Огнеупорная футеровка доменных печей

2 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 % Аl₂О₃. В связи с проникновением в футеров­ку паров щелочей, СО и отложения сажи боль­шое значение имеет высокая плотность алюмо-силикатного 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 % А1₂О₃.

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).

Рекомендуемые материалы

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 ДжДг • 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 подлещадное 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).

3.1 Стойкость футеровки

Если принять истираемость шамотного кир­пича за 100, то у карборундового на силикатной связке она составляет 97, у муллитового 80, графито-карборундового 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,О3, шамотный с 43 % Аl₂О₃, высокогли­ноземистый - плавленый, корундовый и муллитовый, 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.

3.2 Размеры футеровки и количество огнеупоров

Приведенные ниже соотношения позволяют рассчитать количество прямых и клиновидных кирпичей для разных вариантов кладки принято­го профиля рабочего пространства доменной печи [4].

3.2.1 Общие принципы расчета количества огнеупоров

Высота каждого участка футеровки и число ко­лец или ниток в ряду являются конструктивными элементами и определяются в момент проектиро­вания печи в зависимости от параметров профиля и используемых огнеупорных материалов (табл. 3.1).

Таблица  3.1. Размеры огнеупорных  изделий и толщина шва для футеровки доменной печи

Общее количество кирпичей в кольце N=n(D+ 2l)/(b + d),                                              

где D — внутренний диаметр кольца кладки, мм;

l — длина кирпича, мм;

для нормального кирпи­ча l_н = 230,

для полуторного l_п = 345;

d — толщи­на шва, мм.

Толщина швов в разных участках футеровки доменной печи приведена в табл. 3.1.

Кольца набираются из прямых и клиновид­ных кирпичей. Соотношение между количеством прямых X и клиновидных Y кирпичей в кольце устанавливается решением системы уравнений:

Х+ У= N,

Х(b + d) + Y(b_K + d) = πD

где b_K — ширина меньшей грани клинового кир­пича, мм; b_K.H = 135 — для нормального кирпича; b_KП = 125 — для полуторного.

Количество прямых кирпичей в кольце

X=π [D-(D + 2l)( b_K + d)]/[(b + d)(b - b_K)];                                                                           

 клиновых кирпичей в кольце

У= 2πl/(b- b_K)                                                                                                     

Отсюда следует, что количество кли­новых кирпичей в кольце является величиной по­стоянной для печей практически любого разме­ра. Можно набрать кольцо только из клиновых кир­пичей, тогда его размеры будут минимальными.

Минимальный внутренний диаметр кольца, со­ставленного только из клиновых кирпичей,

D_min = 2l(b + d)/{b - b_K).        (4) 82

Подставив в формулу (4) параметры нормаль­ного и полуторного клиновых кирпичей, получим соответственно (при толщине шва d = 1 мм):

Для образования колец меньшего диаметра толщина шва между гранями смежных кирпичей должна быть равномерно

3.2.2 Размеры футеровки лещади доменной печи

В настоящее время принята комбинированная (двухслойная) конструкция лещади. Нижний слой комбинированной лещади выкладывается из пря­моугольных графитированных блоков (см. табл.). В центральном круге нижнего слоя, кото­рый соответствует поперечному сечению горна, графитированные блоки устанавливают верти­кально на торец нитками с перевязкой швов. Высота нижнего слоя лещади H = 1600 мм. [4]

На периферии нижнего слоя графитирован­ные блоки сечением bхс = 400x400 мм укладыва­ют горизонтально. Размеры графитированных блоков таковы (1600x400x400 мм), что по высоте нижнего слоя лещади располагают четыре ряда бло­ков, уложенных горизонтально. Уложенные гори­зонтально блоки имеют разную длину (≤1600 мм), которую необходимо определить.

Футеровку центра верхнего слоя лещади вы­полняют из нескольких рядов высокоглиноземи­стых большемерных блоков или углеродистых пря­моугольных блоков, уложенных горизонтально. Высота одного ряда как в первом, так и во вто­ром варианте одинакова: 550 мм.

Высота верхнего слоя лещади

Нв.с = 550n,                                                                                                                                  (5) 83

где п — количество рядов верхнего слоя лещади.

Футеровку периферийного кольца верхнего слоя лещади выполняют из углеродистых трапе­циевидных (клиновых) блоков, уложенных гори­зонтально. Высота одного ряда таких блоков 550 мм соответствует высоте ряда в центре верх­него слоя.

Количество ниток и блоков нижнего слоя леща­ди. Диаметр лещади определяется диаметром горна и толщиной футеровки на уровне чугунной лет­ки. Принимаем толщину футеровки на уровне чу­гунной летки с учетом практики эксплуатации до­менных печей равной 1380 мм (без учета швов). Футеровку такой толщины (1380 мм) можно на­брать, например, из пяти колец: два кольца из полуторных кирпичей (2x345) и три — из нор­мальных (3x230).

