УСТРОЙСТВО СОПРЯЖЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ КИРПИЧЕЙ В СВОДЕ МАРТЕНОВСКОЙ ПЕЧИ

Полезная модель относится к системе огнеупорной футеровки распорно-подвесного свода мартеновской печи. Повышение стойкости кладки главного свода является одной из основных задач в работе мартеновской печи, т.к. свод работает в наиболее сложных условиях и его стойкость определяет межремонтную длительность кампании. В процессе работы главный свод подвергается воздействию высокой температуры, брызг шлака и металла, пыли, газопеременной среды и т.д., что обусловило применение для свода мартеновских печей основных огнеупоров, а большая масса свода потребовала создания специальной его конструкции.
К огнеупорным конструкционным материалам для футеровки свода мартеновской печи предъявляется ряд жестких требований:
- высокая (≥1800°С) огнеупорность;
- высокая прочность под нагрузкой при высоких температурах (температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа должна быть не менее 1500°С);
- постоянство объема при температурах службы;
- малая (не более 25%) пористость;
- высокая термостойкость (не менее 15 теплосмен при водяном охлаждении),
- прочность на сжатие не менее 25 МПа;
- высокая химическая стойкость по отношению к газам пламенного пространства, плавильной пыли и брызгам расплавленных шлаков и металла;
- устойчивость к неравномерному нагреву по длине и ширине свода (малый КЛТР);
- устойчивость к повышенному давлению газов у свода;
- точность размеров и правильность формы, что позволяет выполнять кладку с тонкими швами;
- стойкость против механического износа.
На стойкость огнеупорной кладки в мартеновской печи существенно влияет интенсивность продувки ванны кислородом. При интенсификации процесса возможно неполное сгорание СО, выделяющегося из ванны и создающего восстановительную атмосферу, что естественно разрушает огнеупор в результате восстановления входящих в него оксидов, в то время как окислительная атмосфера способствует повышению стойкости огнеупоров. Кроме того, увеличение интенсивности продувки кислородом приводит к возрастанию неравномерности износа свода.
Однако в настоящее время еще не существует огнеупоров, сочетающих в равной степени все необходимые эксплуатационные свойства.
Для огнеупорной футеровки распорно-подвесного свода мартеновской печи используют магнезитохромитовые огнеупоры.
-6
Магнезитохромитовые огнеупоры имеют следующие эксплуатационные свойства: предел прочности на сжатие - не менее 85 МПа, пористость - не более 20%, температура начала деформации под нагрузкой ≥1500°С, термостойкость - более 5 теплосмен (1300°С - вода). Температурный коэффициент линейного расширения этих огнеупоров составляет (8,5-10)·10 1/град, огнеупорность 1900-2340°С [1, 2].
В России в основном применяют распорно-подвесной свод конструкции А.С.Френкеля. Особенностями этой конструкции является армирование стальными штырями всех кирпичей каждого ряда свода. В середине ряда свод расширяется вбиванием замкового, имеющего форму острого клина кирпича, в результате чего на соседних кирпичах от сильной ударной нагрузки образуются микротрещины или сколы. С помощью растяжки (стальная полоса, пруток, пластина) свод прикрепляется к подвесной конструкции [3].
При эксплуатации в результате нагрева происходит его расширение. Так как нагрев футеровки происходит неравномерно, т.е. имеет место высокий вертикальный градиент температур, а именно, нижняя часть свода нагревается до температур ≥1800°С, а верхняя - до 300-800°С, то кирпичи испытывают высокую сдвиговую деформацию, в результате происходит расклинивание части швов, а на нижней части свода образуются сколы или микротрещины. Кроме того происходит выкрашивание кусочков кирпичей, т.к. в результате деформации начинается их трение друг о друга между рядами, что приводит к образованию сквозных щелей в швах между рядами. Эти факторы способствуют ускорению износа футеровки в процессе эксплуатации.
