yandex.metrica
Неполадки и аварии доменной печи

Служба кожухов доменных печей в условиях проплавления цинксодержащих материалов

В особо тяжелых условиях находится эксплуатация кожухов доменных печей, проплавляющих цинксодержащую шихту. Влияние механических и физико-химических процессов значительно возрастает. Практика отечественных металлургических предприятий, таких как Кузнецкий, Нижне-Тагильский, Череповецкий комбинаты, показала, что разрывы кожухов происходят в результате значительно больших усилий, оказываемых на них давлением кладки, насыщающейся металлическим цинком, цинкитом и сажистым углеродом, а также от действия паров цинка на материал кожуха. Давление распространяется как в радиальном, так и в меридиальном направлениях, вызывая разрывы в вертикальных и горизонтальных плоскостях с нарушением герметичности и строительной прочности кожуха. В верхней части печи отлагается цинкит (ZnO) в кристаллическом состоянии, в средней и нижней – цинк. По толще кладки наибольшие отложения отмечаются в средней и нижней зонах (рис. 48) с максимальным разрушением футеровки в местах одновременного скопления металлического цинка и цинкита.

Среднее содержание цинка в огнеупорной кладке доменной печи КМК

Разрушение увеличивается по мере роста давления газа на колошнике интенсивности хода печи и уменьшается при снижении периферийного движения газов. По данным КМК, при материалах, вносящих в печь до 2 кг цинка/т чугуна и более разрывы кожухов возникают после пропуска через печь от 300 – 500 до 1100-1200 т металлического цинка в год в зависимости от конструкции шахты. Они имеют место и в нижнем строении печи. На одной из печей Урала на кожухе горна образовалась трещина длиной более 10 м (рис. 49). Сопутствующим фактором были малые зазоры между кладкой и холодильниками.

Схема трещин горна доменной печи на одном из заводов Урала

Большое осложнение вносят настыли, базой которых являются цинковые образования. Нарушая ровный ход, они увеличивают износ кладки, системы охлаждения и кожуха. Удаление их производится преимущественно взрывным способом, связанным с большой потерей производства. Мероприятия, направленные на предупреждение этих негативных последствий, – применение различного вида огнеупоров, ложного маратора, повышение герметичности кожуха и кладки – положительных результатов не дали, так же, как и установка фланцевых и так называемых “плавающих” (горизонтальных) холодильников, получивших наименование “утопающих” (они проваливались в печь в местах разрушения кладки), ощутимых результатов не дали. Некоторое улучшение было достигнуто при увеличении зазоров в шахте от 250 – 350 мм и до 450-500 мм между кладкой и защитными сегментами колошника по высоте с заполнением их углеродистой массой. Она имеет большую пластичность по сравнению со смесью асбеста с граншлаком и технологически Целесообразна, увеличивая эффективность отбора тепла от кладки.

Радикальным решением в борьбе с цинком было сооружение на КМК (1960 – 65 гг.) доменных печей с тонкостенной шахтой (толщин^ кладки 345 мм) с так называемым “жестким профилем” по естественному разгару. Разрывы кожухов заметно сократились в результате уменьшения на Них распирающих усилий от роста кладки, “запасы” цинка в которой значительно снизились. Продолжительность межремонтных периодов увеличилась на 11 – 17 мес. Расход кокса снизился на 3 – 5%, производство увеличилось на 4 – 8%.

Таким образом, мнение акад. М. А. Павлова о перспективности эксплуатации доменных печей с тонкостенными щахтами полностью оправдалось. Более того, оно оказалось справедливым и в отношении современных мощных печей, работающих в условиях интенсивного хода с высокими параметрами технологического режима. Применение высококачественных огнеупоров (таких, как SiO – C и др.) с креплением кладки по опыту практики Японии увеличивает преимущество этих печей, тем более с переходом на “безотходную” металлургию, связанную с вводом в шихту цинксодержащих материалов с известными уже последствиями. Ликвидация их, как показывает опыт некоторых предприятий, требует больших затрат, нежели стоимость сэкономленного сырья, за счет ввода в шихту отходов доменного и сталеплавильного производства. Их употребление экономически не выгодно и требует иных решений.

Литературные данные о поведении цинка в доменных печах, относящиеся к изучению его перемещения и состояния по высоте профиля, не раскрывают механизма настылеобразования в нижних горизонтах шахты. Уделяя главное внимание процессу конденсации паров и структуре циркуляции цинка с позиций предупреждения настылей в колошниковой зоне и газоотводах, некоторые исследователи делают вывод, что понижение температуры газового потока, сокращение в связи с этим выноса цинка и возвращения его в область циркуля­ции исключают настылеобразование как в верхних, так и в нижних зонах печи.

