Основные положения о надежности работы периферийного охлаждения горна и лещади доменных печей

Вопрос о назначении периферийного охлаждения для горна и лещади доменных печей почти не освещен в литературе. В большинстве случаев известно лишь субъективное мнение отдельных специалистов, не подтвержденное техническими данными. Конструктивно существует два варианта охлаждения: способ поверхностного полива и способ с применением периферийных холодильников. В первом случае совершенно понятна роль охлаждения — это охлаждение кожуха печи, при котором стойкость лещади и горна полностью определяется только качеством огнеупорной кладки. Во втором случае —при наличии периферийных толстостенных холодильников — роль системы охлаждения сводится к охлаждению кладки и замораживанию небольших порций расплавленного чугуна, подошедшего через размывы в ней или через неплотность в швах. В России все доменные печи строят с периферийными плитовыми холодильниками; нижняя часть лещади имеет воздушное охлаждение, которое полностью исключило температурное воздействие жидких масс чугуна на фундамент и его разрушение. Периферийное охлаждение горна и лещади может быть либо водяным, либо испарительным. В настоящее время 10 доменных печей в России работают с испарительным охлаждением горна и лещади.

Применение в нижней части лещади вертикально установленных углеродистых или графитированных блоков в сочетании с воздушным охлаждением практически исключило нижние прорывы и обеспечило надежную защиту фундамента от действия высоких температур. Однако это не предотвращает разрушения вышележащей центральной части кладки и возможность подхода чугуна к периферийным холодильникам горна и лещади, так как механизм разрушения ее остался прежним.

На рис. 143 представлено тепловое поле огнеупорной кладки лещади доменной печи № 8 Криворожского металлургического завода и расположение зоны разошедшихся швов при сохранившейся кладке, определенное расчетом и методом электромоделирования.

Представленные данные указывают на довольно значительное распространение в глубь лещади зоны разошедшихся швов и на близость ее к рабочей поверхности стен горна.

Суммарная величина зазоров между разошедшимися блоками (кирпичом) составляет по данным расчетов до 200 мм, что довольно точно подтверждается практическими данными.

На рис. 150 представлена пластина застывшего чугуна толщиной 20 мм, найденная в разошедшихся швах между углеродистыми блоками в непосредственной близости к холодильникам лещади доменной печи Криворожского металлургического завода.

При всех достоинствах углеродистых блоков (несмачиваемость и инертность по отношению к жидким продуктам плавки, отсутствие усадки, высокая теплопроводность) они имеют довольно существенный недостаток, а именно: возможность окисления под действием водяных паров и CO2.

Окисление происходит ноя действием паров воды, которые неизбежно, в том или ином количестве попадают в горн печи при выходе из строя элементов фурменных и шлаковых приборов холодильников, а в районе чугунных леток — из массы, применяемой для забивки леток.

По данным ряда исследований, заметное окисление начинается при температурах свыше 600° С и интенсивно протекает при температурах более 900° С по реакциям:

С + H2O —> CO + H2; С + 2H2O —> CO2 + 2Н2.

В работах американских исследователей указано, что температура возможного окисления блоков под действием СО2 и Н2О понижается при проникновении в поры солей калия. Это явление наблюдалось на печах и подтверждено лабораторными опытами по действию щелочных расплавов на углеродистые огнеупоры.

Основной причиной разрушения блоков считается действие проникающих в них щелочных солей, вслед за ними проникает CO с последующим отложением сажистого углерода.

В результате выгорания углерода в блоках образуются пустоты, число и размер которых находятся в прямой зависимости от количества попадающей внутрь печи влаги, качества огнеупорной кладки и заполнения зазора между блоками и холодильниками.

Проникновению влаги в районы блоков с более высокой температурой способствуют неплотности в кладке, вызванные расхождением швов в результате термического расширения.

Иллюстрацией могут служить рис. 151 и 152, на которых представлены характер разрушения блоков на доменной печи Криворожского металлургического завода, обнаруженного во время прорыва чугуна в 1964 г. и металлический «козел», извлеченный из выгоревшей полости блоков в районе холодильников чугунной летки на доменной печи Челябинского металлургического завода.

Совершенно очевидно, что образующиеся в результате газификации углерода полости могут заполняться в ряде случаев чугуном и являются потенциальной опасностью, которая может реализоваться при дальнейшем разгаре кладки и подходе к этому району значительных масс жидкого чугуна.

Вопросы надежности работы периферийного охлаждения горна и лещади являются актуальными и требуют летального анализа. Необходимость такого анализа особенно четко выявилась после прорыва горна на доменной печи Криворожского металлургического завода, работающей на испарительном охлаждении, когда возникли совершенно необоснованные сомнения в эффективности применения этой системы для охлаждения горна и лещади. Доводы против применения этой системы сводятся к следующему.

Поскольку при испарительном охлаждении вода в лещади не кипит, а температура ее превышает температуру технической воды (недогрев до кипения меньше на 70 град), и в процессе не участвует скрытая теплота парообразования, то и отвод будет хуже, чем при водяном охлаждении.

В случае внезапного подхода жидкого чугуна к холодильникам он затвердеет при водяном охлаждении быстрее, чем при испарительном, так как температура кладки в зоне холодильников будет более низкой.

Это подтверждают случаи из практики, когда увеличившийся было температурный перепад сразу уменьшался после рассоединения группы последовательно соединенных холодильников или промывки их кислотой, что относилось за счет большей интенсивности теплоотвода и замораживания подошедшего чугуна.

В действительности наблюдается обычное явление — уменьшение нагрева воды за счет большего ее расхода (проход воды через каждый холодильник в отдельности) при прежней суммарной тепловой нагрузке. При промывке холодильников кислотой происходит то же самое: после очистки трубок от накипи и шлама, толщина которых, как правило, достигает 4—6 мм, проходное сечение трубок увеличивается, а вместе с ним увеличивается и расход воды и, соответственно, уменьшается ее нагрев.

Кроме того, совершенно не учитывается влияние на процесс теплоотвода накипи или шлама, образование которых (толщиной 4—6 мм) всегда происходит в трубках холодильников, работающих на технической воде. Многие эксплуатационники боятся вскипания воды, т. е. участия в теплоотдаче скрытой теплоты парообразования. Этот процесс недопустим лишь при системе охлаждения технической водой, так как приводит к выпадению накипи, а также к образованию паровых пробок из-за наличия в холодильниках змеевиков с подъемно-опускным движением воды. При испарительном охлаждении вскипание воды вполне допустимо ввиду прямолинейного тракта трубок холодильников, и оно лишь обеспечивает отвод большей тепловой нагрузки.

Показателем надежности системы охлаждения горна и лещади является долговечная и безаварийная работа доменной печи, которая характеризуется следующим.

1. Способностью увеличения стойкости огнеупорной кладки горна и лещади в результате понижения ее температуры и удаления зоны окисления углеродистых блоков (температура 600—900° С) на некоторое расстояние от холодильников.

2. Способностью обеспечить затвердевание жидких масс чугуна при подходе его к холодильникам через разрушенные участки или швы.

3. Надежным контролем за состоянием огнеупорной футеровки с целью принятия профилактических мер против возможного прорыва чугуна при разгаре кладки.

4. Контролем за водоплотностью системы с целью предотвращения попадания воды через поврежденные холодильники.

5. Независимостью системы охлаждения от источников энергоснабжения, т. е. обеспечением бесперебойной работы.

Ниже на основании обобщения фактического материала и специальных теоретических исследований дана сравнительная характеристика показателей надежности работы системы периферийного охлаждения горна и лещади доменных печей.