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

Подождите немного. Документ загружается.

слоев.

Степень нагрева поверхности футеровки не постоянна. При враще-

нии печи футеровка периодически уходит под материал, температура которо-

го ниже температуры газа, и снова приходит в непосредственное соприкосно-

вение с газовым потоком.

За каждый оборот печи температура футеровки изменяется почти на

200°С. Такое колебание температуры на поверхности происходит примерно

раз в минуту. Таким образом, футеровка не только испытывает действие высо-

кой температуры, но подвергается также многократному воздействию слабых

тепловых ударов.

При остановках печи и быстром охлаждении футеровки интенсивность

теплового удара резко возрастает. Это часто вызывает обрушение обмазки

и скол наиболее разогретых рабочих слоев футеровки.

Высокий разогрев рабочей поверхности футеровки создает возмож-

ность химического взаимодействия огнеупора футеровки с обжигаемым мате-

риалом, парами и газами печной атмосферы.

Степень химического взаимодействия, количество и состав новообразо-

вании зависят прежде всего от температуры чем она выше, тем интенсивнее

протекают химические реакции. Существенное значение имеет фазовый со-

став огнеупоров - «нейтральные» алюмосиликатные огнеупоры легче реа-

гируют с высокоосновным портландцементным клинкером, нежели материа-

лы «основные» - магнезиальные и хромитовые.

Химический состав обжигаемого материала, дымовые газы и продукты

сгорания топлива, высокое содержание извести, щелочей, оксидов железа и

серного ангидрида ускоряют течение химических процессов, особенно при

алюмосиликатной футеровке.

Немаловажное значение имеют и такие свойства огнеупоров, как напри-

мер, его структура, пористость и т.д., а также плотность укладки в футеровке.

Особенно сильно на износ футеровки влияют толщина и структура слоя

клинкерной обмазки.

Химическое взаимодействие огнеупора с обжигаемым материалом так

же, как и колебания температуры поверхности футеровки, в известной мере

способствует созданию на футеровке защитной клинкерной обмазки. Вместе с

тем, наличие на футеровке достаточно толстого, плотного и прочного слоя

обмазки тормозит процессы взаимодействия и предохраняет футеровку не

только от резких тепловых ударов и разъедания под действием химических

процессов, но и от механического истирания движущимися материалами.

Абразивное действие клинкера весьма велико особенно во вращаю-

щихся печах большой производительности, где в течение часа по футеровке

проходит до 50 т материала. Больше всего истирается футеровка зоны охлажде-

ния и порогов, где нет защитной обмазки. Помимо истирания клинкером футе-

ровка подвергается иным механическим нагрузкам из-за деформации корпуса

при вращении печи.

За один оборот печи напряжения сжатия в футеровке дважды достигают

максимума и минимума, поэтому механические напряжения в футеровке, так

же, как тепловые, имеют пульсирующий, циклический характер. В результате

неодинакового прогрева футеровки в ней возникают растягивающие усилия,

что приводит к локальной концентрации напряжений сжатия в некоторых

кольцевых сечениях.

Первоначально единственным и вполне удовлетворительным материа-

лом для зон спекания вращающихся печей был алюмосиликатный кирпич, по-

этому первые данные об износе футеровок относятся к таким огнеупорам в ча-

стности к шамоту.

Известно, что при низком значении силикатного модуля сырьевой смеси

можно пользоваться шамотным кирпичом, а при высоком следует приме-

нять кирпич с повышенным содержанием глинозема. Разрушение шамот-

ной футеровки заметно ускоряется, если в шихте содержатся полевой шпат.

Были предприняты попытки выяснить экспериментальным путем

механизм процесса взаимодействия шамотного огнеупора с обжигаемым ма-

териалом и уточнить природу новообразований.

