Доменная печь для производства чугуна и способ ее функционирования - RU2210599C2
Код документа: RU2210599C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к доменной печи для производства чугуна, которая содержит, по меньшей мере, в горновой части, футеровку из толстолистовой стали, внутри которой находится, по меньшей мере, один слой огнеупорной кирпичной кладки, причем футеровка из толстолистовой стали соединена со слоем (слоями) кирпичной кладки с помощью швов, заполненных связывающим раствором и/или набивной массой, чтобы образовать единую конструкцию. Горновая часть доменной печи часто имеет наружную систему охлаждения.
В современных доменных печах большой емкости, предназначенных для достижения все более высоких уровней выплавки чугуна при повышенном давлении газа, очень важно, чтобы период между восстановительными ремонтами кирпичной кладки был как можно продолжительнее. Однако это может создавать проблемы, в частности, в зоне горна.
Кирпичная кладка, особенно в горне, подвержена воздействию как газовой атмосферы в печи, так и материалов расплавленного металла и/или жидкого шлака, присутствующих в этой зоне. Газовая атмосфера может вызывать химическую коррозию кирпичной кладки, часто щелочную коррозию, тогда как жидкий чугун может оказывать комбинированное влияние, включающее воздействие высокой температуры, химическую коррозию и механическую коррозию. Такое влияние частично обусловлено тем, что жидкий чугун часто не насыщен углеродом и поэтому имеет склонность растворять углерод из кирпичей.
Для структуры кирпичной кладки горна важно, чтобы кирпичи не выкрашивались на горячей стороне при высокой температуре из-за их склонности к тепловому расширению. Было обнаружено, что углеродосодержащие материалы, например графит и полуграфит, наиболее устойчивы к выкрашиванию в таких условиях, но химический состав этих материалов также обусловливает их подверженность коррозии под действием жидкого чугуна, который может быть насыщен или не насыщен углеродом. Эта подверженность коррозии проявляется в основном тем, что упомянутые углеродосодержащие материалы растворяются в жидком чугуне.
Было обнаружено, что кирпичи не подвергаются воздействию жидкого чугуна, если на внутренней стороне кирпичной кладки образуется твердый слой на основе смеси разных комбинаций затвердевшего чугуна, шлака и частиц кокса. Эта так называемая "настыль" образуется на кирпичной кладке при температуре в интервале менее чем 1100-1150oС. Кроме того, образование настыли также зависит от скорости, с которой жидкий чугун стекает в горн. Поскольку жидкий чугун выпускается из горна периодически только в нескольких местах разливки из печи, его поток имеет не только вертикальную составляющую, но также и окружную составляющую по направлению вдоль окружности печи, в результате чего чугун движется вдоль кирпичной кладки с более высокой скоростью. Этот протекающий рядом чугун склонен растворять настыль в этой зоне. Если бы можно было сохранять горячую сторону кирпичной кладки достаточно холодной за счет довольно эффективной теплоотдачи через нее, то настыль, образующаяся на кирпичной кладке, была бы всегда достаточной для защиты кладки от коррозии.
Следует отметить, что в доменных печах часто возникает явление так называемого "мертвяка", т.е. образования внутри горна твердой пробки, состоящей преимущественно из кокса и чугуна. Если этот "мертвяк" имеет обширные размеры и низкую пористость, то скорость циркуляции жидкого чугуна вдоль кирпичной кладки будет возрастать и, следовательно, воздействие на настыль будет интенсифицироваться. При этом необходима еще более интенсивная теплоотдача через кирпичную кладку, чтобы поддерживать достаточно низкую температуру на ее горячей стороне для сохранения настыли на месте.
