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

Подождите немного. Документ загружается.

ботающего при

св

< t

кр

, т.е. в области скалывания, не повысит заметно их стойкость и мо-

жет увеличить удельный расход топлива.

Применение системы оптимально напряженных сводов целесообразно,

когда износ определяется скалыванием. Мероприятия по повышению стойкости

сводов, изнашивающихся оплавлением, лежат в области совершенствования фазо-

вого состава и структуры огнеупора, в частности - производства и применения

основных сводовых изделии.

Охлаждение сводов по-разному влияет на стойкость в зависимости

от интенсивности охлаждения и от характера износа свода. При небольшой ин-

тенсивности охлаждения, в так называемом градиентном режиме, например при

непрерывной обдувке свода воздухом, увеличится градиент температуры по дли-

не кирпича, что уменьшит протяженность зон и снизит износ свода скалыванием,

но не повлияет или мало повлияет на оплавление. Для снижения оплавления

свода необходим гарнисажный режим охлаждения.

Другой проблемой работы свода мартеновских печей является неравно-

мерность его износа. Часто свод изнашивается больше или по задней или по перед-

ней линиям. Неравномерность износа вызывает его "вспучивание" или местное

разрушение. Регулированием газодинамического режима печи, и изменением угла

раскрытия свода удается устранить неравномерность износа свода.

Независимо от вида износа свода систематическое торкретирование

существенно повышает стойкость. Своды торкретируют полусухим способом в

периоды, когда футеровка свода максимально нагрета (периоды доводки и выпус-

ка металла).

Торкретируют свод магнезитохромитовой массой (60% магнезита и 40%

хромита), содержащей 5...6% триполифосфата натрия. Замечено, что присутст-

вие фосфатов и образование вокруг зерен огнеупорных материалов пленок

сложных фосфатов затрудняет диффузию в свод оксидов железа из плавильного

пространства. Различные добавки в основную торкрет-массу придают ей лучшее

сцепление с футеровкой, уменьшают усадку, повышают механическую

прочность и т.п. Торкретирование сводов по ходу кампании повышает стой-

кость на 20 - 25 %.

Шлаковики. Шлаковики расположены на уровне пола цеха под головками

печи, так что вертикальные каналы сообщаются со шлакоулавливающими камера-

ми через отверстия в их своде. Современные печи оборудованы одной парой шлакови-

ков.

В табл. 6.5 приведены основные параметры шлаковых камер типовых

мартеновских печей разной емкости.

Таблица 6.5.

Размеры и характеристики шлаковиков печей, работающих на высокопотенциаль-

ном топливе (мазут, смесь мазута с природным газом)

Показатели Емкость печи, т

50 85 130 200 300

Полная высота

6 4

2 4

35 4

5 4

Расстояние от оси печи до насадк

егене

ато

5,5 6,0 6,7 7,0 7,4

Ширина, м 2,85 3,5 3,7 4,1 4,6

Высота окна из шлаковика в реге-

нератор, м

1,42 1,52 1,63 1,66 1,7

Высота до перевальной стенки, м 2,18 2,68 2,72 2,84 3,1

Полезная длина, м 7,8 8,1 8,9 9,9 10,3

Объем двух шлаковиков, м3 97 150 180 230 295

Количество шлака, осажденного в

шлаковиках на 1 т. стали, кг

6,9 6,4 5,7 5,3 5,25

Кампания по шлаку, планок 700 660 600 540 480

Толщина кладки, мм

- торцевой стены

- боковой стены

- свода

590

715

600

590

715

600

590

715

600

590

715

460

590

830

460

Поток дымовых газов, несущий плавильную пыль и капли шлака, попадая

из вертикального канала в шлаковик, теряет скорость и меняет направление

движения. Вследствие этого определенное количество пыли выпадает в шлаковой

камере. Чем больше камера и меньше она заполнена шлаком, тем в большей степени

газовый поток очищается от плавильной пыли.