Для взаимодействия клинкера с высокоглиноземистым кирпичом (60-

70%Аl

) требуется более высокая температура (1330-1350°С), расплава обра-

зуется меньше, вязкость его выше. Кирпич с повышенным содержанием глино-

зема поглощает меньше расплава, чем шамотный, и температура меньше, чем

больше в нем глинозема.

Для образования устойчивой и плотной обмазки важен не только химиче-

ский состав обжигаемого материала, но также химическая природа и фазовый

состав огнеупора, определяющие степень взаимодействия футеровки с мате-

риалом. В том случае, когда температура размягчения огнеупора под нагруз-

кой, обмазка может возникнуть и без химического взаимодействия материа-

лов, путем прилипания зерен клинкера к размягченной поверхности огне-

упора.

Утрата обмазки подвергает огнеупор внезапному воздействию высоких

температур и вызывает его скалывание. Скалыванию особенно подвержен маг-

незитовый кирпич.

Магнезитовый кирпич с портландцементным клинкером дает высоко-

температурные эвтектические смеси (температура плавления 1835°С). Наиболее

устойчивой к действию клинкерного расплава является периклаз. Шпинель

(MgO·Аl

) под влиянием расплава разрушается , а ее глинозем переходит в

расплав. Силикатные фазы - монтегелит (CaO·MgO·SiO

) и форстерит

(2MgO·SiО

) - нестойки к действию высокоизвесткового расплава и превра-

щаются в двухкальциевый силикат с выделением периклаза или образованием

в качестве промежуточного продукта мервинита (3CaO-MgO-2SiO

). На фор-

стерит действуют также щелочи, превращая его в низкотемпературные соеди-

нения.

Магнезитоферрит (MgO·Fe

) не реагирует с клинкерным расплавом,

но при колебаниях температуры это соединение растворяется в периклазе,

образуя с ним твердые растворы, или вновь кристаллизуется в самостоя-

тельную фазу. Магнезитовый кирпич слабо реагирует с клинкером, но наличие

в атмосфере печи паров сернистого калия вызывает в магнезитовой футеровке

механические напряжения, а затем трещины и скол кирпича.

У магнезитохромитового кирпича в службе изменяется как структура,

так и химический состав. Разложение хромита приводит к уменьшению в огне-

упоре содержания Сr

; шпинели—MgO·Fe

и MgO·Al

путем диффузии

в твердом состоянии мигрируют к наружной поверхности. Магнезитохромито-

вые футеровки так же плохо, как и магнезитовые, набирают обмазку и разру-

шаются путем скалывания.

Мероприятия, повышающие стойкость огнеупорной футеровки. Повы-

шение стойкости футеровок по всей длине вращающейся печи зависит от пра-

вильного выбора достаточно устойчивого огнеупорного материала.

В настоящее время практически единственным материалом для зон

спекания вращающихся печей являются магнезиальнохромистые огнеупоры.

Ассортимент этих огнеупоров достаточно велик и включает такие высококаче-

ственные изделия, как периклазошпинелидные, магнезитохромитовые обож-

женные и др.

Кроме огнеупоров для зон спекания в футеровках цементных печей

применяют алюмосиликатные огнеупоры— шамотные и многошамотные, а

также легковесные шамотные.

Основным направлением в совершенствовании применения различных

видов огнеупоров является их специализация для отдельных зон вращаю-

щейся печи в зависимости от условий службы футеровки в этой зоне и от

свойств огнеупора.

В качестве общей рекомендации следует указать на целесообраз-

ность использования хромомагнезитовых огнеупоров для футеровки всей зоны

спекания печей небольших (до 3,6 м) диаметров при легкой или средней труд-

ности обжига; большие печи диаметром 4,5 и 5 м необходимо футеровать наи-

более качественными огнеупорами - периклазошпинелидным и магнезитохро-

митовым обожженным.

Из алюмосиликатных огнеупоров больше применяют многошамотный

огнеупор для зон охлаждения, порогов и цепной, а также легковесный шамот.

Последний можно использовать в зоне подогрева, т.е. на участке, составляю-

щем около 30-35% длины печи.

