 до 25 мм со скоро-

стью полета до 25 м/с. Предельно допустимым расходом кислорода через одну

фурму J

кр

, следуем считать такой, при котором брызги не достигают поверхности

свода.

Когда капли долетают до свода, то свод на протяжении всего периода

продувки ванны смачивается жидкотекучим шлаком, отличающимся большим

содержанием FeO, MgO и Сг

, что указывает на интенсивное взаимодействие

расплава с огнеупором и переход части огнеупора в расплав, т.е. происходит оплав-

ление свода. По окончании продувки легкоплавкий расплав в основном стекает.

Однако некоторое его количество остается и с течением времени состав рабоче-

го слоя огнеупора и температура начала плавления этого слоя меняются. Снижение

огнеупорности рабочего слоя сводового кирпича в процессе службы объясняется в

основном уменьшением содержания MgO и насыщением оксидами железа.

Между температурой начала плавления и расходом кислорода на одну фурму на-

блюдается отчетливая корреляционная зависимость.

Зависимость между температурой поверхности свода и износом также но-

сит пороговый характер. При некотором значении температуры t

кр,

наблюда-

ется быстрый износ свода. Установлено, что значение критической температуры

соответствует значению температуры начала оплавления свода, t

кр

= t

н.пл

При температуре свода ниже критической температуры и, следовательно,

ниже начала оплавления (t

св

кр

) свод изнашивается путем сколов. Скорость из-

носа при этом 0,6 – 0,9 мм за плавку, что соответствует при длине сводного

кирпича 460 мм стойкости сводов 400 — 600 плавок. Сколы могут иметь значи-

тельные размеры (особенно в начале кампании), но происходят относительно

редко. При износе сколами свод имеет ступенчатый рельеф. При температуре сво-

да выше температуры начала оплавления t

св

> t

н.пл

, износ свода идет оплавлени-

ем. Свод при этом имеет гладкую поверхность и скалывание отсутствует, так

как скорость износа оплавлением превышает скорость процессов, подготавли-

вающих сколы (образование зон, развитие трещин и т.д.). Износ оплавлением в

некоторых случаях в два раза больше, чем сколами. Лишь в узкой темпера-

турной зоне может наблюдаться смешанный износ сколами и оплавлением.

Увеличение высоты может дать положительный эффект на печах, которые

работают с температурой свода выше критической. Увеличение высоты свода, ра-