Обеспечение теплоотдачи от кирпичной кладки горна с помощью плоских охладительных коробок, которые входят глубоко в кирпичную кладку и через которые протекает вода, или с помощью так называемых "холодильников", расположенных внутри футеровки из толстолистовой стали, имеет свои недостатки. Если настыль в этой зоне упадет или расплавится и часть кирпичной кладки растворится, то жидкий чугун сможет вступить в контакт, например, с такой водоохлаждаемой медной плоской охладительной коробкой, которая глубоко входит в кирпичную кладку. В такой ситуации медь плоской охладительной коробки может проплавиться, и тогда протечка воды в печь может вызвать взрыв, за которым последует разрушение стены. По этим причинам часто является предпочтительным выполнить футеровку из толстолистовой стали в конструкции стены внешним охладительным элементом для охлаждения горна. Как правило, такой охладительный элемент представляет собой систему оросительного охлаждения, с помощью которой можно поддерживать температуру футеровки из толстолистовой стали приблизительно на уровне 50oС. При температуре футеровки из толстолистовой стали, приблизительно, 50oС не всегда представляется возможным поддерживать температуру горячей стороны кирпичной кладки ниже, приблизительно, 1100oС, даже если используются кирпичи, выполненные из графита и/или полуграфита, которые имеют хорошую удельную теплопроводность. В этом случае следует отметить, что кирпичная кладка должна иметь достаточную толщину, чтобы опасность случайного проникновения через нее удерживалась на достаточно низком уровне.
Было обнаружено, что швы, заполненные связывающим раствором или набивной массой, создают существенное препятствие для теплоотдачи через кирпичную кладку. Наружный слой кирпичей обычно помещают против футеровки из толстолистовой стали, а между ними находится связывающий раствор или набивная масса, при этом толщина швов, заполненных связывающим раствором, может составлять, например, 3-5 мм, а толщина шва, заполненного набивной массой, может составлять, например, 30-120 мм. Такой шов служит частично для компенсации размерных отклонений футеровки из толстолистовой стали и частично для того, чтобы обеспечить тепловой контакт между футеровкой из толстолистовой стали и наружным слоем кирпичной кладки. Если в конструкции стены в радиальном направлении используется несколько слоев кирпича, то также необходимо образовать перемычку между этими слоями, и для этой цели обычно используется набивная масса. В любом случае, как и шов непосредственно за футеровкой из толстолистовой стали, этот шов может также служить в качестве компенсационного шва. Этот шов может иметь ширину, например, 50 мм. Было обнаружено, что швы, заполненные связывающим раствором или набивной массой, могут отвечать за 50-80% всего теплового сопротивления, создаваемого кирпичной кладкой для наружной стороны футеровки из толстолистовой стали, если кирпичная кладка содержит кирпичи с λ> 20 Вт/мoС. Эта проблема может усугубиться, если эта конструкция "дышит". Например, при возникновении значительного перепада температур в футеровке из толстолистовой стали шов, заполненный набивной массой, может раскрыться, что приведет к возникновению изоляционного газового слоя. Подобное явление может иметь место, если тепловой эффект разных кирпичей приводит к тому, что шов, содержащий набивную массу, остается недостаточно плотным.
В основу настоящего технического решения положена задача решить перечисленные выше проблемы, в частности, повысить теплоотдачу от горячей стороны кирпичной кладки настолько, чтобы на ней могла постоянно образовываться настыль. Изобретение заключается в том, что в горновой части доменной печи предусмотрены металлические брусья, проходящие в окружном направлении внутрь футеровки из толстолистовой стали и выступающие в стену, причем каждый из брусьев соединен с наружной стороной футеровки из толстолистовой стали с помощью двух горизонтально разнесенных крепежных средств, каждое из которых отдельно проходит через футеровку из толстолистовой стали, при этом крепежные средства снабжены средствами предварительного напряжения для создания усилия предварительного напряжения, чтобы каждый брус оставался постоянно прижатым к кирпичам для сохранения межповерхностного контакта вдоль горизонтальной и вертикальной поверхностей между металлическими брусьями и кирпичами во время работы. Эта комбинация повышения удельной теплопроводности через металлические брусья с прямым межповерхностным контактом между металлическими брусьями и кирпичами вдоль горизонтальной и вертикальной поверхностей в результате присоединения металлических брусьев с помощью средств предварительного напряжения в значительной степени уменьшает тепловое сопротивление частей этих швов. Следует отметить, что вертикальное присоединение брусьев необходимо для того, чтобы гарантировать, что после сборки стены межповерхностный контакт между брусьями и кирпичами будет сохраняться, даже если тепловое расширение вынудит кирпичи слегка переместиться в вертикальном направлении.