Пока еще не решен вопрос о замене талька на переходных участках.

Предложенный для этих участков футеровки высокоглиноземистый огнеупор,

содержащий более 62% оксида алюминия, по-видимому, перспективен.

Наиболее реальным путем для повышения стойкости кладки следует

считать внедрение огнеупорных бетонов.

Все хромистые огнеупоры, включая хромомагнезит, а также огне-

упоры магнезиального ряда, в том числе магнезитовый на шпинельной связке,

следует укладывать на специальных мертелях близкого к огнеупору химиче-

ского состава. Такой способ укладки не только повышает строительную проч-

ность футеровки и снижает возникающие в ней тепловые напряжения, но и

уменьшает химический износ огнеупоров. Укладка кирпича на железных пла-

стинах, напротив, ускоряет его износ в службе за счет более напряженного

состояния футеровки и дополнительного взаимодействия кирпича с про-

дуктами окисления пластин.

Теплоизоляция в зоне спекания создает благоприятные условия образо-

вания обмазки на высокоогнеупорных изделиях, устойчивых к химическому

воздействию клинкера.

Конструктивно такие двухслойные футеровки пока еще несовершенны:

основная трудность состоит в создании прочного и постоянного контакта

между шамотной изоляцией и магнезиальной футеровкой. Возможно, что

более приемлемыми окажутся двухслойные армированные изделия.

Наконец, совершенно новым является создание крупноблочных фу-

теровок и, в первую очередь, для печей большого диаметра. Здесь большое

значение имеют форма и размеры блоков, их соединение друг с другом и

с корпусом печи в монолитную конструкцию.

ГЛАВА 7. Мероприятия по защите огнеупорной футеровки

Сложнейшие тепловые агрегаты металлургии и других отраслей про-

мышленности могут надежно работать только при непрерывном автоматиче-

ском контроле состояния огнеупорной футеровки и систематической защите

огнеупоров.

Первым шагом в системе мероприятий по защите огнеупоров является

измерение толщины футеровки в процессе службы.

Известны способы определения износа огнеупоров: 1) визуальный;2) ме-

тод "меченых атомов"; 3) измерения температур футеровки; 4) измерение ли-

нейных размеров с помощью лазерных интерферометров, позволяющих опре-

делить толщину оставшейся огнеупорной футеровки с точностью до 1 мм.

Систематическое измерение скорости износа огнеупоров в различных

участках футеровки позволяет выполнять кладку равноизнашиваемой толщины.

Защита огнеупорной кладки имеет несколько направлений:

1) охлаждение огнеупорной кладки вплоть до полной замены футеровки

водяным экранированием;

2) восстановление изношенного слоя огнеупоров методами торкретиро-

вания, обмазки, намазки и т п.;

3) снижение агрессивности корродиентов в средах, соприкасающихся с

кладкой;

4) нормирование температурного режима эксплуатации огнеупорной

футеровки;

5) разработка рациональных аэродинамики и гидравлики потоков в объ-

ектах;

6) совершенствование конструкций элементов кладки в целях снижения

термомеханических напряжений.

1. Охлаждение футеровки. В зависимости от интенсивности охлаждения

влияние его на стойкость огнеупоров происходит по различным механизмам.

Различают "гарнисажный" и "градиентный" режимы охлаждения. Гарнисаж-

ный, когда температура поверхности резко снижается и поддерживается систе-

мой водяного или паро-испарительного охлаждения на некотором уровне, соот-

ветствующем равновесию твердого состояния продуктов взаимодействия огне-

упоров и корродиентов в жидком состоянии, т.е. создаются условия образова-

ния гарнисажа. Градиентный, когда температура рабочей поверхности огнеупо-

ра остается постоянной и примерно равной температуре рабочего пространства

печи, а температура "холодной" стороны снижается на столько, чтобы градиент

температуры по толщине футеровки увеличивался и поддерживался системой

водяного охлаждения в определенные периоды кампании печи на заданном

уровне.

