книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

потерь, хорошие условия для протекания физико-химических про­ цессов между металлом и шлаком и для заправки поврежденных уча­ стков футеровки.

Ванна теряет тепло в основном теплопроводностью через футе­ ровку. Тепловые потери при прочих равных условиях пропорцио­ нальны площади теплоотдающей поверхности, т. е. поверхности раз­ дела металла — футеровка и шлак — футеровка. Минимальную удель­ ную поверхность имеет, как известно, шар, поэтому с точки зрения тепловой работы печи целесообразной формой ванны является сфе­ рическая. Однако поддерживать в процессе эксплуатации такую форму ванны трудно, так как магнезитовый порошок, которым после каждой плавки заправляют повре­ жденные места футеровки по шлако­ вому поясу, ссыпается под углом примерно 45° (угол естественного откоса магнезита). Поэтому опти­ мальной формой ванны является сферо-коническая с уклоном кониче­ ской части к горизонтали под углом

45° (рис. 20).

В геометрии ванны важное значе­ ние имеет соотношение между глуби­ ной (/гв) и диаметром «зеркала» ме­ талла (DB). Чем меньше глубина и больше поверхность зеркала, тем больше удельная реакционная по­ верхность металл—шлак, тем быстрее происходит рафинирование металла шлаком. С этой точки зрения ванна

должна быть мелкой. Но при одном и том же объеме с уменьшением глубины ванны увеличивается диаметр кожуха и теплоотдающая поверхность печи; соответственно увеличиваются тепловые потери и расход электроэнергии.

Еще сравнительно недавно считали, что высококачественную сталь можно выплавлять в электропечах с глубиной ванны до 400— 500 мм. По этой причине рекомендовалось придерживаться отношения диаметра ванны к ее глубине, равного пяти-шести. Однако исполь­ зование различных методов интенсификации физико-химических процессов в печи и внепечное рафинирование металла синтетическим шлаком, продувкой аргоном или обработка металла на установках внепечного вакуумирования позволяют уже сейчас получать высоко­ качественный металл и в крупных электропечах с относительно малой поверхностью раздела металл—шлак. По мере дальнейшего совершен­ ствования процессов внепечного рафинирования и широкого приме­ нения методов интенсификации плавки в печи глубина ванны будет, по-видимому, увеличиваться, а отношение диаметра ванны к ее глу­ бине — уменьшаться, приближаясь по величине к отношению, ха­ рактерному для печей с кислой футеровкой. В кислых электропечах, где удельная поверхность раздела металл—шлак в силу особенно­

стей процесса не имеет такого большого значения, как в основных, это отношение находится в пределах 3,5—4,0.

Диаметр зеркала ванны однозначно определяет и диаметр сво­ бодного пространства. Высоту свободного пространства (от зеркала ванны до пят свода) определяют, исходя из необходимости разместить в этом объеме (включая и объем ванны) всю твердую завалку и полу­ чить при этом минимум тепловых потерь через боковую поверхность. Высота свободного пространства в значительной мере определяет и интенсивность облучения свода дугами, поэтому при определении высоты необходимо исключить опасность чрезмерного перегрева наи­ более горячей центральной точки свода.

Удовлетворительное выполнение этих требований соблюдается при отношении HCJD B = 0,4 — 0,5, причем меньшие значения от­ носятся к более крупным печам. Такое соотношение обеспечивает возможность загрузки в один прием лома с насыпной массой 1,6 т/м3. Использование более легковесного лома в электропечах нецелесооб­ разно, так как необходимый для загрузки лома объем свободного пространства увеличивается в обратной пропорции насыпной массе и резко возрастает при уменьшении последней менее 1,6 т/м3.

Стрелу выпуклости свода (/iCB) выбирают из условий получения достаточной строительной прочности свода в разогретом состоянии, так как свод постоянно испытывает сжимающие усилия от распора. Механические напряжения в своде возрастают с увеличением диа­ метра свода (DCB) и уменьшаются с увеличением стрелы его выпук­ лости. При отношении hCBIDCB < 0 ,1 напряжения очень высоки и резко возрастают с дальнейшим уменьшением величины отношения, а при отношении более 0,1 изменяются незначительно, поэтому же­ лательно, чтобы в рабочем состоянии это отношение находилось в пре­ делах 0,10—0,12.

