РАЛ. Литейное производство: литье, литейное оборудование, материалы для литья

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(Cr_1--_xFe_x)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 MgFe₂O₄ выполняет 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(Al_1--_xFe_x)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(Cr_1--_xFe_x)₂O₄, склонного к разбуханию и способствующего разрушению огнеупора.

Библиографический список

1. 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.

2. 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.

3. Диаграммы состояния силикатных систем: Справочник. Т. 1 / Н. А. Торопов, В. П. Барзаковский [и др.]. --- М.: Наука, 1969. --- 822 с.

4. Технология керамики и огнеупоров; под ред. П. П. Будникова. --- М.: изд. лит. по строительству, 1962. --- 707 с.

5. 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.

6. Пат. 2273618 Российская Федерация. Пластичный огнеупорный материал; патентообладатель- ЗАО "Росметаллокомплект"; автор- Михайлов И.Ф. зарегестрирован 10.04.2006, приоритет с 01.11.2004;

7. 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

8. Пат. GB 2075964 А 25.11.1981 г.

9. Пат. EP 0589461 А1 30.03.1994 г.

10. Пат. US 2004/0012111 А1 22.01.2004 г.

Получено 14.02.07

ã И. Ф. Михайлов, В. А. Жабреев, А. Н. Поярков, В. Ю. Локалов, 2007 г.