Гарнисаж – слой материала, который образуется не только в результате

затвердевания шлакометаллического расплава на поверхности футеровки, но и

вследствие миграции легкоплавких составляющих самого огнеупора к рабочей

поверхности. Оксиднометаллические расплавы при вязкости 0,5 - 1 Па·с теряют

свою подвижность. Такие значения вязкости лежат в интервале 1250 - 1550°С в

зависимости от вида химической реакции, состава расплавов и свойств газовой

среды. Следовательно, рабочая температура поверхности при гарнисажном ох-

лаждении должна быть понижена до указанной выше.

Другим подходом к определению температуры рабочей поверхности яв-

ляется условие, при котором горячая поверхность футеровки имела температу-

ру ниже температуры начала соответствующих химических реакций.

Применяют как испарительные системы охлаждения, так и водяные.

Конструктивно гарнисажную систему охлаждения выполняют в виде плит хо-

лодильников, панелей коробчатого или трубчатого типа, ячейки которых для

начала заполнены тонким слоем огнеупоров.

Наибольшие успехи получены при охлаждении доменных печей. Ниж-

няя часть шахты работает только благодаря водяному охлаждению, способст-

вующему образованию гарнисажа.

При охлаждении электропечей панели охлаждения одновременно явля-

ются и стенами печей. Такие конструкции наиболее эффективны с точки зрения

охлаждения, но они предъявляют высокие требования к качеству воды и при их

эксплуатации необходимо соблюдение строгих мер по технике безопасности

(недопустимость прорыва воды в металлическую ванну). Продолжительность

кампании стен высокомощных дуговых сталеплавильных печей (500 - 600

кВА/т) при гарнисажном охлаждении достигает 400 плавок, при этом произво-

дительность печи увеличивается на 3 - 5%, благодаря удлинению кампании и

сокращению простоев на ремонт, длительность же плавки остается такой же как

и при обычной футеровке. Дополнительный расход электроэнергии на охлаж-

дение, отнесенный к 1 т стали – составляет 5 - 10%. Главным результатом гар-

нисажного охлаждения является снижение расхода огнеупора на 50 - 90%.

Градиент температур по мере износа футеровки увеличивается одновре-

менно с повышением средней температуры футеровки. Это обстоятельство

имеет важное значение в процессе износа огнеупоров: температура (и все про-

цессы коррозии огнеупора, зависящие от температуры) на некоторой глубине

изделия с увеличением градиента температуры будет ниже по сравнению с тем-

пературой на такой же глубине от горячей поверхности при меньшем градиенте

температур. Таким образом, увеличение градиента температур снижает глубину

проникновения расплавов в огнеупор, а, следовательно, и износ.

Связь между стойкостью огнеупора и градиентом температур, как это

установлено опытом на различных печах, работающих без искусственного ох-

лаждения, выражается гиперболической тангенсоидой. Особенность такой за-

висимости заключается в том, что конечные значения функция получает при

изменении аргумента в сравнительно небольшом интервале значений. Это зна-

чит, что между градиентом температур и износом огнеупоров нет линейной за-

висимости. Значимость градиента появляется лишь при определенных его зна-

чениях. Эффективное значение градиента температур, которое может быть соз-

дано искусственно, зависит от многих факторов и находится опытным путем.

Конструктивные решения градиентного охлаждения могут быть различ-

ными.

Эффективность этого вида охлаждения, с точки зрения расхода огнеупо-

ров, ниже чем гарнисажного, а общая экономичность с учетом расхода энергии

на охлаждение может оказаться и выше.

Градиентное охлаждение более значимо в случае использования огне-

упоров, у которых коэффициент теплопроводности понижается с повышением

температуры. Кривая изменения температуры с увеличением толщины кладки в

этом случае имеет вид вогнутой линии. Это показывает более резкое падение

температуры непосредственно у "горячей" поверхности.

