Кирпич для футеровки доменных печей

ОГНЕУПОРНАЯ ФУТЕРОВКА ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Футеровка предназначена для сохранения проектного профиля печи и защиты холодильников и кожуха от разрушения. Она подвержена действию высоких, переменных и неравномерно распределенных температур, давлений жидкого чугуна и шлака, газов, шихты, истиранию и химическим воздействиям продуктов плавки. Ее стойкость зависит от основных свойств огнеупоров, которые разделяются на кислые (главный оксид — кремнезем), основные (оксиды магния или кальция) и нейтральные (углеродистые и хромистые).

Футеровка доменных печей (по зонам) Верхняя часть шахты. В этой зоне размягчение огнеупора исключено и особое значение имеет его сопротивление истиранию. Этим условиям удовлетворяет алюмосиликатный кирпич с 42— 44 % А1203. В СВЯЗИ С проникновением в футеровку паров щелочей, СО и отложения сажи большое значение имеет высокая плотность алюмосил икатного огнеупора (низкая пористость и замкнутость пор).

Средняя охлаждаемая часть шахты. В средней части кладки шахты начинается размягчение огнеупора. Здесь обычно применяют охлаждаемую кладку из плотного шамотного кирпича с 45 % А1,03.

Нижняя часть шахты и распар футерованы карборундовым кирпичом (стойким в щелочных средах).

Заплечики и фурменная зона. Наиболее стойким в заплечиках признан карборундовый кирпич.

Футеровка горна длительное время выполнялась из алюмосиликатного кирпича, что не исключало прорывов чугуна при охлаждении кожуха водой или периферийными холодильниками.

Основная задача при конструировании стен горна заключается в том, чтобы не допустить приближения изотермы затвердения чугуна (1150 ° С) к кожуху печи. Это достигается использованием более теплопроводных углеродистых огнеупоров (используемых и в кладке лещади).

Износ стен горна прекращается при установлении равновесия между тепловым потоком на них и количеством тепла, отбираемого охлаждением, поэтому стены горна при этом могут противостоять износу практически неограниченно долго и препятствовать прорыву через них чугуна. Для усиления отвода тепла через стены горна набивная масса между кладкой и кожухом должна иметь высокую теплопроводность, например 42 Дж/(г К).

Лещадь. Длительное время лещадь выкладывали алюмосиликатным кирпичом. При периферийном охлаждении на доменных печах с небольшим диаметром горна толщина такой лещади даже при значительном износе исключала прорывы чугуна. С увеличением диаметра горна толщину лещади пришлось увеличивать. (Разгар ее прекращается на изотерме затвердевания чугуна.)

Комбинированная конструкция лещади (сверху алюмосиликатный, внизу углеродистый огнеупоры) с воздушным подлещадным охлаждением получила применение на всех крупных доменных печах бывшего СССР и на большинстве таких печей за рубежом (воздушное и водяное подлещад ное охлаждение).

Лещадь может быть и цельноуглеродистой — ряд (нижний) графитированных блоков и ряд (последующий) углеродистых. В центре поверх углеродистых блоков укладывают два ряда высокоогнеупорных муллитовых кирпичей.

По периферии лещадь выкладывается в обоих вариантах лещади горизонтальными прямоугольными блоками. Углеродистые блоки лещади следует устанавливать вертикально с расположением их основания в области температур ниже температуры затвердевания чугуна, чтобы жидкий чугун не достигал нижней грани блоков (во избежание их всплытия).

Если принять истираемость шамотного кирпича за 100, то у карборундового на силикатной связке она составляет 97, у муллитового 80, графи токарборундового 40, чисто карборундового 19.

Наибольшую долю в капитальных затратах на строительство и реконструкцию доменных печей составляет стоимость огнеупорной футеровки.

Традиционным направлением повышения сроков службы футеровки доменных печей остается поддержание ее достаточной толщины. Все более важную роль в увеличении стойкости огнеупоров играет их качество. Вместе с тем увеличение толщины футеровки и применение высококачественных огнеупоров не гарантируют сохранения футеровки, если не учитываются технологические факторы, влияющие на условия службы огнеупоров.

В настоящее время для изготовления футеровки доменных печей применяют кирпич: алюмосиликатный из тощей огнеупорной глины с 40— 41 % А1,03, шамотный с 43 % А1,03, высокоглиноземистый — плавленый, корундовый и мулли товый, карборундовый и углеродистый.