Тепловое сопротивление этой конструкции можно также дополнительно уменьшить, если брусья будут также предварительно напряжены в радиальном направлении относительно футеровки из толстолистовой стали, чтобы сохранить межповерхностный контакт вдоль вертикальных поверхностей с кирпичами во время работы. Любой имеющийся шов можно при этом уменьшить до нуля, и в этом случае тепловое сопротивление шва также будет очень низким. В частности, этот последний эффект можно обеспечить, если предусмотреть средства предварительного напряжения для удержания брусьев прижатыми к кирпичам в радиальном направлении.
Ясно, что существует также тепловое сопротивление между металлическими брусьями и футеровкой из толстолистовой стали. Однако этот эффект будет ничтожен, если согласно изобретению металлические брусья будут охлаждаться. Одной из возможностей достижения этого эффекта является то, что металлические брусья и/или их крепежные средства сконструированы, по меньшей мере, частично, в виде так называемых "тепловых труб". Тепловые трубы представляют собой общеизвестные конструкционные элементы, в которых внутри закрытой полости находится жидкость и паровая фаза этой жидкости. Это позволяет интенсивному потоку тепла проходить через тепловые трубы. Согласно другому варианту осуществления изобретения металлические брусья имеют канал и средства подвода и выпуска, которые подсоединены к контуру циркуляции хладагента. Прямое охлаждение металлических брусьев означает, что больше нет необходимости отводить тепло от этих брусьев через футеровку из толстолистовой стали. Предпочтительно, чтобы металлические брусья были выполнены из металла, который содержит преимущественно медь. Это обеспечивает хорошую удельную теплопроводность, а брусья, снабженные каналом, легко изготавливаются из меди. Важно, чтобы эти брусья имели некоторую индивидуальную подвижность. Так как тепловые перемещения, которые должны поглощаться этой подвижностью, очень незначительные, это не создает каких-либо больших конструкционных проблем. В возможном варианте осуществления изобретения брусья внутри футеровки из толстолистовой стали расположены в виде разорванных колец и/или со сдвигом. Согласно другому варианту осуществления изобретения брусья внутри футеровки из толстолистовой стали образуют кольца, которые содержат, по меньшей мере, 10, предпочтительно, 30-50 брусьев. Согласно возможному варианту выполнения новой конструкции стены брусья имеют на горячей стороне стены криволинейную поверхность, которая соответствует локальному радиусу кривизны стены. Согласно другому варианту изобретения брусья могут иметь на горячей стороне стены плоские поверхности, которые совместно образуют правильный многоугольник. Это также позволяет придать кирпичам плоские контурные поверхности по наружной радиальной стороне. В результате можно обеспечить хороший уровень теплового контакта между брусьями и кирпичами, которые прилегают к ним в радиальном направлении.
Для обеспечения хорошего уровня межповерхностного контакта вдоль горизонтальных поверхностей между брусьями и кирпичами и по другим причинам конструкционного характера желательно, чтобы брусья простирались на 15-30 см в радиальном направлении от футеровки из толстолистовой стали. Кроме того, согласно изобретению предпочтительно, чтобы брусья располагались вертикально на расстоянии 40-30 см друг от друга.
Согласно другому возможному варианту предложенной доменной печи кирпичная кладка в радиальном направлении содержит один слой кирпичей, имеющих разную длину и подходящих вплотную к футеровке из толстолистовой стали и к брусьям. Преимущество такой конструкции заключается в отсутствии мешающего зазора, содержащего набивную массу.