Диаметр лещади с учетом швов

.                                                                                                                                            (6) 84

Внутренний диаметр стального кожуха лещади

где S_x = 100 мм — компенсационный зазор меж­ду футеровкой и холодильником; b_х = 170 мм — толщина плитового холодильника; S_к = 20 мм — зазор между кожухом и холодильником лещади.

Принимаем предварительно для центральной нитки длину горизонтально укладываемых на периферии блоков 1600 мм.

Число вертикально поставленных блоков в цен­тральной нитке лещади с учетом швов

N_в.бл = (d_лещ-2∙1600)/(b + d),                                                                                                    

где b = 400 мм — ширина блока.

Округляем количество блоков в центральной нитке в сторону их увеличения до ближайшего нечетного числа, чтобы совместить центр леща­ди с центром блока.

Длина горизонтально уложенного блока на пе­риферии центральной нитки

L_бл=0,5[d_лещ- N_в.бл(b + d)].                                                                                                    

Для расчета длины блоков на периферии нит­ки, следующей за центральной, обратимся к схе­матическому представлению, говоря о малом ка­тете АВ и гипотенузе ВС. Длина нитки, следую­щей за центральной, т.е. большой катет,

AС= (ВС²-АВ²)^1/2.                                                                                                                   

Количество вертикально поставленных блоков в нитке, следующей за центральной.

N_в.бл =(AC-2l_бл)/ (b + d) .                                                                                                       

Число вертикально поставленных блоков в этой нитке должно быть четным, чтобы осуществить перевязку швов. Величину N_в.бл округляем до бли­жайшего большего четного числа. Горизонталь­но уложенные блоки на стороне, обращенной к кожуху печи, будут иметь скошенные грани.

Длина ребра меньшей продольной грани бло­ка для нитки, следующей за центральной, мм:

l_min=[AC- N_в.бл(b+d)]/2.                                                                                                           

В следующих нитках количество вертикально поставленных блоков постепенно убывает, с тем чтобы сохранить форму окружности центральной части нижнего слоя лещади. Для каждой очеред­ной нитки из ее общей длины сначала вычитают­ся две длины блока по 1600 мм, а затем опреде­ляется количество вертикально поставленных бло­ков с округлением их числа в большую сторону и соблюдением чередования четного и нечетного числа блоков в нитках.

Количество ниток нижнего слоя лещади рав­но количеству вертикально поставленных блоков центральной нитки. При нечетном количестве блоков в центральной нитке количество ниток также будет нечетным, что позволяет расположить нитки симметрично относительно центральной

Количество ниток и блоков верхнего слоя леща­ди. Над графитированными блоками в центре вер­хнего слоя лещади размещают высокоглиноземи­стые большемерные блоки lxbхс = 550x200x150, а по периферии — углеродистые клиновидные бло­ки, уложенные горизонтально.

Зазор между высокоглиноземистыми больше-мерными и углеродистыми блоками заполняют трамбуемой углеродистой массой.

Количество высокоглиноземистых блоков в центральной нитке

N_бл= (d_лещ -2 l_бл) /(b + d),                                                                                                    

где b = 150 — ширина высокоглиноземистого бло­ка, мм; l_бл = 1600 — длина горизонтально уло­женного углеродистого блока, мм.

Полученное число N_бл округляем в меньшую сторону до ближайшего нечетного, чтобы сохра­нить длину углеродистого блока 1600 мм.

Количество блоков следующей нитки рассчи­тываем, используя схему, в которой гипотенуза ВС равна:

ВС^/ = d_лещ - 2 • 1600.                                                                                                           

Количество блоков в нитке, следующей за центральной,

N_бл = AC/(b + d).                                                                                                                                

Полученное число округляем в меньшую сто­рону до ближайшего четного, чтобы сохранить длину углеродистого блока 1600 мм.

Аналогично рассчитываем количество блоков в следующих нитках.

Общее количество ниток высокоглиноземистых большемерных блоков верхнего слоя лещади
N_нит= BC'/(l+d),                                                                                                                                           

где  l = 200 — длина высокоглиноземистого бло­ка, мм.

Округляем полученное число в меньшую сто­рону до ближайшего нечетного. Приведенный выше расчет предполагает укладку всех ниток вер­хнего слоя лещади параллельными рядами.

Количество углеродистых клиновых блоков в каждом ряду верхнего слоя лещади найдем по фор­муле:

N_угл = π d_лещ /(b+d),                                                                                                                

где b =550 — ширина блока, мм; d = 0,5 — тол­щина вертикального шва, мм.

