Файл: Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление).pdf

Данных о физических свойствах минералов, слагающих огне­ упор, нами в литературе встречено очень мало. Освещается зависи­ мость величины твердости периклаза от содержания в нем закиси железа [37]; указывается на повышение прочности периклаза при введении катионов железа и влияние на них времени старения [38]. Интересны данные по определению микротвердости периклаза и хромшпинелида [39,40].

При многократных воздействиях высоких температур порядка 1650° твердость периклаза повышается с 750 до 1000 кг/мм2 [39]. Это' обусловлено более глубокой при данной температуре диффузией окис­ лов в периклаз и образованием шпинели (магнезиоферрита), обладаю­ щей более высокой микротвердостью.

В процессе службы при воздействии железисто-силикатных рас­ плавов периклаз насыщается в первую очередь окислами железа; мик-ротвердость его повышается с 750 до 910—950 кг/мм2 [40].

В то же время микротвердость хромитовых зерен снижается с 1150—1210 (до службы) до 1085—1160 кг/мм2 (после службы), что также объясняется диффузией окислов железа из хромита в периклаз, приводящей к понижению микротвердости хромита. В присутствии сульфидных минералов, наоборот, заметно снижается микротвер­

жидкой фазе и железисто-силикатных расплавов, что характерно для процессов цветной металлургии, микротвердость периклаза и хромита уменьшается еще в большей степени и соответственно достигает 635— 690 и 900 кг/мм2. Понижение микротвердости зерен хромита при воз­ действии соединений серы, железисто-силикатных расплавов и темпе­ ратуры свидетельствует о значительном изменении структуры хроми­ та, меньшей его стойкости в этих условиях по сравнению с периклазом.

Данные измерений фазового состава и структуры различных ог­ неупорных изделий после службы в условиях плавки во взвешенном состоянии характеризуют развитие в огнеупорах процессов минералообразования, происходящих при воздействии высоких температур и перегретых расплавов.

Переход на кислородную плавку вызывает интенсификацию окис­ лительных реакций, повышение концентрации окисленных форм серы в газовой фазе. Влияние малых концентраций двуокиси серы на про­ цесс износа огнеупоров рассмотерно в работах [40—47], в которых, в частности, указывается на возможность возникновения сульфата маг­ ния, вызывающего разрыхление огнеупора или же разрушение зерен хромита.

372 .

С нашей точки зрения, влияние различных концентраций соеди­ нений серы в газовой фазе на процессы износа огнеупоров в металлургических агрегатах следует изучать более детально. Разрушение ре­ шетки периклаза (MgO) с образованием легкоплавкого соединения MgS0 4 даже в небольшом объеме огнеупора должно снижать его со­

противляемость к воздействиям колебаний температуры и жидких расплавов в локальных участках.

Кроме того, раскристаллизация зерен и образование пористости в них приводит к «старению» огне­ упора [47, 48]. В условиях воздей­ ствия сернистого газа даже низкой концентрации (7—8%) появляется пористость в зернах периклаза и хромита в малоизмененной зоне хромомагнезитового кирпича, слу­ жившего в надфурменном поясе конвертера (рис. 139). Структура таких зерен, естественно, не может обеспечить необходимую устойчи­

играет определенную роль в снижении их стойкости. Например, взаи­ модействие CuoO, CuO с MgO и CaO может привести к образованию новых легкоплавких фаз [49—52] и за счет этого — к изменению по­ ведения изделий при высоких температурах [40, 52].

Таким образом, определение стойкости различных видов основ­ ных огнеупоров в установках для плавки во взвешенном состоянии, позволяют расположить огнеупоры по износоустойчивости в следую­ щий ряд: периклазошпинелидный, магнезитовый, хромамагнезито-

УСЛОВИЯ СЛУЖБЫ И с т о й к о с т ь ОГНЕУПОРОВ ПРИ ЦИКЛОННОЙ ПЛАВКЕ

При циклонной плавке создаются определенные аэродинамиче­ ские условия, обеспечивающие вихревой характер движения газов и твердых частиц, что обеспечивает теплообмен, хороший контакт5меж­ ду твердыми частицами материала и газовой фазой. '

373

Наличие вихревого потока резко изменяет условия службы и ха­ рактер износа огнеупорной кладки. На опыте энергетических циклон­ ных потоков показано влияние вихревого потока в циклоне на эрозий­ ный износ стен [53, 54], аналогия в поведении огнеупоров наблюда­ лась и на опытных установках металлургических циклонов [55, 56]. Низкая стойкость применявшейся хромомагнезитовой футеровки стенок циклона обусловливалась происходящей в ней заменой огне­ упорных фаз (периклаз, хромшпинелид) с огнеупорностью выше 2000°, ферритными шпинелями, а в силикатной связке — заменой форстерита с температурой плавления 1900° монтичеллитом, мелимметитом, со­ единениями с температурой плавления ниже 1550°.