Размеры шлаковиков не могут увеличиваться произвольно. Они ограниче-

ны пространством, находящимся непосредственно под вертикальными каналами,

расположением поддерживающих печь бетонных опор и колон, несущих рабочую

площадку цеха.

В печах, вертикальные каналы и свод плавильного пространства которых

выложен из хромомагнезитовых и магнезитохромитовых изделий, шлак, несмотря

на высокие температуры в шлаковиках, не плавится и образует губчатые скопле-

ния, местами спеченные в глыбы.

Степень спечености шлака зависит как от состава и состояния сыпучей

составляющей шихты, заправочных материалов, полноты сгорания топлива, так и

от состава огнеупорных материалов, применяемых для кладки вертикальных

каналов и свода шлаковиков.

Спеканию шлака в глыбы способствует попадание на осевшую плавиль-

ную пыль СаО и SiО

. Первая попадает при подаче в печь извести и известняка

с большим количеством мелочи или при применении некачественного, содержа-

щего много мелких фракций доломита. Кремнезем попадает на шлаковые отложе-

ния с динасового свода шлаковиков и плавильной пылью.

Поскольку частицы осаждаются в шлаковике в полупластичном состоя-

нии, то угол естественного откоса для таких частиц велик, и поэтому конусооб-

разные наслоения под вертикальными каналами имеют значительную высоту

при малом их диаметре основания. В связи с этим часты случаи закупоривания

вертикальных каналов скопившимся под ними шлаком при заполнении шлакови-

ка лишь на одну треть его объема. Появление жидкого шлака также имеет отри-

цательные стороны, так как его трудно удалить и он повышает износ стен.

Свод шлаковиков и место его соединения с вертикальным каналом яв-

ляется наиболее ответственным и в тоже время наиболее изнашиваемым участком.

Относительно небольшой пролет сводов позволяет делать их полуциркульны-

ми, что обеспечивает достаточную строительную прочность. Арки, поддержи-

вающие стены вертикальных каналов, находятся в зоне высоких температур

(1500... 1550°С) и корродирующего действия плавильной пыли и капель шлака,

поэтому для первой защитной или рабочей арки применяют основные огнеупоры.

Наиболее устойчивыми оказались своды, выполненные из магнезитохро-

митовых или хромомагнезитовых изделий, толщиной 300 мм. Рабочие арки

при этом выполняются без подвешивания. Достаточно хорошо зарекомендова-

ли себя своды шлаковиков, выполненные из хромомагнезитовых изделий толщиной

300 мм, с применением металлических прокладок и укладкой кирпича вдоль пято-

вых опор панелями шириною около 1м в перевязку и центрального участка –

кольцами.

Однако при выполнении сводов шлаковиков из основных материалов

магнезитохромитовые опорные арки под вертикальными каналами становятся наи-

более слабыми участками. Неравномерный прогрев изделий в опорных арках под

вертикалами, способствует местному размягчению нижней кромки кладки. Такое

размягчение имеет место по всей длине кромки, вплоть до пят. При этом линия

приложения сил в арке оказывается по одну сторону от опоры, что делает арку

статически неустойчивой и склонной к опрокидыванию в сторону вертикального

канала. Часто провисание и опрокидывание приводит к обрушению арки, те-

кущему за собой разрушение соседних колец магнезитохромитового свода

шлаковиков.

Во избежание преждевременной остановки печи на ремонт магнезитохро-

митового свода шлаковиков опорные арки выполняют из 300 мм магнезитохро-

митовых изделий, выложенных на ребро в два оката толщиною по 150 мм каж-

дый. В этом случае при провисании и обрушении первого оката второй на некото-

рое время предотвращает обрушение последующих колец свода.