Согласно другому предпочтительному варианту конструкции доменной печи, кирпичная кладка в радиальном направлении содержит два слоя кирпичей, шов между которыми для каждого горизонтального слоя кирпичей смещен в радиальном направлении. В этом случае отсутствует непрерывный шов, а кирпичи наружного слоя и внутреннего слоя прилегают друг к другу, образуя межповерхностный контакт вдоль горизонтальных плоскостей. В результате передача тепла происходит непосредственно через эти горизонтальные поверхности от внутреннего (в радиальном направлении) слоя кирпичей к наружному (в радиальном направлении) слою кирпичей.
Если швы все же присутствуют в предложенной конструкции доменной печи, например, между футеровкой из толстолистовой стали и брусьями, между футеровкой из толстолистовой стали и кирпичами и между кирпичами, прилегающими друг к другу в радиальном направлении, то эти швы могут быть согласно изобретению заполнены пластичным составом, имеющим высокую удельную теплопроводность. Однако кирпичи можно также поместить всухую на футеровку из толстолистовой стали. Состав такого типа можно получить, если он содержит смоляной компонент, который испаряется только при высокой температуре. Благодаря этому смоляному компоненту состав сохраняет свою пластичность в шве. При изменении формы шва без сопутствующего изменения объема состав, который сам по себе имеет хорошую теплопроводность, будет сохранять хороший плотный контакт с компонентами, образующими шов. Дополнительное повышение удельной теплопроводности можно обеспечить, если используемый состав также содержит металл или металлический сплав с температурой или температурным интервалом плавления от 200 до 1100oС, предпочтительно от 200 до 660oС. Олово, например, плавится, приблизительно, при 230oС, в результате чего в шве затем образуются металлические тепловые перемычки. Такой же эффект можно обеспечить, например, расположив олово в тех швах, которые проходят радиально между кирпичами, т. е. в швах между кирпичами, лежащими рядом друг с другом в окружном направлении на одном и том же уровне. Часто кирпичи укладываются с тонким слоем связывающего раствора между ними, но этот слой связывающего раствора затем также образует тепловую перемычку. В частности, если поток тепла идет не только в радиальном направлении, как это имеет место, например, при разливке металла из печи только через ограниченное число леток, важно, чтобы не было значительного теплового сопротивления в окружном направлении кирпичной кладки.
Предложенное изобретение позволяет обеспечить постоянную защиту кирпичной кладки настылью. В результате очень существенно снижается риск, существующий при использовании для кирпичей графита и/или полуграфита, и/или углеродосодержащего материала, имеющего поры размером ≤ 1 мкм и коэффициент теплопроводности λ>15 Вт/мoС, и поэтому также предпочтительно использовать кирпичи такого характера, поскольку кирпичи, выполненные из этих материалов, крошатся под влиянием тепловых напряжений при гораздо более высоких температурах, чем другие огнеупорные материалы, а также имеют очень высокую удельную теплопроводность.
Изобретение также относится к способу функционирования доменной печи. Этот способ позволяет при идентичной толщине кирпичной кладки обеспечить гораздо более высокое рассеяние тепла, в результате чего можно достичь более низкой температуры на горячей стороне кирпичной кладки. При этом рекомендуется установить такую скорость потока жидкости, циркулирующей через брусья, при которой теплоотдача составит >50% всего тепла, отдаваемого стеной.
В дальнейшем изобретение поясняется его подробным описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи, на
которых:
на фиг.1 изображен схематический вид обычной конструкции стены доменной печи,
фиг.2 - детализированный вид изобретения в продольном сечении,
фиг.3 - поперечное
сечение по линии III-III на фиг.2 в другом масштабе,
фиг. 4 - детальный вид части IV на фиг.1, выполненной согласно изобретению.