Появление сквозных щелей вызывает увеличение теплопотерь за счет выхода горячих газов, что влечет уменьшение производительности печей и увеличение расхода энергоносителя. Кроме того этот процесс приводит к увеличению вредных выбросов в окружающую среду и ухудшению экологической обстановки на производстве.
2
3
В полостях несквозных щелей накапливаются химически активные горячие газы и бурый дым (плавильная пыль, содержащая до 95% FеО), которые вступают в реакцию с материалом кирпича ускоряя его разрушение.
В связи с вышеперечисленным на металлургических предприятиях принимается ряд мер, направленных на повышение стойкости конструкции распорно-подвесного свода, а именно, применяются различные способы заполнения швов. Наиболее распространенным способом является прокладка стальных пластин толщиной 0,6-2 мм между кирпичами в ряду при сборке. Пластины надеваются при сборке свода на соединительные стержни и примыкают к поверхностям кирпичей. При укладке последующих рядов для армирования их между собой на боковую поверхность каждого кирпича ранее уложенного ряда накладывают прокладки с загнутыми на 10-15 мм верхними сторонами под прямым углам [4]. При высоких температурах стальные пластины окисляются и образуют с MgO кирпича феррит магния
2
4
пл.
2
4
1-x
x
2
4
2
3
2
4
1-x
x
2
4
MgFeO с температурой плавления 1750°С и магнезиовюстит (Mg,Fe)O (Т ~1700°С), которые прочно сваривают кирпичи между собой. По данным [5] феррит магния образуется уже при 500°С, количество которого быстро растет до 1300°С, дальнейший нагрев приводит к его быстрому растворению в периклазе с образованием магнезиовюстита, которое заканчивается только при 1300°С. Однако, при охлаждении происходит фазовый переход - распад твердого раствора на основе MgO в системе MgO-MgFeO, причем феррит магния выделяется в свободном состоянии практически полностью. В результате при охлаждении возникают микротрещины, что ухудшает термостойкость кладки. Кроме того, может образоваться небольшое количество фазы твердого раствора со структурой шпинели Mg(CrFe)O, которая образуется с увеличением объема, что является одной из причин разрушения огнеупора. Таким образом возникает неоднородность материала по объему, вследствие неравновесности процесса, а именно, в продуктах реакции могут быть: Fe, FеО, MgFeO, Mg(CrFe)O.
Применение стальных пластин в качестве прокладок между кирпичами позволяет значительно уменьшить образование щелей между кирпичами в рядах свода и между рядами, что препятствует проникновению агрессивных газов в щели. Однако, этот способ имеет ряд недостатков, которые существенно сокращают срок службы свода.
Недостатками способа заделки швов стальными пластинами являются:
1. разрушение и выкрашивание материала пластин в результате вышеописанных реакций при высоких температурах, что резко ограничивает срок службы данной конструкции (не более 400 плавок),
2. стальные пластины не обладают достаточной пластичностью и не принимают рельеф поверхности сопрягаемого кирпича, что приводит к сохранению остаточных зазоров,
2
3
3. в результате испарения Fe, FеО при высоких температурах из расплава металла и проникновения их в футеровку в материал
стальных пластин становится пористым, хрупким, следовательно менее газоплотным,
4. неоднородность материала по зонам приводит к ухудшению термостойкости,
5. существенное утяжеление всей конструкции, что приводит в увеличению деформационных напряжений,
6. увеличение теплопроводности всей конструкции, что приводит к дополнительным потерям тепла,
7. дороговизна металлических пластин.
3
4
Другим способом, применяемым на некоторых металлургических предприятиях, является способ засыпки щелей между кирпичами после разогрева и во время эксплуатации порошком окалины FеO, которая также непосредственно реагирует с MgO с образованием газоплотного спекшегося слоя [1]. Этот способ эффективен для уменьшения теплопотерь, увеличения производительности печи и уменьшения загрязнения окружающей среды. Однако, он имеет ряд недостатков, а именно, щели заполняются не на всю глубину, а также то, что процесс засыпки производится над раскаленным сводом вручную, что представляет собой повышенную опасность для жизни рабочего.
