Огнеупорная выстойка доменной печи: защита оболочки для непрерывной работы

Огнеупорная выстойка доменной печи

Современная доменная печь (ДП) выстелена огнеупором для защиты оболочки от высоких температур и абразивных материалов внутри. Огнеупор охлаждают для дополнительной защиты от избыточного тепла, разрушающего выстойку. У ДП сложная огнеупорная система для обеспечения долгой, безопасной жизни, необходимой для доступности печи и почти непрерывной работы и отливки.

Условия и механизмы износа по зонам

Условия внутри ДП сильно варьируют по зонам, огнеупоры подвергаются разнообразным механизмам износа. Детали в табл. 1. Условия в разных зонах неодинаковы из-за геометрии и пирометаллургических процессов на разных стадиях. Существуют разные физико-химические механизмы износа, сложные по природе. Например, механический износ/абразия — в основном в верхней части колосника от нисхождения зарядки и пылеватых газов. Высокие тепловые нагрузки — главный фактор в нижнем колоснике и животе. В 노чной зоне горизонточный и вертикальный поток горячего чугуна с термическими напряжениями часто образуют нежелательную кавитацию в форме «слоновьей ноги». Огнеупоры в этих зонах должны учитывать механизмы износа для предотвращения повреждений. Поэтому колосник (верхний, средний, нижний), живот, бош, зона раслейка и туьер, нож, чугунная выдувка (tap hole) требуют разного качества огнеупоров в зависимости от условий применения.

Подбор подходящей комбинации огнеупоров в зависимости от механизма износа критически важен. Неправильный выбор приводит к отказу огнеупора, что становится сложной проблемой. Типы огнеупорной выстойки по зонам и тренды показаны на рис. 1.

Рис. 1 Огнеупорная выстойка в различных зонах доменной печи

Сейчас ожидаемая кампания ДП — около 15 лет и более. Тренд к крупногабаритным ДП с жесткими эксплуатационными условиями. Для достижения долгой жизни выстойки при жестких условиях нужна хорошая комбинация высококачественных огнеупоров, высокоэффективных систем охлаждения и строгого контроля эксплуатации для обеспечения высокой производительности без чрезмерной работы стенок и минимизации массивных «просадок» (slips), вызывающих преждевременный износ.

Известно, что дно и часть ножа корродируют преимущественно чугуном, шлаком и щелочами. Кирпичи в этих зонах подвергаются высокой нагрузке и температуре. Требуется выстойка с высокой прочностью, низким ползучестью при сжатии, высоким RUL (огнеупорность под нагрузкой) и PCE (пирометрический конусовый эквивалент). Некоторые ДП используют низкожистые плотные 42–62 % аллюминиеватые, муллитовые кирпичи, обычные углеродные блоки в дне и нижнем ноже; текущий тренд — замена на сверхмикропористые графитовые блоки. Жизнь ножа ДП зависит от:

• Эксплуатационные факторы: (1) высокая производительность → высокие тепловые нагрузки, (2) высокая скорость потока → больше эрозия, (3) высокая угляная инъекция → ниже проницаемость. Ни один не контролируется оператором → единственное решение — надежная огнеупорная выстойка.
• Дизайн выстойки: вся выстойка подвергается термическим напряжениям, доминирующим при неадекватном дизайне. Дизайн должен (1) оптимизировать тепловое сопротивление, (2) давать компенсацию расширения, (3) предотвращать трещины, (4) устранять встроенные барьеры.
• Свойства огнеупоров: (1) высокая теплопроводность, (2) щелочное сопротивление, (3) низкая проницаемость, (4) низкое термическое расширение, (5) низкая эластичность.

Недавнее развитие микропористых углеродных кирпичей и улучшение качества полуграфитовых и графитовых блоков привели к более высокой устойчивости к инфильтрации железа и шлаков и теплопроводности. Проблема хрупкого слоя около изотермы 800 °C от щелочной конденсации и термических напряжений решена использованием меньших блоков, оптимальных зазоров расширения. Углеродные огнеупоры покрывают огнеупорным кирпичом или муллитом для защиты от окисления. Дизайн этой «керамической чаши» важен, так как изотермы меняются в зависимости от качества и толщины материала чаши.

Колосниковые кирпичи подвергаются высокой абразии и эрозии зарядкой сверху и высокоскоростными дымом/пылью выходящими из-за высокого напорного давления в CO-среде. Требуются огнеупоры с высокой прочностью, низкой проницаемостью, высокой абразионной стойкостью и устойчивостью к CO-дисінтеграции. Сверхдюти огнеупорные кирпичи или плотные аллюминиеватые с Al₂O₃ ~39–42 % дают нужные характеристики для колосника.

Туйеры и бош атакуются температурными перепадами, абразией, щелочами; живот и нижний вал — термическим шоком, абразией, CO-атакой. В критических зонах (туйеры, бош, живот, нижний колосник) карбид кремния (SiC), SiC-Si₃N₄ и корундовые огнеупоры заменили углерод и 62 % Al₂O₃ или муллит. Это использует высокую теплопроводность SiC в комбинации со стейв-охладителями. Однако из-за проблем с утечками воды у выдувки и туьер многие ДП выстилают высокоаллюминиевыми или аллюминий-хром-корундовыми огнеупорами. Настоящие и трендовые огнеупоры ДП в табл. 2.