На фиг. 1 показан схематический вид в продольном сечении части стены горна доменной печи. Цифрой 1 обозначена ось горна, а цифрой 2 - футеровка из толстолистовой стали. Футеровка 2 из толстолистовой стали охлаждается с помощью потока воды 3 из системы оросительного охлаждения. За футеровкой 2 из толстолистовой стали последовательно располагаются шов 5, наружный (в радиальном направлении) слой 6 огнеупорной кладки, второй шов 7, внутренний (в радиальном направлении) слой 8 кладки и настыль 9. На этой фигуре также схематически показано твердое тело из кокса и затвердевшего чугуна 10, которое также известно специалистам как "мертвяк". При разливке металла из доменной печи жидкий чугун течет через горн в направлении "а" вниз и в окружном направлении "b", которое обусловлено тем, что чугун выпускают только в нескольких местах, расположенных вокруг окружности печи. Так называемая настыль представляет собой отвердевший материал, состоящий преимущественно из кокса и чугуна.
Только в целях иллюстрации и безотносительно к изобретению в нижней части фиг. 1 показана температурная шкала, демонстрирующая температурный профиль, проходящий через конструкцию стены от водоохлаждаемой внешней стороны футеровки 2 из толстолистовой стали до жидкого металла между настылью 9 и "мертвяком" 10.
Хотя на практике обычно стремятся сделать шов 5, заполненный связывающим раствором, и шов 7, заполненный набивной массой, как можно тоньше, тем не менее на температурной шкале видно, что значительная часть разности температур между охлаждающей водой и жидким чугуном возникает из-за швов 5 и 7. Чтобы достичь достаточно низкой температуры на месте настыли 9, согласно изобретению поставлена задача как можно больше повысить теплоотдачу через конструкцию стены, а для этого уменьшить значительные перепады температуры, вызванные швами 5 и 7.
На фиг. 2 показана в увеличенном масштабе часть стены в соответствии с фиг.1, выполненной в соответствии с изобретением. На внутренней стороне футеровки 2 из толстолистовой стали и на внутренней стороне шва 5 показаны кирпичи 15, 16 и 17 кирпичной кладки 6. Кроме того, показан медный брус 11 со сквозным каналом 12, расположенный внутри футеровки 2 из толстолистовой стали. Сквозной канал соединен с подводящей трубой 13 и выпускной трубой (не показана). Подводящая труба 13 и выпускная труба разнесены по горизонтали и проходят отдельно через разные отверстия в футеровке 2 из толстолистовой стали, как показано на фиг.3. Вода подается в сквозной канал 12 в направлении стрелки 14, в результате чего брус 11 подвергается принудительному охлаждению. Контактная поверхность 21b кирпича 17 прилегает к медному брусу 11, что обеспечивает очень хороший тепловой контакт и теплоотдачу от кирпича 15 к брусу и протекающей через него охлаждающей воде. Во время укладки кирпичей верхнюю поверхность кирпича 16 и верхнюю поверхность бруса 11 располагают так, чтобы они лежали точно в одной плоскости. При необходимости можно прибегнуть к коррекции, например, с помощью металлической фольги. В результате кирпич 15 может также быть в тесном контакте с брусом 11 на участке контактной поверхности 21а. Подводящая и выпускная трубы 13 входят с зазором в отверстие в футеровке из толстолистовой стали, в результате чего брус 11 имеет некоторую свободу движения в вертикальном направлении. Эта свобода движения бруса 11 также обеспечивается упругостью соединения между подводящей и выпускной трубами 13 и футеровкой 2 из толстолистовой стали. Упругость соединения можно использовать в качестве средства предварительного напряжения для обеспечения предварительного напряжения бруса 11 относительно поверхности 21а. Так как кирпичи 15, 16 и 17 укладываются один на другой, они имеют хороший тепловой контакт на своих горизонтальных границах через контактные поверхности 21а и 21b с брусом 11, который также сохраняется, когда конструкция нагревается, даже если в ней происходит некоторое тепловое расширение в результате упругой подвижности бруса 11 в вертикальном направлении.