Наиболее эффективен комбинированный способ с одновременным применением стальных пластин и порошка железной окалины. Однако и этот комбинированный способ не устраняет вышеуказанные недостатки.
Целью предлагаемого изобретения является улучшение качества сопряжения огнеупорных кирпичей в своде мартеновской печи за счет замены металлических пластин на уплотнительные пластины из пластичного огнеупорного материала, описанного в патенте [6].
За прототип взяты изделия, представляющие собой стальные пластины, и конструкция устройства сопряжения пластин в распорно-подвесном своде мартеновской печи, описанные в работе [4].
Пластичный огнеупорный материал включает компоненты в следующем соотношении, мас%:
огнеупорный наполнитель с
неорганическим связующим
50,0-95,0
эластомер
3,5-21,1
углеродсодержащий материал
0,5-15,0
пластификатор
0,5-10,0
антиадгезив
0,5-4,0
Огнеупорный наполнитель представлен корундом, периклазом, кремнеземом или их смесями в следующих соотношениях, мас%:
корунд
70,0-75,0
периклаз
25,0-30,0 или
корунд
70,0-75,0
кремнезем
25,0-30,0
Неорганическое связующее, имеющее состав, мас%:
2
2
2
3
2
2
3
2
2
3
2
NaO - 1,0-5,0; SiO - 60,0-80,0; АlО - 4,0-18,0; CaO - 0-25,0; ТiO - 0,3-1,6; FеO - 3,0-15,0; MgO - 0-3,0; или NaO - 26,0-28,0; ВO - 24,0-26,0; SiO - 46,0-48,0 вводят в огнеупорный наполнитель в соотношении, мас%: огнеупорный наполнитель - 85,0-95,0, неорганическое связующее - 15,0-5,0.
Для решения поставленной задачи улучшения сопряжения кирпичей в распорно-подвесном своде мартеновской печи в качестве наполнителей, из всех, предложенных в [6], были выбраны периклаз, корунд и Al-Mg-шпинель, обеспечивающие наибольшую огнеупорность (≥1800°С).
Используемый для изготовления пластин пластичный огнеупорный материал, в отличие от стальных пластин, имеет ряд преимуществ:
- материал имеет низкую теплопроводность по сравнению со сталью, что обеспечивает лучшую теплоизоляцию конструкции;
- технологичен при монтаже, т.к. вследствие пластичности обладает способностью полного сопряжения с рельефом поверхности сопрягаемых кирпичей. Таким образом пластины из этого материала не требуют большой точности при их изготовлении для обеспечения плотного сочленения с кирпичом и заполняют все неровности, сколы, зазоры;
- при установке замкового кирпича, за счет пластичности пластин, установленных между кирпичами, не создаются повышенные нагрузки и не образуются сколы и микротрещины;
2
3
- обладает повышенной химической стойкостью по отношению с расплавленным шлакам, металлу, а также газам за счет химически стойких наполнителей MgO, АlО, а также образования Al-Mg-шпинели в процессе эксплуатации;
- сохраняет пластичность за счет эластомера, входящего в состав материала, в интервале температур от -40°С до 300°С, компенсируя нагрузки от термического расширения кирпича, поэтому сколы и микротрещины не образуются;
- в области температур от 300°С до 600°С материал сохраняет остаточную пластичность за счет углеродного каркаса, оставшегося после удаления летучих веществ из органического связующего, что компенсирует нагрузки от термического расширения футеровки;
- в области температур выше 600°С углерод частично выгорает, а материал приобретает пластичность за счет легкоплавкого неорганического связующего;
- в области температур выше 1000°С материал (за счет неорганического связующего) спекается в прочную монолитную газоплотную массу, которая сохраняет остаточную пластичность до рабочих (~1650°С) температур. Образующийся плотный спек однороден (по фазовому
2
3
составу является однофазным), имеет температуру плавления выше 1850°С, не имеет в составе летучих при высоких температурах компонентов (Fe, FeO, FеО), газоплотность свода увеличивается и обеспечивается существенная экономия энергоносителей;
- при охлаждении материал пластин не рассыпается, а остается в виде монолита, что позволяет использовать пластины повторно;
- за счет того, что швы футеровки свода надежно закрыты во время всего периода эксплуатации свода, исключено подгорание деталей устройства для подвески свода.