Наиболее сильно футеровка изнашивается (размягчаяется и ошлаковывается) в зонах с повышенной температурой. Охлаждение футеровки в этих зонах — важнейший фактор повышения срока ее службы.

Утолщение кожуха доменной печи, особенно в горне и лещади, уменьшает его деформируемость, что противодействует расширению швов, образованию трещин в футеровке и повышает ее стойкость.

Футеровка доменной печи

Толщина футеровки определяется проектом доменной печи, в зависимости от применяемых материалов и условий работы доменной печи с учетом специальных стандартов и инструкций. До начала огнеупорных работ необходимо закончить все монтажные работы, проверена правильность форм, размеров стальных конструкций и т.д.

Огнеупорный кирпич отбирается по внешнему виду и сортируется по толщине. Огнеупорные растворы должны быть чистыми и тщательно перемешанными. Толщина швов в зависимости от огнеупорных материалов колеблется от 2,5 (графитированные блоки лещади) до 0,5 мм (шамотные каолиновые изделия и углеродистые блоки в горне).

Ориентировочное количество огнеупорных изделий, используемых для кладки, устанавливают по номограммам, приведенным в справочниках, или расчетов каждого кольца кладки. При этом необходимо определять количество изделий каждого номера с учетом его габаритов. Расход углеродистых и муллитовых изделий для выкладки центральной части лещади определяют делением объема, занимаемого каждым из этих типов огнеупоров в лещади, на объем соответствующего изделия. Углеродистые и графитированные блоки изготавливают на заводе-изготовителе по проекту для конкретной доменной печи, где проходит контрольная сборка углеродистой кладки горна и лещади. В доменный цех поступают блоки после разборки и маркировки.

По форме и размерам изделия подразделяют на прямые и клиновые, нормальные, нормальные (длина 230 мм) и полуторные (345 мм) с перевязкой швов в радиальном и вертикальном направлениях. Применяют также большемерные огнеупоры. Для различных проемов (фурменных отверстий, чугунных и шлаковых леток, а также для деталей воздухопроводящих магестралеей) применяют арочных кирпич.

Размеры огнеупорных изделий оказывают большое влияние на качество и срок службы кладки, определяя не только количество и толщину швов, но и качество самого изделия, например, однородность свойств по длине, постоянство размеров.

В конце XIX в для футеровки доменных печей в Европе использовали шамотные блоки с размерами 1000x150x150 мм. Кладка выполнялась толщиной в один кирпич. Качество изделий было не однородно по длине. Поэтому переход к использованию маломерного шамотного кирпича для футеровки доменных печей в США был шагом вперед. В России маломерные огнеупорные изделия стали использовать для футеровки доменных печей с 1905 г. Повысилось качество огнеупорных изделий, удобство проектирования кладки, Недостаток – увеличение количества швов – удалось частично компенсировать перевязкой вертикальных кольцевых и соседних швов, которую позволяли осуществить два типоразмера по длине 230 и 345 мм. Наличие прямого и клинового кирпичей давало возможность выкладывать кольца (арки) с различным радиусом.

До 40-х годов XX в. для футеровки доменных печей использовали, в основном, шамотные изделия. Это объясняется относительной дешевизной и простотой изготовления, широким диапазоном их свойств. Дальнейшее ухудшение условий службы футеровки доменных печей при форсированной плавке требовало повышения стойкости огнеупорных изделий. Было освоено производство новых видов, наметилась тенденция к увеличению размеров огнеупорных изделий. Налажено производство углеродистых и графитированных блоков сечением 400×400 и 550×550 и длиной до 1600-3000 мм, высокоглиноземистых блоков длиной 400, 550 мм, алюмосиликатных блоков толщиной до 200 мм вместо 75 мм.

Футеровка

— Печи, в которых производится нагревание металлов при различных металлургических процессах, устраиваются из материалов, обеспечивающих их прочность и устойчивость — кирпича, чугуна и железа. Но все эти материалы не в состоянии противостоять действию высокой температуры, при которой совершаются эти процессы, неизбежным колебаниям температуры и влиянию химических реакций, их сопровождающих. Ввиду этого, все рабочие пространства печей, приходящие в соприкосновение с металлом или газами высокой температуры, одеваются изнутри слоем огнеупорных и устойчивых к химическим влиянием материалов, которые и защищают от разрушения остальной массив печи. Эта внутренняя огнеупорная одежда печей называется их футеровкой. Для Ф. применяются различные горные породы или глина, притом, или в виде отдельных камней (естественных или искусственных), или в виде пластической массы. Все футеровочные материалы разделяются на три класса: A) материалы, основную часть которых составляет кремнезем; B) материалы, основную часть которых составляет глина (гидросиликат глинозема) и C) смешанные материалы, не подходящие под классы A и B.

