И. Ф. Михайлов, д. х. н. В. А. Жабрев, А. Н. Поярков, В. Ю. Локалов (ЗАО «Росметаллкомплект», Институт химии силикатов им. И. В. Гребенцикова, ЗАО «Металлургический завод «Петросталь»)
Повышение стойкости главного свода мартеновской печи успешно решено заполнением швов футеровки свода пластинами, выполненными из пластичного огнеупорного материала с программируемыми свойствам (Пластогнеупор-ПС) производства НПК ЗАО «Росметаллкомплект». Технология позволяет значительно увеличить стойкость футеровки свода мартеновских печей и уменьшить расход топлива.
Повышение стойкости кладки главного свода является одной из основных задач в работе мартеновской печи, поскольку свод работает в наиболее сложных условиях и его стойкость обычно определяет межремонтную длительность кампании. В процессе работы главный свод мартеновский печей подвергается воздействию высокой температуры, брызг шлака и металла, пыли и других факторов, что обусловливает применение в своде основных огнеупоров. На стойкость огнеупорной кладки в мартеновской печи существенно влияют газопеременная среда и интенсивность продувки ванны кислородом. Большая масса свода требует создания его специальной конструкции.
В России в основном применяют распорно-подвесной свод конструкции А. С. Френкеля. Особенностями этой конструкции является армирование стальными штырями всех изделий каждого кольца свода: армирование металлическими пластинами толщиной 0,6—0,8 мм, групповая подвеска изделий блоками при помощи балочек из уголков, подвешенных к поперечным балкам крепления свода. В середине ряда свод расширяется вбиванием замкового кирпича, имеющего форму острого клина, в результате чего на соседних изделиях от сильной ударной нагрузки образуются микротрещины или сколы. Затем через 4—7 изделий при помощи растяжки (стальная полоса, пруток, пластина) свод закрепляется к подвесной конструкции [1].
После этого производят плавный нагрев свода до требуемой температуры в течение 24—72 ч в зависимости от размера свода и температуры окружающей среды. При этом в результате термического расширения изделий свод расширяется и выгибается вверх. Так как нагрев футеровки происходит неравномерно (наблюдается высокий вертикальный градиент температур — нижняя часть свода нагревается до температур ³1800, а верхняя — до 300—800 °C), то изделия испытывают высокую деформацию сдвига, в результате происходит расклинивание части швов. На нижней части свода образуются сколы или микротрещины. Кроме того, происходит выкрошивание кусочков огнеупорных изделий, поскольку в результате деформации начинается их трение друг о друга между рядами, что приводит к образованию сквозных щелей в швах между рядами. Эти факторы способствуют ускорению износа футеровки в процессе эксплуатации.
Появление сквозных щелей вызывает увеличение теплопотерь за счет выхода горячих газов, что влечет за собой уменьшение производительности печей и увеличение расхода энергоносителя и соответственно возрастанию вредных выбросов в окружающую среду и ухудшению экологической обстановки на производстве. В полостях несквозных щелей накапливаются химически активных горячие газы и плавильная пыль, в которой содержится до 95 % Fe2O3. Они вступают в реакцию с материалом изделий, что приводит к их усиленному разрушению.
На металлургических предприятиях принимается ряд мер, направленных на повышение стойкости конструкции распорно-подвесного свода, и именно, различные способы заполнения швов. Наиболее распространенным способом является кладка стальных пластин толщиной 0,6—2,0 мм между изделиями в ряду при сборке. Пластины надеваются при сборке свода на соединительные стержни. При укладке последующих рядов для армирования их между собой на боковую поверхность каждого изделия ранее уложенного ряда накладывают прокладки с загнутыми на 10—15 мм верхними концами под прямым углом [2]. При высоких температурах стальные пластины окисляются и образуют с MgO изделия феррит магния MgFe2O4 с температурой плавления 1750 °C и магнезиовюстит (Mg,Fe)O, который прочно сваривает изделия между собой. По данным [3], феррит магния образуется уже при 500 °C, количество его быстро растет при разогреве до 1300 °C. Дальнейший нагрев приводит к быстрому растворению феррита магния в периклазе с образованием магнезиовюстита. Однако при охлаждении происходит фазовый переход — распад твердого раствора MgFe2O4 в периклазе, причем феррит магния выделяется в свободном состоянии практически полностью. В результате этого при охлаждении в огнеупоре могут возникнуть микротрещины, что ухудшает его термостойкость. Кроме того, может образоваться небольшое количество фазы твердого раствора со структурой шпинели Mg(Cr1—xFex)2O4, которая имеет тенденцию к разбуханию, что является одной из причин разрушения огнеупора.