Расчет количества ниток и блоков в четных рядах верхнего слоя лещади аналогичен выше­приведенному с учетом того, что длина углеро­дистых блоков в четном ряду 1400 мм

3.2.3 Размеры футеровки горна

Горн выложен углеродистыми блоками до оси чугунной летки, а стены горна — плотными као­линовыми изделиями [4].

Высоту «мертвого слоя» рекомендуется выби­рать кратной половине высоты углеродистого бло­ка в пределах 1—2 м. Принимаем ее кратной двум высотам блока; с учетом швов она составит

h_м.с = 2с + 2d = 2 • 550 + 2 • 1 = 1102 мм.

Уровень чугунной летки над уровнем головки рельса (нулевой отметки доменного цеха) должен быть в пределах 8,9—9,1 м, чтобы обеспечить не­обходимый уклон желобов и постановку чугуно-возных ковшей под носки. Принимаем уровень чугунной летки над уровнем головки рельса 9 м.

Тогда высота пня составит, мм:

h_п    = 9000 - (h_лещ – h_охл- h_м.с  ) = 9000 - 4907 - 420- 1102 = 2571 мм.

Толщина футеровки на стыке горн — заплечи­ки принята 460 мм. Тангенс угла наклона брони конического кожуха горна

tgβ = (1380 - 460)/(3640 - 800) = 0,3217,

где 1380 - толщина футеровки в районе оси чу­гунной летки; 3640 - высота горна; 800 - конст­руктивный размер, учитывающий высоту плито-вого холодильника, мм.

Угол наклона β= 17°48'.

Каолиновые изделия выкладываются поясами, толщина кладки которых уменьшается с 1380 до 460 мм:

Пояс        1-й   2-й     -й    4-й  5-й  6-й  7-й  8-й  9-й

h_кл, мм   1380 1265 1150 1035 920 805 690 575 460

Количество рядов, которые можно уложить по высоте горна:

N_рядов ⁼ h_г/(с+ d) = 3640/75,5 = 48,2 ряда.

Принимаем, что в первом - третьем поясах будет уложено по шесть рядов, в остальных - по пять.

Необходимое число клиновых кирпичей нор­мальных размеров в любом кольце любого пояса футеровки горна согласно (4) 81:

Y_норм = 2∙3,14-230/(150-135) = 96,3.

Необходимое число клиновых кирпичей полу­торных размеров для аналогичных условий

Y_полут = 2 ∙3,14 ∙345 / (150 - 125) = 86,7.

Количество прямых изделий для разных ко­лец разных поясов футеровки горна определя­ется по (4.80). В четных и нечетных рядах по­ложение колец меняется, чтобы обеспечить пе­ревязку швов.

3.2.4 Размеры футеровки заплечиков

Принимаем мараторную конструкцию печи [4]. Рассмотрим строение футеровки на двух уровнях: стыка горна и заплечиков (А); середины запле­чиков (Б):

                                               А         Б

Футеровка                         460          345

Компенсационный зазор 100          -

Плитовой холодильник    170          300

Зазор между холодильником.и кожухом ... 20     20

Кожух горна                        50         50

Итого                                 800          715

Количество рядов футеровки заплечиков

N = h_зп/(c + d) = 3500/(75 + 1) = 46.

Аналогично определяется потребность в прямых кирпичах для вышележащих рядов футеровки заплечиков.

3.2.5 Размеры футеровки распара и шахты

Футеровка распара состоит из двух поясов: нижний пояс - продолжение конструкции футеровки заплечиков, что позволяет расположить над мараторным кольцом горизонтальные холодильники; верхний пояс - кладка толщиной 575 мм. Нижний пояс кладки распара охлаждается холодильниками толщиной 350 мм. Высота нижнего пояса позволяет разместить шесть рядов полуторных кирпичей: 75x6 = 450 мм. Футеровка толщиной 575 мм находится в охлаждаемой части шахты и распара. Толщина вертикальных плитовых холодильников 300 мм.

Высота охлаждаемой части шахты и распара, где размещаются вертикальные плитовые холодильники, составит, мм:

Верхний пояс кладки распара

Нижняя часть шахты печи

Люди также интересуются этой лекцией: 7 Плоское напряженное состояние.

Итого

h_p - 450 = 2080 - 450     =   1630

h_ш^н       =   10380

                                                            12010

Количество рядов плитовых холодильников при их высоте 1480 мм и зазоре между ними в 20 мм N= (h_p + h_p" - 450) = 12010/1500 = 8,007.

Принимаем восемь рядов от маратора до точ­ки перелома кожуха. Толщина футеровки в неохлаждаемой части шахты — 805 мм.