Служба огнеупоров в производстве чугуна

Применение огнеупоров в промышленных печах принято называть службой огнеупоров, которая включает:

1) определение условий эксплуатации (температура, время, состав газовой среды, механические напряжения, действие различных интенсификаторов тепловых процессов и т. п.);

2) изучение физико-механических и химико-минералогических процессов, происходящих в огнеупорах под влиянием условий эксплуатации;

3) разработку мероприятий по защите огнеупоров;

4) рекомендации по выбору и созданию новых огнеупоров, свойства которых удовлетворяли бы условиям службы.

Доменная печь.

Доменные печи подразделяют на следующие конструктивные части: лещадь, горн с чугунной и шлаковой летками, зону воздушных фурм, заплечики, распар, шахту и колошник.

По условиям работы огнеупоров в доменной печи выделяют 7 зон. Верхнюю часть называют колошником. Шахта состоит из двух частей: верхней, неохлаждаемой, и нижней, водоохлаждаемой. Затем идет распар — зона восстановления. В следующую зону — заплечики подается дутье. Эта зона горения. Ниже находится цилиндрическая часть — горн, в верхней части которого устроены шлаковые летки, а в нижней — чугунные. Дно печи — лещадь. Максимальная температура зон: в верхней части шахты и в газопроводах 300—400 °С, в нижней части шахты 1200—1500, в заплечиках 1710—1750, в горне 1550—1600, лещади 1300, в желобе 1500°С.

Нижняя часть шихты и заплечики подвержены наибольшему износу и эти участки печи определяют срок службы всей доменной печи. Основными причинами износа здесь являются интенсивное воздействие шлаков, паров щелочей, СО, цинка, колебания температур, абразивный износ шихтой и др. В этих условиях даже муллитовые огнеупоры оказываются недостаточно стойкими. Поэтому применяют огнеупоры с высоким содержанием глинозема: корундовые на муллитовой связке (88—94 % А1₂O₃, П_отк= 15-13,5 %); корундовые на глиноземистой связке (88 % А1₂O₃, П_отк= 13-16 %); корундохромитовые (92 % А1₂0₃, 7,5 % Сr₂O₃, П_отк = 16-19%).

Пропитка огнеупоров парами цинка, образующимися при 800—1000°С в процессе восстановления оксида цинка, и отложение его в порах огнеупора вызывают разрыхление огнеупора. Еще более сильное влияние оказывает сажистый углерод, образующийся из газовой фазы, который с железом образует цементитFe₃C. Образование цементита идет с увеличением объема, чем и обусловливается разрыхление и потеря изделиями прочности. Следовательно, пористость, размер пор, газопроницаемость и прочность изделий для верха доменной печи имеют первостепенное значение. Здесь применяют плотные шамотные и каолиновые огнеупоры.

Футеровку лещади и горна выполняют в основном из углеродистых изделий. Лещадь в течение всей кампании докрыта жидким чугуном с температурой 1450—1500 °С и подвергается значительному давлению — до 0,5 МПа.

Лещадь выкладывают гофрированными углеродистыми блоками длиной до 1,5—3,5 м и сечением (0,5—0,65) * (0,5— 0,65) м. Стены верха лещади выкладывают углеродистыми блоками, а верхние ряды центра лещади выполняют из высокоглиноземистого гофрированного (для предупреждения всплывания) кирпича. При плохой кладке отдельные изделия всплывают вследствие меньшей сравнительно с чугуном плотности, и кладка разрушается. Поэтому для кладки лещади применяют огнеупорные и плотные алюмосиликатные изделия с минимальной дополнительной усадкой при температуре службы.

Горн выкладывают из углеродистых и алюмосиликатных огнеупоров. Углеродистую кладку охлаждают с помощью холодильников или водяной рубашкой.

Фурмы выполняют из высококачественного плотного огнеупора и заменяют его по мере износа.

Основной износ желобов происходит в месте падения струи чугуна на желоб, а также по всей длине желоба на боковых стенах и в области ловушки. износ боковых стенок является определяющим для стойкости желобов. Здесь футеровка подвержена высоким механическим и термическим нагрузкам протекающего расплава. Для футеровки желобов применяют неформованные высокоглиноземистые массы с добавкой карбида кремния и углерода.

Дальнейшим повышением эффективности доменных огнеупоров является применение карбидкремниевых изделий, особенно для футеровки нижней части шахты и заплечиков. Стойкость карбидкремниевых огнеупоров определяется составом связки. Наибольшую Стойкость показывают «самосвязанный» карбид кремния, а также изделия из нитриднойSi₃N₄и оксинитридной Si₂ON₂ связках.

Воздухонагреватели доменных печей.

Огнеупоры испытывают смену температур (переход с газового режима на воздушный) и давление массы насадки (высота 40—30 м) 0,4—2,0 МПа на нижние слои. Насадка должна быстро прогреваться, аккумулировать тепло и затем также быстро отдавать тепло воздуху. В верхней части насадки высокая температура, а под куполом может достигать 1550—1700 °С при температуре воздушного дутья 1400—1500 °С. В нижней части насадки температура невысокая.

Огнеупоры для насадок должны иметь низкую ползучесть. Для купола, верхней четверти насадки и стен камеры горения стандартом предусматривается применение шамотных изделий класса А. С подъемом температуры дутья до 1400—1500°С рекомендуют применять каолиновые (до температуры 1100°С) и динасовые или муллитокорундовые огнеупоры. изделия класса Б (шамотные и полукислые) применяют для стен камеры горения и для ³/₄ насадки снизу. Известно применение корунда как насадочного материала (99 % А1₂O₃), а высокая Стойкость корундовых огнеупоров к углероду, водороду и другим восстановителям делает их перспективными для футеровок, предназначенных для высокотемпературного нагрева восстановительных газов.

Миксеры и чугуновозные ковши.

Миксеры — емкости для накопления, хранения, транспортирования, поддержания определенной температуры (1250—1300 °С) и усреднения состава чугуна. износ футеровки миксера вызывается проникновением чугуна в швы, трещины, а также всплывания и шлакоразъедания кирпичей и сколами.

Миксеры футеруют магнезитовыми, форстеритовыми или алюмосиликатными изделиями с высоким содержанием глинозема. Стойкость огнеупоров повышают пропиткой огнеупоров смолой. Футеровку миксерного ковша обычно выполняют трехслойной: рабочей, защитной и теплоизоляционной.

Фильтрация чугуна.

На заводах качественной металлургии чугун фильтруют, пропуская через специальный огнеупорный (корундовый) фильтр. Фильтрация особенно эффективна в производстве литейного чугуна.

Коксовые печи.

Футеровка является наиболее ответственным элементом коксовых печей. В наиболее сложных условиях работают простенки печи, которые с машинной стороны имеют температуру ~1300°С, а с коксовой — она колеблется с 500—600 до 1200—1250°С. К огнеупорам для простенок предъявляют высокие требования: высокую газоплотность и теплопроводность. Наиболее полно этим условиям отвечает динас. Рассматривается возможность замены динаса на периклазовые огнеупоры.

Общий расход огнеупоров на 1 т чугуна, включая термическую подготовку руд для плавки, доменную печь и воздухонагреватель с газо-, воздухотрубопроводами, чугунными желобами и чугуновозными ковшами, а также коксовыми печами, составляет около 2,4—2,5 кг.