11.05.2018

Особенности службы плитовых холодильников при работе на цинксодержащей шихте


Влияние качества изготовления холодильников и правильного выбора их конструктивных параметров на работу печи наглядно иллюстрируется стойкостью шахт доменных печей KMК.

Из 18 доменных печей, работающих с испарительным охлаждением, 5 находится на КМК, где внедрение испарительного охлаждения в доменном цехе закончено еще в 1965 г.

При средней стойкости шахты на печах отечественных заводов, составляющей 3,3 г., на KMK длительность межремонтного периода составляет 3— 4 г.

Длительность кампаний доменных печей южных заводов, оборудованных испарительным охлаждением, значительно выше.

Так, доменная печь завода им. Ильича (объемом 1719 м3) проработала без остановки на ремонт 6,5 лет, печь Енакиевского завода (объемом 1033 м3) 7 лет, печь № 3 того же завода продолжает работать 12-й год (после пяти лет были сменены только три ряда холодильников шахты); печь Макеевского металлургического завода (объем 1386 м3) работает с 1965 г.

Известны отдельные случаи отключения холодильников на всех этих печах.

Однако следует отметить, что условия работы холодильников и кладки доменных печей KMK отличаются следующими конструктивными и эксплуатационными особенностями:

1) использованы более массивные плитовые холодильники с залитым кирпичом и выступающими за его пределы ребрами (предложение работников комбината);

2) холодильники отлиты в литейном цехе комбината, причем известны нарушения технических условий на изготовление;

3) в проплавляемой шихте содержится цинк;

4) применены тонкостенные конструкции шахт с профилем, отклоняющимся от общепринятых соотношений.

Каждая из названных особенностей может сама стать причиной преждевременного выхода из строя холодильников.

Конструкция и изготовление холодильников

На доменных печах KMK применена конструкция холодильников самофутерующегося типа, разработанная работниками комбината. Отличительной особенностью ее является наличие удлиненных ребер, выступающих за пределы залитого кирпича, и большая площадь огнеупора, занимающего рабочую поверхность (рис. 107).
В основу создания этой конструкции положена идея самофутерования холодильников, т.е. образования в промежутках между выступающими ребрами защитного слоя компонентов шихты, который должен был бы изолировать тело холодильников от абразивного воздействия движущейся шихты и газового потока.

В действительности устойчивый защитный слой шихты перед холодильниками в шахте не образуется (по-видимому, из-за опускания зоны первичного шлакообразования и высокой температуры размягчения агломерата), а с теплотехнической точки зрения холодильники системы комбината запроектированы неправильно.

Неоправданное увеличение длины ребра и количества залитого кирпича (до 70% всей рабочей поверхности) привело к повышению температуры рабочей поверхности холодильников, вследствие ухудшения условий отвода тепла.

Тепловое поле данной конструкции изучали на электрической модели, а также на тепловом стенде, представляющем обогреваемую газом печь, в стене которой был установлен холодильник в натуральную величину.

Общая толщина плиты составляет 325 мм при высоте ребра 165 мм и толщине залитого кирпича 115 мм. Площадь залитого кирпича составляет 76%, ребра выступают за пределы кирпича на 50 мм.

На рис. 108 представлено тепловое поле холодильника при температуре газов в печи 1260° С.
При температуре рабочего пространства 1060°С тепловые напряжения на холодильник составляли ~30 тыс. ккал/(м2*ч), температура выступающего ребра 700° С, температура поверхности кирпича 910° С.

С повышением температуры газов в печи до 1260° С тепловое напряжение на холодильник возросло до 40 тыс. ккал/(м2*ч), а температура ребра и поверхности залитого кирпича повысилась до 1000 и 1170°С.

Величины тепловых нагрузок по данным замеров на действующих доменных печах KMK соответствуют величинам, полученным на тепловом стенде с оголенным плитовым холодильником [30—40 тыс. ккал/(м2*ч)].

Об этом же свидетельствуют показания термопар, установленных в ребрах холодильников: температура периодически возрастает до 850—900° С, что практически соответствует полному оголению рабочей поверхности холодильников.

Периодический перегрев ребер до 800—900° С способствует быстрому перерождению чугуна со стороны рабочей поверхности, сопровождающемуся резкой потерей механической прочности, а колебания температур приводят к термическим напряжениям, вызывающим растрескивание ребер, особенно опасным, если трубки холодильника науглерожены, что наблюдается при нарушениях технологии изготовления, в частности на KMK.

Рабочая поверхность холодильников характеризуется многочисленными трещинами, распространяющимися на значительную глубину, а также специфическим износом — ребра холодильников сохранились в виде островков металла и сильно разрушены в местах разрезных швов и металлических жеребеек.

