Почему срок службы углеродистых кирпичей, используемых в дуговых печах, невелик?
В печах для переработки ферромарганцевой руды, в которых используется обычная углеродистая футеровка, часто наблюдаются локальные покраснения и прожоги на летке, стенках и днище печи, что вынуждает останавливать печь для проведения технического обслуживания. В данной статье анализируются факторы, вызывающие эти явления, с четырех сторон, чтобы изучить, как эффективно продлить срок службы печи с погруженной дугой и сэкономить расходы на техническое обслуживание.
Состояние применения углеродистых кирпичей в никеле-железной дуговой печи
До 2010 года во многих отечественных доменных печах для производства никеля и чугуна для возведения стен и подов печи использовались прямоугольные углеродистые кирпичи размером 400×400 мм. Однако срок службы углеродистых кирпичей, используемых для футеровки печей переработки никелевой руды, невелик и обычно не превышает 5 месяцев. Возьмем в качестве примера реальную ситуацию следующих двух производителей.
На заводе D во Внутренней Монголии параметры электропечи спроектированы в соответствии с параметрами печи для переработки никелевой руды. Основные части стенки и пода печи обработаны и сформированы из углеродистых кирпичей размером 400 ммX400 мм. Между углеродистыми кирпичами делаются канавки, а зазоры заполняются электродной пастой. Через пять дней после начала производства углеродистые кирпичи на дне печи под электродом всплыли, и печь была остановлена для замены футеровки.
На заводе «М» в Цзянсу дно печи построено из углеродистых кирпичей размером 400 мм X 400 мм X 800 мм, а углеродистые кирпичи прочно скреплены углеродистым клеем. Чтобы предотвратить всплывание углеродистых кирпичей, между двумя углеродистыми блоками устанавливаются растягивающие штифты, а на поверхность дна печи добавляется электродная паста для связывания. После более чем трех месяцев эксплуатации углеродистые кирпичи начали всплывать, поэтому печь пришлось остановить и заменить футеровку.
На заводе Fujian Factory B для стенок печи и пода печи используются ультрамикропористые углеродистые кирпичи. Углеродистые кирпичи (блоки) прочно скреплены углеродистыми клеями. Из схемы кладки печи видно, что контактные поверхности углеродистых кирпичей пода печи размером 400 мм×400 мм обработаны в противосплавные фаски, а срок службы составляет около 7 месяцев. Говорят, что это вызвано слишком высокой температурой корпуса печи. После того, как вся печь будет выкопана, необходимо осмотреть повреждения углеродистых кирпичей на стенках и днище печи.
Факторы, влияющие на срок службы углерода для никель-железных дуговых печей
Никель-железная доменная печь построена из углеродистых огнеупорных материалов и имеет короткий срок службы, что может быть связано со следующими факторами.
- (1) В процессе строительства из углеродистого кирпича обычно используется электродная паста. Углеродистые кирпичи скрепляются между собой наполнителями или углеродистыми связующими. Под воздействием высокой температуры электродная паста или связующее вещество будут выделять летучие вещества, которые приведут к появлению микротрещин между углеродистыми кирпичами. Удельный вес углеродистых кирпичей обычно составляет 1,55~1,65 т/м3, тогда как удельный вес никелевого железа составляет 7,8 т/м3. Никелевое железо обладает высокой проницаемостью, и жидкий никельсодержащий железо может легко проникать в нижнюю часть углеродистых кирпичей на дне печи через различные швы, заставляя углеродистые кирпичи всплывать.
- (2) Слой материала имеет плохую электропроводность в процессе плавки никеля и железа. Поэтому обычно используются более высокие вторичные напряжения. Более того, шлак обладает хорошей текучестью и может напрямую контактировать со стенкой угольной печи, позволяя току образовывать цепь между углеродистыми кирпичами стенки печи, углеродистыми кирпичами пода печи, расплавленным чугуном, шлаком и электродами, заставляя углеродистые кирпичи нагреваться. Также усилится эффект обратки потока в углеродистых кирпичах в нижней части печи. Жидкий никель-железо проникает в швы между кирпичами, заставляя кирпичи всплывать.
В частности, на срок службы углеродистых кирпичей для доменных печей из никель-железобетона влияют следующие факторы.
Основные характеристики углеродистых огнеупорных материалов
С точки зрения характеристик углеродистых огнеупорных материалов, в связи с тяжелыми условиями работы футеровки электродуговой печи, применяемые конструкционные материалы печи во многом определяют срок службы футеровки, особенно ее физико-химические показатели, являющиеся предпосылкой для оптимизации.
