книги из ГПНТБ / Новое в изготовлении и службе подин

гается при содержании фракции менее 0,1 мм от 20 до

40%.

Таким образом, наилучшая укладка при встряхива­ нии наблюдалась у металлургических порошков с мак­ симальным размером зерен не более 5 мм, содержащих 45—50% мелкой фракции (до 0,5 мм), в том числе око­ ло половины фракции менее 0,1 мм.

По другим данным [71], плотность укладки порошка рассматривалась как средство получения наиболее плот­ ного рабочего слоя подины после обжига. По этим дан­ ным, наибольшая плотность обожженного слоя получа­ ется при применении магнезитового порошка, содержа­ щего 65—75% фракции 4—0,1 мм и 35—25% менее 0,1 мм, в том числе 25—15% менее 0,06 мм.

Получению плотного рабочего слоя подины способ­ ствует не только повышение первоначальной плотности свободно насыпанных или уплотненных порошкообраз­ ных материалов, но и склонность порошков к уплотне­ нию при нагревании. Спекаемость магнезитовых порош­ ков также зависит от зернового состава и возрастает с увеличением содержания дисперсных фракций. Одна­ ко в условиях подин мартеновских печей решающим яв­ ляется склонность порошков к уплотнению при нагрева­ нии в присутствии различного рода спекающих добавок или воздействий других интенсификаторов уплотнения, например ферростатического давления.

Выше был описан характер минералогических изме­ нений в рабочем слое подины, изготовляемой или ремон­ тируемой при помощи стандартных (по ТУ, утвержден­ ным до 1964 г.) магнезитовых металлургических порош­ ков и прокатной окалины. Исследования рабочего слоя подин, отремонтированных мелкозернистым порошком, выявили некоторое отличие их структуры от структуры магнезиально-железистых подин из крупнозернистых порошков.

Структура подин из мелкозернистых порошков кру­ пностью до 5 мм, содержащих более 80% зерен разме­ ром 2—0 мм, в том числе около 60% зерен размером 0,5—0 мм, характеризуется высокой степенью рекрис­ таллизации периклаза в агрегатах кристаллов и в свя­

и стекла оказывается незначительной. Поры получаются мелкими, что максимально препятствует проникновению металла и шлака в подину, поэтому подины, наваренные таким порошком, изнашиваются медленнее и равномер­ нее. В них реже появляются бугры и ямы, приводящие к застоям металла и шлака [69].

800

Зерновой состав порошков влияет не только на ре­ кристаллизацию периклаза при изготовлении рабочего слоя магнезиальножелезистых подин.

Скорость формирования и объем порошка, в кото­ ром протекают процессы образования монолитного слоя (его толщина), зависит от скорости доставки в район

52

формирования жидкой фазы, от ее состава и темперй-

туры.

Скорость доставки жидкости к району формирова­ ния определяется законами фильтрации ее через порош­ кообразные материалы. По данным исследований в области грунтов [72], скорость проникновения жидко­ сти в порошкообразные материалы прогрессивно возрас­ тает с увеличением размера зерен порошка. В условиях подин процесс фильтрации железистых и силикатных расплавов усложняется в связи с изменениями состава и вязкости жидкой фазы в направлении фильтрации. Это предопределяется падением температуры, а также взаимодействием расплава с периклазом.

Изучение этих процессов на действующей печи весь­ ма затруднено почти полной невозможностью проведе­ ния экспериментов в процессе плавки, в связи с чем ки­ нетику перемещения расплава в подине можно косвен­ но исследовать на лабораторных установках; на рис. 25 изображена одна из таких установок [73, 74]. Для ис­ следования процесса в ванну такой лабораторной уста­ новки засыпали магнезитовый порошок, доводили тем­

и затем через загрузочную щель засыпали на порошок окалину.

Зерновой состав порошков, количество использован­ ной окалины, температурный режим и глубина проник­ новения окалины приведены в табл. 10‘.

Под микроскопом образцы «подины» из порошков с высоким содержанием дисперсных фракций, независимо от некоторого изменения предельной величины зерен, состояли из застывшего слоя окислов железа и двухмил­ лиметровой зоны насыщения ими порошка. С увеличе­ нием предельного размера зерен выше 5 мм и снижени­ ем содержания дисперсных фракций (менее 0,1 мм) структура становилась менее плотной, особенно при ог­ раниченном количестве окалины (17%). В образцах из крупнозернистых порошков реакционная зона состояла из крупных обломков магнезитового порошка, насыщен­ ных по периферии окислами железа. Промежутки меж­ ду обломками были заполнены окислами железа пол­ ностью при 35% и не полностью при 17% окалины и от­ носительно небольшими (0,1—0,5 мм) кристаллами периклаза (/включениями магнезиоферрита.