Регенераторы - это теплообменные аппараты, в которых, теплопере-

дача от греющей среды к нагреваемой осуществляется периодически через терми-

чески массивную насадку. Принцип работы регенератора как периодически дей-

ствующего теплообменного аппарата заключается в чередовании циклов нагрева

и охлаждения, что достигается реверсированием движения газов по всей систе-

ме печи. В первом цикле дымовые газы с температурой 1450...1550°С. проходя

через насадку, отдают ей свою теплоту, охлаждаясь до 700...900°С; во

втором цикле теплота, аккумулированная насадкой, передается холодному

воздуху, который нагревается до 1000...1250°С. Длительность этих циклов состав-

ляет в зависимости от технологических периодов плавки 5...10 мин.

Вид топлива, применяемого для отопления мартеновских печей, опреде-

ляет размеры регенеративных камер. Мартеновские печи отапливаемые мазу-

том или смесью мазута с природным газом, оборудуют только одной парой ре-

генераторов для подогрева воздуха, что позволяет выполнять их большего

размера, чем на печах, имеющих две пары регенераторов.

Конструктивно регенеративный теплообменник представляет собой ка-

меру, заполненную многорядной решеткой (насадкой), выложенной из огне-

упорных кирпичей рис. 6.12. Кирпичи располагают таким образом, чтобы между

ними остались проходы для газов. Свободное сечение, образующееся между

кирпичами насадки для прохода газа в вертикальном направлении, называют

ячейкой регенератора. Как правило, ячейка регенератора представляет собой

квадрат и обозначается цифрами, характеризующими размер стороны квадрата в

миллиметрах, например, 130x130, 190х190 и т.д .

Рис. 6.12. Схема устройства регенератора:

1,3 – насадочное и подсадочное пространство соответственно; 2 – насад-

ка; 4 – боров.

Температура в регенераторах определяется не только количеством

теплоты, уносимой продуктами сгорания из плавильного пространства, но и качест-

вом сжигания топлива. При достаточно полном его сжигании температура

свода регенератора не превышает 1350 – 1400 °С даже, если процессы в

печи интенсифицируют, подавая кислород или компрессорный воздух в факел.

Применение интенсификаторов горения топлива не приводит к повышению тем-

пературы в регенераторах. При неполном сгорании топлива в плавильном про-

странстве печи догорание его происходит в головке, шлаковике и регенераторе,

что способствует развитию высоких температур на поверхности верхних ря-

дов насадки.

Нагрузки, которые испытывают изделия в участках кладки нижних ря-

дов насадки и свода регенератора, весьма различны. Учитывая механическую

прочность изделий в условиях службы, можно ожидать в некоторых случаях

возникновение предельных напряжений. Ширина регенераторов обычно та-

кова, что величина удельных нагрузок в различных частях кольца свода не пре-

вышает пределы прочности на сжатие огнеупорного кирпича.

При достаточной толщине свода, когда распределение усилий обеспечива-

ет статическую прочность арки, а температура части изделий, наибольшей по

толщине свода, не превышает температуру их деформации при нагрузке, равной

0,2 МПа, свод оказывается достаточно устойчивым.

Магнезитохромитовые изделия изнашиваются значительно медленнее,

однако температура деформации их почти на 200 °С ниже, чем у динасовых. По-

этому при прогреве изделий до предельных температур арки свода могут дефор-

мироваться при значительной его остаточной толщине (до 230мм). Следователь-

но, конструкция распорно-подвесного МХС свода можно считать в этой ситуа-

ции рациональной.

Безобжиговые магнезитохромитовые изделия успешно служат в кладке

переходных участков между сводами шлаковиков и регенераторов. Переход-

ные сводики, вследствие конструктивной особенности кладки, наличие "вы-

ступов" и обнажение части поверхности кирпича, а также аэродинамические

факторы являются местами максимального износа и при выполнении их из динаса

в большинстве случаев требуют замены в каждый холодный, а иногда и в проме-

жуточный (горячий) ремонт.

