СПОСОБ ЗАЩИТЫ ФУРМЕННОГО ПРИБОРА И ОГНЕУПОРНОЙ ФУТЕРОВКИ ПЕЧИ
METHOD OF PROTECTION OF TUYERE APPARATUS AND REFRACTORY LINING OF FURNACE

Настоящее изобретение относится к способу защиты фурменного прибора и огнеупорной футеровки печи.
Внутренность шахтной печи, например, доменной печи, как правило, выстилается огнеупорным материалом, который обычно состоит из отдельных элементов, таких как кирпичи или блоки, изготовленные, например, из графита, силиката алюминия или керамического материала, которые цементируются между собой для обеспечения герметичности и устойчивости. Обычно разные виды кирпичей или блоков используются в разных зонах в соответствии с основным видом нагрузки в конкретной зоне.
Из уровня техники хорошо известно о том, что огнеупорная футеровка подвержена расширению. Существуют две основные причины расширения огнеупорной футеровки. Первая причина - это тепловое расширение, вызванное ростом температуры огнеупорной футеровки в процессе задувки доменной печи. Как правило, тепловое расширение - обратимый процесс. Вторая причина - так называемое "химическое расширение". Этот процесс обусловлен химическими реакциями, которые происходят в огнеупорном материале в процессе всего его срока службы. Такие химические реакции вызывают необратимое расширение огнеупорной футеровки.
Следует отметить, что огнеупорная футеровка в процессе своего деформационного расширения может воздействовать на другие объекты. Подобное происходит с множеством расположенных по периферии фурменных приборов, которые проходят внутрь доменной печи сквозь огнеупорную футеровку. Поскольку огнеупорная футеровка окружает каждый из этих фурменных приборов, то последние могут оказаться на пути расширения футеровки, выстилающей стены. Это может привести к деформации фурменных приборов и/или к разрушению расширяющейся огнеупорной футеровки под фурменными приборами.
Во избежание нежелательных простоя и повреждений необходимо принимать профилактические меры. Общеизвестный подход предполагает использование смягчающих прослоек между огнеупорными элементами, которые компенсируют расширение огнеупорной футеровки. Прослойки, как правило, представляют собой тонкие, сжимающиеся и изолирующие соединительные плиты. Вышеуказанное решение описано в патенте US 3805466. Однако высота таких смягчающих прослоек ограничена, что связано с устойчивостью и рядом других причин. Так, суммарный вертикальный размер этих прослоек составляет, как правило, порядка десятых долей процента от суммарного вертикального размера огнеупорной футеровки, измеренной от основания печи до фурменного прибора. Такие слои способны не более чем частично компенсировать тепловое расширение или перемещение огнеупорной футеровки. Однако они, как правило, не способны компенсировать химическое расширение огнеупорной футеровки. На самом же деле химическое расширение - это неустойчивый, в основном, необратимый процесс, который трудно, если не сказать невозможно, прогнозировать. Более того, химическое расширение нарастает в течение всего срока службы огнеупорной футеровки. С ростом масштаба химического расширения способность вышеописанных прослоек компенсировать расширение уменьшается. Следовательно, известные смягчающие прослойки не могут эффективно предотвратить повреждение фурменных приборов и/или огнеупорной футеровки.
В связи с вышеизложенным, целью настоящего изобретения является улучшенный способ защиты фурменных приборов и огнеупорной футеровки от повреждений, вызываемых расширением огнеупоров. Эта цель достигается способом, заявленным в пункте 1 формулы изобретения.