В соответствии с этим выпуклость свода в холодном состоянии определяется диаметром свода (диаметром кожуха печи) и коэффи­ циентом теплового расширения огнеупорного материала: чем сильнее расширяется огнеупор при нагреве, тем меньше выпуклость свода в холодном состоянии. При нагревании сильнее расширяются кислые

Практически на одном из отечественных заводов стрела выпуклости магнезитохромитового свода принята для печей емкостью 100, 40, 10 и 5 т соответственно 950, 600, 350 и 310 мм.

ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИИ РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА НА СТОЙКОСТЬ ФУТЕРОВКИ

Простои печей большой емкости (40—100 т) на ремонтах футеровки стен и сменах сводов составляют на отечественных заводах 6—10% календарного времени. Главной причиной разрушения футеровки является чрезмерный перегрев отдельных участков футеровки, в связи с чем наиболее быстро изнашивается нижний пояс боковой стенки, расположенный напротив дуг, и центральная часть свода. Особенно

52

низка стойкость футеровки печей большой емкости при работе на высоком напряжении. Так, стойкость стен на электропечах емкостью 100 т, работающих при напряжении на дугах свыше 400 В, не пре­ вышает 200 плавок, в то время как стойкость стен печей емкостью 5—10 т, работающих при напряжении ПО—140 В, достигает 1500 плавок и более. В повышении стойкости стен и сводов скрыт значи­ тельным резерв увеличения производительности агрегатов и повыше­

ния экономической эффективности электросталеплавильного произ­ водства.

Всоответствии с выражением (14) интенсивность облучения еди­ ницы поверхности футеровки пропорциональна мощности дуг, ко­ синусу угла падения луча на облучаемую поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния от дуги до облучаемой поверхности.

Втрехфазных печах с электродами,

ровки был как можно более равномер­ ным. Равномерность нагрева футеровки увеличивается с уменьше-

нием диаметра распада электродов (d3) — диаметра окружности, проходящей через центры электродов. Идеальная равномерность нагрева достигается при совмещении всех дуге центром печи. Однако чрезмер­ ное сближение электродов ослабляет механическую прочность свода, утяжеляет температурные условия его центральной части, затрудняет расплавленные шихты у откосов. Учитывая это, рекомендуется обес­ печивать отношение диаметра распада электродов к диаметру печи в пределах 0,25—0,35 (более высокие значения относятся к крупным печам). Неравномерность нагрева футеровки в точках А и В при этом составляет 10—15%.

При симметричном расположении электродов по вершинам равпостороннего треугольника неравномерный нагрев наблюдается не только в точках Л и В, но температура неодинакова и в точках Ал , А 2 и А 3. Это связано с тем, что при близком параллельном располо­ жении проводников трехфазной цепи наблюдается перенос мощности через электромагнитное поле с одной фазы на другую. По этой при­ чине мощность, выделяющаяся в дуге первой фазы, меньше мощности дуги третьей -фазы, которая в свою очередь меньше мощности дуги второй фазы. Исследование топографии разгара кладки стен под­

53

тверждает более быстрый износ футеровки против электрода третьей наиболее мощной («дикой») фазы.

Для выравнивания скорости износа футеровки необходимо умень­ шить неравномерность выделения мощности в дугах разных фаз, что может быть достигнуто специальной конструкцией короткой сети и использованием дополнительных устройств, о чем подробнее будет изложено ниже. В некоторых случаях, по-видимому, целесообразно просто смещать центр распада электродов относительно центра печи так, чтобы, несмотря на неравномерность выделения мощности в ду­ гах разных фаз, нагрев в точках А х, и А 3был равномерным. Раз­ работана также конструкция печи, у которой диаметр распада элек­ тродов изменяется по высоте рабочего пространства и имеет наимень­ шую величину на уровне порога рабочего окна.

' При определенной мощности дуг и заданном отношении интен­ сивность облучения стен дугами можно уменьшить, как это следует из выражения (14), уменьшая угол падения луча на поверхность стен: интенсивность облучения стен в горячей зоне тем меньше, чем сильнее они наклонены к вертикали.

Исходя из тепловой работы печи стены целесообразно было бы выполнять с наклоном внутрь печи. Но такая конструкция стен мало подходит по условиям загрузки шихты и заправки нижних наиболее сильно разрушающихся участков стен. Поэтому в последнее время широкое распространение получили печи, у которых стены наклонены наружу.

Наклон стен наружу увеличивает теплоотдающую поверхность и приводит к возрастанию тепловых потерь. В связи с необходимостью уменьшить тепловую нагрузку наиболее напряженных участков кладки стен, не увеличивая при этом значительно теплоотдающую поверхность, наклон стен целесообразно выполнять по высоте не­ одинаковым: максимальный угол наклона должен соответствовать участкам с максимальной тепловой нагрузкой, и по мере уменьше­ ния нагрузки угол может быть также уменьшен. Однако такой наклон стен трудно выполнять и поддерживать при работе печи.

