Электрометаллургия

Футеровка дуговых электропечей

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 отдельно рассматривать условия службы огнеупоров подины и откосов, стен и свода.

Подина и откосы

В течение длительного времени огне­упорная футеровка подины непосредственно контактирует с расплав­ленными металлом и шлаком. После выпуска плавки и при загрузке холодной шихты происходит резкое охлаждение подины. При за­грузке 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 пере­гревают 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 непосред­ственно контактирует со шлаком и насыщается им. В значительно большей степени, чем подина, воздействию шлаков при высоких температурах подвержена футеровка откосов, поэтому откосы являются наиболее слабым участком футеровки электропечей. Футеровка по­дины и откосов не только подвержена влиянию указанных выше фак­торов, 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 уве­личивается расход огнеупорных материалов, но и требуется больше времени на рафинирование металла, повышается расход шлакооб­разующих на нейтрализацию вредного влияния MgО, 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, должен обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, противо­стоять химическому и механическому воздействию металла и шлака. Подина в целом должна быть достаточно механически прочной, чтобы воспринимать механические удары при загрузке шихты, и обладать большим тепловым сопротивлением.

Стены

Температурные условия работы внутренней поверх­ности стен особенно тяжелы, так как в отдельные периоды плавки температура некоторых участков стен может превысить огнеупор­ность 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 в футеровке.

В связи с этим внутренний слой футеровки должен быть выпол­нен так, чтобы ему были свойственны высокая огнеупорность и тер­мостойкость, низкий коэффициент теплового расширения и высокий коэффициент температуропроводности, а для получения большого теплового сопротивления футеровка стен должна быть хорошо тепло­изолирована с внешней стороны.

В особо 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 огне­упорных материалов, или в крайнем случае, делать ее достаточно большой толщины.

Свод

Свод является наименее долговечной частью футеровки дуговых печей.

Как и футеровка стен, свод испытывает значительные температурные 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 температура 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.

Исходя из особенностей службы огнеупоров в сводах дуговых печей, к ним можно предъявить ряд особых требований. Эти огнеупоры должны характеризоваться высокой огнеупорностью, термостойкостью, химической стойкостью по отношению к плавильной пыли, большим тепловым и электрическим сопротивлением. Последнее вытекает из того, что при недостаточном электрическом сопротивле­нии материала свода электрическая цепь между фазами может ча­стично 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.

Материалы для футеровки

Так как огнеупорных материалов, в которых сочетаются одно­временно все требуемые свойства, не существует, то футеровку ду­говых 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 ма­териалы, обладающие разными свойствами и используемые для раз­ных целей.

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

Для изготовления кислой футеровки используют кварцит и из­делия из него (динас) с содержанием основного компонента (SiО2) в количестве 95—97%. При изготовлении динасового кирпича в ка­честве 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 мате­риала 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 SiО2 4,0—5,0%; потери при прокаливании находятся в пределах 0,6—0,8%. Зерновой состав указанных по­рошков 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 давлением и подвергают высокотемпературному обжигу при температуре 16000С.

Огнеупорные материалы характеризуются следующими свойствами: огнеупорностью, температурой начала размягчения под нагрузкой, термостойкостью, механической прочностью при сжатии, химическим составом, способностью к взаимодействию с основными и кислыми шлаками и стоимостью:

  • огнеупорностью называется свойство материала противосто­ять, не расплавляясь, воздействию высоких температур;
  • температура начала размягчения под нагрузкой характеризу­ет ту температуру, при которой образец огнеупорного материала высотой 50 мм, находящийся под нагрузкой 2 кг/см2 сжимается на величину, равную 40 % от первоначальной длины образца;
  • термостойкость — способность выдерживать резкие изменения температуры без разрушения: она определяется числом теплосмен, которые выдерживают огнеупорные кирпичи до того, как они час­тично разрушатся и потеряют 20 % своего первоначального веса. Теплосмена осуществляется следующим образом: кирпичи нагревают до 850 «С и затем быстро охлаждают в проточной воде.

Кроме высокой огнеупорности не менее важным свойством является температура начала размягчения под нагрузкой. В этом отношении явные преимущества имеют динасовые кирпичи, не­смотря на более низкую их огнеупорность. Особенно это свой­ство присутствует в сводах, в печах, как с кислой, так и с основ­ной футеровкой. В таблице  1 приведены свойства огнеупорных материалов.

