5.3. Конструкции воздушных фурм

Из элементов фурменного прибора наиболее часто требует замены воз­душная фурма. Так, например, за 2001 г. в доменных цехах ряда предприя­тий Украины по причине прогара вышли из строя: на заводе им. Петровско­го - 201 шт. воздушных фурм, металлургическом комбинате им. Ильича -534 шт., металлургическом комбинате «Криворожсталь» - 641 шт., метал­лургическом комбинате «Запорожсталь» - 245 шт.. Днепровском металлурги­ческом комбинате - 251 шт. При средней стоимости одной фурмы 1500 грн. затраты только на замену фурм составили около 3 млн. грн. Если учесть по­тери тепла с охлаждающей фурмы водой (15-20% от общих потерь тепла при охлаждении доменной печи) и потери производства, связанные с простоем доменных печей на замене фурм, то сумма, которую необходимо уплачивать за несовершенство конструкции воздушной фурмы, выражается десятками миллионов гривень в год. Естественно, это приводит к возрастанию себе­стоимости производимого чугуна, и, в конечном итоге, снижению конкуренто­способности продукции.

На металлургических заводах Украины средняя стойкость воздушных фурм составляет 3-5 месяцев. Характерные причины выхода из строя воз­душных фурм - прогар рыльной части фурмы «снизу» и механические раз­рушения по сварке. В связи с этим совершенствование конструкции фурмы осуществляется по трем направлениям.

Для повышения стойкости рыльную часть воздушной фурмы защища­ют огнеупорными материалами, в том числе плазменным напылением.

Для уменьшения тепловых потерь внутренний стакан фурмы футеруют огнеупорными материалами и изготавливают из стального листа вместо мед­ного* (см., например, рис. 3.16).

Совершенствуют качество сварных соединений, особенно на стыке эле­ментов фурмы из меди и стали.

Эти мероприятия позволяют уже сейчас при соблюдении ровного хода доменных печей увеличить срок службы воздушной фурмы до 12-15 меся­цев, существенно сократить потери тепла с охлаждающей водой на 35-45%.

Так, на комбинате «Запорожсталь» усовершенствовали конструкцию элементов охлаждения фурмы, в особенности ее рыльной части, в результате чего стойкость воздушной фурмы к механическому износу рыльной части существенно увеличена. Полость охлаждения фурмы превращена в 2-камерн ую, верх рыльной части утол­щен и наплавлен твердым спла­вом для защиты меди от истира­ющего действия кокса, нижняя половина рыльной части имеет срез, а внутренний канал для ду­тья отклонен от горизонтали вниз на 3-4° (рис. 5.9).

На Череповецком металлур­гическом комбинате с целью уве­личения стойкости фурм и сни­жения потерь тепла провели дли­тельные исследования практичес­кой эффективности работы воз­душных фурм, бронированных сплавом 40Ч10ВМ* (рис. 5.10). Потери тепла с охлаждающей водой при среднем температурном перепаде 15,6 °. Составили 1190 тыс. кДж/ч (284 тыс. ккал/ч) для обычных фурм, а для бронированных фурм при перепаде 6,8° - 427,3 тыс. кДж/ч (102 тыс. ккал/ч), что эквивалентно снижению температуры горячего дутья соответ­ственно на 53 и 23 °С и свидетельствует о высокой эффективности бронирова­ния. Бронированные фурмы по данным разработчиков прогорали только снизу от воздействия жидкого чугуна.

П редставляет интерес исследование воз­душной фурмы, так называемой змеевиковой конструкции (рис. 5.11). По данным разработчиков из 18 разновидностей испытанных фурм (в том числе: покрытых глиноземом, наплавленных карбидом хрома и др.) толь­ко фурмы этой конструкции сопротивлялись прожигу жидким чугуном. Были испытаны конструкции как медных, так и стальных змеевиковых фурм, в т.ч. выложенной внут­ри футеровкой из высокоглиноземистого огнеупора. Сделаны положительные выводы о том, что змеевиковая фурма по сравнению с обычной - легче, дешевле и потребляет меньше охлаждающей воды. Однако для создания высокой скорости воды в змееви­ке (до 11,5 м/сек) требуется охлаждающая вода под давлением 15 ати (1500 кПа), ко­торой нет на доменных печах, т. е., необходимо установить насосы, повышающие давление воды, и изменить существующую систему подвода воды к фурмам.

И сследованиями теплового режима работы фурмы доменной печи, выполненными ВНИИМТ, установлено, что при попадании на поверхность фурмы «капель» чугуна плотность теплового потока в этой области резко возрастает, что вызывает кипение охлаждающей воды, образование паровой «рубашки» - пленки и последующее расплавле­ние стенки фурмы. Для устранения паровой пленки в рыльной части фурмы были разработаны конструкции фурм с вихревым и струйно-вихревым ох­лаждением внутренней полости путем применения направленных сопел, что позволяло достичь скорости воды в рыльной части более 8 м/сек, однако это потребовало значительного увеличения давления охлаждающей воды.

На металлургических комбинатах «Запорожсталь» и Днепровском им. Дзержинского с целью снижения тепловых потерь были испытаны воздушные фурмы, внутренний стакан которых футеровался вставными сегментами, огнеупорными кольцами (рис. 5.12). Эффект от футерования фурм выразился в экономии кокса 2-4 кг/т чугуна, однако срок службы плиток не превышал двух месяцев.

Разрушение теплоизоляционного слоя колец начиналось у торцевого среза фурмы и вокруг трубок ввода природного газа. Для достижения стой­кости теплоизоляционного слоя фурмы, соизмеримой с ее средней стой­костью, предложено применить литые цирконовые огнеупоры (60% ZrO2) с нулевой пористостью.

Институтом черной металлургии НАН Украины проведены исследования на холодной прозрачной модели фурмы в на­туральную величину и обобщены литера­турные и патентные материалы по проб­леме воздушных фурм, в результате чего сделаны следующие выводы

обеспечение ровности хода доменных печей - один из решающих факторов, способствующий высокой стойкости воздушных фурм;

оптимизация режима охлаждения корпуса фурмы - основной путь повышения срока службы воздушных фурм,

наклон центральной оси фурмы вниз на 2-15° повышает стойкость фурм.

На комбинате «Азовсталь» проведе­ны длительные исследования стойкости воздушных фурм конструкции ком­бината «Запорожсталь» (см рис. 5.9). Опыт показал, что утолщенная часть фурмы быстро разрушает­ся и укорачивается на 30-60 мм, поэтому толщину внутренней стенки носка уменьшили до 7-8 мм, тол­щину торца носка - до 40 мм вверху и до 30-40 мм вни­зу. Носок фурмы сверху наплавили твердым спла­вом, а ввод природного газа заглубили к оси фур­мы (рис 5.13)

В настоящее время, основываясь на анализе те­оретических и практичес­ких данных, предложено три типа усовершенство­ванных воздушных фурм для освоения на доменных печах: фурма с интенсивно охлаждаемым носком (рис. 5.14);

фурма с интенсивным охлаждением всей полости охлаждения (рис. 5.15);

фурма с сребренной или ошипованной поверхностью и карбо­рундовой обмазкой (рис. 5.16).

И з всех рассмотренных вариантов конструкций воздушных фурм наи­более отвечает поставленным требованиям футерованная медно-стальная фурма (см. рис. 3.16).