Таким образом, использование пластичного огнеупорного материала вместо стальных пластин позволит существенно повысить срок службы распорно-подвесного свода мартеновской печи.
Размеры, конфигурация пластин, их сочленение с кирпичами в ряду соответствует прототипу [4] - фиг.1 Способ сочленения рядов кирпичей отличается от прототипа (фиг.2). Согласно [4] на боковую поверхность каждого кирпича навешиваются металлические пластины с загнутыми на 20-40 мм верхними сторонами под прямыми углами. Использование пластин из пластичного огнеупорного материала для этой цели позволяет устанавливать такие пластины одновременно на несколько кирпичей. С учетом технологии изготовления пластин из пластичного огнеупорного материала оптимальными являются пластины для перекрытия 5-6 кирпичей (фиг.3). Пластины устанавливаются в ряду с нахлестом, составляющий 10 мм, который обеспечивает необходимые газоплоплотность и монолитность прокладки. Пластины такого размера из металла не могут обеспечить необходимые газоплотность и другие экспуатационные свойства прокладок вследствие отсутствия необходимой пластичности у металла.
Описанная конструкция пластин может быть использована для распорно-подвесного свода любой конфигурации с учетом конкрентных размеров кирпичей.
2
3
2
3
2
4
2
4
2
3
2
4
1-x
x
2
4
2
4
Кладка с использованием пластичного огнеупорного материала позволяет избежать ряд нежелательных процессов при эксплуатации. Количество FеО, участвующее в реакции не велико, и определяется только капиллярным подсосом FеО из бурого газа и брызгами металла. Поэтому количество образующейся фазы MgFeO мало и, связанные с ней нежелательные реакции, описанные выше, оказывают незначительное влияние. В этом случае небольшое количество MgFeO выполняет роль одного из компонентов неорганического связующего вводимого для образования плотного монолитного спека с наполнителем MgO, АlО или их смесями в соотношении шпинели. Если наполнитель Al-Mg-шпинель, то часть MgFeO входит в твердый раствор Mg(AlFe)O. Образующиеся фазы являются химически стойкими и не имеют полиморфных переходов (т.к. в области малых концентраций MgFeO твердые растворы при охлаждении не претерпевают распада), что существенно улучшает термостойкость конструкции.
2
3
1-x
x
2
4
Кроме того, незначительное количество FеО не приводит к образованию большого количества Mg(CrFe)O, склонного к разбуханию и способствующего разрушению огнеупора.
Список источников информации
1. Технология керамики и огнеупоров. Под ред. П.П.Будникова. Изд. лит.по строительству. М. 1962. 707 с.
2. Плотников Л.А. Огнеупоры в черной металлургии. М. Металлургия. 1973. 273 с.
3. Зайцев Ю.С., Филипьев О.В., Зайцева Н.Н., Шевченко В.И. и др. Охлаждаемый распорно-подвесной свод мартеновской печи. Заявка №95113545/02, опубл. 1998.09.10.
4. П.В.Борисов, Е.Ф.Гойколов, Г.П.Громаков. Кладка мартеновских печей. М. Изд-во литер, по стр-ву, архитектуре и строительным материалам. 1962. с.160.
5. Диаграммы состояния силикатных систем. Н.А.Торопов, В.П.Барзаковский и др. Справочник. T.1. Изд. «Наука» 1969. с.822
6. И.Ф.Михайлов Пластичный огнеупорный материал Патент на изобретение №2273618 по заявке №2004132518/20 (035212) от 01.11.2004.