Металлургия » Электрометаллургия стали » Футеровка дуговых и индукционных печей

Футеровка дуговых и индукционных печей

 (голосов: 2)
Футеровка дуговых и индукционных печей
Огнеупорная футеровка дуговых сталеплавильных печей подвергается воздействию высокой температуры, периодически колеблющейся в широких пределах, химически взаимодействует с образующимися в печах пылью, жидкими шлаками, восстановительными или окислительными газами, на подину и откосы печей механически воздействует жидкий металл и загружаемая в печь металлошихта. В зависимости от условий службы для каждого участка футеровки выбирают оптимальные с точки зрения их стойкости огнеупоры, при этом основная цель — сокращение объемов текущих ремонтов и повышение производительности печей.
При значительном увеличении мощности печных трансформаторов и вводимой в печь в течение плавки полезной мощности увеличилась тепловая нагрузка на футеровку, усложнились условия работы футеровки стен и свода дуговой сталеплавильной печи. Температура рабочего слоя футеровки заметно возросла, вследствие этого основной причиной разрушения огнеупорного материала футеровки стало оплавление ее рабочей поверхности. Появление сверхмощных печей обусловило необходимость повышения срока службы футеровки ее стен и свода.
Попытки решения проблемы стойкости футеровки путем повышения качества (прежде всего огнеупорности) стеновых и сводовых огнеупоров существенных результатов не дали, так как температура плавления рабочего слоя даже самого высокоогнеупорного кирпича существенно снижается в результате насыщения оксидами железа и другими легкоплавкими соединениями из шлака и пыли печных газов.
По данным исследований в отечественных печах большой вместимости, температура начала плавления рабочего слоя магнезитохромитовых стеновых огнеупоров колеблется в пределах 1580-1640 °С. Учитывая большую вероятность перегрева относительно этой температуры рабочей поверхности кладки футеровки сверхмощной печи, можно ожидать значительного износа футеровки.
Более эффективными оказались попытки решения проблемы стойкости футеровки сверхмощной печи путем регулирования (ограничения в определенные моменты) излучающей способности дуг и подбора рациональных размеров и конфигурации рабочего пространства печи.
Интенсивность излучения тепловой энергии электрической дугой в общем случае зависит от мощности дуги (Рд) и ее длины (La). Известно, что длина дуги прямо пропорциональна напряжению дуги. Предложено характеризовать интенсивность излучения дуги коэффициентом интенсивности излучения RE = Рд£7. Большое значение коэффициента интенсивности излучения целесообразно, когда требуется быстрая передача тепла к нагреваемым и расплавляемым материалам, в частности в начале периода плавления, при достаточно полном экранировании футеровки печи кусками лома. В это время обычно печь работает с длинными мощными дугами, на высоком вторичном напряжении при небольших электрических потерях печной установки. Но в завершающей стадии плавления шихты высокая интенсивность излучения представляет опасность для огнеупорной футеровки стен и ее приходится ограничивать. Учитывая необходимость быстрого доплавления шихты, снижать мощность дуги Рл нецелесообразно, поэтому интенсивность излучения дут уменьшают, снижая напряжение дуги Uа, т.е. уменьшая длину дуги Lа. Уменьшение напряжения дуги компенсировали повышением тока, что при поддержании необходимой высокой мощности приводит к работе в условиях повышенных электрических потерь (пропорциональных квадрату тока), низкого cos ср печной установки и повышенного расхода электродов (также пропорционального силе тока). Несмотря на очевидные недостатки такого способа обеспечения необходимой стойкости футеровки, он был основным до появления и широкого распространения водоохдаждаемых панелей в футеровке стен и свода.
Для каждого конкретного значения напряжения интенсивность излучения зависит от cos ф, уменьшаясь с его понижением и достигая максимума при cos ф = 0,87.
Существенное влияние на значение энергии, попадающей на единицу поверхности футеровки, оказывают конфигурации рабочего пространства и его размеры. Если принять дугу за точечный источник излучения, то интенсивность облучения единицы поверхности футеровки.
В соответствии с этим на печах обычной мощности, а затем и на высокомощных стремились увеличить расстояние Rи угол а, выполняя нижнюю часть стен в форме усеченного конуса, что действительно обеспечивало заметное повышение стойкости футеровки стен, хотя усложняло выполнение кладки и приводило к росту объема рабочего пространства печи, а также к некоторому увеличению площади поверхности футеровки и повышению расхода огнеупоров для изготовления этой поверхности. Наибольший эффект достигался при а = 25-30°; при уменьшении значений а полезный эффект снижался.