Условия службы огнеупорных изделий в сводах регенераторов суще-

ственно отличаются от условий работы в сводах шлаковиков. Понижение

температуры дымовых газов на 100-150°С и значительное снижение концентра-

ции плавильной пыли в них (на 50-60%) делают условия работы сводов регене-

раторов менее тяжелыми. В этих условиях применение динасовых изделий обес-

печивает длительную работу свода регенератора и не требует замены свода

иногда в течение двух-трех кампаний (считая по главному своду).

Характер износа в сводах регенераторов тот же, что и в сводах шлакови-

ков, т.е. оплавление под действием плавильной пыли при температурах 1400-

1450°С. Замена динасовых изделий на магнезитохромитовые снижает скорость

износа свода регенератора приблизительно в два раза. Кроме увеличения срока

службы свода, в результате применения магнезитохромитовых изделий исключа-

ется попадание железосиликатного расплава на пылевые отложения верхних ря-

дов регенератора. Выкладке свода из основных огнеупоров способствует более

длительной работе насадочных изделий без их разрушения. Наиболее изнаши-

вающимися участками сводов регенераторов являются пяты и ближайшие к

ним места свода, лежащие на разделительной стене близ перевальной стенки.

Теплообмен насадочных кирпичей со всех сторон значительно увели-

чивает скорость их разрушения. Кроме фактора высоких температур разруше-

ние насадочных изделий происходит также от большого количества теплосмен.

Высокая концентрация плавильной пыли в отходящих газах создает благопри-

ятные условия для осаждения её на насадочных изделиях. Оседающая плавиль-

ная пыль в зависимости от горизонта отложения по высоте насадки может или

закупоривать ячейки рыхлыми образованиями в виде налетов или вступать в

химическое взаимодействие с насадочными изделиями, разрушая их. Количест-

во жидкой фазы, образуется в месте контакта огнеупорного материала с реаген-

том, её вязкость и скорость проникновения в изделиях, зависят от температур-

ных условий.

В период интенсивного окисления углерода в ванне и перекидке фа-

кела в отходящих газах присутствует СО. Это создает восстановительную га-

зовую среду при движении продуктов горения в регенераторах.

В другие периоды плавки продукты горения редко содержат несгоревшее

топливо и имеют в своем составе избыточный кислород, т.е. среда слабоокисли-

тельная.

При движении через регенератор воздуха среда в насадках окислитель-

ная. Изменение валентности железа, окислы которого имеются в плавильной

пыли, влияет на их реакционные свойства и температуру плавления расплава

при взаимодействии с огнеупорами. В ряде огнеупоров окислы железа присут-

ствуют в значительном количестве, например, в периклазофорстеритовых. Из-

менение валентности железа в огнеупорах приводит к объемным изменениям,

разрушающим изделия.

Оседающая плавильная пыль не только закупоривает ячейки насадки,

но и реагирует с насадочными изделиями. Степень взаимодействия пыли с

насадкой определяется составом огнеупоров и температурой их нагрева.

Динасовые огнеупоры в насадке регенератора. Кислые огнеупорные

материалы изнашиваются оплавлением. Кристаллическая структура кремнезема

состоит из кремний - кислородных ионов

−4

SiO . Большой заряд и малый радиус

иона

Si (0,39 А

) предопределяют его высокую поляризующую способность,

а, следовательно, и прочность комплексного иона

−4

SiO , представляющего тетра-

эдр из 4-х ионов кислорода с ионом кремния в центре. Каждый ион кислорода

является общей вершиной для двух соседних тетраэдров. Благодаря такому

строению и особенностям иона

Si , кремнекислородные ионы

−4

SiO образуют

структурные группы с порядком расположения составляющих, подобным по-

рядку при кристаллическом состоянии даже в тех случаях, когда система нахо-

дится в расплавленном виде. Это обстоятельство предопределяет медленное

нарастание количества расплава при нагревании высококремнеземистых сме-

сей.

Такое медленное нарастание количества расплава при небольшом со-

держании флюсующих окислов в динасе (5-6 %) обеспечивает высокую

механическую прочность изделий при нагревании до температуры плавления.