С первой частью этого вывода следует согласиться, она подтверждается практикой работы доменных печей, но не только с пониженной температурой колошника, но и с низким содержанием цинка в шихте. Это условие является главным для сохранения чистоты профиля. Нельзя утверждать, что с понижением зоны циркуляции и окисления парообразного и металлического цинка, особо опасной по настылеобразованию, в нее будет поступать только природный цинк, создающий благоприятные условия для предупреждения нижних настылей. Фазовые превращения его по высоте профиля не имеют резких граней. По данным исследований, на КМК наряду с металлическим цинком в вязкопластичной зоне и даже в горне обнаруживаются цинкиты, не имеющие кристаллического строения (рис. 47). Образующиеся по ходу плавки сложные коллоидные системы типа Znж – Znтв вместе с ними образуют настыль. Присутствие щелочных соединений активизирует этот процесс. Удаление вторично восстановленного в зоне циркуляции цинка с продуктами плавки не полно. Происходит его накопление, отрицательно сказывающееся на чистоте профиля.

Таким образом, проблема сохранения доменных печей от негативного влияния цинка сводится или к прекращению плавки цинксодержащих материалов впредь до удаления его из них до введения в шихту аглодоменного производства, или к технологии его нейтрализации в процессе плавки.

В этом направлении заслуживают внимания результаты опытных плавок на Магнитогорском металлургическом комбинате. Ими установлено преимущественное влияние изменения режима печи на степень вредного проявления цинка по сравнению с влиянием его количества в шихте. Изменение параметров плавки нарушает установившийся процесс циркуляции цинка. Происходит его удаление из верхней зоны через колошник и переход в шлак в нижней. Корректировка режима производится периодически по графику. Поскольку циркуляция цинка восстанавливается по ходу печи самопроизвольно, указанный способ требует проверки в условиях высокого содержания цинка в шихте. Периодическая промывка профиля проблематична. Ее действенность в лучшем случае может быть полноценной только для нижних горизонтов шахты, где имеются жидкие фазы, и только, если будет смываться так называемая “пята” настыли, являющаяся ее зародышем. В противном случае загрязнение профиля быстро восстановится. Верхние же настыли и тем более в “стаканах” газоотводов, типичные для цинкового настылеобразования, останутся вне промывки.

Рассмотрение аварий, связанных с “отказом” металлоконструкций, показывает, что подавляющая часть потерь производства (81,5%) связано с разрушением кожуха печи в районе металлоприемника и чугунной летки вследствие термоусталости металла. В этой зоне кожух подвергается наиболее высоким термическим и механическим напряжениям, создаваемым цикличными перегревами при выпусках чугуна. Подсчитано, что в среднем за четырехлетний межремонтный период на печи производится не менее 11500 выпусков. Обычно же ресурс кожуха в районе сварных швов зоны чугунной летки имеет только до 7500 циклов термосмен, что является причиной образования трещиноватости даже при нормальной работе. Очевидно, что условия работы металла кожуха в зоне чугунных леток требуют соответствующего конструктивного решения, так же, как и прочность горна в стыке кладки, лещади и стенки металлоприемника.

Разрушительное влияние цинка, его паров и цинкита (ZnO) можно видеть на примерах из практики Кузнецкого металлургического комбината.

Содержание цинка в рудной части шихты его печей до 1939 г. не превышало 0,051 кг/т чугуна, но по мере увеличения расхода местного сырья (Горной Шории) оно возросло до 0,122 – 0,207. Начали возникать и усиливаться разрывы кожухов шахт шириной от 25 до 40 мм. Трещины систематически заваривали, усиливая броню пластинами, но разрывы продолжались. Происходили срезы заклепочных соединений как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях в результате значительного расширения кладки. В отдельных зонах (2-3 царги шахты) содержание цинка доходило до 35%.

Пример 1.
В 1951 г. на одной из печей в области двух нижних царг кожуха шахты были сорваны заклепки по всей окружности печи. Кожух поднялся с образованием зазоров между царгами по периметру от 15 до 40 мм. Кольцевая балка колошника отошла от поддерживающих ее колонн шахты по окружности печи на 15 – 50 мм, нарушив опору на них колошникового устройства. Исследованием кладки печи установили: содержание цинка на высоте 5,5 м над маратором при оставшейся толщине ее 400 мм достигало 26% при 9% сажистого углерода; на высоте 9 м при кладке 640 мм соответственно 17% и 3%. За текущую кампанию через доменную печь цинка (в металлическом исчислении) прошло 3146 т; среднегодовое содержание его в рудной части шихты составило 0,13-0,16 кг/т чугуна. В предыдущую кампанию на этой же печи первый разрыв произошел после прохождения через печь 3300 т. Ко времени, когда кожух пришел в полную негодность, через печь прошло 9000 т цинка.

