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

Подождите немного. Документ загружается.

В процессе службы у алюмосиликатных изделий образуется зональная

структура.

Под оплавившимися наслоениями плавильной пыли образуется

тонкая, зеленовато - черная корочка (1я зона), за ней фарфоровидный грязно

- белый слой толщиной в несколько мм (2-я

зона), далее идет практически

не изменившаяся структура. Химический состав огнеупорного материала в зо-

нах представлен в табл.6.7.

Таблица 6.7

Химический состав многошамотных изделий (Д-2),

работающих в верхних рядах насадок

Место

отбора

об

SiO

+ TiO

FeO CaO MgO MnO R

I зона 23,8 17,43 38,12 11,64 1,03 4,27 0,67 3,9

11 зона 51,64 38,60 0,82 0,84 0,14 0,70 - 2,8

Неизмен-

ная

часть

55,52 39,64 1,90 0,42 0,54 0,76 - 1,05

При исследовании шлифов рабочих зон в проходящем свете обнару-

жены скопления хорошо развитых игольчатых кристаллов муллита. Среди них

имеются маленькие кристаллы кубической формы - это корунд и муллит

призматической формы. Колебания температуры в регенераторах способству-

ют выпадению кристаллов корунда и муллита, которые увеличивают вязкость

образующегося расплава в рабочей зоне кирпича.

Из всех алюмосиликатных огнеупоров лучше всех зарекомендовал

себя в насадках мартеновских печей высокоглиноземный кирпич (с содержа-

нием > 50% Al

)

Наличие в изделиях высокого содержания Al

предопределяет на-

растание первоначально небольшого количества расплава лишь по достиже-

нии температуры 1380°.

К положительному качеству высокоглиноземистых изделий следует от-

нести стабильность их теплофизических свойств в процессе службы.

Однако регенеративные насадки, выложенные из таких изделий,

сильно зарастают плавильной пылью.

Магнезитохромитовые изделия.В магнезитохромитовых изделиях при

взаимодействии их с плавильной пылью в условиях регенераторов, расплав не

появляется.

При динасовом своде регенератора насадочные изделия подверга-

ются воздействию не только плавильной пыли, но и кремнеземосодержащего

расплава. В этом случае могут образоваться пироксены с низкой температурой

плавления. Однако такие случаи характерны лишь для первого ряда регенера-

тивных насадок, работающих под динасовым сводом при температурах 1350 -

1400°. Нижележащие ряды кирпича контактируют только с высокожелезистой

плавильной пылью.

Кристаллы периклаза слагаются из ионов Mg

u O

образующих куби-

ческую кристаллическую решетку. Параметры кристаллической решетки близки

к параметрам вюстита, поэтому эти два соединения обладают неограничен-

ной взаимной растворимостью.

Рис.6.13. Диаграмма равновесного состояния MqO - FeO.

Как видно из диаграммы рис.6.13.., расплав в системе FeO - MgO появля-

ется при температуре около 1400° и то для смесей с содержанием почти 100%

FeO.

0 100 20 40 60 80

1600

2000

2400

2800

FeO

MgO Вес, %

°С

Незначительное увеличение содержания MgO в смеси способствует

быстрому росту температуры первоначального появления расплава.

Практически магнезитохромитовый кирпич в насадках регенераторов

не оплавляется. Плавильная пыль образует наслоения на поверхности кирпичей

насадки различной плотности. Плотность пылевых отложений на верхних рядах

насадок зависит от состава огнеупора в своде регенератора и от температур в на-

садочном пространстве.

При динасовых сводах и температурах выше 1350 - 1400° пылевые на-

слоения прочно цементируются железисто - силикатным расплавом. При магне-

зитохромитовых сводах регенераторов пылевые наслоения получаются рыхлые.

Длительное пребывание магнезитохромитовых изделий при высо-

ких температурах приводит к процессам рекристаллизации периклаза. В ре-

зультате рекристаллизации отдельные составляющие огнеупора дают усадку,

что приводит к образованию трещин. Образование трещин также возможно в

связи с температурными колебаниями. Различные величины коэффициента

температурного расширения минералов, составляющих скопления магнезито-

вых зерен (периклаза), и различные силикатные прослойки между ними (мон-

тичеллит, форстерит) могут при частых колебаниях температуры вызывать

разрушение в местах их контакта. Относительно невысокие температуры не

создают условия для последующего заполнения трещин расплавом. В результате

этого получается рыхлая непрочная структура. Разрыхлению подвержены как

обожженные, так и безобжиговые магнезитохромистовые изделия.