Применение стальных пластин позволяет значительно уменьшить образование щелей между огнеупорами в рядах свода и между рядами, что препятствует проникновению агрессивных газов в щели. Однако этот способ имеет ряд недостатков, к числу которых можно отнести разрушение и выкрошивание материала пластин в результате межфазных реакций при высоких температурах, что резко ограничивает срок службы данной конструкции (обычно не более 400 плавок при продувке ванны кислородом и не более 700 плавок без продувки). Металлические пластины не принимают рельеф поверхности сопрягаемого огнеупора, что приводит к сохранению остаточных зазоров. Вследствие испарения Fe, Fe2O3 и других продуктов межфазных реакций при высоких температурах материал становится пористым хрупким и, следовательно, менее газоплотным. Неоднородность материала по зонам приводит к ухудшению его термостойкости, а увеличение теплопроводности всей конструкции приводит к дополнительным потерям тепла.
На некоторых металлургических предприятиях щели между изделиями после разогрева и во время эксплуатации засыпают порошком окалины Fe3O4, которая также непосредственно реагирует с MgO с образованием газоплотного спекшегося слоя [4]. Этот способ эффективен для уменьшения теплопотерь, увеличения производительности печи и уменьшения загрязнения окружающей среды. Однако и он имеет ряд недостатков, так как щели заполняются не на всю глубину, а процесс засыпки производится над раскаленным сводом вручную, что представляет собой повышенную опасность для работающих. Наиболее эффективным способом является комбинированный способ с одновременным применением стальных пластин и порошка железной окалины. Однако и этот способ не лишен серьезных недостатков, присущих обоим предыдущим.
В последнее время появились принципиально новые подходы к конструкционному оформлению свода мартеновских печей, в частности, с применением пластоэластичных огнеупоров. ЗАО «Росметаллкомплект» является пионером массового промышленного применения данного вида огнеупорных материалов в российской индустрии.
В 2004 г. ЗАО «Росметаллкомплект» при содействии Инновационно-технологического центра технологического центра «Новые материалы и химические технологии» при Институте химии силикатов РАН был разработан новый пластичный огнеупорный материал «Пластогнеупор-ПС»[6]. Основным отличием этого материала от близкого по назначению, разработанного ранее ЭЛОМ [5] и близких к нему по свойствам материалов фирм «Mitsubihi Corporation Mizusawa Kagaku Kogyo KK» [8], «Sava Kranj Und Gumijevih» [9], «Cyristian Barthelemy“[10] является замена смеси огнеупорных порошков на точно рассчитанные и подобранные композиции огнеупорных заполнителей со строго определенным многофракционным составом — от ультрадисперсного до крупного, на легкоплавких связках, составленных из легкоплавких оксидов и их соединений, соотношение которых определяется по диаграммам равновесия в зависимости от требуемой температуры плавления и условий эксплуатации. Такой подход позволяет программировать свойства материала подбором химического и фракционного составов, причем синтез легкоплавкой неорганической связки и конечных огнеупорных материалов (например алюмомагнезиальной шпинели, муллита или кордиерита) происходит в процессе разогрева футеровки перед эксплуатацией и при начале эксплуатации. В связи с возможностью достаточно точно задавать требуемые свойства материалов
Испытания работы сводов мартеновских печей с заполнением швов футеровки пластичным огнеупорным материалом Пластогнеупор-ПС по способу (7) из композиционного материала, образующего в процессе эксплуатации Алюмомагнезиальная шпинель, проводили в ЗАО «МЗ «Петросталь», ОАО «Гурьевский МЗ» и ОАО «Выксунский МЗ».
Пластины для укладки между огнеупорными изделиями в рядах были изготовлены по форме стальных пластин, пластины для укладки между рядами были изготовлены в виде трапеций, закрывающих 4—5 изделий и загибающихся на верхнюю часть свода и фиксирующихся при помощи клеящейся полосы с удаляющимся покрытием. Пластогнеупор-ПС технологичен при монтаже, так как вследствие пластичности пластины обладают способностью принимать форму поверхности сопрягаемых огнеупоров и зазора между ними. Таким образом, применение пластин из этого материала не требует точных допусков для плотного сочленения с огнеупоров, при установке замкового изделия за счет пластичности пластин, установленных между изделиями, не создаются повышенные нагрузки и не образуются сколы и микротрещины. Кроме того, изделия сохраняют пластичность за счет органического связующего в интервале от —40 до 250 °C, компенсируя нагрузки от термического расширения огнеупора, в результате чего сколы и микротрещины не образуются; результаты испытания изделий из разработанного ЗАО «Росметаллкомплект» материала показали, что при плавном прогреве до 250 °C в начале синтеза легкоплавкой многокомпозиционной связки материал твердеет, но имеет остаточную пластичность, в интервале от 250 до 600 °C завершается образование легкоплавкой неорганической связки; выше 600 °C материал за счет размягчения легкоплавких неорганических связующих вновь становится пластичным. Углерод, образовавшийся в результате разложения органической связки, не выгорает (за счет плотности материала), а в интервале от 900 до 1100 °C в основном коксуется. Пластичность материала во время всего цикла разогрева дает возможность полного сопряжения с рельефом (неровности, сколы, зазоры) поверхностей сопрягаемых огнеупоров, что ускоряет процесс взаимодиффузии компонентов пластины и огнеупора, образование конечных продуктов реакции и тем самым уменьшает время достижения равновесного состояния.
