Основные свойства огнеупорных материалов

Лекция 5.

Футеровка электродуговых печей.

Назначение огнеупорной футеровки:

- формирование рабочего пространства СПА;

- обеспечение оптимальных условий (высокий КПД) передачи тепловой энергии (в нашем случае электрической) от источника к металлическому расплаву.

Для изготовления огнеупорных элементов используют различные огнеупорные материалы.

В качестве огнеупорных материалов используют следующие материалы:

1). Кремнеземистые ОМ.

- Динасовые - SiO₂ более 95%,

- кварцитовые - SiO₂ примерно 85%

2). Алюмо-силикатные ОМ.

Основа этих огнеупоров - Al₂O₃ - SiO₂. В зависимости от количественного их соотношения огнеупоры подразделяются на следующие подгруппы:

- полукислые - SiO₂ < 85%

- шамотные - Al₂O₃ = 50% и SiO₂ = 50%

- муллитовые - Al₂O₃ = 62 – 72%

- муллито-корундовые - Al₂O₃ = 72 – 90%

3). Глиноземистые ОМ. Основу составляет Al₂O₃ > 90%.

4). Магнезитовые огнеупорные материалы. Основу составляет MgO > 85%.

5). Периклазо-хромитовые. Основа MgO – Сr₂O₃.

6). Углеродистые или углеродсодержащие.

Химические соединения, представляющие собой основу огнеупорного материала, определяют химическую активность этого материала и позволяют отнести тот или иной огнеупорный материал к одной из следующих групп:

- SiO₂ – кислые огнеупоры

- CaO, MgO – основные огнеупоры

- SiO₂: Al₂O₃ (1:1) - нейтральные

Использование того или иного огнеупорного материала для формирования футеровки оказывает влияние на химическую природу протекающих в нем процессов. Поэтому и сталеплавильные агрегаты в этом смысле делятся на кислые и основные СПА.

1. Огнеупорность – это свойство ОМ противостоять воздействию высоких температур без значительного разрушения.

Количественной характеристикой выступает температура огнеупорности – Т_огн.

Эта температура определяется экспериментально на специальных образцах, которые называются – пироскопы.

Рис.

За температуру огнеупорности принимается такая температура, при которой вершина пироскопа начинает касаться основания.

По величине Т_огн различают ОМ:

1). Огнеупорные - Т_огн = 1500 – 1700 °.

2). Высокоогнеупорные - Т_огн = 1700 – 2000 °

3). ОМ с высшей огнеупорностью - Т_огн > 2000 °

2). Термостойкость – способность материалов противостоять воздействию резких колебаний температур. Количественный критерий – число циклов, который испытывает материал (нагрев - охлаждение).

Рис.

3). Шлакоустойчивость или химическая стойкость.

Характеризует способность материала растворяться в шлаковых или металлических расплавах.

В силу близости хим. свойств огнеупорных материалов и шлаковых расплава в процессе плавки имеет место растворение поверхностного слоя огнеупорной футеровки в шлаковом расплаве

Футеровка печей оказывает большое влияние на физико-химические процессы, протекающие при выплавке стали, на производительность сталеплавильного агрегата и на экономику процесса.

Одним из основных способов создания огнеупорной футеровки является кладка огнеупорных элементов. Менее распространенный способ – это набивка ОМ, который в основном используется для верхнего рабочего слоя печи.

При выборе огнеупорных материалов для ДСП необходимо учитывать тот факт, что отдельные участки футеровки работают в разных условиях.

Рис. Профиль ДСП с указанием отдельных участков (подина, откосы, стены и свод)

Так, подина и откосы практически постоянно контактируют с жидким металлом и шлаком, и что самое неприятное, во время плавления и в окислительный период футеровка насыщается FeO. Кроме того, при загрузке корзиной лома подина испытывает сильный механический удар. В этой связи футеровка подины должна обладать высокой механической прочностью, а также повышенной шлакоустойчивостью и химической стойкостью.

Стены и в особенности свод печи испытывают частые теплосмены при открывании и закрывании крышки, введении электродов в рабочее пространство, после выпуска плавки. Помимо этого излучение от дуг оказывает свое влияние на долговечность футеровки. Поэтому основное требование к огнеупорам стен и свода – это и термостойкость.

Таким образом, основные требования к огнеупорам следующие:

1. Высокая огнеупорность

2. Высокая термостойкость

3. Низкая и равномерная пористость

4. Плохая смачиваемость шлаками и металлическими расплавами

5. Умеренная стоимость

Так как ОМ, в которых сочетаются одновременно все требуемые свойства, пока еще не существует, то футеровку ДСП изготавливают в несколько слоев, применяя для них различные материалы.