53

Как следует из рис. 26, с увеличением содержания зерен крупнее 5 мм в порошках глубина проникновения окислов железа возраста­

вых порошков, приближающихся по составу к порошкам 2, 3 и 6, должен быть близким к величинам соответствен­ но 0,5 и 0,65 ккал/(м-ч-°С) соответственно.

54

В связи с этим в условиях эксперимента крупнозер­ нистые порошки должны прогреваться до температуры 1500° С и более на глубину 15—20 мм, а мелкозернистые

— на глубину около 12 мм.

Поскольку глубина проникновения окислов железа в крупнозернистые порошки превышает глубину проник­ новения в мелкозернистые в 5—6 раз, а глубина прогре­ ва соответственно 1,2—1,5 раза, причинами различия скорости и глубины распространения окислов железа в порошках различного зернового состава следует счи­ тать не их теплопроводность, а закономерности, опреде­ ляющие перемещение жидкости в капиллярно пористых телах, а также процессы взаимодействия окислов желе­ за и периклаза.

Результаты исследования, проведенного на лабора­ торной установке, моделирующей работу подины, сви­ детельствуют об интенсивном растворении дисперсной части порошка в железистом расплаве.

Глубина пропитывания расплавленными окислами железа магнезитовых порошков с предельной величиной зерен 5—6 мм и содержащих около 20% зерен менее 0,1 мм значительно меньше, чем крупнозернистых по­ рошков, а степень насыщения реакционного слоя окис­ лами железа выше.

При этом возрастает значение жидкофазовых про­ цессов формирования магнезиовюститового слоя. Про­ никновение в пустоты слоя из мелкозернистых порошков 60—70% расплавленных окислов железа обеспечивает растворение в них дисперсных фракций порошка. При этом из железистого расплава выпадает некоторое коли­ чество магнезиовюстита. Остальная часть магнезиально­ железистой смеси первоначально находится в жидко­ подвижном состоянии. Затем часть окислов железа из расплава мигрирует в более крупные обломки магнези­ тового порошка. Магнезиально-железистый расплав беднеет окислами железа и вследствие повышения тем­ пературы его плавления затвердевает в виде монолит­ ного магнезиовюститного образования, в котором почти не прослеживаются границы кристаллов магнезиовюс­ тита [73] (рис.27).

Для интенсификации процессов уплотнения подин рекомендуют вводить в их состав около 5% титансо­ держащих соединений (ильменит, титаномагнетитовый концентрат) [75, 76]. Однако, как упоминалось выше,

55

цессов спекания но всей толщине отремонтированной подины в ходе ее эксплуатации [75]. Однако более де­ тальные исследования процессов в. работающей подине несколько изменили представление о причинах уплотне­ ния первоначального неспеченного порошка.

Исследование характера перемещения окислов желе­ за при помощи радиоактивных изотопов позволило об­ наружить экстрагирование окислов железа металличе­

уменьшении содержания окислов железа после одной — двух плавок. Кроме того, наблюдалось существенное на­ сыщение слоя силикатами кальция.

Отбор проб после 1-, 3-, 5-й и т. д. плавок из охлаж­ денной подины позволил исследовать структуру и сос­ тав не только ее размягченной части, но и расположен­ ных ниже слоев. Кроме того, оказалось возможным ис­ следовать размягченный слой без искажения его струк­ туры пробоотборником.

В табл. 11 приведены данные о химическом составе таких проб подины из крупнозернистых порошков пос­ ле различного числа плавок. Кроме химического соста­ ва, у этих же образцов определяли микроструктуру. Ис­

дования установили также отсутствие миграции окислов железа в процессе1эксплуатации в нижележащие слои.

Процесс изменения глубинных, первоначально неспеченных слоев может быть представлен как уплотнение магнезитового порошка в основном под действием не­ большого количества силикатного расплава и ферростатического давления.

В процессе первой плавки окислы железа верхнего слоя магнезиально-железистых подин из крупнозерни­ стых порошков, не связанные с периклазом, экстрагиру­ ются жидкой ванной. В нижние горизонты свободные окислы железа в температурных условиях периода плав­ ления не перемещаются. В течение первой плавки верх­ ний слой насыщается силикатами, которые во время до­ водки следующих плавок мигрируют от рабочей поверх­ ности в более холодные слои, как это наблюдается при

эксплуатации магнезиальных огнеупоров в сопостави­ мых условиях.