Хромитовая составляющая под воздействием железистых расплавов раз-

бухает и растрескивается. Понижается не только механическая прочность, но и

ухудшаются теплообменные свойства.

Форстеритовые изделия. Минералогическими составляющими форсте-

ритовых изделий является главным образом форстерит, периклаз, магнезиофер-

рит и иногда файялит.

Форстерит (2MgO▫SiO

) представлен в изделиях крупными обломками ве-

личиной 2 – 3 мм, которые сцементированы дисперсной массой периклаза, со-

держащего некоторое количество мелких частиц форстерита.

Температура плавления форстерита выше 1800°С. Увеличение содер-

жания кремнезема в смеси понижает температуру её плавления, которая при эв-

тектическом составе достигает 1545°С, рис.6.14

В системе MgO-SiO

-FeO расположение изотерм (линий постоянных

температур появления расплава) таково, что изменение состава форстерит – за-

кись железа с увеличением содержания последней идет по прямой, прохо-

дящей почти параллельно изотермам.

Поэтому при попадании на форстеритовые изделия плавильной пыли

даже с очень высоким содержанием оксидов железа при температурах 1400 -

1500°С не наблюдается образования расплава в количестве, способствую-

щем разрушению изделий.

ВСТАВКА

При большем содержании SiO

в форстеритовом кирпиче он в боль-

шей мере насыщается закисью железа. Замечено, что форстеритовые изделия с

большим содержанием SiO

разрушаются сильнее, интенсивнее.

Недостатком форстеритовых изделий в насадках является также то, что

наличие разрыхленного слоя на поверхности форстеритового кирпича

снижает его теплопроводность.

Разрушенный слой представляет собой порошок, крупной фракцией

которого являются зерна форстерита, а дисперсная часть - периклазовая со-

ставляющая форстеритовых изделий. Содержание окислов железа в перик-

лазовой части форстеритовых изделий составляет - 30%. Так как изменение

валентности железа приводит к изменению объема его оксидов, то многократ-

ное повторение газосмен при реверсировании пламени может вызвать разру-

шение форстеритовых изделий в тех участках, где имеется высокая концен-

трация оксидов железа. Такими участками является периклазовая связка из-

делий.

Причиной разрушения форстеритовых изделий может быть изменение

степени растворимости магнезиоферрита в периклазе в зависимость от измене-

ния температуры. При содержании в смеси около 30% оксидов железа темпера-

тура перехода от области неограниченной растворимости магнезиоферри-

та в переклазе к области с ограниченной растворимостью составляет1250 -

1300°С, т.е. близка к температуре эксплуатации насадок. Многократные изме-

нения температуры при реверсировании приводят к повторяющимся растворе-

нию и выпадению кристаллов магнезиоферрита. Связанные с этим объемные

изменения могут также разрушать периклазовую составляющую форстерито-

вых изделий.

Следовательно, величина объемных изделий зависит от содержания в

изделиях оксидов железа. При снижении его концентрации объемные измене-

ния при газо - и теплосменах должны уменьшатся. В связи с этим целесообраз-

но использовать для производства форстеритовых изделий сырье с низким со-

держанием оксидов железа.

В форстеритовых изделиях форстерит, являясь основным минералом,

представлен обломками, занимающими островное положение и сцементиро-

ванными периклазовой связкой. Разрыхление периклазовой связки приводит к

разрушению изделий.

В настоящие время производят периклазофорстеритовый кирпич, в

котором островное положение занимает периклаз, а форстерит, не подвержен-

ный разрушению, составляет прочный каркас в структуре. В этом случае

при некоторой потере, прочности периклазовой составляющей разрушения

изделия в целом не произойдет.

Периклазофорстеритовый кирпич имеет более высокую температуро-

проводность, чем форстеритовый. Поэтому он более объемно работает в

теплотехническом отношении - быстрее прогревается в период аккумуляции

теплоты и быстрее отдает накопленную теплоту в период нагревания воздуха в

насадке.

У форстеритовых огнеупоров поверхность в результате работы кирпича

становится рыхлой, что уменьшает теплопроводность кирпича. Поверхность пе-

риклазофорстеритового кирпича в процессе работы несколько ошлаковывается,

но не разрушается. Теплопроводность его почти не изменяется. В течение всего

межремонтного периода воздушные насадки с периклазофорстеритовым кирпи-

чом имеют температуру верха насадки примерно на 200°С выше в сравнении

с температурой насадок из форстеритового кирпича. Это объясняется не толь-

ко более высокой теплопроводностью периклазофорстеритового кирпича по

сравнению с форстеритовым, но и более плотной его поверхностью в процессе

службы.