На тепловой поток, воспринимаемый футеровкой стен, влияет также диаметр распада электродов. Уменьшение этого диаметра способствовало увеличению расстояния R и снижению тепловых нагрузок на футеровку стен. Расчеты показывают, что минимальный диаметр распада, который достигается при работе на электродах диаметром 610 мм, составляет 1400 мм. Однако при таком диаметре распада электродов в случае нарушения регулирования положения электрододержателей, при интенсивном пылевыделении через зазоры между электродами и сводом и 8 ряде других случаев возможно замыкание тока между электродо-держателями различных фаз через свод. Это приводит к электрической эрозии материала свода.
Более целесообразной для сверхмощных печей является наклонная установка колонн электрододержателей и соответственно электродов, обеспечивающая при сравнительно большом диаметре распада электродов приближение дуг к центру печи. Впервые такой прием был применен на 40-т электропечах ЧМК, а впоследствии на других отечественных печах серии ДСП-100И6. При таком конструктивном решении для 100-т печи диаметр распада электродов на уровне свода составляет 1500-1600 мм, что полностью исключает возможность замыканий тока между фазами и улучшает условия работы центральной части свода; диаметр распада на уровне жидкой ванны равен 1200-1300 мм. При этом уменьшается тепловая нагрузка на футеровку стен, обеспечивается экранирование дуг электродами и, как показывает опыт работы дуговых печей ЧМК, достигается ускорение плавления шихты в холодных зонах на откосах печи.
Износ футеровки выше при больших напряжениях (длинной дуге) и малом расстоянии от дуги до футеровки. Поскольку обеспечить необходимую стойкость стен и сводов сверхмощных печей путем улучшения качества огнеупоров не удалось, а возможности регулирования индекса износа футеровки изменением размеров рабочего пространства печи ограничены, то единственным приемлемым вариантом стала работа сверхмощной печи начиная со второй фазы плавления с имеющими небольшую излучающую поверхность короткими дугами, увеличением тока и понижением cos ф печных установок до 0,65-0,67 и менее. Работа на больших токах в общем случае невыгодна, так как приводит к увеличению мощности электрических потерь, снижению электрического к.п.д. установки, усложнению конструкций печи и увеличению их массы, увеличению расхода электроэнергии на плавку и Дорогостоящих и энергоемких электродов, поэтому первые сверхмощные дуговые печи имели сравнительно невысокие показатели работы. Стойкость кирпичной футеровки стен и сводов таких печей была невелика, что снижало производительность печей вследствие простоев на ремонтах футеровки и повышало себестоимость стали в связи с высоким расходом огнеупорного кирпича. Стойкость магнезитохромитовых кирпичных стен печи на отечественных заводах составляла 120—140 плавок, магнезитохромитовых кирпичных сводов 60-85 плавок. В печах обычной мощности стремились с целью снижения расхода электроэнергии иметь хорошую теплоизоляцию стен и по возможности свода, в печи сверхвысокой мощности потребовалось усилить отвод тепла от рабочей поверхности футеровки. С этой целью в конструкцию стен и свода введены водоохлаждаемые элементы.
Первоначально водоохлаждаемые панели применяли для охлаждения огнеупоров и размещали их между кожухом печи и огнеупорной футеровкой, что практически не способствовало эффективному охлаждению рабочей поверхности футеровки и повышению ее стойкости, поскольку между ней и панелями находился толстый слой огнеупорного материала с высоким тепловым сопротивлением. В дальнейшем водоохлаждаемые панели начали применять вместо огнеупорной футеровки и изолировать их рабочую поверхность огнеупорным материалом с высокой теплопроводностью или покрывать ее тонким слоем огнеупорной набивки, в процессе эксплуатации превращающейся в гарнисаж, толщина которого изменяется в зависимости от тепловой нагрузки. Применение водоох-лаждаемых панелей вместо кирпичной огнеупорной кладки в стенах и сводах сверхмощных печей позволило резко увеличивать тепловые потока на эти элементы печи и создало условия для работы печи на длинных дугах при повышенных значениях Р, и U высоком к.п.д. установки. Даже при очень высоких мощностях дуг возможны на протяжении всей плавки более экономичные режимы с относительно длинными дугами при меньших значениях тока.
Водоохлаждаемые панели, используемые вместо огнеупорной футеровки стен и свода, в настоящее время являются стандартными элементами конструкции печи. Практически все сверхмощные печи имеют водоохлаждаемые панели в стенах и более 50% печей панели на своде. Применение водоохлаждаемых панелей обеспечило повышение производительности дуговых печей на 50%, существенно снижение расхода огнеупоров.