57

Первоначально силикатным расплавом заполняются пустоты между обломками магнезитового порошка. За­ тем расплав начинает пропитывать отдельные зерна. Учитывая толщину магнезиовюститного слоя (50— 70 мм), можно предположить относительно медленное перемещение металлургического окисного расплава в сторону неспеченного порошка. По-видимому, это об­ стоятельство является благоприятным для образования износоустойчивого рабочего слоя подины в процессе ее эксплуатации, поскольку заполнение шлаком всех пус­ тот между обломками магнезитового порошка могло бы существенно понизить запас прочности подины при вы­ соких температурах. Пропитывание магнезитовых об­ ломков сопровождается увеличением толщины силикат­ ной связки, цементирующей кристаллы периклаза в них.

Первоначально увеличение толщины связки не сопро­ вождается увеличением подвижности кристаллов пери­ клаза. Однако изменения свойств силикатных пленок оказывается достаточно, чтобы кристаллы периклаза приобрели способность перемещаться под действием ферростатического давления. Перемещение кристаллов периклаза под действием сил поверхностного натяжения на границе раздела твердой, жидкой, и газообразной

58

фаз и под действием ферростатического давления про­ текает относительно медленно. При применении крупно­ зернистых порошков времени одной плавки оказывается недостаточно для того, чтобы процесс перераспределе­ ния кристаллов периклаза закончился образованием мо­ нолитной структуры. Для образования такого слоя под магнезитовюститной «корочкой» в случае крупнозернис­ тых порошков требуется несколько плавок.

После одной плавки рабочий слой подины из крупно­ зернистых порошков неоднороден. Промежутки между крупными кристаллами магнезиовюстита заполнены си­ ликатным расплавом. Перераспределения кристаллов периклаза между обломками (зернами) и пустотами почти не наблюдается.

С утонением зернового состава меняется толщина реакционного слоя и его структура.

Не работавшая подина из мелкозернистых порошков после ремонта представляет собой монолитный магнезиовюститный рабочий слой относительно малой толщи­ ны и беспорядочно расположенные под ним неспеченные обломки магнезитового порошка.

После одной плавки в магнезиовюститовом слое об­ разуются трещины, по которым в процессе работы поди­ ны под рабочий слой проникают металл и силикатные расплавы. Вследствие низкой фильтрующей способнос­ ти неспеченного порошка металл не проникает в него и накапливается в очень небольшом количестве в виде тонких ажурных включений непосредственно под магнезиовюститовым слоем. Неметаллический расплав про­ никает несколько глубже. Об этом свидетельствует из­ менение химического состава подины по зонам (табл. 12). Как и в подинах из крупнозернистых порошков, си­ ликатный расплав проникает в пустоты между кристал­ лами периклаза. Однако вследствие меньшего размера наиболее крупных обломков и меньшего объема пустот между ними время полного пропитывания обломков маг­ незитового порошка относительно небольшим количест­ вом расплава сокращается. Более тонкий магнезиовюститовый слой должен в большей степени передавать ни­ жележащим слоям ферростатическое давление, вслед­ ствие чего нижележащие слои пропитанного силикатами магнезитового порошка подвергаются давлению в 0,5— 0,9 кгс/см2. Кроме лучшей передачи давления, более тонкий магнезиовюститовый слой предопределяет не­

59

сколько более высокую температуру нагрева нижеле­ жащего неспеченного слоя. Более полная пропитка зе­ рен силикатами, повышенные температура и давление и меньшие расстояния между зернами мелкозернистого порошка, чем в неспеченном слое из крупнозернистых порошков, предопределяют значительно большую ско­ рость перераспределения кристаллов периклаза в объ­ еме рабочего слоя, формируемого в процессе эксплуа­ тации подин.

Т а б л и ц а 12

Химический состав магнезиально-железистых подин из мелкозернистых порошков после ремонта и нескольких плавок

магнезиально-железистого слоя, следует с особым вни­ манием относиться к свойствам всех участков монолит­ ного слоя футеровки подины, в том числе и неспеченной его части.

Для оптимизации технологии изготовления и ремон­ та монолитного слоя и для прогнозирования его стойко­ сти необходимы знания процессов уплотнения порош­

60