Начиная с 3-го ряда насади воздушного регенератора, периклазофо-

стеритовый кирпич после службы сохраняет целые углы, ребра, грани, чистую

плотную поверхность, что нельзя сказать о форстеритовом кирпиче, работав-

шем в таких же условиях.

Сравнительно высокая теплопроводность периклазофорстеритового

кирпича, высокая его огнеупорность, повышенная химическая устойчивость к

воздействию плавленной пыли позволяет считать периклазофорстеритовый

кирпич хорошим огнеупором для кладки верхних 12-15 рядов насадок.

Динасовые и шамотные изделия в верхних рядах насадок не выдер-

живают теплового режима работы и разрушаются.

Магнезитохромитовые изделия по своим рабочим качествам в на-

садках регенераторов уступают форстеритовым и периклазофорстеритовым

изделиям.

Из имеющихся огнеупоров, на основании приведенного выше анализа

результатов промышленного применения, лучшим для кладки верхних рядов

насадок регенераторов следует считать периклазофорстеритовый кирпич.

Камеру и насадку регенератора выполняют из различных огнеупорных из-

делий:

- свод регенератора из динаса или ПХСУ – 11,12,13 прямого и клинового;

- стены камеры и торец из шамота ША-5 или динаса;

- насадка (в качестве примера):

- три-четыре ряда форстерит ФХ, зернистый кирпич или динас;

- 19 рядов – шамотный ШМ-9;

- 16 рядов – шамотный ША-9

БАОО выпускает насадочные огнеупоры табл.6.8

Таблица 6.8.

Изделия огнеупорные шамотные и муллитокремнеземистые

для насадок регенераторов мартеновских печей

Наименование показателей ШН-38 ШН-42 МКРН-

Массовая доля, %

, не менее

,не более

Огнеупорность, °С, не ниже

1730

2,8

1730

2,8

1750

Температура начала размягчения, °С, не

ниже

1400 1400 1400

Пористость открытая, %, не более 21 20 19

Предел прочности при сжатии, Н/мм

, не

менее

22 30 30

Усадка дополнительная при t 1400 °С, %,

не более

0,4 0,4 0,4

Термическая стойкость теплосмен, не ме-

нее

- 3 3

- стены поднасадочного пространства, столбика, выход в боров из ША-53; ША-

59; (опорой для насадки, в ряде случаев, служит система колосников, брусков

или колосниковых решеток выполненных из высокопрочного чугуна);

-теплоизоляционный слой из ША-9.

Условия службы огнеупорных изделий

Важнейшим фактором, с точки зрения продолжительности межремонтно-

го срока службы насадочных огнеупорных изделий и составляющих футеровку

регенераторов, является уровень температуры и ее скорость изменения. Коли-

чество жидкой фазы, образующейся в месте контакта огнеупорного материала с

пылью, ее вязкость и скорость проникновения в изделия, зависят от темпера-

турных условий. Изменения температуры вызывают зарастание или растрески-

вание изделий, а в

некоторых случаях и разрушение кладки.

Температурные условия работы регенераторов зависят от интенсивности

хода плавки, определяемого величиной тепловой нагрузки печи, а также от ви-

да и размеров элементов нижнего строения печи.

6.2.2 Электродуговая печь

Дуговые сталеплавильные печи предназначены для производства высокока-

чественных сталей таких как режущие, инструментальные, нержавеющие, жаро-

прочные, шарикоподшипниковые

, трансформаторные и др. Металлическая шихта

для них состоит из скрапа черных металлов, легированных отходов, чугуна и ферро-

сплавов. Возможно использование жидкого чугуна.

Расплавление твердой шихты и поддержание температуры жидкого металла

происходит за счет теплоты, выделяемой в электрических дугах, расположенных

между электродами и металлом.

Электроды, дуги и металл представляют единую электрическую

цепь, по-

этому эти печи называют печами с зависимой дугой.

Электрические дуги характеризуются высоким значениями мощности, силы

тока и относительно небольшой величиной напряжения. Между графитовым элек-

тродом и металлом образуется столб дуги, состоящий из нейтральных газовых час-

тиц, электронов, ионов и паров материала электродов.

Промышленные сталеплавильные печи работают на переменном и

постоян-

ном токе.

Температура в столбе электрической дуги находится в пределе 3000-8000 К.