1.2 Физические и химические свойства углеродсодержащих огнеупорных футеровочных материалов
Углеродсодержащие материалы, используемые в футеровке угольных печей, в основном представляют собой углеродистые кирпичи и электродную массу. В процессе плавки высокотемпературная реакционная зона в печи и печь, в которой находится жидкий шлак, непосредственно контактируют с углеродистыми кирпичами и заваренной электродной пастой (называемой пастой для швов), заполняющей стыки углеродистых кирпичей. Преимущества углеродистых кирпичей и кладочных масс — высокая огнеупорность. После высокотемпературной прокалки температура размягчения углеродистых кирпичей также относительно высока, выше 2000 ℃, теплопроводность относительно высока, теплопроводность и рассеивание тепла хорошие, и они относительно стабильны в восстановительной атмосфере. Недостатком является то, что он имеет очень низкую стойкость к окислению при высоких температурах (более 600°C), слабую кислотостойкость и плохую стойкость к науглероживанию металла.
1.2 Физические и химические свойства глиняного кирпича
Глиняные кирпичи плохо противостоят воздействию высокотемпературных шлаков и жидких металлов. Если углеродистая футеровка печи повреждена, огнеупорные кирпичи не выдерживают эрозии шлакового железа при высоких температурах, часто краснеют и в конечном итоге прогорают футеровку печи и подину печи.
Анализ коррозионной стойкости футеровки углеродистой печи
2.1 Условия высоких температур
Температура плавления высокоуглеродистого ферромарганца составляет 1245~1300 ℃, а температура плавления шлака — 1270~1300 ℃, и она изменяется в зависимости от изменения основности. Для обеспечения плавного выпуска чугуна и слива шлака требуется определенная степень перегрева, но температура не должна превышать 2000℃. Если исключить прямой контакт с дуговым светом, угольная печь может удовлетворить требования выплавки высокоуглеродистого ферромарганца.
2.2 Шлакостойкость
Основность высокоуглеродистого ферромарганцевого шлака обычно составляет 0,2–0,8, что соответствует кислотности. Обычная углеродистая футеровка имеет низкую стойкость к шлакам. В то же время шлакообразующий флюс заменит оксид металла MnO в руде и освободит его, который легко восстанавливается напрямую при контакте с углеродом и реагирует:
3MnO+4C=Mn3C+3CO(6)
Это приведет к коррозии углеродистых кирпичей и герметика.
2.3 Антижидкий металл
Степень науглероживания высокоуглеродистого ферромарганца обычно составляет 7–7,5%. С увеличением количества жидкого сплава растворимость углерода в расплаве будет увеличиваться. С изменением температуры и щелочности MnO будет непрерывно обогащаться, а плавление и проникновение углеродистых кирпичей футеровки печи в жидкий металл будет продолжаться. В то же время, при регулярном сливе жидкого металла и шлака, происходит слив науглероженного до насыщения высокоуглеродистого ферромарганцевого расплавленного железа, а ненасыщенный металл приближается к углеродистой футеровке, вызывая новый виток движения поглощения углерода, что приводит к непрерывной эрозии углеродистых кирпичей на стенках и подине печи. После многочисленных непредвиденных остановок и анализа вскрытия печи была обнаружена кривая эрозии углеродистой футеровки, показанная на рисунке 1. Если углерод в расплавленном металле ненасыщен, очень легко «поглотить углерод» из углеродистой футеровки печи и повредить углеродистые кирпичи и шовную пасту, что часто называют «эрозией расплавленного железа».
Анализ традиционного метода кладки печи
При традиционном методе кладки из углеродистого кирпича первый слой углеродистых кирпичей укладывается сверху вниз на плоском днище летки печи, по мере протекания времени плавки углеродистые кирпичи летки (плоские углеродистые кирпичи проточного канала) выгорают, и вся летка перемещается вниз. Если опустить его невозможно, плавильный процесс прибегает к сдавливанию и вставке электродов для выпуска чугуна, что ускоряет горение и эрозию углеродистых кирпичей на дне печи и значительно сокращает срок службы всей футеровки печи. Кроме того, использование искусственно приготовленной электродной пасты для заполнения швов углеродистого кирпича часто приводит к появлению слабых мест в футеровке печи из-за низкого качества пасты и времени ее промывки, что может сократить срок службы футеровки печи.
Традиционные привычки работы
Вредные привычки при эксплуатации, такие как использование горелки для прожигания выпускного отверстия, продувка кислородом, а также подъем и вставка электродов во время выпуска чугуна, усугубили повреждение футеровки печи. В то же время двухступенчатый метод производства высокоуглеродистого ферромарганца часто использует операцию с небольшим дефицитом углерода, из-за чего электрод может легко оказаться слишком длинным, а сильный свет дуги напрямую повредит углеродистые кирпичи на дне печи.