Свойства огнеупорных материалов (для рабочего слоя футеровки дуговых печей)Свойства огнеупорных материалов (для рабочего слоя футеровки дуговых печей)

Наиболее термостойким из перечисленных огнеупоров яв­ляются хромомагнезитовые, но они очень дорогие. Наибольшее увеличение размеров и объема при нагревании имеют магнези­товые и динасовые кирпичи, однако при высокой температуре магнезитовые кирпичи имеют дополнительную усадку (-1,0 %), что приводит к образованию щелей между отдельными кирпи­чами. Увеличение размеров желательно при кладке сводов и арок, так как они увеличивают стрелу выпуклости и повышают проч­ность кладки, поэтому магнезитовые кирпичи не применяют для сводов. В тех случаях, когда увеличение размеров кладки должно быть уменьшено, следует класть между отдельными кирпичами легко сгорающие прокладки из фанеры, толя или папки. Своды из магнезитовых кирпичей и хромомагнезитовых следует утеп­лять. Для теплоизоляционных материалов главным свойством является низкая теплопроводность в виду того, что температура на границе внутреннего и наружного слоя достигает 1200—1300°С. Необходимо сразу за высокоогнеупорными материалами распо­лагать шамотные, а еще лучше легковесные кирпичи.

Высокоогнеупорные магнезитохромитовые изделия подразде­ляют на следующие марки:

  • ПШСП — периклазошпинелидные магнезитохромитовые плот­ные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте;
  • МХСП — магнезитохромитовые плотные с крупнозернистым хро­митом в шихте;
  • ПШСО — периклазошпинелидные магнезитохромитовые обычные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте;
  • МХСО — магнезитохромитовые обычные с крупнозернистой хро­мовой 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 сарановской руды.

Плотные изделия (ПШСП и МХСП) предназначены для изготов­ления работающих в особо тяжелых условиях сводов электро­печей 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 пя­тового 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 хро­мита 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 прес­сованием из обожженного до спекания магнезита. Магнезитовые изделия подразделяют в зависимости от химического состава на три марки: М-91 (магнезитовые изделия обычной плотности, предназначае­мые для кладки подин и откосов электросталеплавильных 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 элек­тропечей в исключительных случаях).

Физико-механические свойства магнезитовых изделий приведены в таблице 2.

Физико-механические свойства магнезитовых изделий
Таблица 2 — Физико-механические свойства магнезитовых изделий

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 вслед­ствие высокой термостойкости его широко применяют для футеровки сталеразливочных ковшей и сталеразливочного припаса.

Шамотные изделия обычно содержат 60—62% SiO2 и 35—37% Аl2O3. Изготавливают их методом пластической формовки или полусухого прессования, причем метод полусухого прессования сейчас преобладает.

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

Связующие материалы

В качестве связующих наибольшее применение в производ­стве находят жидкое стекло и огнеупорная глина, однако воз­можно использование каменноугольной смолы и песка.

Жидкое стекло представляет собой технический силикат натрия, растворимый в воде. По ГОСТ 13078 применяется содо­вое стекло.

Огнеупорная глина в сухом молотом виде применяется как связующее вещество для кварцевого песка.

Кладка рабочего пространства печи

В качестве примера на рисунки 1 приведен разрез футеровки печи емкостью 100 т.

Изготовление футеровки новой печи начинают с подины. Подина печи состоит, как правило, из трех слоев: верхнего набивного, об­разующего 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 рас­полагаемым под днищем механизмом электромагнитного перемеши­вания металла, толщину подины уменьшают, что улучшает магнит­ную 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 пе­чах, оборудованных электромагнитным перемешивающим устрой­ством, 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 (рисунок 1).

Разрез кожуха и футеровки печи емкость. 100т
Рисунок 1 — Разрез кожуха и футеровки печи емкость 100т

На металлическое днище укладывают изоляционный слой футе­ровки, состоящий из листового асбеста 9 толщиной около 20 мм, шамотного порошка и двух рядов на плашку шамотного кирпича 10. Для перекрытия швов кладки подины каждый последующий ряд кирпича разворачивают на 45° по отношению к нижележащему. Магнезитовую кладку подины 11 выполняют из пяти-шести рядов кирпича марки М-91, уложенного на ребро. Швы между кирпичами засыпают сухим подогретым магнезитовым порошком крупностью 0,5—0,8 мм.

На ряде заводов кладку подины ведут «елочкой» от центра печи к периферии. Для уплотнения кладки и хорошего заполнения швов после каждого ряда кирпичи тщательно простукивают деревянными молотками. Между кладкой подины и изоляцией стенок кожуха ос­тавляют температурный зазор 70—80 мм, который засыпают порош­кообразным асбестом 5, 6. Откосы выкладывают прямым и клиновым кирпичом 7, 8 марки М-91 или МП-91.