Интенсивность излучения дуги чрезвычайно высокая. Распределение излучения ду-

ги на ванну, свод и стены печи регулируют изменением соотношения диаметра

электрода (d

) к длине (l

) дуги. Электрод, в этой ситуации, представляет собой эк-

ран для теплового потока дуги. С увеличением отношения d

: l

доля теплового по-

тока на ванну увеличивается, а на стены и свод – уменьшается. Своды дуговых пе-

чей (ДСП) выполняют из периклазохромитовых, периклазошпинелидных огнеупо-

ров, как наиболее стойких к воздействию основных шлаков и металлосиликатных

расплавов. Сводовые огнеупоры как и в электродуговых печах приобретают зональ-

ное строение и изнашиваются путем сколов или

оплавлением. Условия службы ог-

неупоров здесь значительно тяжелее. Это обусловлено особенностями электродуго-

вой плавки. Продолжительность электродуговой плавки примерно в два раза короче,

чем мартеновской, следовательно, огнеупоры чаще испытывают смены температур

и при том более резкие, так как свод электропечах снимают в период завалки ших-

ты. В центре свода температура существенно выше

чем в периферийной области,

неравномерность еще усиливается вследствие неравномерной работы дуг (влияние

"дикой" фазы). Поэтому центральная часть свода изнашивается быстрее, например,

в 100-т электропечи скорость износа свода центральной части достигает 4 - 4,4 мм за

плавку, а в периферийной - 2 - 2,6 мм. Неравномерность износа вызывает деформ-

мацию свода и иногда наблюдается выпадение кирпичей. Свод электропечей

имеет

форму купола и набирается чаще секторно-арочным способом, а также кольцевым.

Кирпичи кладут как без применения связующих и цементирующих материалов, так

и на мертели с металлическими прокладками со штырьками. Свод ослабляется от-

верстиями для отвода газов и кислородных фурм. Район отверстий в некоторых слу-

чаях выполняют монолитным из огнеупорных

бетонных масс на высокоглиноземи-

стом цементе или фосфатных вяжущих. При этом принимают меры, исключающие

замыкание электрического тока. Стойкость сводов электропечей емкостью до 100 т

составляет ~60 - 120, а выше 100 т, ~ 60-80 плавок. Общий расход огнеупоров на

плавку тонны стали в электропечах -10 - 12 кг, в том числе расход на своды 6 - 7 кг.

Выбор типа огнеупора для сводов дуговых печей не окончен. Несмотря на

высокую шлако- и металлоустойчивость огнеупоров системы MgO - Сr

они

имеют, как уже отмечалось, сравнительно невысокую температуру начала дефор-

мации под нагрузкой. Если в мартеновских печах этот недостаток снимается благо-

даря применению распорно-подвесной конструкции свода, то в электропечах при-

менение распорно-подвесной конструкции вызывает значительные трудности, свя-

занные со съемом свода и стремлением уменьшения его общей массы. По этим же

соображениям трудно осуществить гарнисажный режим охлаждения. Другим не-

достатком основных огнеупоров является их значительный рост при высоких тем-

пературах вызывающий раскрытие швов и деформацию свода. Для предупреждения

раскрытия швов применяют смешанную кладку из обожженных и безобжиговых

изделий. Последние вследствие усадки несколько компенсируют расширение

обожженных изделий.

Проходят испытания в сводах электропечей новые типы огнеупоров: корун-

дохромитовые, муллитокорундовые, сочетание основных и высокоглиноземистых.

Обращается внимание, что применение огнеупоров, содержащих хром, из-за сколов

кирпича может привести к появлению хрома в стали, что при выплавке некоторых

марок стали недопустимо.

Современное развитие электросталеплавильного производства связано с

применением мощных трансформаторов, обеспечивающих удельную мощность в

период расплавления 600 -800 кВА/т, предварительно нагретой шихты, кислорода

для продувки ванны, отоплением печи газокислородными горелками, использова-

нием порошкообразных материалов, вынесением операций восстановительного пе-

риода плавки из печи в ковш – все это делает не только возможным, но и необходи-

мым замену части огнеупорной кладки элементами с искусственным охлаждением.

Дело в том, что при интенсивной подаче кислорода в ванну образующаяся пыль (10-

15 г/м3) обусловливает повышение оптической плотности газовой среды, степень

черноты газов становится близкой к единице, что практически полностью экрани-

рует ванну от свода печи, и температура свода снижается. Применяют различные

конструкции водоохлаждаемых элементов гарнисажного – типа сводов и стен. "Го-

рячие пятна" кладки стен защищают подвижными охлаждаемыми экранами. Искус-

ственное охлаждение элементов кладки позволило создать принципиально новую

конструкцию ДСП с переменной степенью развития кладки (отношением площади