В зависимости от технологического процесса (кислый или основной) футеровка выполняется либо из кислых, либо из основных огнеупорных материалов.

Износ огнеупоров в самой печи происходит за счет излучения из зон электрических дуг, а также пропитки огнеупоров шлаками с высоким содержанием FeO (плавление около 1600 ºС).

Рис. 4.3. Влияние содержания оксида железа в шлаке на износ футеровки

Глубина пропитки зависит от угла смачивания, вязкости, поверхностного натяжения, радиуса пор.

Рис. 4.4 Зависимость глубины пропитки от температуры расплава, радиуса пор, содержания FeO в шлаке, а также содержания кислорода в металле

Для уменьшения глубины пропитки при изготовлении огнеупоров в огнеупорную массу добавляют 10 – 15% нефтяного пека, а также 1 – 3% порошка алюминия или магния. Нефтяной пек (графит) облегчает прессование огнеупоров, ухудшает смачиваемость футеровки расплавами и уменьшает размеры пор. Al и Mg при обжиге огнеупоров окисляются и заваривают оставшиеся поры.

Изначально уже при изготовлении футеровки учитывается режим работы печи. Использование печных трансформаторов высокой удельной мощности и ТКГ позволило резко повысить тепловые нагрузки и производительность дуговых печей, однако при этом существенно ухудшается стойкость огнеупорных футеровок. Поэтому с целью экономии высококачественных огнеупоров в современных дуговых печах, где используются трансформаторы высокой удельной мощности и ТКГ от 50 до 75% площади стен и свода охлаждаются.

Рис. 4.1. Схема печи с водоохлаждаемыми панелями.

Известны три основных типа водоохлаждаемых панелей: литые (чугунные или стальные со змеевиком внутри), кессонные и трубчатые. С целью обеспечения взрывобезопасности и повышения срока службы водоохлаждаемых панелей их приходится размещать несколько выше уровня расплава в печи (300 – 350 мм). И после 10 – 15 плавок печи работают практически на гарнисаже (сплав остатков огнеупоров с остатками оксидов компонентов металла и шлака).

В маломощных печах, как правило, водяное охлаждение отсутствует (кирпичная кладка).

Рис. 4.2. Схема печи с кирпичной кладкой.

При хорошей системе охлаждения стен основной заботой становится уменьшение излучения из зоны мощных электрических дуг. Подину защищают тем, что оставляют в печи 20 – 30% жидкого металла предыдущей плавки и часть шлака. Поэтому когда электроды достигают зоны жидкого металла, то у нас отсутствует пагубное воздействие дуги на подину.

Для того, чтобы уменьшить воздействие дуг на футеровку стен, как правило, проводят вспенивание шлака (пена – пузыри газа и шлака). Для вспенивания шлак должен обладать минимальной работой когезии. Для этих целей проводят вдувание в струе кислорода коксика.

С_кокс + {O₂} → (CO)

(CO) → {CO}

{CO} + {O₂}→ {CO₂} + Q

Через одну фурму (под шлак) дают коксик в струе кислорода, а через другую фурму дают кислород для дожигания CO до CO2.

Важное значение имеет и стойкость свода (наиболее уязвимая часть конструкции печи). Свод может быть изготовлен из жаропрочного чугуна с водяным охлаждением, а места ввода электродов изолируют муллитовыми или глиноземистыми вставками.

Рис. 4.5. Вид сверху на ЭДП.

Если у нас отсутствует вспенивание шлаков, то можно варьировать диаметром распада электродов.

Рис. 4.6. Распад электродов

Чем меньше диаметр распада, тем меньше излучение от электродов (дуги) на стены.

Кроме того, одно время применялась схема с наклонными электродами, но такое положение электродов затрудняет их наращивание после износа и уменьшает полезную площадь свода.

Рис. 4.7. Схема с наклонными электродами

Если работают интенсивно при высокой мощности трансформатора и с болотом, то обязательно проводят торкретирование стен.

При работе с полным выпуском металла из печи необходимо продувать печь сжатым воздухом для удаления остатков металла и шлака, после чего проводят торкретирование и заправку подины.

Примерный срок службы стен – 250 – 300 плавок, а свода – 200 плавок.

Рис. 4.8. Зависимость расхода электроэнергии от площади охлаждаемой футеровки.

Зависимость расхода огнеупоров от % охлаждаемой футеровки.

Зависимость расхода на перефутеровку от % охлаждаемой футеровки.

Дата добавления: 2014-01-11