У многих холодильников охлаждающие трубки были отключены при относительно большой толщине оставшейся плиты и ребер, т. е. водоплотность трубки нарушалась вследствие напряжений в теле холодильника, причем в первую очередь из строя выходили науглероженные, ослабленные трубки.

Влияние цинка на стойкость холодильников

Действие указанных выше факторов усугубляется разрушающим действием отложений сажистого углерода и цинка, довольно большое количество которого содержится в проплавляемой шихте.

Так, содержание цинка в мундыбашском агломерате, количество которого в шихте составляет 40—50%, доходит до 0,22% (0,27—0,3% ZnO).

Цинк — весьма активный химический элемент. Благодаря температурным условиям, внутри доменной печи образуется замкнутый циркуляционный цикл физикохимических превращений цинка и его окислов без перехода в чугун. Концентрация и накопления цинка в печи определяются температурными условиями.

Температура на колошнике недостаточно высока, чтобы цинк можно было отводить в газообразном состоянии; температура в нижней части печи слишком велика, чтобы цинк можно было перевести в жидкие продукты плавки, без возгонки в верхние горизонты.

В верхней части шахты при 375—400° С происходит восстановление цинка по реакциям:

ZnO + H2 —> Zn + H2O; ZnO + CO —> Zn + СО2.

При 600—850° С цинк окисляется водяными парами и CO с выделением сажистого углерода, причем при 700° С он является активным катализатором реакции распада окиси углерода.

Дальнейшее перемещение цинка в нижние горизонты с более высокими температурами приводит сначала к восстановлению окислов цинка углеродом по реакции

ZnO + С —> СО + Zn,

а затем к испарению сю (температура кипения 907° С) и уносу газовым потоком в верхние горизонты.

В верхней части печи цинк конденсируется и окисляется углекислым газом и водяными парами до окиси цинка, которая частично уносится в виде мелкодисперсной пыли с газами, а частично остается в печи, где снова цикл физико-химических превращений повторяется. В результате этого концентрация цинка в рабочем пространстве постепенно увеличивается.

В процессе работы печи происходит насыщение кладки цинком и цинкитом, сопровождающееся увеличением объема и разрывами кожуха.

По данным завода А, например, только в одной из доменных печей объемом 1719 м3 в течение восьми лет работы проплавлено свыше 4 млн. г шихтовых материалов, с которыми внесено 3827 т цинка.

Среднее содержание цинка, приходящееся на 1 т чугуна, колеблется от 1,34 до 2,018 кг.

По данным материальных балансов за 1966—1967 гг. количество цинка, внесенное шихтой в печь, за вычетом уловленного шламом и с колошниковой пылью, за 1 месяц на 5 доменных исчах доходило до 533 т.

При работе с плитовыми холодильниками в шахте наблюдалось отложение цинка между холодильниками и кожухом, в зазорах между холодильниками (в чугунной замазке), в слое гарниссажа, покрывающего рабочую поверхность холодильников.

Учитывая особенности плитовых холодильников конструкции КМК, можно понять, каково влияние цинка на преждевременный выход холодильников из строя.

Как видно из рис. 113, при тепловых нагрузках на холодильники порядка 10—50 тыс. ккал/(м2*ч) температура ребра повышается до 1000, а поверхности кирпича до 1170° С. По изотермам 600° С начало зоны окисления цинка и активного протекания реакции выделения сажистого углерода находится на расстоянии 50—70 мм от рабочей поверхности. Многократно повторяющиеся в процессе кампании колебания температуры холодильника от 200 до 1000° C приводят к образованию трещин на рабочей поверхности.

Образующиеся в теле холодильников трещины увеличиваются в результате дальнейшего расклинивания цинкитом и сажистым углеродом и распространяются на всю толщину плиты, вызывая нарушение водоплотности стальных трубок.

Особенности профилей печей KMK

Несколько доменных печей КМК, построенных в 30-е годы, неоднократно реконструировали с увеличением объема с 810 до 1310 м3.

В результате этого при переходе на тонкостенную шахту колонны горна не позволили расширить до необходимых пределов сечение печи в зоне заплечиков и распара. Более того, применение толстостенных холодильников конструкции KMK с выступающими ребрами привело к тому, что фактическое рабочее сечение заплечиков уменьшилось, угол заплечиков по сравнению с предыдущей кампанией увеличился, несмотря на некоторое увеличение диаметра горна (рис. 109).

Такое непропорциональное изменение параметров рабочего профиля вызвало приближение зоны высоких температур к холодильникам заплечиков и ухудшило условия образования гарниссажа на них.

Ухудшившийся температурный режим работы холодильников заплечиков при наличии указанных конструктивных недостатков не мог не повлиять на их стойкость.





Яндекс.Метрика