Во время сборки кирпич 16 помещают против передней поверхности бруса 11 таким образом, чтобы также обеспечить хороший тепловой контакт между кирпичом 16 и брусом 11. Этот хороший тепловой контакт может также сохраняться во время тепловой деформации кирпичной кладки при нагреве благодаря наличию кольца 18 на трубе 13. Действие усилия А предварительного напряжения на кольцо 18 обеспечивает постоянное прижатие бруса 11 к кирпичу 16 за счет этого усилия. Следует отметить, что усилие А предварительного напряжения не должно передаваться через трубы 13, хотя оно также может действовать через отдельный сквозной канал в футеровке из толстолистовой стали в центре бруса. Газонепроницаемое уплотнение для доменной печи через футеровку из толстолистовой стали схематически показано кольцом 19 и гофрированными элементами 20, которые также могут обеспечить упругое соединение и средства предварительного напряжения между брусом 11 и футеровкой 2 из толстолистовой стали. На практике для достижения этой цели существуют разные конструктивные решения.
На фиг. 3 показан схематично вид поперечного сечения III-III на фиг.2 в уменьшенном масштабе. Здесь показано два бруса 11 внутри футеровки 2 из толстолистовой стали, которые имеют плоские поверхности на стороне, противоположной футеровке из толстолистовой стали. Внутри футеровки 2 брусья образуют непрерывное кольцо, которое на внутренней стороне имеет форму многоугольника. Кирпичи 22-25 прилегают к плоским внутренним сторонам брусьев 11 так же, как кирпич 16 на фиг.2. Кроме того, показаны швы 26, 27 и 28 между этими кирпичами.
На фиг.4 показан более подробный вид фрагмента IV на фиг.1 согласно варианту осуществления изобретения. В этом случае наружный слой 6 кирпичной кладки (см. фиг.1) содержит кирпичи 15, 16 и 17 (см. также фиг.2). На внутренней стороне этих кирпичей находятся кирпичи слоя 8 (см. фиг.1). Это - кирпичи 29, 30 и 31, которые отделены от кирпичей 15, 16 и 17 частичными швами 7а, 7b и 7с. В предложенной конструкции вместо шва 7 (см. фиг.1), который практически полностью разъединяет слои 6 и 8 кирпичной кладки, слои 6 и 8 остаются в прямом тепловом контакте через нахлестывающиеся горизонтальные контактные поверхности 32 и 33. Таким образом, значительно уменьшается резкий перепад температуры, вызванный швом 7, что повышает интенсивность теплопередачи через кирпичную кладку.
Кроме того, можно дополнительно увеличить теплоотдачу через стену посредством расположения пластичного состава с высокой удельной теплопроводностью в шве 5 (см. фиг.2) и/или в частичных швах 7а, 7b и 7с (см. фиг.4). Для этой цели используется состав, содержащий смоляной компонент, который испаряется при высокой температуре, а также металлическое олово или сплав металлического олова. Для обеспечения хорошей теплопроводности также и в окружном направлении в радиальных швах 26, 27 и 28 (см. фиг.3) также используется связывающий раствор, содержащий олово в качестве одного из его компонентов. При укладке кирпичей 22-25 эти швы 26, 27 и 28 выполняют как можно более узкими.
Реферат
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к конструкции доменной печи. Горн доменной печи содержит футеровку из толстолистовой стали, внутри которой расположен, по меньшей мере, один слой огнеупорной кирпичной кладки, при этом футеровка из толстолистовой стали присоединена к слою (слоям) кирпичной кладки с помощью швов, заполненных связывающим раствором, и/или швов, заполненных набивной массой. В стене печи расположены металлические брусья, проходящие в окружном направлении внутри футеровки из толстолистовой стали и выступающие в стену, причем брусья соединены с наружной стороной футеровки из толстолистовой стали с помощью крепежных средств, проходящих через футеровку из толстолистовой стали. Каждая сборка, содержащая металлический брус и его крепежные средства, и футеровка из толстолистовой стали образуют в вертикальном направлении узел, обладающий достаточной упругостью, чтобы сохранять межповерхностный контакт вдоль горизонтальных поверхностей между металлическими брусьями и кирпичами во время работы. Использование изобретения обеспечивает повышение теплоотдачи от горячей стороны стены печи. 2 c. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