Известны три основных типа водоохлаждаемых панелей: литые (чугунные или стальные), кессонные и трубчатые. С целью обеспечения взрывобезопасности и повышения срока службы водоохлаждаемых панелей их приходится размещать несколько выше уровня расплава в печи. На дуговых печах с традиционным выпуском стали расстояние от уровня порога рабочего окна до низа панелей обычно составляет 350—500 мм. В этом случае площадь панели составляет - 75 % всей плошади поверхности стен. Для обеспечения безопасной работы печи панели следует выносить за пределы откосов печи для исключения попадания воды на футеровку откосов при неконтролируемой утечке воды из панелей.
Для печей с водоохлаждаемыми панелями важной проблемой является повышение стойкости огнеупоров, из которых выложена нижняя часть стен. Одним из путей решения этой проблемы может быть использование взамен магнезитохромитовых (периклазохромитовых) более теплопроводных огнеупоров типа углеродистомагнезитовых (периклазо-углеродистых). Эти огнеупоры, полученные из высокочистого периклаза (99 % MgO) и природного графита на связке из каменноугольного пека или синтетической смолы и содержащие 7-20 % остаточного углерода, для улучшения теплоотвода и защиты от окисления армируют стальными пластинами. Их применение в зонах перегрева приводит к снижению расхода огнеупоров в расчете на 1 т выплавленной стали в 2—3 раза, причем, чем жестче условия службы футеровки, тем эффективнее использование периклазоуглеродистых изделий.
В Германии периклазоуглеродистыми изделиями футеруют стены на участках между шлаковым поясом и водоохлаждаемыми панелями, причем, в зонах перегрева используют огнеупоры с добавкой плавленого периклаза; шлаковый пояс выкладывают пе-риклазовыми изделиями на пековой связке. При создании оптимальных условий службы удельный расход огнеупорных изделий не превышает 1 кг/т стали. На металлургических заводах Великобритании, где 95 % печей оборудовано водоохлаждаемыми панелями в стенах, периклозоуглеродистые огнеупоры с 15-20 % С применяют в стенах всех дуговых печей емкостью 50 т и более. Стойкость этих изделий составляет 500 плавок при расходе 1—2 кг/т стали.
При водяном охлаждении свода огнеупорами выкладывают только центральную его часть с тремя электродными отверстиями. С этой целью за рубежом используют как правило вьюокоглиноземистые изделия.
В странах Западной Европы определенное распространение получили высокоглиноземистые огнеупоры с добавкой оксида хрома Сг203 (82 % А1203; 2,5 % Сг203), превосходящие стандартные высокоглиноземистые по термостойкости, устойчивости к шлаку и плавильной пыли, а также температуре деформации под нагрузкой. При использовании этих изделий в своде 80-т печи на одном из заводов Франции стойкость их достигла 254 плавки при удельном расходе огнеупоров менее 0,1 кг/т стали. В случае применения стандартных высокоглиноземистых огнеупоров эти показатели составили 123 плавки и 0,17 кг/т стали. Кампания свода, полностью выложенная высокоглиноземистыми изделиями, продолжалась 141 плавку (удельный расход огнеупоров 2,75 кг/т стали).
В Японии средняя стойкость огнеупорной кладки водоохлаждаемых сводов составляет 190—210 плавок. С целью снижения трудозатрат при изготовлении центральной части свода и повышения ее стойкости разработаны и испытаны в своде 60-т дуговой печи крупногабаритные огнеупорные блоки, состоящие из трех секторов. Опытные блоки представляют собой безобжиговые высокоглиноземистые (85 % А1203) изделия, имеющие плотность 2,8 г/см3, предел прочности при сжатии 40,0 МПа, линейное термическое расширение при 1000 °С 0,5 %. Стойкость свода с крупногабаритными блоками составила 296 плавок, т.е. возросла по сравнению с кирпичной кладкой на 40 %. Кроме того, трудозатраты снижены более чем в 4 раза. В отечественных условиях для футеровки нижней части стен сверхмощных печей успешно применяют периклозохромитовые огнеупоры; стойкость нижней части стен при этом повышается в 1,5 раза. Другим путем решения этой проблемы может быть восстановление изношенного слоя футеровки после каждой или нескольких плавок (горячий ремонт нижней части стен). Наиболее экономичным способом ремонта является торкретирование. В Германии опробовали различные способы горячего ремонта торкретированием: локальный ремонт роторными торкрет-машинами, ремонт торкрет-машинами с камерами давления, центробежное торкретирование пескометами, факельное торкретирование смесью огнеупорного материала с угольной пылью. Удовлетворительные результаты получены при использовании торкрет-машин с камерой давления.
