Футеровка дуговой сталеплавильной печи

Футеровка дуговых сталеплавильных печей состоит из трех ос­новных частей: подины, кладки стен и свода.

Основанием футеровки, вмещаю­щим ванну печи, служит подина, иг­рающая существенную роль при плавке стали. Она работает в тя­желых тепловых и механических условиях. На раскаленную подину укладывается при загрузке холод­ная шихта; подина испытывает рез­кие температурные колебания, уда­ры и давление, поэтому она должна иметь необходимую механическую прочность при температуре 800—1000°С. При перемешивании жидкой ванны подина подвергается размы­вающему действию расплавленной стали. Наконец, подина должна иметь тепловое сопротивление, до­статочное для того, чтобы обеспе­чить минимальный температурный перепад по глубине ванны. Тепло в печи выделяется в дугах, у поверх­ности металла, и тепловой поток направлен от поверхности к подине. При установившемся тепловом ре­жиме ванны значение этого тепло­вого потока определяется тепловы­ми потерями через подину, которые обусловливают температурный пере­пад по высоте металла. Поэтому подину дуговой печи выполняют из трех слоев (рис. 1.4): внутреннего набивного, необходимого для того, чтобы образовать ванну со стен­ками, непроницаемыми для жидкого металла; среднего, состоящего из кирпичной огнеупорной кладки и воспринимающего механическую на­грузку от набивного слоя; наружного теплоизоляционного слоя, работа­ющего в более легких тепловых условиях и обеспечивающего необ­ходимое тепловое сопротивление подины.

Для «основных» печей внутренняя и средняя части подины выполняются из магнезита или до­ломита, для «кислых» печей — из динаса и кварцевого песка. Наруж­ная часть кладки (теплоизоляция) выполняется из шамотового или диатомитового порошка и асбеста. Подину основной дуговой стале­плавильной печи готовят следую­щим образом: на металлический каркас дна печи укладывают слой листового асбеста толщиной около 20 мм или насыпают слой шамот­ного или диатомитового порошка толщиной 30—40 мм.

Рис. 1.4. Футеровка дуговой сталеплавильной печи типа ДСП-200:   1 — асбест; 2 — порошок; 3 — шамотный кирпич; 4 — огнеупорный кирпич; 5 — набивной слой; 6 — свод

На этот под­готовительный слой, скрывающий все неровности кожуха (например, сварочные швы), укладывают «на плашку» в один - два слоя шамотные кирпичи (рис. 1.5, б), а на них «на ребро» несколько (в зависимости от размера печи) рядов огнеупорного кирпича (рис. 1.5, в). Магнезитовые кирпичи укладывают без раствора, тщательно притирая их друг к дру­гу. Швы и ряды кирпичей пересыпа­ют мелким магнезитовым порошком; для лучшего заполнения швов кладка каждого ряда простукивается деревянными молотками. Ряды кирпичей должны взаимно пере­крываться, т. е. швы соседних рядов не должны совпадать.

Через каждые пять — восемь кир­пичей (рис. 1.5, б и в) в обоих направлениях необходимо делать температурные швы шириной 3—4 мм. Набивной слой подины пред­ставляет собой массу, состоящую из магнезитового или доломитового порошка или их смеси, связанных каменноугольной смолой или жид­ким стеклом. Так как в нашей стране маг­незитовый порошок достаточно де­шев, а подины на доломите менее стойки, последний в футеровках оте­чественных печей почти не применя­ется.

Толщина набивки составляет 150 мм у небольших печей и дохо­дит до 250 — 300 мм у самых круп­ных. Перед набивкой подины кладку хоро­шо просушивают. Магнезитовый порошок просеивают и смешивают с предварительно обезвоженной каменноугольной смолой. Обычно количество смолы составляет 10—12 % по массе.

а б в

Рис. 1.5. Температурные швы в кладке ДСП: а— стенка; б и в— подина

Смесь магнезита со смолой, подогретую до 80—85°С, насыпают слоем до 25 мм на очищенную и промазанную смолой поверхность кладки, подогретую до 60—70°С. Массу трамбуют пневматически­ми трамбовками, бойки которых время от времени подогревают. Затем наносят сле­дующие слои такой же толщины, пока не будут достигнуты нужная толщина и кон­фигурация набивной части подины и отко­сов.

Так как набивка подины на смоле яв­ляется длительной операцией, занимающей 10—12 смен, и связана с необходимостью варки смолы, в основных печах все шире применяют набивку подин на жидком стек­ле. В этом случае магнезитовый порошок смешивают с 6 % жидкого стекла, нагретого до 50—60°С, в количестве, необходимом для того, чтобы смесь образовывала при сжатии рукой прочный комок. Смесь насы­пают на подогретую и смазанную жидким стеклом кладку слоями 25 — 30 мм и уплот­няют вручную легкими трамбовками. Вре­мя, необходимое на набивку подины на жидком стекле, в 3 — 4 раза меньше, чем при набивке на смоле. Кроме того, такая подина не науглероживает металл первых плавок.