Настоящее изобретение представляет собой способ защиты фурменного прибора и огнеупорной футеровки печи от повреждений, вызываемых расширением огнеупорной футеровки. Предлагаемый способ включает в себя установку фурменного прибора с зазором между фурменным прибором и участком огнеупорной футеровки, находящимся под этим фурменным прибором, причем предварительно задают высоту этого зазора и осуществляют ее мониторинг (систематический контроль) с помощью датчика перемещения. Зазор - это пространство, свободное от огнеупорной футеровки, обычно в виде промежутка, заполненного воздухом или иным сжимающимся материалом. Преимущественно такой зазор выполняют непосредственно рядом и снизу, предпочтительно, в нижней половине каждого фурменного прибора. Постоянный контроль зазора гарантирует обнаружение критического расширения огнеупорной футеровки в процессе эксплуатации. Точнее говоря, он гарантирует, что в качестве профилактической меры учитывается совокупный эффект от теплового и химического расширения. Более того, мониторинг позволяет получать информацию, касающуюся состояния огнеупорной футеровки, что облегчает проведение профилактического обслуживания. Следует отметить, что мониторинг зазора с помощью датчика перемещения не является абсолютно необходимым для каждого фурменного прибора. Используя дополнительную информацию и математические методы, например, осевую симметрию печи и интерполяцию, можно оценить состояние расширения футеровки под каждым фурменным прибором, установив датчики только на некоторых фурменных приборах. Тем не менее, можно также установить несколько датчиков для контроля над одним и тем же зазором, получая при этом более детальные и полные данные измерений. Таким образом, способ по настоящему изобретению является простым и надежным способом защиты фурменных приборов и огнеупорной футеровки печи, такой как шахтная печь, и в частности, доменная печь. Более конкретно, принимается во внимание совокупный эффект от теплового и химического расширения. Таким образом, способ по настоящему изобретению продлевает срок службы и фурменных приборов, и огнеупорной футеровки.
Предпочтительно, чтобы под фурменным прибором находился, по крайней мере, один съемный огнеупорный слой. Такой съемный огнеупорный слой впоследствии удаляется, если в процессе эксплуатации печи мониторинг зазора покажет, что высота зазора стала меньше предварительно заданного значения. Таким образом, исключается необходимость задавать слишком большой исходный зазор по соображениям безопасности. Действительно, при необходимости, зазор может быть увеличен за счет простого удаления, по крайней мере, одного съемного огнеупорного слоя. Предпочтительно, чтобы такой съемный слой состоял из твердого огнеупорного материала, соединенного цементом с прилегающей огнеупорной футеровкой. Разумеется, можно также заменить удаленный огнеупорный слой новым огнеупорным слоем меньшей толщины. Следует отметить, что стадия мониторинга зазора с помощью датчика перемещения дает всю необходимую информацию о расширении, которая позволяет решить, когда удалять съемный огнеупорный слой.
Предпочтительно осуществление герметизации зазора сжимающимся уплотняющим материалом. Такая герметизация предотвращает накопление внутри зазора пыли, которая может снизить его эффективность, и защищает датчик от прямого воздействия горячих печных газов.
Предпочтительно, чтобы способ предусматривал постоянный мониторинг зазора в процессе эксплуатации печи. Это позволит обнаружить критическое расширение огнеупорной футеровки и, возможно, принять решение о профилактической остановке печи. Более того, непрерывный мониторинг процесса расширения дает возможность следить за состоянием огнеупора в процессе эксплуатации. Например, можно контролировать цельность огнеупорной футеровки. В данном случае можно произвести профилактическую остановку до того, как наступят более серьезные повреждения.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно предусматривал мониторинг зазора в процессе остановки печи. Это позволит контролировать сжатие того участка огнеупорной футеровки, который находится под фурменным прибором.
Предпочтительно, чтобы способ дополнительно включал в себя мониторинг зазора в процессе задувки печи. Это позволит определить динамику расширения участка огнеупорной футеровки, находящегося под фурменным прибором. Данная стадия предусматривает сбор дополнительной информации о состоянии огнеупорной футеровки, например, проверку однородности ее кругового расширения. Данные, полученные таким образом, могут быть использованы в качестве дополнительной контрольной информации обратной связи, используемой для контроля нагревания и расширения в процессе задувки печи. Эти данные могут также улучшить процесс контроля, например, давая информацию о накоплении гарнисажа и распределении тепловой нагрузки. В сочетании с мониторингом зазора в процессе эксплуатации печи эта стадия помогает следить за состоянием огнеупорной футеровки в процессе эксплуатации печи. Например, дополнительное расширение, обнаруженное после этапа задувки, может быть признаком химического расширения по причине химического воздействия, например, щелочного воздействия. В сочетании с мониторингом зазора в процессе остановки печи эта стадия позволяет обнаруживать появление трещин в огнеупорной футеровке. Пониженное тепловое сжатие в процессе охлаждения после остановки, за которым, как правило, следует повышенное расширение огнеупорной футеровки при последующей задувке, могут свидетельствовать об открывании трещин, которые впоследствии, как правило, заполняются металлом.