Максимальный разогрев испытывает нижний пояс кладки стен шириной 300—400 мм от поверхности ванны. Угол наклона стен на этой высоте должен составлять 25—30°. С дальнейшим увеличе­ нием высоты кладки интенсивность облучения резко уменьшается, поэтому угол наклона также может быть уменьшен. В самой верхней части с целью некоторого уменьшения диаметра свода, что значи­ тельно влияет на его стойкость, наклон стен можно выполнить внутрь печи. Стойкость этих участков стен при этом снизится, но вследствие увеличения стойкости свода суммарные простои печи на ремонтах футеровки уменьшатся.

Такая конфигурация рабочего пространства применена на неко­ торых мощных печах отечественных заводов.

Наклон верхней части футеровки стен внутрь печи позволяет получить положительный эффект на электропечах, где еще сохрани­ лась загрузка шихты мульдами через завалочное окно. При загрузке шихты сверху выступающие ряды кирпича верхней части стен по­

54

вреждаются загрузочной бадьей, поэтому эффект, достигаемый на таких печах в результате увеличения стойкости свода, не компенси­ рует потери, связанные с более быстрым износом верхних рядов фу­ теровки стен. В этом случае, по-видимому, целесообразно при обрат­ ной конусности верхней части кожуха внутреннюю поверхность кладки этого пояса выполнять цилиндрической, используя кирпичи разной длины.

Глава 4

ФУТЕРОВКА ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

ОСОБЕННОСТИ СЛУЖБЫ ФУТЕРОВКИ ДУГОВЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ

При выборе огнеупорных материалов для футеровки дуговых сталеплавильных печей необходимо учитывать, что отдельные участки футеровки работают в разных условиях. В связи с этим следует от­ дельно рассматривать условия службы огнеупоров подины и откосов, стен и свода.

П о д и н а и о т к о с ы. В течение длительного времени огне­ упорная футеровка подины непосредственно контактирует с расплав­ ленными металлом и шлаком. После выпуска плавки и при загрузке холодной шихты происходит резкое охлаждение подины. При за­ грузке шихты корзиной подина в целом испытывает механический удар, а поверхностный слой подины повреждается врезающимися кусками скрапа.

В период плавления при неудачно составленной завалке, когда под электродами оказывается легковесная шихта, электроды могут опуститься до подины прежде, чем на ней образуется достаточный слой жидкого металла. Горящие при тонком слое металла дуги пере­ гревают и вымывают материал подины, образуя ямы.

Во время плавления и в окислительный период футеровка подины насыщается закисью железа. В восстановительный период окислы железа переходят в обратном направлении — из футеровки подины и откосов в металл и шлак. Восстановительная среда после выпуска плавки снова меняется и становится окислительной.

При сливе и после слива металла футеровка подины непосред­ ственно контактирует со шлаком и насыщается им. В значительно большей степени, чем подина, воздействию шлаков при высоких тем­ пературах подвержена футеровка откосов, поэтому откосы являются наиболее слабым участком футеровки электропечей. Футеровка по­ дины и откосов не только подвержена влиянию указанных выше фак­ торов, но и сама влияет на ход процесса в сталеплавильной ванне. Попадающая в шлак окись магния снижает жидкотекучесть шлака, уменьшает его химическую активность. В связи с этим не только уве­ личивается расход огнеупорных материалов, но и требуется больше времени на рафинирование металла, повышается расход шлакооб­

55

разующих на централизацию вредного влияния MgO, увеличивается

расход электроэнергии.

Исходя из назначения и условий работы футеровки подины и откосов, к ней можно предъявить ряд требований. Рабочий слой по­ дины, непосредственно контактирующий с металлом и шлаком, дол­ жен обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, противо­ стоять химическому и механическому воздействию металла и шлака. Подина в целом должна быть достаточно механически прочной, чтобы воспринимать механические удары при загрузке шихты, п обладать большим тепловым сопротивлением.

С т е н ы . Температурные условия работы внутренней поверх­ ности стен особенно тяжелы, так как в отдельные периоды плавки температура некоторых участков стен может превысить огнеупор­ ность материала, а при открывании рабочего пространства и загрузке шихты стены быстро охлаждаются. Скорость изменения температуры внутренней поверхности стен может достигать, как уже отмечалось, 10 000 °С/ч, что создает значительные термические напряжения

вфутеровке.