Более целесообразно защищать металлический корпус хромомаг­ незитовой набивной массой, наносимой на ошипованную, водоохлаж­ даемую поверхность. В процессе работы состав этой массы также из­ меняется и приближается по составу к защитному магнезитовому гарниссажу. Например, в составе хромомагнезитовой массы после служ­ бы преобладал магнетит, а огнеупорность ее снизилась до 1370° вместо 2000°. Естественно, что только при хорошем охлаждении стенок цик­ лона такой состав может удержаться на металлической поверхности и служить защитным слоем.

Другая отличительная особенность циклонного процесса — сохра­ нение расплавом вихревого движения при выходе из циклона. Модели­ рование процесса [57] позволило проследить за движением потока в циклоне и при выходе из него. Показано, что ванна приобретает вра­ щательное движение, при этом происходит сегрегация частиц распла­ ва. Крупные капли попадают на верхнюю часть боковых стен, а более мелкие — на свод, что влияет на износ футеровки по высоте. Износ в нижней части также усиливается наличием большой кинетической энергии в двухфазном потоке, выходящем из циклона [58].

Предположения подтвердились экспериментально [59]. В отстой­ ной камере, где накапливается расплав из циклона, быстрее изнаши­ ваются стены, расположенные непосредственно под циклоном и в об­ ласти выпуска шлака. Заметный износ футеровки отмечен при работе полупромышленной циклонной установки Балхашского горно-метал­ лургического комбината (БГМК). Конструктивные изменения в отстой­ нике [59—62] позволили несколько улучшить условия службы огне­ упорной кладки, но не могли полностью предотвратить воздействия вихреобразного потока.

О величине эрозийного износа можно судить по результатам ис­ пытания циклонной камеры в комплексе с отражательной печью на БГМК [41]. Стены отражательной печи на участке установки двух циклонов были утолщены до 690 мм с учетом особенностей износа стен отстойной камеры в опытно-промышленной установке. Внутреннюю

374

поверхность облицевали хромомагнезитовым кирпичом, остальную часть — динасовым. Свод в первых двух секциях хромомагнезитовый, а в последующих — динасовый. В местах установки циклонов свод подвесной.

При работе на одном циклоне уже через 12 суток был замечен из­ нос стен отражательной печи. Причиной такого большого износа фу­ теровки также явились химические и фазовые изменения, происходя­ щие в огнеупорных изделиях под воздействием железисто-силикатных расплавов и высокой температуры. Динасовый кирпич после службы в стене отражательной печи, работающей в комплексе с циклоном, изменяет состав за счет миграции в него соединений железа, кальция и, в меньшей степени — меди [62]. В рабочей зоне кирпича содержа­ лось, %: Si02 — 86,9, А 120 з — 2,39, Fe203 — 6,97, CuO — 2,95, MgO —

0,10. О степени изменения состава кирпича можно судить по колеба­ ниям коэффициента кислотности, рассчитанного по формуле

кSiO,________

[A l,03+ F e,0 3 + CaO]'

Для динаса, не бывшего в службе, коэффициент кислотности ра­ вен 16, а в рабочей зоне приведенного состава он снизился до 7. Такая разница в соотношениях кремнезема, представленного в динасе тридимитом, кварцем, метакристобалитом и другими компонентами огне­ упора, свидетельствует об изменении в нем соотношения кристалличе­ ских и жидких фаз. Присутствие большого количества жидкой фазы вызывает уплотнение кирпича.

Данные [62] показали, что в фазовом составе динасового кирпи­ ча, отобранного из участка стен с значительным износом, в большом количестве присутствовали стекла переменного состава и новообразо­ ванные пироксеновые минералы, более легкоплавкие чем тридимит. Наличие большого количества стекла в динасе способствует росту кристаллов тридимита, но в то же время ухудшает сцепление кристал­ лического сростка, который обеспечивает динасу высокую прочность в службе.

Выходящий из циклона с большой скоростью поток газов и рас­ плавов, приводящий в движение ванну печи, легко смывает рабочий слой огнеупора, в котором в большом количестве присутствуют легко­ плавкие фазы, находящиеся при рабочих температурах 1450—1500° в размягченном состоянии. При большом износе, доходящем до 1— 5 см в сутки, рабочие слои кирпича непрерывно обновляются, и хими­ ческому воздействию подвергаются новые слои огнеупора.

Дуффузионный обмен катионов, который виден из перемещения атомов-элементов, непрерывно протекает в массе кирпича и способст­

375