В условиях форсированной работы доменных печей (ДП) большое значение приобретает повышение стойкости воздушных фурм как резерва сокращения простоев, увеличения производительности печей и снижения себестоимости чугуна.

Опыт эксплуатации воздушных фурм на комбинате показывает, что повреждение фурм в основном происходит по следующим причинам; трещины, износ и прогар. Под трещинами понимают разрывы фурмы по сварному шву или основному металлу (меди). Износ представляет собой приблизительно равномерное истирание воздушной фурмы (преимущественно в «рыльной» ее части), а прогар разрушение фурмы под воздействием жидкого чугуна.

Установлено, что на стойкость фурм и вид дефектов, по которым они выходят из строя, существенно влияют уровень применяемой технологии доменной плавки и качество загружаемых железорудного сырья и кокса, В результате проведенных исследований определена корреляционная зависимость (коэффициент корреляции — 0,69, критерий надежности связи — 2,96) числа сгоревших фурм от ряда параметров доменной плавки

N = — 1,29 + 6,02 [Sі] — 5,41 Ву — 0,34Feагл + 0,3М10 , где N — число сгоревших воздушных фурм; [Sі] — содержание кремния в чугуне, %; Ву — основность шлака по модулю (CaO+MgO)/SiO2; Feагл — содер­жание железа в шихте, %; М10 показатель меха­нической прочности кокса, %.

Из установленной зависимости следует, что в определенных интервалах изменения указанных параметров вероятность горения фурм увеличивается при повышении содержания кремния в чугуне и основности шлака. Увеличение содержания железа в шихте и уменьшение истираемости кокса способствуют снижению интенсивности прогара воздушных фурм. Причины выхода из строя воздушных фурм и основные показатели работы ДП комбината в разные годы указаны в таблице.

Причины выхода из строя воздушных фурм и показатели работы цеха за ряд лет

В период неустойчивого обеспечения ДП железорудным сырьем и коксом (1995 г.) стойкость воздушных фурм не превышала трех месяцев, в том числе стойкость около 20% фурм (от общего числа замененных) составляла менее 15 сут. Простои в связи с заменой вышедших из строя фурм достигали 2,0 — 2,5% номинального времени работы, что сопровождалось значительными потерями количества производственного чугуна и ухудшением технико-экономических показателей работы ДП.

Стабилизация работы ДП комбината (улучшение обеспечения сырьем и его качества, ровности хода и т.д.) позволила провести работы по повышению стойкости фурм благодаря совершенствованию их конструкции и улучшению качества изготовления, нанесению защитных покрытий (плазменным напылением, электронно-лучевой наплавкой и т.д.). Это способствовало повышению средней стойкости воздушных фурм до 3-5, а максимально — до 4 -6 месяцев (после 2006 г.).

Воздушные фурмы для ДП изготавливаются в собственном фурменном отделении комбината, При сборке фурм большое значение придается качественному проведению всех операций. Коллектор фурмы после сварки с фланцем обтачивается па токарном станке и используется как посадочное место при запрессовке на фланец наружной и внутренней обечаек корпуса фурмы. Наружная и внутренняя обечайки после сварки продольных швов подвергаются отжигу и правке на шаблоне для обеспечения точной сварки их с «рыльной» частью и фланцем. Для предотвращения образования трещин на корпусе фурм во время эксплуатации много внимания уделяется отжигу элементов корпуса. Применение правки элементов корпуса и заточки на токарном станке обеспечивает строгое соблюдение наружных и внутренних размеров фурмы, способствует сохранению требуемого зазора между распределительными трубками системы охлаждения и обечайками фурмы.

Все сварочные работы при из готовлении корпуса фурмы выполняются на автоматической установке с применением в качестве электрода медной проволоки марки М1 и флюса АИ-609, что значительно сокращает образование трещин фурм при их эксплуатации. Эпизодическое увеличение числа замененных (из-за трещин) фурм объясняется поставками некачественной меди и сварочной проволоки, что потребовало введения входного контроля их качества.