Подина, набитая на смоле и жидком стекле, выдерживает до 1500 плавок, а иногда и больше. Большой срок службы-подины обеспечивают тем, что после каж­дой плавки ее и откосы «заправляют» — забрасывают в образовавшиеся ямы и вы­боины магнезитовый порошок или размо­лотые отходы магнезитового кирпича с не­большими добавками огнеупорной глины и металлической стружки или окалины. По­падая на раскаленную поверхность подины, эта масса приваривается к ней, и первона­чальная конфигурация подины восстанавли­вается. В малых печах подину заправляют вручную, в крупных — с помощью специаль­ной установки.

После набивки подину прогревают и сушат сначала с помощью костров из дров и кокса, а затем дугами, зажженными меж­ду электродами печи и положенными на ее подину кусками электродного боя. Сушка длится 6—12 ч.

Стены основной печи обычно выкладывают из магнезитового кир­пича всухую с пересыпкой швов магнезитовым порошком. Так как ванна печи имеет круглую форму, то, кроме нормальных кирпичей, применяют фасонные. Они более стойки по сравнению с тесаными, поэтому теску кирпичей желательно свести к минимуму. Через каждые 1200—1500 мм в стенах оставляют вертикальные температурные швы шириной 10—15 мм радиального направления, заполненные толем (рис. 1.5, а).

Стены, имеющие небольшой ук­лон от вертикали, долговечнее. В малых печах такую форму придают стенам при цилиндрическом кожухе за счет их утончения вверху. В бо­лее крупных печах кожух выполня­ют цилиндроконическим, расширяю­щимся кверху, или ступенчатым с доведением угла наклона нижней части стен до 25°.

Теплоизоляционный слой стен состоит из листа асбеста толщиной 10—15 мм, слоя диатомитового по­рошка толщиной 30—40 мм и слоя шамотного кирпича 65 мм. Слой порошка является не только тепло­изолирующим, но и амортизирую­щим, воспринимающим давление стен при их расширении. Теплоизо­ляция стен в настоящее время не применяется.

В последнее время нашли приме­нение также так называемые ар­мированные магнезитовые кирпичи, как бы упакованные с четырех сто­рон в тонкие стальные кассеты. Об­разующиеся при окислении кассет окислы железа заполняют швы и, компенсируя усадку кирпичей, свя­зывают их. Иногда вместо кирпичей в горизонтальных швах в каждом ряду укладывают жестяные прок­ладки.

Стойкость стены основных пе­чей несравненно ниже, чем подины. Стены из магнезитовых кирпичей работают 80—100 плавок в крупных печах и до 150—200 плавок в мел­ких. Стены из армированных кирпичей работают 150—250 плавок. Большие цифры относятся к малым печам и менее теплонапряженным процессам плавки.

Рабочие окна печи обрамляют столбиками и перекрывают аркой из одного или двух рядов кирпича «в перевязку» (рис. 1.6).

Отноше­ние стрелы арки к ее ширине h/bре­комендуется брать для магнезито­вых кирпичей равным 1/7—1/8. Срок службы арок должен соответ­ствовать сроку службы стен. Для его увеличения иногда прибегают к охлаждению арки, помещая надней водоохлаждаемые змеевики, за­мурованные в кладку. Иногда внут­реннюю часть арки заменяют пере­крывающей пролет рабочего окна стальной водоохлаждаемой короб­кой.

Своды основных печей не вы­кладывают из магнезитовых кирпи­чей. На малых печах их делают из специального электродинаса. Объяс­няется это тем, что динас имеет большую прочность при высоких температурах, кроме того, он при нагреве расширятся, в то время как магнезитовый кирпич при нагреве сжимается, и выложенный из него свод может провалиться. Однако стойкость динасовых сводов в основных печах нельзя признать достаточной.

Рис. 1.6. Виды кладки арок над рабочими окнами электропечей

Взамен динаса в отечественной практике преимущественно начинает применяться термостойкий хромомагнезит, запасы сырья для которо­го в России весьма велики. Своды из такого кирпича служат в 1,5—2 раза дольше динасовых и в нас­тоящее время широко применяются на печах отечественных металлур­гических заводов. Недостатками хромомагнезита являются его высо­кая теплопроводность и большая плотность по сравнению с динасовым, что приводит к утяжелению сводов.

Своды дуговых печей выклады­вают вне печи на специальном дере­вянном, обитом листовой сталью, или на отлитом из чугуна шаблоне, имеющем форму внутренних очер­таний свода. На шаблоне устанав­ливают в местах, где должны нахо­диться отверстия для электродов, три цилиндрические болванки для соблюдения правильности расположения сводовых отверстий. Так же фиксируют и отверстия для газоот­вода и кислородной фурмы, если они располагаются на своде.