В интервале от 800 до 1400 °C материал за счет синтеза алюмомагнезиальной шпинели из близких к ультрадисперсным мелкофракционных (< 1 мкм) заполнителей MgO и Al2O3 образует прочную монолитную газоплотную массу, которая сохраняет остаточную пластичность до 1430 °C (30—40 мм от нижней стороны футеровки), что значительно увеличивает срок службы всей конструкции распорно-подвесного свода. Образующийся плотный спек однороден (по фазовому составу является однофазным), имеет температуру плавления выше 1850 °C, практически не содержит легколетучих компонентов (Fe, FeO, Fe2O3). Алюмомагнезиальная шпинель, образовавшаяся в процессе первичного разогрева свода, имеет повышенную химическую стойкость по отношению к расплавленным шлакам, металлу и газам.
За счет того, что швы футеровки свода надежно закрыты во время всего срока эксплуатации свода, исключено подгорание деталей устройства для подвески свода. Материал пластин, не прогревшийся до 1430 °C (20—30 мм от рабочей поверхности свода), за счет легкоплавкой неорганической композиционной связки имеет способность при полном охлаждении и нагреве до 600 °C вновь приобретать частичную пластичность, многократно компенсировать нагрузки при термических расширениях футеровки и уплотнять швы.
В результате испытаний и промышленной эксплуатации на сводах мартеновских печей ЗАО «МЗ «Петросталь» в течение 2 лет стойкость свода без изменения марки огнеупора значительно увеличилась (остаточная толщина футеровки свода после 350 плавок при начальной 380 мм составляла 200—220 мм против 120—150 мм при тех же условиях эксплуатации). Эти результаты были подтверждены в ОАО «Гурьевский металлургических завод» и ОАО «Выксунский металлургический завод», причем в ОАО «Гурьевкий металлургический завод» отмечено снижение расхода топлива на 10 %.
Таким образом, использование пластичного огнеупорного материала вместо стальных пластин позволяет повысить стойкость распорно-подвесного свода мартеновской печи за счет улучшения сопряжения между огнеупорами и эксплуатировать свод повторно после охлаждения.
Кладка с использованием пластичного огнеупорного материала позволяет избежать ряда нежелательных процессов при эксплуатации. При высоких температурах устранен процесс окисления металлических пластин, поэтому количество Fe2O3, участвующее в реакции, невелико и определяется только капиллярным подсосом Fe2O3 из бурого газа и брызгами металла. Поэтому фаза MgFe2O4 и связанные с ней нежелательные реакции, описанные выше, оказывают незначительное влияние. В этом случае небольшое количество MgFe2O4выполняет роль одного из компонентов неорганического связующего, вводимого для образования плотного монолитного спека с заполнителем в виде смеси MgO и Al2O3 в соотношении шпинели. Когда заполнитель преобразуется в алюмомагнезиальную шпинель, то часть MgFe2O4 входит в твердый раствор Mg(Al1—xFex)2O4. Образующиеся фазы являются химически стойкими и не имеют полиморфных переходов (так как в области малых концентраций MgFe2O4 твердые растворы при охлаждении не претерпевают распада), что существенно повышает термостойкость конструкции. Кроме того, незначительное содержание Fe2O3 не приводит к образованию большого количества Mg(Cr1—xFex)2O4, склонного к разбуханию и способствующего разрушению огнеупора.
Библиографический список
- Заявка 95113545/02. Охлаждаемый распорно-подвесной свод мартеновской печи / Ю. С. Зайцев, О. В. Филипьев, Н. Н. Зайцева, В. И. Шевченко [и др.]; заявл. 07.31. 95; опубл. 09.10.98.
- Борисов, П. В. Кладка мартеновских печей / П. В. Борисов, Е. Ф. Гойколов, Г. П. Громаков — М.: Изд-во литер. по стр-ву, архитектуре и строительным материалам, 1962. — 60 с.
- Диаграммы состояния силикатных систем: Справочник. Т. 1 / Н. А. Торопов, В. П. Барзаковский [и др.]. — М.: Наука, 1969. — 822 с.
- Технология керамики и огнеупоров; под ред. П. П. Будникова. — М.: изд. лит. по строительству, 1962. — 707 с.
- А. с. 812783, СССР. С. 04В 35/00, С. 04В, 35/66. Эластичный огнеупорный материал / С. А. Суворов, В. М. Кулаков, В. С. Кабанов [и др.] (СССР); заявитель Ленинградский технологический институт им. Ленсовета; опубл. 15.03.81, Бюл. № 10.
- Пат. 2273618 Российская Федерация. Пластичный огнеупорный материал; патентообладатель- ЗАО «Росметаллокомплект»; автор- Михайлов И.Ф. зарегестрирован 10.04.2006, приоритет с 01.11.2004;
- Заявка 2007117008 о выдаче патента РФ на полезную модель. Устройство сопряжения огнеупорных кирпичей в своде мартеновской печи; автор и заявитель Михайлов И.Ф. дата поступления 28.04.2007
- Пат. GB 2075964 А 25.11.1981 г.
- Пат. EP 0589461 А1 30.03.1994 г.
- Пат. US 2004/0012111 А1 22.01.2004 г.