Опробован и применяется ряд других мероприятий по уменьшению износа нижней части футеровки стен: использование долом итизированной извести в качестве шлакообразуюшего материала, топливно-кислородных горелок для доплавления шихты в холодных зонах у стен, экранирование дуг слоем шлака, уменьшение распада нижних концов электродов при изменении наклона стоек электрододержателей и электродов и т.д. По данным фирмы «Krupp», фактический расход огнеупоров для участка стен ниже панелей в сверхмощной дуговой печи составлял 0,8 кг/т стали, расход материалов для торкретирования 3,5-4,5 кг/т стали.
Способы футеровки подины и откосов сверхмощных дуговых печей практически не отличаются от способов футеровки печей обычной мощности. Применяют два способа изготовления такой футеровки: традиционную кладку рабочего слоя подины и откосов из магнезитового (периклазового) кирпича с последующей набивкой небольшого слоя из огнеупорного порошка и набивку всего рабочего слоя подины и откосов сухими перик-лазовыми массами специально подобранного фракционного состава. Характерно некоторое уменьшение толщины футеровки подин сверхмощных печей по сравнению с печами обычной мощности, что объясняется значительно меньшей продолжительностью пребывания жидкого металла в ванне сверхмощной печи.
Широкое внедрение в ЭСПЦ установок ковш-печь поставило на повестку дня вопрос повышения стойкости футеровки этих агрегатов, так как затраты на огнеупоры составляют заметную долю в общих расходах на внепечную обработку стали.
В зависимости от конкретных условий эксплуатации и из экономических соображений используют периклазохромитовые, периклазовые, известкопериклазовые, периклазоуглеродистые огнеупоры, причем, в условиях комплексной внепечной обработки (вакуумирование, дуговой нагрев, перемешивание, обработка шлаком и т. д.) высокие результаты показали безобжиговые периклазоуглеродистые изделия с добавкой графита, содержащего 10—12 % углерода. Средний срок службы содержащих 14—19 % остаточного углерода лериклазоуглеродистых огнеупоров в шлаковых поясах установок типа ковш-печь составляет 30—40, достигая в отдельных случаях 60 наливов, что в 1,5 раза выше стойкости чистых периклазохромитовых изделий.
С целью снижения износа лериклазоуглеродистых огне-Упоров в шлаковом поясе установки типа ковш-печь изучено Влияние количества углерода и вида антиокислительной добавки На устойчивость к окислению, шлакоустойчивость и предел прочности при изгибе при повышенных температурах.
Установлено, что лучшими показателями обладают огнеупоры из смеси из плавленого и спеченного периклаза, содержащие 15 % чешуйчатого графита и в качестве антиокислительной добавки небольшое количество сплава алюминия с магнием. Эти изделия были испытаны в шлаковом поясе промышленной установки типа ковш-печь емкостью 100 т со стороны перемешивания металла газом. По сравнению со стандартными лерик-лазоуглеродистыми изделиями без антиокислительных добавок, содержащими 18 % С, скорость износа разработанных огнеупоров оказалась в 1,2—1,3 раза ниже и составила 1,3-2,0 мм/плавку.
Помимо шлакового пояса периклазоуглеродистыми огнеупорами футеруют также другую зону повышенного износа — участок падения струи металла. Этот участок выкладывают изделиями с добавкой алюминия, отличающимися очень высокой устойчивостью к окислению и абразивному износу.
С целью снижения затрат на огнеупоры для футеровки стен установок периодического действия типа ковш-печь, за исключением шлакового пояса, выкладывают периклазофорстеритоуглеродистыми изделиями с добавкой карбида кремния (69 % MgO; 13 % Si02; 10 % С; 2 % SiC) вместо высокоглиноземистых, оставив в футеровке шлакового пояса периклазоуглеродистые огнеупоры. В результате затраты на огнеупоры снизились на 15 % при уменьшении скорости износа в среднем на 30 %.
Огнеупорная футеровка является важным конструктивным элементом индукционной тигельной печи, влияющим на функционирование, эксплуатационную надежность, металлургические показатели и экономичность. В связи с принципом индуктивной передачи энергии к этой огнеупорной футеровке предъявляются особые требования.
1. Возможно меньшая толщина стенки, чтобы уменьшить затраты на батарею конденсаторов для компенсации реактивной мощности и обеспечить достижение высокого электрического КПД.
2. Недопущение значительного проникновения металла в материал тигля, в особенности в трещины, поскольку электропроводные материалы при определенном их расположении в футеровке печи могут подвергаться индукционному нагреву, так что проникший расплав не остановится в связи с затвердеванием.