Как показал опыт работы ДП, прогар фурм происходит вследствие попадания на нее чугуна из-за ухудшения дренажной способности горна, переполнения его продуктами плавки, а также вследствие неровного хода печи (нарушения ровного схода шихты и т.д.) При попадании чугуна на поверхность фурмы в районе контакта происходит пленочное кипение охлаждающей воды, нарушающее отвод тепла при одновременном растворении меди в чугуне, что и приводит к прогару фурмы. Попытки избежать прогара за счет повышения скорости и расхода охлаждающей воды не дали ожидаемого эффекта.

Основной причиной выхода из строя фурм является их износ. Проведенные исследования не дали точных сведений о процессе разрушения фурм, хотя внешняя картина износа свидетельствует о механическом истирании медной стенки фурмы циркулирующими и контактирующими с ней материалами. Износ наблюдался преимущественно в верхней части фурмы и при работе печи с низким перепадом давления газов. Отмечено усиление эффекта износа при увеличении расхода природного газа и использовании меди с повышенным содержанием оксидов. Благодаря восстановлению оксидов меди водородом природного газа материал становился рыхлым, прочность фурмы снижалась и повышалась степень ее износа.

Для защиты воздушной фурмы от такого вида разрушения наносились специальные защитные покрытия. Были опробованы различные составы и способы нанесения защитных покрытий. Так, для защиты фурм использовали защитное покрытие с высокой износостойкостью и низкой теплопроводностью, нанесенное методом высокотемпературного синтеза. Однако полученное таким образом покрытие имело значительную пористость, не обладало достаточной прочностью, что снижало стойкость воздушных фурм. Предпринимались попытки установки фурм, футерованных жаропрочным бетоном. Стойкость таких фурм оказалась достаточно высокой, но вследствие трудности их изготовления (ручным способом), значительного увеличения массы и длительности установки от их использования отказались.

Применение плазменного способа нанесения защитных покрытий различного состава на внешнюю часть фурм позволило повысить их стойкость, в частности по износу на 1,5-3 мес. Однако применяемые покрытия не защищали наиболее напряженный по тепловой и механической нагрузкам узел фурмы — ее «рыльную» часть. Для защиты этой части фурмы был использован метод электронно-лучевой наплавки защитного (износостойкого и жаростойкого) покрытия. При использовании этого метода достигнута хорошая адгезия защитного материала с поверхностью фурмы, сравнимого по прочности с материалом основы (меди); стойкость воздушных фурм с таким покрытием увеличена до 14 — 15 мес. Анализ состояния фурм после их смены показал, что это покрытие позволило защитить «рыльную» часть фурмы от прогара при попадании небольших количеств чугуна (от «игольчатых» прогаров). При извлечении из ДП фурм на «рыльной» их части имелись привары небольших чугунных бляшек без повреждения защитного слоя и собственно фурмы. Очевидно, защитный слой не позволял меди растворяться в чугуне, а интенсивное охлаждение «рыльной» части фурм (из-за ее конструктивных особенностей) способствовало охлаждению попавших капель чугуна.

Усовершенствовали и конструкцию воздушной фурмы, выступ топливоподводящей трубки был выполнен из металла с просверленными каналами, что значительно упрочило конструкцию при достаточной интенсивности охлаждения выступа. Повышение стойкости воздушных фурм осуществлялось также вследствие стабилизации хода ДП, улучшения работы горна и равномерности отработки продуктов плавки. В результате снизилось число замененных элементов воздушных приборов (в отдельные месяцы) до 1 — 3 штук.

Таким образом, основными причинами замены воздушных фурм в условиях комбината являются: трещины, износ и прогар. Возникновение трещин определяется качеством материала и изготовления воздушных фурм, износ — интенсивностью работы печи и рядом показателей плавки, прогар — качеством загружаемой шихты и кокса, а также технологическими параметрами. Внедренная па комбинате технология изготовления воздушных фурм, упрочнение их конструкции при достаточном интенсивности охлаждения позволили уменьшить выход их из строя из-за образования трещин, а ровный и форсированный ход доменных печей — сократить число заменяемых фурм. Нанесение на «рыльную» часть воздушных фурм защитных покрытий методом плазменного напыления позволило повысить их стойкость в 1,3 — 1,5 раза, а электроннолучевой наплавкой в 2,0 — 2,5 раза.