У огнеупоров, коэффициент теплопроводности которых повышается с

увеличением температуры, кривая изменения температуры по толщине кладки

имеет выпуклость вверх. При этом температура у горячей поверхности падает

более замедленно (получаются небольшие значения градиента температур) и

градиентное охлаждение может оказаться не эффективным.

Часто футеровку выполняют из двух слоев: плотного, лежащего ближе к

горячей стороне, и теплоизоляционного. В этом случае создаются различные

градиенты температур в слоях: небольшой градиент в плотном слое и больший

- в теплоизоляционном. Уменьшение градиента в плотном слое будет сопрово-

ждаться интенсивным износом этого слоя. Поэтому выполнение футеровки в

виде двух слоев может оказаться нерациональным. Футеровка с непрерывно

повышающейся пористостью от "горячего" края к "холодному" представляется

более целесообразной. Такие футеровки печей легко осуществимы при набив-

ном или наливном способах.

2. Торкретирование огнеупорной футеровки. Торкретирование во мно-

гих случаях позволяет резко повысить стойкость футеровки. Развитием торкре-

тирования (покрытия) можно считать доливку футеровки сталеразливочных

ковшей свежей массой (по шаблону) без разрушения отработанной части (мок-

рое). Полусухое – подсыпка. Огневое – наварка.

3. Снижение агрессивности корродиентов - это сравнительно новое на-

правление в защите огнеупоров. Одним из агрессивных факторов разрушения

огнеупоров в службе является шлак. Чем больше время соприкосновения шлака

с огнеупором, тем больше разрушается футеровка. Опыты показывают, что из-

нос футеровки сталеразливочного ковша имеет практически прямолинейную

зависимость от толщины слоя шлака в ковше. Следовательно, при одном и том

же огнеупоре и уменьшении слоя шлака в ковше путем скачивания шлака мож-

но в 2 – 3 раза увеличить стойкость футеровки ковша. Агрессивность шлака

может быть снижена путем покрытия слоя шлака в сталеразливочном ковше

различного рода засыпками (керамзит, вермикулит и другие материалы). Ков-

шовые шлаки в этом случае реагируют в первую очередь не с огнеупором футе-

ровки, а с материалом засыпки - нейтрализатором.

Теоретической предпосылкой снижения агрессивности шлака в кинети-

ческой стадии взаимодействия его с огнеупором является понижение в составе

шлака доли свободного О

путем введения в шлак комплексообразующих ка-

тионов кремния, алюминия, железа и др. В этом случае образующиеся сложные

анионы А1

, Si

, Fe

связывают свободный кислород, уменьшая аг-

рессивность шлаков. Происходит нейтрализация шлакового расплава. Напри-

мер, при введении в расплав фаялитового состава глинозема в нем резко воз-

растает количество AlO

и снижается доля свободного кислорода.

Другой стороной действия нейтрализаторов является их влияние на вяз-

кость корродиентов. Например, введение в известково-силикатный шлак >30%

СаО или 20% MgO, или 7% Сr

позволяет повысит вязкость шлака до 1 Па·с,

что приводит к значительному уменьшению растворения огнеупора. Так, ин-

тенсивность растворения шамотного огнеупора в известково-силикатном шлаке

с добавкой 20% нейтрализаторов при 1600°С составляет 0,2 мг/(см

с), а в ис-

ходном шлаке - 2,6 мг/(см

·с).

4. Нормирование температурного и газового режимов. Значения таких

важнейших интенсификаторов сталеплавильного производства, как температу-

ра и подача кислорода определяются в конечном счете экономическими расче-

тами. Оптимальные значения этих параметров носят компромиссный результат.

К мероприятиям, защищающим огнеупоры, относят различные методы

поддержания постоянной температуры футеровки в тепловых агрегатах с цик-

лическим характером работы. Например, сталеразливочные ковши, конверторы