	На шаблон кладут сводовое кольцо (рис. 1.6) и приступают к укладке кирпичей. Своды выкладываются из фасонных кирпичей и нормаль­ных, часть которых приходится подтесывать. Одна из схем наборки свода показана на рис. 1.7.
Рис. 1.6. Шаблон для кладки свода дуго­вой печи:   1 — сводовое кольцо; 2 — опалубка; 3 — болванки для электродных отверстий

Своды из фасонных кирпичей служат доль­ше, так как подтеска кирпичей ос­лабляет их; кроме того, сборка сво­дов из фасонных кирпичей требует значительно меньше времени. При применении фасонов можно сред­нюю, наиболее быстро разрушае­мую часть свода делать более тол­стой и тем самым увеличить срок ее службы.

Рис. 1.7. Выкладка свода дуговой печи из нормального кирпича и фасонов (с обозначением марок фасонного кирпича)

В особо тяжелых условиях оказалась, футеровка крупных ДСП при переводе их на сверхвысокую мощность. Несмотря на перевод таких печей на работу по оконча­нии расплавления на более низкое напря­жение и, следовательно, на короткие дуги, разгар футеровки в «горячих точках» про­тив электродов стал недопустимым, вызы­вая чересчур частые ремонты и увеличение расхода огнеупоров. Борьба с разгаром футеровки велась по двум направлениям. Одно из них — поиск новых, более стойких огнеупорных материалов. В нашей стране широко применяется термостойкий хромомагнезитовый кирпич не только для сво­дов, но и для выкладки стен печей. За рубежом распространено приме­нение плавленого магнезита в виде зерен для набивки подин и блоков и пиленых из плавленого магнезита кирпичей, смолодоломитовых и смоломагнезитовых огнеупор­ных изделий, а также высокоглиноземистых кирпичей на базе бокситов.

Другим направлением явилось сниже­ние толщины футеровки. Вообще теплоизо­ляция дуговых печей значительно более тонкая по сравнению с печами сопротивле­ния. Поэтому температура на кожухах ду­говых печей достигает 150 — 180°С, а на наружной поверхности свода 300°С; при износе футеровки (перед ремонтом) темпе­ратуры еще выше. Объясняется это тем, что огнеупорные материалы работают в дуго­вых печах на пределе своих возможностей, обращенные внутрь печного пространства слои кирпичей не имеют достаточной проч­ности, чтобы выдерживать приходящиеся на них усилия, и последние воспринимают­ся поэтому наружными, более холодными частями кирпича. Теплопроводность огне­упорных материалов велика, и если снаб­дить печь хорошей теплоизоляцией, то пе­репад температур в огнеупорном слое уменьшится и температура наружных слоев огнеупорных кирпичей повысится до вели­чины, близкой к температуре внутренних слоев. Таким образом, с точки зрения по­вышения стойкости футеровки желательно увеличение ее охлаждения, но последнее приносит рост тепловых потерь. Однако у крупных современных печей тепловые по­тери корпуса печи вообще малы, состав­ляя 5—7 % общей затраты тепла. Поэтому именно у этих печей целесообразным ока­залось снижение толщины как футеровки стен, так и свода иподины. В настоящее время предусмат­ривается снижение толщины стен мощных печей с 500—600 до 300—340 мм и подины с 900—1000 до 600 мм.

В Японии были проведены интересные опыты по водяному охлаждению наиболее горячих точек футеровки стен печей. Наи­лучшие результаты были получены при применении несколько выше уровня жидко­го металла сплошного пояса, состоящего из медных, охлаждаемых водой кессонов. Ока­залось, что при работе печи весьма скоро на внутреннюю поверхность кессона на­брызгивается слой шлака, образующий малотеплопроводящее покрытие, защищающее материал кессона от коррозии и снижающее тепловые потери, составляющие около 150 кВт∙ч/м² или 10 кВт∙ч/т, в то время как стоимость более частого ремонта футе­ровки превышает стоимость этого дополни­тельного расхода электроэнергии. Срок службы водоохлаждаемых кессонов определяется в 3000 ч.

В дуговых печах, работающих «кислым процессом», огнеупором служит динас. Подину печи изготав­ливают так же, как и у основных пе­чей, но вместо магнезитовых кирпи­чей кладут динасовые, а набивку делают из кварцевого песка на жидком стекле. Свод, стены, арки и столбики кислых печей выклады­вают из нормальных или фасонных динасовых кирпичей. Так как динасовый кирпич при нагреве расширя­ется, совершенно необходимо остав­лять в кладке температурные швы через каждые несколько кирпичей и закладывать в швы куски фанеры или толя, которые при разогреве выгорают, тем самым позволяя рас­ширяться кирпичам. Такие про­кладки ставят и в своде, и в кладке стен и подины.

В кислой печи кладка работает в значительно более легких усло­виях, чем в основной печи, так как здесь период пребывания в печи жидкого металла, когда темпера­турные условия особенно тяжелы, сравнительно невелик. Поэтому в ней стойкость футеровки значитель­но выше: подина служит более 1500, стены — до 200, а своды иног­да до 300—400 плавок.