До недавнего времени рабочую часть подины 12 (150—200 мм) набивали из смоломагнезитовой массы, которую готовили из мелко­ зернистого магнезитового порошка (крупность зерен до 2 мм) и ка­менноугольной смолы с содержанием влаги не более 0,4%. Для обез­воживания смолу предварительно кипятили в течение суток, после чего в нее добавляли 10% каменноугольного песка. Перед замеши­ванием магнезитовый порошок подогревали до 80—100° С и добав­ляли в него 10—12% смеси смолы с песком. Набивку вели слоями не более 50 мм при помощи пневматических трамбовок. Такой трудоем­кий и длительный (2—3 суток) способ изготовления набивной подины еще сохранился на некоторых предприятиях и в настоящее время.

В 1961—1962 гг. был опробован и внедрен способ набивки подины, заключающийся в следующем. Магнезитовый порошок марки МПП-85 (зерновой состав: фракции мельче 0,1 мм 15—25%, З-т-6 мм 10—30% и крупнее 6 мм — не более 3%) увлажняют водным раствором жидкого стекла. Полусухой массой заполняют уступы в кирпичной кладке, затем ее наносят на подину слоями толщиной 50 мм и трамбуют пнев­матическими молотками.

На 100-т печах Челябинского металлургического завода подину набивают вообще сухим порошком марки МПП-85 в один прием (масса порошка —12 т). Плотность набивной подины и откосов про­ веряют металлическим стержнем диаметром 5 мм, который при нажа­тии рукой должен входить на глубину не более 10 мм.

По окончании набивки подины и откосов по всей сферической ванне укладывают листовое железо, предохраняющее набивной слой от разрушения при первой завалке шихты и способствующее лучшей свариваемости набивного слоя на первой плавке. Стойкость подины, изготовленной таким способом, оказалась вполне удовлетворитель­ной, а продолжительность набивки сократилась до 8 ч против 2—3 суток при набивке смоломагнезитовой массой.

Футеровку стен также, как правило, выполняют из двух слоев — защитного и рабочего (рисунок 1).

Защитный ряд 100-т печи от кожуха выкладывают хромомагне­зитовым кирпичом 3 толщиной 115 мм в перевязку от последнего ряда откосов до песочного затвора свода. На откос шириной 570 мм насыпают магнезитовую прослойку 20—30 мм из набивной массы или мелкого заправочного магнезитового порошка на жидком стекле.

Кладку рабочего слоя из кирпича марок ПШСП, МХСП или ПШСО, МХСО начинают с выпускного отверстия и ведут к завалоч­ному окну, а верхние два ряда кладут в обратном направлении. Вы­пускное отверстие выкладывают размером 350—450 мм; столбики у завалочного окна выкладывают вперевязку до упора в арку. Каж­дый ряд кладки стен просыпают мелкозернистым магнезитовым по­рошком.

Толщина футеровки стен без защитного ряда на печах большой и средней емкости составляет 460 мм, а на печах малой емкости (5—10 т) толщина футеровки на уровне откосов 400—450 мм, а вверху 300 мм.

Существует и способ изготовления стен из блоков (позиции 1, 2, рисунок 1), изготовленных из магнезитового порошка (50%) и обожжен­ного доломита (50%). Для связки в смесь добавляют 7—10% камен­ноугольного пека. Набивку блоков выполняют вручную пневмати­ческими трамбовками в металлических разъемных шаблонах. Обычно футеровка состоит из двух или трех блоков. Но большинство заводов отказалось от этого тяжелого и малоэффективного способа изготов­ления блоков для футеровки стен Электропечей и перешло на приме­нение кирпичной кладки.

Футеровку свода выполняют на специальном шаблоне вне печи. Установленное по центру шаблона сводовое кольцо проверяют на гидравлическую плотность, для чего его опрессовывают под давлением 700—900 кПа (7—9 ат) для печей емкостью 100 т и 500 кПа (6ат) для печей малой емкости. Между кладкой свода и сводовым кольцом выполняют тепловую изоляцию из листового асбеста на шамотном растворе.

Свод 100-т печей выкладывают из кирпича марок ПШСП и МХСП длиной 380 мм. Существуют различные способы наборки сводов.

На рисунки  2 изображена схема кладки свода с центральной аркой.