Пример 2.
Кладка другой печи на высоте 6 – 35 м над маратором при толщине 500 мм со стороны чугунной летки содержала цинка до 27%, углерода -1,3%, с противоположной стороны 10,6% и 1,0% соответственно. Первый разрыв кожуха последовал после пропуска через печь около 1000 т цинка. К концу кампании (при очень сильно поврежденном кожухе) через печь прошло 6300 т цинка. Значительная разница в количестве проплавленного цинка до первого разрыва кожуха и его полного износа объясняется большей величиной зазора между кладкой и кожухом шахты. На других двух печах положение с разрывами кожухов было аналогичным. Причиной многочисленных “отказов” кожуха, как установила специальная государственная комиссия, было отложение цинка и углерода в кладке. Несмотря на ремонты путем заварки разрывов с установкой мощных ребер жесткости, нарушение целости кожухов интенсивно продолжалось. На кожух в местах разрывов установили мощные бандажи. По рекомендации проектного института “Проектстальконструкция” применили компенсатор – искусственный разрыв кожуха в стыке нижних первой и второй царг, так называемый “ложный маратор”, который должен был обеспечить свободное перемещение кожуха вверх без его разрывов. Однако эти ожидания не оправдались: “отказы” кожухов не прекратились. Из-за продолжающегося роста кладки кожух шахты за двухмесячный период поднялся на 20 мм, а всего с момента организации систематических замеров – до 71 мм. Расхождения в заклепочных швах достигали 35 – 40 мм, а в отдельных местах – до 90 – 95 мм, что заставило принимать решение об аварийном ремонте кожуха шахты.

По наблюдениям за печью с комбинированной вертикально-горизонтальной системой охлаждения (задутой в 1960 г.), относящимся к 1962 – 63 гг., установлено: первые разрывы появились через год и прогрессировали с неослабевающей силой. К концу 1962 г. на шестой царге (от низа), где были сделаны вырезы под аналогичный “ложный маратор”, произошло около 20 разрывов. С этого горизонта трещины распространились на нижележащие царги, где разрывы сопровождались продувами газа и выбросами жидкого цинка. Причина разрыва кожуха оказалась та же – рост кладки, насыщенной цинком и сажистым углеродом, и, как следствие, уплотнение компенсационного зазора. Наиболее интенсивно это происходило в зоне горизонтальных холодильников (3 – 5 царги от маратора). Процесс интенсивно продолжался, несмотря на сильный износ кладки, толщина которой составляла в зоне 1-2 рядов горизонтальных холодильников 500 -100 мм или только гарнисажа; на 300 мм выше вертикальных холодильников 380 – 450 мм и на уровне 6-й царги – кладка была близка к проектной. Ремонт 2-го разряда печи был произведен досрочно, на год ранее предусмотренного срока.

Кладка шахт в приведенных примерах была толстостенная. Она показала полную непригодность в условиях работы на цинксодержащей шихте.

Пример 3.
Доменная печь полезным объемом 1310 м3 была задута в 1961 г. Имела толстостенные заплечики и, соответственно, кладку шахты. Из-за большого разгара низа и распара, в связи с местным обвалом кладки и массовым выходом из строя горизонтальных холодильников заплечиков и гладких вертикальных шахты, кожух печи охлаждался наружным поливом. Он имел деформации и разрывы, которые регулярно заваривались и закреплялись ребрами жесткости. Несмотря на это, периодически возникали продувы, которые немедленно устранялись. Был произведен профилактический ремонт кожуха шахты (печь стояла 7 ч.), усилена бригада котельщиков и наблюдение за его состоянием. В 1964 г. намечался капитальный ремонт 2-го разряда. Для наращивания гарнисажа печь была переведена на литейный чугун. Это значительно уменьшило продувы. В дни, предшествующие аварии, ход печи был ровный, режим нормальный по всем показателям. Внезапно произошел разрыв кожуха шахты, охвативший по вертикали 2, 3, 4, 5-й и 6-й царги (от маратора). Кроме того, разорвался горизонтальный шов (заклепочный) между 1 и 2 царгами на протяжении двух пролетов между основными колоннами печи. На поддоменник выбросило около 150 т раскаленных материалов. Была засыпана ниша контргрузов маневрирования конусами засыпного аппарата. Пострадало здание машинного зала, повреждено основание правой опоры пилона наклонного моста и коммуникации кабельных электроприводов. Предупреждение возможных разрушений металлоконструкций поддоменника, наклонного моста и здания машинного зала предотвратили дальнейшее развитие аварии. При осмотре печи установили, что в шахте в районе прорыва огнеупорная футеровка и холодильники были полностью разрушены, кожух оказался защищенным только слоем гарнисажа толщиной 200 – 350 мм.

Авария подтвердила, что в условиях работы доменных печей на цинксодержащей шихте толстостенная футеровка шахт неприемлема. Она обильно насыщается парами цинка и сажистым углеродом, интенсивно увеличиваясь в объеме, разрушает кожух и холодильники. Последующий разгар профиля делает кожух незащищенным, а возможное оползание гарнисажа способствует его разрушению. В данном случае причиной прорыва стало именно оползание гарнисажа, обнажившего кожух. Последний быстро раскалился и будучи в напряженном состоянии потерял прочность.

0

Нажмите здесь, чтобы оставить комментарий