3. Высокая механическая и химико-металлургическая стойкость, чтобы выдерживать нагружение от перемешивания ванны и от воздействия шлака.
В зависимости от требований, предъявляемых к качеству металла, футеровка может быть изготовлена из кислых, основных и нейтральных материалов. Кислая футеровка используется при выплавке углеродистых и малолегированных сталей, из кото-рьгх получают фасонные отливки. Она изготовляется из молотого кварцита с содержанием Si02 не менее 97 %, A1203+ Ti02 — не более 1,6 %. В печах вместимостью 1-3 т рекомендуется использовать кварцит, имеющий такой гранулометрический состав: 70 % фракции от 1,5 до 3 мм, 30 % — от 0 до 1,5 мм и борной кислоты 2-2,5 %. В 8-тонной индукционной печи на заводе «Днепроспецсталь» применяли кварцит фракции 3—4 мм (14—24 %), 3-1 (38-37 %), 1-0,2 (17-23 %) и менее 0,2 мм (22-27 %). В качестве связующего использовали 1 % борной кислоты, содержащей не менее 99,5 % Н2В03. Кислая футеровка выдерживает более 100 плавок. Основная футеровка используется при выплавке специальных сталей и сплавов сложного состава (нержавеющих, жаропрочных, быстрорежущих и др.), предназначенных для изготовления слитков и фасонных отливок.
Для изготовления основной футеровки тигля индукционной печи вместимостью 1,4 т используют термостойкий магнезитовый кирпич (отработанный), содержащий 77-80 % MgO, Ю % Сг203 и менее 3,5 % Si02. Кирпич размалывают до следующего состава; 15 % фракции от 2 до 4 мм, 35 % — от 1 до 2 мм и 50 % _ менее 1 мм. В качестве связующего добавляют 2 % молотого плавикового шпата. Массу увлажняют 25 % воды, затем она вылеживается в течение 48 ч. Набивка тигля 8-тонной индукционной печи состоит из плавленого магнезита 70—68 % (фракция 3 мм - 31 %, 2 мм - 23 %, 1 мм - 5 %, меньше 1 мм - 9 %) и электрофокорунда белого 30-32 % (фракция менее 1 мм). Для набивки нижнего слоя подины (150-170 мм) используют обычный магнезитовый порошок. Стойкость тигля составляет 30—50 плавок. Целесообразно применять для футеровки индукционных печей (особенно вакуумных) кристаллическую (плавленую) известь. На заводах Швеции индукционные 10-тонные печи футеруют набивкой из 90 % А1203 и 10 % MgO. При толщине стен 110 мм футеровка выдерживает до 110 плавок.
Большой интерес представляет разработка фирмы ASEA Metallurgy (Швеция), так называемая система индукционного нагрева «Calidus». Особенность системы «Calidus» — использование в конструкции стенок тигля нового материала из армированной керамики, разработанной фирмой ASEA. Этот материал имеет очень благоприятное сочетание электрических и механических свойств; он применяется для изготовления участка стенок тигля (между верхней частью и стальным днищем), который в процессе нагрева испытывает воздействие электромагнитного поля, что позволяет предотвратить нагрев стенок тигля. Новый композиционный материал имеет высокие механическую прочность и вязкость разрушения, низкие электропроводность, магнитную проницаемость, хорошие стойкость термическому удару и сопротивление циклическим изменениям температуры. Многослойная футеровка тигля «Calidus» аналогична футеровке тигля обычной конструкции. Стенка тигля «Calidus» состоит из трех основных слоев: внутреннего — керамического, среднего — из армированной керамики и наружного — предназначенного для предварительного напряжения армированной керамики, а также для обеспечения вакуум-плотной изоляции. Армированная керамика также является многослойной и может воспринимать рабочую нагрузку в разных направлениях. При разработке нового материала и конструкции стенок тигля обращали особое внимание на обеспечение безопасности при работе. Максимальная емкость тиглей «Calidus» составляет 25 т. В будущем предполагается увеличить их емкость.
Футеровка тигельных печей фасонными огнеупорами (кирпичная кладка) уже давно используется главным образом я США. Основная проблема кирпичной кладки заключается в том, что в швы недопустимо проникновение никакого металлического материала, потому что он будет там воспринимать индуктивную энергию и перегреваться и сможет пройти вплоть до обмоток. Кроме того, стоимость токай футеровки более высока (что складывается из стоимости материала и рабочего времени), а к квалификации персонала, изготовляющего футеровку, предъявляются гораздо более высокие требования. В России такие печей установлены на ЧМК.
Печать

РЕКЛАМА

Видео металлургия

Счетчики