 кладка свода с центральной аркой
Рисунок 2 — кладка свода с центральной аркой

При наборке свода по такой схеме центральная арка прохо­дит между отверстием для электрода второй фазы с одной стороны и первой и третьей — с другой. По бокам электродных отверстий в центральную арку упираются опорные арочки. Для укрепления площадки под экономайзер на некотором расстоянии от края отверстий для электродов в «ребре» устанавливают кирпич длиной 460 мм.

Для печей малого тоннажа своды набирают из кирпича длиной 230 мм. Наборку свода начинают с установки пятовых кирпичей. Затем концентрическими рядами всухую выполняют купольную кладку свода. Центральную часть магнезитохромитового свода можно вы­кладывать на растворе из 80% тонкомолотого магнезитового порошка и 20% огнеупорной глины, затворенных на жидком стекле. При кладке на каждые 2—3 м длины концентрического ряда оставляют один зам­ковый кирпич, выступающий не более чем на 1/3 своей длины. Зам­ковые кирпичи забивают после окончания всей кладки свода.

Центральная часть свода изнашивается быстрее, чем периферий­ная, поэтому иногда целесообразно подвергать своды частичным ре­монтам, при которых на шаблоне заменяют лишь кладку центральной части свода. На некоторых заводах центральную часть свода выпол­няют увеличенной толщины (рисунок 3).

Разрез разнотолщинного свода
Рисунок 3 — Разрез разнотолщинного свода

Для увеличения стойкости футеровки отдельные ее участки целе­сообразно выполнять из огнеупоров с особыми свойствами. Так, на некоторых заводах США футеровку стен по шлаковому поясу и немного выше выполняют из плавленых огнеупоров, обладающих повы­шенной огнеупорностью и шлакоустойчивостью. Электродные отвер­стия иногда футеруют высокоглиноземистым кирпичом с содержанием Аl2O3 не менее 70%. Такой кирпич обладает высоким электросопро­тивлением, что уменьшает опасность замыкания цепи между фазами по своду.

Предпринимаются попытки увеличить стойкость футеровки, ис­пользуя для этого водяное охлаждение. В США применяли водо­охлаждаемые кожухи с двойными стенками, а в стены напротив дуг закладывали водоохлаждаемые трубы. Однако ни тот, ни другой способ охлаждения стен распространения не получил, так как при этом резко возросли тепловые потери печи и расход электроэнергии.

На одном из отечественных заводов работает 10-т электропечь с водоохлаждаемым сводом. Свод представляет собой конструкцию коробчатого типа, на поверхность которой со стороны рабочего про­странства нанесена тепловая изоляция — набивка. Масса для набивки состоит из хромомагнезитового порошка (93%), огнеупорной глины (6%) и кремнефтористого натрия (1%); затворяется она на жидком стекле. Толщина набивки составляет 65 мм. Для удержания набивки рабочая поверхность свода армирована стальной лентой в виде ячеек 100х100 мм.

Применение водоохлаждаемого свода, по предварительным дан­ным, увеличивает расход электроэнергии на 9—10%.

На крупных электропечах имеется возможность периферийную часть свода выполнять по типу сводов мартеновских печей — рас­порно-подвесной. Стойкость распорно-подвесного свода несколькобольше стойкости распорного свода, так как в этом случае часть силы тяжести кладки свода воспринимается металлоконструкциями под­вески и сжимающие напряжения в кладке уменьшаются. Исполь­зование распорно-подвесных сводов на печах малой и средней ем­кости затруднено из-за опасности замыкания электрической цепи между фазами по металлоконструкциям подвески.

Производительность электропечей может быть повышена не только увеличением стойкости футеровки, но также и ускорением ее ремонта.

В настоящее время ломку износившейся футеровки стен часто осуществляют еще вручную. Для этого после снятия или отворота свода на подину мостовым краном устанавливают водоохлаждаемую площадку, а стены обдувают вентилятором. Кирпич обрушивают вручную ломиками.

На ряде электросталеплавильных цехов конструкция кожухов каркаса выполнена разъемной (на болтах или клиньях), что позво­ляет поднять часть кожуха с футеровкой стен мостовым краном и полностью исключить ручной труд при ломке футеровки.

В старых электросталеплавильных цехах для ломки футеровки стен можно пользоваться штангой, надеваемой на хобот завалочной машины. Футеровку стен обрушивают на подину, а обрушенную футеровку удаляют через рабочее окно специальным гребком, также надеваемым на хобот завалочной машины.