Всвязи с этим внутренний слой футеровки должен быть выпол­ нен так, чтобы ему были свойственны высокая огнеупорность и тер­ мостойкость, низкий коэффициент теплового расширения и высокий коэффициент температуропроводности, а для получения большого теплового сопротивления футеровка стен должна быть хорошо тепло­ изолирована с внешней стороны.

Вособо тяжелых температурных условиях работает нижний пояс

футеровки стен шириной 300—400 мм, находящийся под прямым излучением дуг и воспринимающий нагрузку от верхних слоев кладки стен. Поэтому нижнюю часть стен следует выполнять из особо огне­ упорных материалов, или в крайнем случае, делать ее достаточно большой толщины.

С в о д . Свод является наименее долговечной частью футеровки дуговых печей.

Как и футеровка стен, свод испытывает значительные темпера­ турные колебания. По ходу плавки свод может прямо воспринимать излучение выдуваемых из-под электродов дуг, а также поглощать отражаемое шлаком и футеровкой стен излучение. В результате тем­ пература свода, особенно его центральной части, может превысить огнеупорность материала, и свод может подплавляться. Особенно часто подплавление свода происходит при работе с очень жидкими шлаками, обладающими большой отражательной способностью.

При открывании рабочего пространства и отвороте свода его излучение воспринимается холодными элементами конструкции печи, и свод быстро остывает. Это вызывает появление больших термических напряжений, приводящих к скалыванию свода.

Свод постоянно испытывает сжимающую нагрузку от распора, что снижает температуру начала его деформации. Выбивающиеся из печи раскаленные газы содержат много пыли, которая оседает на своде и при высокой температуре может вызвать его химическое разрушение.

56

Исходя из особенностей службы огнеупоров в сводах дуговых печей, к ним можно предъявить ряд особых требований. Эти огнеупоры должны характеризоваться высокой огнеупорностью, термостой­ костью, химической стойкостью по отношению к плавильной пыли, большим тепловым и электрическим сопротивлением. Последнее вытекает из того, что при недостаточном электрическом сопротивле­ нии материала свода электрическая цепь между фазами может ча­ стично замкнуться по своду. Это может привести к возникновению электрических дуг между сводом и водоохлаждаемыми элементами уплотнений электродов в своде, прогоранию водяной рубашки и по­ паданию в печь воды.

ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ

Так как огнеупорных материалов, в которых сочетаются одно­ временно все требуемые свойства, ие существует, то футеровку ду­ говых печей приходится изготовлять состоящей из нескольких слоев, выполняющих те или иные функции. Это приводит к тому, что в фу­ теровке дуговых печей используют разнообразные огнеупорные ма­ териалы, обладающие разными свойствами и используемые для раз­ ных целей.

В зависимости от технологического процесса футеровку дуговых печей можно выполнять из кислых или основных огнеупорных ма­ териалов.

Для изготовления кислой футеровки используют кварцит и из­ делия из него (динас) с содержанием основного компонента (Si02) в количестве 95—97%. При изготовлении динасового кирпича в ка­ честве связующего материала применяют известковый раствор (2,0— 2,2%) и раствор сульфитного щелока или патоки.

Для футеровки печей с основной кладкой применяют материалы и изделия из магнезитового порошка с добавлением бедной хромистой и железной руды. На ряде заводов в качестве огнеупорного мате­ риала для футеровки электропечей применяют доломит и изделия из него.

На отечественных заводах для изготовления основной футеровки используют главным образом магнезитовый порошок. Качество его зависит от химического и гранулометрического состава, а также плотности, позволяющей судить о степени обжига порошка.

Содержание примесей в магнезитовых порошках, используемых для набивки подин и заправки откосов электропечей, не превышает по СаО 2,5—4,0%, по S i02 4,0—5,0%; потери при прокаливании находятся в пределах 0,6—0,8%. Зерновой состав указанных по­ рошков должен быть в следующих пределах: мельче 0,5 мм — не более 60%, мельче 1 мм — не более 80%.

Для кладки сводов используют высокоогнеупорные обожженные магнезитохромитовые изделия, изготавливаемые из магнезитового порошка и хромовой руды. Изделия прессуют под большим давле­ нием и подвергают высокотемпературному обжигу при температуре

1600°С,

Я

Высокоогнеупорные магнезитохромитовые изделия подразде­

ляют на следующие марки:

ПШСП — пернклазошпииелидные магнезитохромитовые плот­ ные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте;

МХСП — магнезитохромитовые плотные с крупнозернистым хро­ митом в шихте;

ПШСО — периклазошпинелидные магнезитохромитовые обычные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте;

МХСО — магнезитохромитовые обычные с крупнозернистой хро­ мовой рудой в шихте.