Предпочтительно также использование температурного датчика и мониторинг температуры внутри зазора между фурменным прибором и участком огнеупорной футеровки для определения возможной утечки горячего газа. Как отмечалось выше, зазор должен быть герметично заделан подходящим материалом. При нарушении герметичности горячие газы вместе с частицами пыли из печи могут попасть в зазор. Такое нарушение может произойти из-за меньшей износостойкости сжимаемого уплотняющего материала по сравнению с огнеупорной футеровкой или съемным огнеупорным слоем.
В предлагаемом способе предпочтительно использовать линейный электромеханический датчик перемещения. Предпочтительно использовать относительно простые электромеханические датчики перемещения индукционного типа из-за их прочности и надежности. Предпочтительно, чтобы такой датчик состоял из корпуса, вмонтированного в монтажное отверстие в фурменном холодильнике, и измерительного штыря, подвижно укрепленного в корпусе датчика, при этом штырь снабжен наконечником, который находится в контакте с верхней поверхностью огнеупорной футеровки или съемного огнеупорного слоя. Предпочтительно, чтобы корпус датчика был герметично вмонтирован в монтажное отверстие. Установка корпуса датчика в монтажное отверстие фурменного холодильника позволяет охлаждать датчик перемещения без дополнительных затрат. Предпочтительно, чтобы наконечник штыря был изготовлен из жаропрочного материала, например, керамики, металлокерамики или жаропрочной стали. В другом предпочтительном варианте исполнения изобретения, по крайней мере, часть наконечника выполняют ломкой, чтобы обезопасить датчик от возможного повреждения.
Способ по настоящему изобретению пригоден для применения в шахтных печах любого типа, и в частности, в доменных печах.
Стоит отметить, что хотя все вышеизложенное относится к фурменным приборам, настоящее изобретение может быть применено для защиты других стационарных неподвижных элементов, проходящих сквозь огнеупорную футеровку печи.
Настоящее изобретение поясняется следующим описанием неограниченных вариантов и приложенными чертежами, на которых показано:
фиг.1 - вид в вертикальном разрезе первого варианта исполнения стены доменной печи, находящейся непосредственно под фурменным прибором, с датчиком перемещения по первому варианту исполнения,
фиг.2 - частичный вид сзади фурменного прибора по первому варианту исполнения,
фиг.3 - вид в вертикальном разрезе второго варианта исполнения стены доменной печи, находящейся непосредственно под фурменным прибором, с датчиком перемещения по второму варианту исполнения.
На фиг.1 позиция 10 обозначает в целом стену доменной печи, которая находится непосредственно под фурменным прибором 12, показанным частично. Стена доменной печи 10 сама по себе имеет известную конструкцию в виде наружного кожуха печи 14 и внутренней огнеупорной футеровки 16. Фурменный прибор сам по себе известной конструкции, которая включает: фурму для дутья 18, держатель фурмы 20, холодильник фурменной дуги 22 и холодильник амбразуры фурмы 24 с держателем холодильника фурмы 26. Холодильник амбразуры фурмы 24 прикреплен, например, посредством сварки к кожуху печи 14. Холодильник фурменной дуги 22 запрессован в держателе холодильника фурмы 26 холодильника амбразуры фурмы 24, а фурма для дутья 18 запрессована в держателе фурмы 20 холодильника фурменной дуги 22. Фурменный прибор 12 имеет осевую симметрию относительно оси симметрии 30.
Позиция 32 обозначает огнеупорный блок, который является частью огнеупорной футеровки 16, расположенной под фурменным прибором 12. Верхняя поверхность 34 огнеупорного блока 32 изогнута и ограничивает нижнюю часть сквозного отверстия 36, проделанного в огнеупорной футеровке 16. Фурменный прибор 12 располагается по оси сквозного отверстия 36 в огнеупорной футеровке 16.