Различные типы огнеупоров ДП

Описание основных типов огнеупоров, используемых в выстойке ДП:

• Обжигаемые углеродные блоки: микропористый углеродный блок, полуграфитовый углеродный блок, микропористый углерод-кремнеземный блок. Сырье: высокотемпературный электрокальцинированный антрацит, синтетический графит, карбид кремния. Обладают высокой теплопроводностью, низкой проницаемостью, хорошей устойчивостью к чугуну и щелочам. Полуграфитовые блоки — для нижнего дна. Микропористые углеродные блоки — для верхнего дна и нижнего ножа при интенсивном плавлении. Микропористые углерод-кремнеземные блоки — для укладки ножа, выдувки и шлаковой выдувки.
• Мелкие обжигаемые углеродные кирпичи: формовочные микропористые углеродные кирпичи и углерод-кремнеземные кирпичи. Производство: горячее прессование, высокотемпературная обжиг, доводка. Сырье: электрокальцинированный антрацит, синтетический графит, SiC, масла из угля или фенолформальдегидная смола как связующее, ультрамикропорошковые добавки. Формовочные микропористые углерод-кремнеземные кирпичи для кладки туьер, шлаковой выдувки, чугунной выдувки, ножа и шлакообразующих зон.
• Керамическая чаша (Ceramic cup brick): пластично-фазно связанные композитные корундовые кирпичи. Состав: высококачественный муллит и высокочистый электросоплавленный корунд с заданным связующим, формовка под высоким давлением, синеринг при высокой температуре. Особенности: высокий RUL, компактная структура, низкая пористость, высокая коррозионная стойкость. Для дна ДП, дна керамической чаши, комбинированных кирпичей туьер, выдувки, шлаковой выдувки крупных ДП.
• Корундовый кирпич: из буросплавленного корунда и карбида кремния с специальными добавками, прессование в формах, синеринг, точная обработка. Хорошая щелочная и шлаковая стойкость. Для дна, ножа керамической чаши, туьер, выдувки, шлаковой выдувки.
• SiC-Si₃N₄ кирпич: много типов с разными связями и содержанием SiC. Прямосвязанные SiC — высокая устойчивость к щелочам и цинку, высокая теплопроводность, отличная эрозионная стойкость, хорошие термошоковые свойства, стойкость к коррозии и CO-атаке. Нитридносвязанные SiC — для применений вроде живота ДП.
• Микропористый аллюминий-углеродный кирпич: спец. баукситовый клинкер, корунд, графит, средний аллюминий как сырье, несколько видов ультратонких добавок. Особенности: микропоры, хорошая щелочная стойкость, высокая теплопроводность. Для выстойки боша, колосника, охлаждаемой стены ДП.
• 50 % аллюминиевая класс кирпичей: обычно усовершенствованные сверхдюти огнеупорные кирпичи. Состав: смесь бауксита, кремнеземного клей/шамот и пластичного клея. Обычно низкая пористость, расширяются при повторном нагреве до 1600 °C, хорошая устойчивость к термическому циклированию. Кирпичи с более чистыми материалами — хорошие нагрузочные свойства, отличная устойчивость к щелочной атаке.
• 60 % аллюминиевая класс кирпичей: широкий спектр материалов. Наиболее распространенные и высокоценные среднеаллюминиевые — минералы силиманитовой группы (обычно с малой добавкой кальцинированного аллюминия и пластичных клеев). Другие качества — синтетический шамот, баукситы, кальцинированный аллюминий, пластичные клеи. Высокий уровень образования муллита позволяет кирпичам (особенно силиманитовым) показывать отличную ползучесть. Силиманитовые кирпичи часто фосфатно/химически связанные и обжигаемые для улучшения термошоковой стойкости.
• 70 % аллюминиевая класс кирпичей: базовое сырье — бауксит или высокоаллюминиевый шамот с добавкой огнеупорного клея. Обжигают ~1400 °C для предотвращения чрезмерного расширения при обжиге (реакция кремнеземных примесей с баукситом, образование муллита). Показывают высокие значения расширения в эксплуатации, уменьшая зазоры швов.
• 80 % аллюминиевая класс кирпичей: на базе бауксита с добавками кальцинированного аллюминия и клеевых материалов. Обжигают ~1420–1480 °C для поддержания стабильных размеров. Обжигаемые продукты ~20 % пористость, хорошая прочность, устойчивость к термическому циклированию. Ассоциированы с фосфатной/химической связью (обжигаемой и не обжигаемой) для большей абразионной стойкости и снижения пористости.
• Огнеупорные (fireclay) кирпичи: из смеси обычно двух и более клеев. Кремнеземный и каолиновый клей дают огнеупорность, кальцинированные клеи (шамоты) контролируют усадку сушки/обжига, пластичные клеи облегчают формовку и прочность связи. Группируют: (1) сверхдюти (PCE > 33) — типичный Al₂O₃ 40–45 %, хорошая огнеупорность, термошоковая стойкость, объемная стабильность при высоких T; (2) высокодюти (PCE 31½–33) — похожи на сверхдюти, но из более низкокачественных кремнеземных клеев/шамотов и пластичных клеев (типичный Al₂O₃ 40–45 %), часто заменяют среднедюти при потенциальных термических циклах; (3) среднедюти (PCE 29–31) (типичный Al₂O₃ 38–42 %) — менее суровые применения, термошоковая стойкость ниже; (4) низkodюти (PCE 15–29) (типичный Al₂O₃ 35–38 %) — подкладки и применения при умеренных T; (5) полусилицевые огнеупорные — типичный Al₂O₃ 18–25 %, SiO₂ 72–80 %, отличная нагрузочная прочность и объемная стабильность при относительно высоких T.
• Масса для выдувки (Tap hole mass): основные характеристики — хорошая вязкость и синеринговые свойства, комбинированные с коррозионной и эрозионной стойкостью.