Основной составляющей (65—70%) этих изделий является окись магния. Содержание хромовой руды в зависимости от марки кирпича находится в пределах 7—18% при применении кимперсайской руды и в пределах 5—12% при применении саратовской руды.

Плотные изделия (ПШСП и МХСП) предназначены для изготов­ ления работающих в особо тяжелых условиях сводов электро­ печей емкостью более 40 т. Обычные изделия (ПШСО и МХСО) могут быть использованы для изготовления сводов печей меньшей емкости.

Изделия указанных марок изготавливают в виде прямого и пя­ тового кирпичей. Длина прямого кирпича (и, следовательно, толщина свода) составляет 230, 300, 380, 460 и 520 мм.

Для кладки стен и изготовления сводов электропечей малой и средней емкости применяют высокоогнеупорные хромомагнезитовые изделия огнеупорностью не ниже 2000° С, изготавливаемые из хро­ мита и спекшегося магнезита. Содержание основных компонентов в этих изделиях (кирпичах) должно быть в следующих пределах:

окиси магния не менее 42%, окиси хрома не менее 15%.

Кладку подин и откосов выполняют из магнезитовых (периклазовых) изделий огнеупорностью выше 2000° С, изготовляемых прес­ сованием из обожженного до спекания магнезита. Магнезитовые из­ делия подразделяют в зависимости от химического состава на три марки: М-91 (магнезитовые изделия обычной плотности, предназначае­ мые для кладки подин и откосов электросталеплавнльных печей ниже уровня шлака), МП-91 (изделия плотные, предназначаемые главным образом для кладки откосов в районе шлакового пояса), МП-89 (плотные изделия, используемые для кладки футеровки элек­ тропечей в исключительных случаях).

Физико-механические свойства магнезитовых изделий приведены в табл. 3.

Для тепловой изоляции подины и стен, а также для футеровки сливного желоба используют шамотный кирпич, который обладает низкой теплопроводностью и высокой термостойкостью. Вследствие низкой огнеупорности (1680—1730° С) шамотный кирпич нельзя использовать для изготовления рабочего слоя футеровки, но вслед­ ствие высокой термостойкости его широко применяют для футеровки сталеразливочных ковшей и сталеразливочного припаса.

Шамотные изделия обычно содержат 60—62% S i0 2 и 35— 37% А120 3. Изготавливают их методом пластической формовки или

58

Таблица 3

ФИЗИКО-МЁхАНЙЧЕСКИЕ с в о й с т в а м а г н е з и т о в ы х и з д е л и й

Марка

Характеристика материала изделий

полусухого прессования, причем метод полусухого прессования сейчас преобладает.

В футеровке для тепловой изоляции применяют также асбест, порошок шамота и другие теплоизоляционные материалы.

КЛАДКА РАБОЧЕГО ПРОСТРАНСТВА ПЕЧИ

В качестве примера на рис. 22 приведен разрез футеровки печи емкостью 100 т.

Изготовление футеровки новой печи начинают с подины. Подина печи состоит, как правило, из трех слоев: верхнего набивного, об­ разующего после спекания монолитную массу, кирпичной кладки, являющейся основанием для набойки, и теплоизоляционного слоя. Возможна работа печи и без набивного слоя, но при этом толщина кирпичной кладки должна быть увеличена.

На большинстве электропечей общая толщина футеровки подины равна максимальной глубине ванны. На печах, оборудованных рас­ полагаемым под днищем механизмом электромагнитного перемеши­ вания металла, толщину подины уменьшают, что улучшает магнит­ ную связь между ванной и перемешивающим устройством, позволяет уменьшить мощность перемешивающего устройства, его стоимость и расход электроэнергии. Но выигрыш в стоимости перемешивающего устройства по мере уменьшения толщины подины уменьшается, а опасность прорыва металла через подину увеличивается; при этом быстро возрастают и тепловые потери через подину. Поэтому на пе­ чах, оборудованных электромагнитным перемешивающим устрой­ ством, толщину подины целесообразно принимать равной 70—80% от глубины ванны.

Толщина огнеупорной кладки по центру 100-т печи, оборудован­ ной механизмом электромагнитного перемешивания, составляет

800—900 мм (рис. 22).

59