Материалы класса A бывают: 1) естественные (в виде камней, вытесанных из кусков горной породы) и 2) искусственные (в виде кирпичей, отпрессованных из предварительно измельченных горных пород). В качестве естественных камней применяются: a) в виде цельных камней — песчаники, кварц, пудинг (конгломерат) — для Ф. доменных печей; кремнистый сланец — для пламенных печей; гранит — для печей, не развивающих самых высоких степеней жара; b) в измельченном виде — ганистер (кварцевые зерна с содержанием 1-7% Fe ₂ О ₂ и Аl ₂ О ₃, связанные глинистым веществом), который идет на Ф. Бессемеровских конвертеров. Искусственная кремнеземистая Ф. выделывается в виде так называемых динасовых кирпичей. Для этого тонко измолотый, чистый кварц связывается 1-2% известкового или глинистого вещества и прессуется в кирпичи, которые обжигаются до белого каления (расход горючего при этом втрое больше, чем при обжиге обыкновенного строительного кирпича). Под действием жара, кирпичи эти несколько вспучиваются, под влиянием же резких колебаний температуры — легко растрескиваются.

Футеровочные материалы класса B применяются исключительно в искусственном их приготовлении, так как естественные гидросиликаты глинозема при нагревании теряют воду. К этого рода материалам принадлежат: a) бокситный кирпич. Для его приготовления берется природный гидрат глинозема, содержащий примесь окиси железа и известный под именем боксита, обжигается, измельчается, смешивается с небольшим количеством воды и свежей огнеупорной глины, формуется в кирпичи, которые вновь обжигаются, причем значительно усаживаются; b) обыкновенный огнеупорный (шамотный) кирпич, состоящий главным образом из огнеупорной глины с примесью тощего вещества (обожженной шамоты), предупреждающего усыхание и растрескивание, к которым очень склонна глина. Свежая шамотная масса или перемолотые шамотные кирпичи, уже бывшие в употреблении, замешиваются таким количеством свежей огнеупорной глины, чтобы получилось густое тесто. В него для тощести замешиваются иногда зерна кварца (крупности гороха), а в специальных случаях — зерна графита, кокса или древесного угля. Подмесь мелкой кварцевой муки, железной окиси, щелочей и т. п. уменьшает огнестойкость кирпича.

К классу C принадлежат следующие огнеупорные материалы: 1) основные набойки, 2) угольный кирпич и 3) огнеупорные растворы. В качестве основных материалов применяются отчасти железные окислы: руды, молотовая окалина, богатые железной окисью шлаки и (в новейшее время) хромистый железняк в виде так называемых хромистых кирпичей. Практика показала, однако же, что степень огнестойкости не выкупает высокой цены последних.

Большим распространением в качестве основных футеровочных материалов пользуются кирпичи из извести или магнезии, или из обоих этих веществ одновременно. Наичаще для этой цели применяется доломит, который обжигается в вагранках до белого каления, при котором он уже начинает оплывать. После охлаждения, его размалывают, отсеивают, смешивают с 3-8% глины (предварительно обезвоженной вывариванием) и формуют в кирпичи, иногда же употребляют в дело прямо в виде пластической массы. Как масса, так и кирпичи подвергаются, однако, перед употреблением в дело, новому обжигу. Еще стойче магнезитовые кирпичи, приготовляемые из обожженного до оплывания магнезита, смолотого в муку и отпрессованного на гидравлическом прессе. Отформованные кирпичи подвергаются сильному обжигу. Магнезитовая масса (подмешанная для связности дегтем, растворимым стеклом и т. п.) применяется на набивку Ф. и непосредственно. Пробовали применять для Ф. известковые кирпичи, но они оказались непригодными. Несравненно лучшими оказались коксовые кирпичи, приготовляемые следующим образом: сухой, бедный содержанием золы кокс мелется в муку, смешивается со смолой или каменноугольным дегтем (до 20%), набивается в формы, по выемке из них высушивается медленно (в течение двух недель) на слабом жару и затем обжигается в герметически закрытых муфелях без доступа воздуха. Принимая в расчет его легкость, коксовый кирпич выходит не дороже шамотного и служит весьма хорошо, за исключением, однако, тех случаев, когда, по характеру происходящего металлургического процесса, он подвергается (при высокой температуре) действию окисляющих газов, богатых железом шлаков или расплавленного, бедного углеродом железа. К этому же классу футеровочных материалов принадлежат огнеупорные растворы, применяемые для заполнения швов при кладке огнеупорных кирпичей. Состав им придают обыкновенно сходный с тем, какой имеют самые кирпичи. Для основной Ф. растворы составляются из обожженных доломита или магнезита, цементированных смолой, или из обожженного, перемолотого, отсеянного и смоченного водой магнезита. Иногда в качестве раствора берется доломитовое молоко или же просто сухая магнезитовая мука. Растворы для не основных камней замешиваются на воде из молотых песка, извести, доменных шлаков, стекла, шамоты и т. п. Швы должны быть возможно тонкие, для чего кирпичи перед кладкой тщательно притираются один к другому. В некоторых металлургических процессах печная Ф. не только предохраняет стены, под и нёбо рабочего пространства печи от разрушения действием жара, но и сама участвует в химических реакциях, способствуя получению продукта желаемых качеств.