Такие свойства делают динас хорошим материалом для элементов клад-

ки, испытывающих механическую нагрузку при высоких температурах.

Но это наблюдается только при малом количестве флюсующих до-

бавок. При взаимодействии кремнезема с окислами железа и со щелочами

образуются легкоплавкие эвтектики. Сравнительно небольшое количество

окислов, могут перевести в жидкое состояние значительное количество крем-

незема. В плавильной пыли может содержаться около 2% щелочей, а также

окислы железа. Эти составляющие способствуют образованию расплава на

поверхности динасового изделия.

При нагреве до 1200... 1300° расплав получается с малой вязкостью, так

как он имеет низкую температуру плавления. Расплав стекает с оплавленной

поверхности, уносит часть кремнезема изделия, обнажая новую поверхность.

Толщина измененных зон в динасовом кирпиче после службы очень не-

большая. Толщина реакционной зоны составляет доли миллиметра. Неболь-

шое изменение химического состава после службы динасового кирпича на-

блюдается лишь на глубину 3 -3,5 мм. Такая малая глубина изменения химиче-

ского состава динасовых изделий позволяет сохранить прочность даже при не-

большой остаточной толщине.

Теплопроводность динасового кирпича после службы понижается не-

значительно (на 0,419…0,837 кДж/м.ч.°С). К хорошим показателям динаса

можно отнести так же и то, что верх насадки из динасового кирпича в процессе

работы не забивается плавильной пылью.

К отрицательным свойствам динаса следует отнести активное взаимо-

действие кремнезема с щелочно-железистыми смесями, появление расплава

при относительно низкой температуре, высокие скорости реакции, возрас-

тающие с повышением температуры.

Перечисленные недостатки заставляют ограничить применение динаса

для кладки насадок.

При нагреве верхних рядов насадок до 1380°С и выше динасовые изде-

лия не применяют, а заменяются на более износоустойчивыми.

Алюмосиликатные изделия. Носителем огнеупорных свойств в ша-

мотных изделиях является минерал муллит 3Al

2SiO

Ион Al

имеет отно-

сительно малый ионный радиус (0,57 А°) и, аналогично кремнию, прочно

удерживает окружающие его ионы кислорода.

Щелочные составляющие и окислы железа плавильной пыли способст-

вуют появлению расплава в системе SiO

– Al

табл. 6.6.

Если алюмосиликатные огнеупоры работают при умеренном нагреве

(1300°С), то образующийся на их поверхности расплав оказывается доста-

точно вязким. Это способствует накапливанию полурасплавленных продуктов

взаимодействия окислов железа плавильной пыли с алюмосиликатами изделий

ввиде настылей. При высоких температурах нагрева верхних рядов насадок

(1310 - 1350°С) образующийся расплав приобретает несколько большую под-

вижность и алюмосиликатные изделия начинают изнашиваться оплавлением.

Скорость оплавления алюмосиликатных изделий зависит от содер-

жания глинозема в них. При большем содержании глинозема изделия выдер-

живают более высокую температуру.

Таблица 6.6.

Температура появления и количество эвтектического расплава в систе-

мах SiO

-Al

-FeO и SiO

-Al

-R

Количе-

ство FeO

или

FeO

O, %

Состав эв-

тектики, %

Температура плавлени

эвтектики, °С

Количество расплава

при эвтектической тем-

пературе, %

Состав эв-

тектики, %

Температу-

ра, °С

Количество расплава

при эвтектической тем-

пературе, %

SiO

FeO

SiO

Полного расплав-

ления смеси

Плавления эвтек-

тики

5 46 21 33 1205 17 80 13 7 1600 1050 40

10 46 21 33 1205 32 63 24 13 1600 1063 30

15 46 21 33 1205 46 63 24 13 1550 1063 55

20 46 21 33 1205 60 54 29 17 1450 1270 45