Стрелкой 40 обозначен зазор или промежуток между фурменным прибором 12 и верхней поверхностью 38 участка огнеупорной футеровки 16, расположенного под фурменным прибором 12. Зазор 40 окружает нижнюю половину фурменного прибора 12.
В соответствии с важным аспектом настоящего изобретения, датчик перемещения 50 предназначен для мониторинга зазора 40, в частности, высоты зазора 40. Датчик 50 состоит из корпуса 52 датчика, герметично вмонтированного в монтажное отверстие 54 холодильника фурменной дуги 22. В вариантах исполнения, показанных на чертежах, датчик 50 является электромеханическим линейным датчиком перемещения, основанным на измерении индуктивности. Корпус датчика 52 имеет цилиндрическую полость 56, в которой скользит штырь датчика 58. Штырь 58 состоит из сердечника из мягкого железа 60 и керамического наконечника 62. Корпус датчика 52 содержит катушку 64, с которой сердечник из мягкого железа 60 взаимодействует как сердечник электромагнита. Литые соединители 66 обеспечивают подключение измерительного оборудования. Пружина 68 связана с наконечником штыря датчика 58 таким образом, чтобы приводить керамический наконечник 62 штыря датчика 58 в механический контакт с верхней поверхностью 38 съемных огнеупорных слоев 72, 74, которые лежат на верхней поверхности 34 огнеупорного блока 32.
Как показано на фиг.2, съемные слои 72, 74 расположены под фурменным прибором 12. По крайней мере, один из съемных огнеупорных слоев 72, 74 удаляется, если высота указанного зазора 40 становится меньше заданного значения. Съемные огнеупорные слои 72, 74 при формировании подгоняются под верхнюю поверхность 34 огнеупорного блока 32. Предпочтительно, чтобы они изготавливались из твердого и долговечного материала, такого как карбид кремния. Каждый из съемных огнеупорных слоев 72, 74, для простоты конструкции, состоит из двух дугообразных элементов. Такие элементы образуют в собранном виде кожух U-образного сечения. Съемные огнеупорные слои 72, 74 позволяют оптимизировать начальную высоту зазора 40 на минимальном значении.
Возвращаясь к фиг.1, отметим, что позиция 80 обозначает сжимающийся уплотнительный материал, герметично закрывающий зазор 40. Сжимающийся уплотнительный материал 80 находится внутри зазора 40 между фурменным прибором 12 и верхней поверхностью 38 съемного огнеупорного слоя 72 или участка огнеупорной футеровки 16. Он герметично закрывает зазор, одновременно компенсируя расширение огнеупорной футеровки 16. Сжимающийся уплотняющий материал 80 представляет собой термостойкий, сжимающийся материал, такой как минеральная вата, или, что предпочтительно, алюмосиликатное волокно. Свободное пространство 82 выполнено внутри сжимаемого уплотняющего материала 80, вокруг штыря датчика 58, чтобы он мог беспрепятственного перемещаться.
На первой стадии зазор 40, заполненный сжимающимся уплотняющим материалом 80, компенсирует или гасит расширение огнеупорной футеровки 16, расположенной под фурменным прибором 12. Динамика расширения контролируется при помощи датчика перемещения 50 с целью определения того момента, когда расширение станет чрезмерным. На следующей второй стадии, когда при помощи датчика перемещения 50 установлено наличие чрезмерного расширения, точнее говоря, постоянного химического расширения, по крайней мере, один из съемных слоев 72, 74 удаляется, например, проталкивается внутрь печи. После удаления, по крайней мере, одного из съемных слоев 72, 74, исходная высота вышеуказанного зазора 40 увеличивается на высоту удаленного съемного слоя 72, 74.