Огнеупорная футеровка доменной печи

Футеровка доменной печи выполняется комбинированной из огнеупорного кирпича двух размеров: нормального (230 мм) и полуторного (345 мм) с перевязкой швов в радиальном и вертикальном направлениях . Применяют также большемерные огнеупоры, в том числе углеродистые в зависимости от принятой конструкции кладки. Лещадь печи сооружают из кирпича лучших марок: муллитового, высокоглиноземистого, углеродистого .

Конструктивными элементами кладки доменной печи являются:

• лещадь,
• горн (в том числе металлоприемник и фурменная зона),
• заплечики,
• распар,
• шахта,
• колошник,
• купол печи, который иногда вместо огнеупорной футеровки защищают плитами с охлаждением или торкретированием огнеупорным бетоном.

По вспомогательным объектам различают футеровку восходящих газопроводов и свечей, нисходящих газопроводов, пылеуловителей, тракта горячего дутья и фурменных рукавов.

Для различных проемов (фурменных отверстий, чугунных и шлаковых леток, а также деталей воздухопроводящих магистралей) применяют специальный арочный кирпич.

Толщину футеровки определяют проектом печи в зависимости от материалов и условий работы с учетом специальных стандартов и инструкций. При этом учитывают, что тепловое и химическое воздействие на кладку возрастает от верха печи к низу, а механические нагрузки, наоборот, преобладают главным образом в верхних 2/з высоты шахты и имеют свой максимум в цилиндрической части колошника, где кладка испытывает максимальное ударное воздействие от падающих с засыпного аппарата шихтовых материалов. Технические условия на огнеупоры, применяющиеся для футеровки, приведены в таблице.

Однако в связи со многими исследованиями доменного процесса и условиями службы конструкций доменных печей и их футеровки в доменном производстве получили применение новые виды огнеупоров, увеличивающих длительность кампаний доменных печей. Вместе с этим изменилась технология сооружения кладки. Она сооружается из различных видов огнеупоров с распределением их по горизонтам печи в соответствии с процессами, происходящими в ней по высоте профиля. К таким видам относятся: карбидокремниевые, нитридные и другие огнеупоры . Они обладают высокой прочностью и теплопроводностью, повышенной стойкостью к воздействию шлаков и истирающим воздействиям шихты и газовых пылевых потоков.

Наиболее стойкими из них являются карбидокремниевые с успехом применяемые в нижних горизонтах доменной печи в зарубежной практике. Они отличаются высокой плотностью — 2,3—2,6 г/см 3 и пониженной пористостью — 13,6—15,4%, причем различные марки их имеют различные свойства по пределу прочности, термическому расширению, модулю упругости и другие в зависимости от содержания SiO₂ (от 1,3 до 7,3%) и Al₂O₃ (от 0,3 до 0,5%).

Футеровка доменной печи этим видом огнеупоров особенно важна для распара и низа шахты, поскольку в них происходит наибольший износ футеровки от воздействия на нее процессов различного характера, присущих доменной плавке.

Свойства огнеупоров для футеровки доменных печей

*В числителе коэффициент линейного расширения, измеренный в направлении, параллельном усилию прессования блоков; в знаменателе — в направлении, перпендикулярном усилию прессования.

Для упрочнения футеровки горна и лещади на печи укладывается слой из графитовых изделий толщиной 300 мм, далее идут слои углеродистых огнеупоров и слои горизонтальных графитовых блоков толщиной 700 мм, из которых сооружают стены горна.