В процессе эксплуатации доменной печи зазор 40, точнее говоря, высота зазора 40 постоянно контролируется датчиком перемещения 50. Для осуществления мониторинга датчик перемещения 50 с помощью соединителей 66 присоединяется к прибору, измеряющему индуктивность, который хорошо известен. Повышение температуры и/или химического воздействия приводит к тому, что огнеупорная футеровка 16, расположенная под фурменным прибором 12, расширяется вверх, приближаясь к нижней части фурменного прибора 12. Верхняя поверхность 34 огнеупорной футеровки 16 и, если еще не удалены, съемные слои 72, 74 также смещаются вверх. В результате штырь 58 датчика 50 втолкнется в цилиндрическую полость 56. По мере того, как сердечник из мягкого железа 60 далее проникает внутрь катушки 64, он изменяет индуктивность катушки 64. Таким образом, датчик перемещения 50 позволяет определить наступление момента, когда становится необходимым удаление, по крайней мере, одного из съемных огнеупорных слоев 72, 74. Эта стадия мониторинга зазора 40 гарантирует обнаружение критического расширения огнеупорной футеровки 16 в процессе эксплуатации и является основанием для профилактического вмешательства. Более конкретно, совокупный эффект теплового и химического расширения принимается во внимание в профилактических целях.
В соответствии с другим аспектом зазор 40 контролируется в процессе остановки доменной печи. За счет этого можно проследить процесс сжатия того участка огнеупорной футеровки 16, который расположен под фурменным прибором 12. Такой мониторинг выполняется способом, с необходимыми изменениями, аналогичным тому, который описан выше. На этой стадии собирается информация о состоянии огнеупорной футеровки 16, которая помогает профилактическому обслуживанию.
В соответствии с еще одним аспектом зазор 40 измеряется во время задувки доменной печи. С помощью этого можно проследить за характером расширения участка огнеупорной футеровки 16, расположенного под фурменным прибором 12. Такой мониторинг выполняется способом, с необходимыми изменениями, аналогичным тому, который описан выше. Определение динамики расширения во время задувки позволяет получить важную информацию обратной связи об огнеупорной футеровке 16 и о происходящем процессе.
Фиг.3 представляет второй, несколько иной вариант исполнения. Цифровые обозначения элементов фиг.3 совпадают с обозначениями фиг.1. В варианте исполнения, показанном на фиг.3, предусмотрен только один съемный огнеупорный слой 72'. Для данного варианта исполнения прогнозируется менее интенсивное общее расширение, поэтому верхняя поверхность 34 огнеупорного блока 32 находится в более высоком вертикальном положении на стене доменной печи 10.
Позиция 90 обозначает температурный датчик с измерительным наконечником 92. Измерительный наконечник 92 выступает в зазор 40 и в сжимающийся уплотняющий материал 80 примерно на три четверти их высоты. Температурный датчик 90 заключен в корпус 94, соединенный с корпусом 52 датчика перемещения 50. Температурный датчик 90 соединяется с измерительным прибором с помощью соединителя 96.
Согласно настоящему изобретению, температурный датчик 90 используется для мониторинга температуры внутри зазора 40 между фурменным прибором 12 и участком огнеупорной футеровки 16 для обнаружения возможной утечки горячего газа. Такая утечка может произойти при повреждении сжимаемого уплотняющего материала 80 или съемного огнеупорного слоя 72'. Мониторинг температуры внутри зазора 40 помогает контролировать состояние сжимаемого уплотняющего материала 80 и определять, когда последний нуждается в обслуживании.
Позиция 100 обозначает расширенный кожух в виде гофрированной трубки, окружающий штырь датчика 58. Его верхний конец герметично соединен с корпусом датчика 52, а его нижний конец закрыт и прижимается к верхней поверхности 38 съемного огнеупорного слоя 72'. Расширенный кожух в виде гофрированной трубки 100 не дает сжимающемуся уплотняющему материалу 80 помешать работе датчика перемещения 50, в частности движению штыря датчика 58. В случае утечки горячего печного газа гофрированная трубка 100 также препятствует частицам пыли помешать работе датчика перемещения 50.
Следующий пример, не ограничивающий, демонстрирует улучшенную защиту:
Пример:
Высота нижней огнеупорной футеровки (H<sub>r1</sub>):
10 м
(от основания печи до осевой линии фурмы)
Средняя буферная высота:
(зазор+съемные(й) слой (слои)) (h<sub>b</sub>):
125 мм
Емкость компенсации расширения в процентах (H<sub>r1</sub>/h<sub>b</sub>):
1,25%
(без учета сжимающихся прослоек, находящихся внутри огнеупорной футеровки)