» » Влияние атмосферы на разрушение кладки
13.01.2015

Существует много причин разрушения кладки в печах. Рассмотрим лишь высокотемпературное разрушение в результате взаимодействия кладки С оксидами металла и атмосферой печи.
По мере снижения коэффициента расхода воздуха окисление стали уменьшается, одновременно в атмосфере увеличивается содержание восстановительных газов CO, H2, CH4, C2H8. Уменьшение образования окалины, естественно, приводит к замедлению разрушения кладки оксидами металлов, увеличение же содержания восстановительных газов, наоборот, способствует разрушению огнеупоров путем восстановления и выделения углерода.
В случае образования сухой окалины применение хромомагнезитовых, магнезитовых, корундовых и муллито-циркониевых огнеупоров обеспечивает необходимую продолжительность службы кладки пода нагревательных печей. Уменьшение окалины за счет снижения коэффициента расхода воздуха в этом случае не должно приводить к существенным изменениям в стойкости кладки печи.
При образовании жидкой окалины стойкость кладки печей резко снижается. Особенно низка стойкость кладки при высокотемпературном окислительном нагреве трансформаторной стали, причем в этом случае разрушается не только под, непосредственное воздействие на который оказывает стекающая с металла окалина, но и свод и стены печи (рис. 108), Причиной разрушения свода и стен печи является разбрызгивание жидкой окалины газообразными соединениями (в основном SiO2), образующимися, на металле при высокой температуре (особенно при t ≥1350° С). В результате взаимодействия кремнезема с оксидами железа появляется легкоплавкая эвтектика — фаялит (FeSiO4). Фаялит частично стекает в огнеупоры, а частично впитывается ими, снижая их огнеупорность и термостойкость. Термодинамически образование фаялита возможно лишь в продуктах неполного сгорания природного газа при коэффициенте расхода воздуха более 0,53.
С низкой стойкостью огнеупоров при нагреве трансформаторной стали связана вынужденная периодичность работы печей, снижение их производительности, повышение расхода тепла и других эксплуатационных затрат. Улучшение стойкости кладки в печах для нагрева трансформаторной стали является наиболее актуальной проблемой повышения, качества их работы.
Влияние атмосферы на разрушение кладки

В связи с большим практическим значением повышения стойкости кладки в печах для нагрева трансформаторной стали были выполнены исследования стойкости различных огнеупоров при нагреве металла в обычной атмосфере и в продуктах неполного сгорания. Для этого темплеты трансформаторной стали нагревали на испытуемых огнеупорных кирпичах. Давление металла на огнеупор составляло 10—100 кПа, температура металла 1400° С. После нагрева в течение 2—З ч огнеупоры извлекали из печи и визуально определяли их разрушение. Затем огнеупоры разрезали алмазными пилами и проводили металлографические исследования.
Установлено, что при n=1,0 все исследованные огнеупоры разъедаются жидкой окалиной трансформаторной стали, причем разрушение огнеупоров резко усиливается в местах стекания жидкой окалины. В связи с меньшим окислением, т. е. в более восстановительной среде, под металлом огнеупоры разрушались значительно слабее.
Металлографические исследования обычно применяемых для кладки пода огнеупоров позволили проанализировать влияние атмосферы на глубину реакционной зоны и характер образующихся соединений. Микроструктура участка реакционной зоны некоторых огнеупоров, нагретых в контакте с трансформаторной сталью при обычном (n=1,0) и слабоокислительном режимах (n=0,5/0,58), а также малоизмененной зоны приведена на рис. 109.
В атмосфере продуктов полного горения (см. рис. 109) хромомагнезитовый кирпич при относительно высокой стабильности своей формы пропитывался оксидами железа на глубину 10 vм и более. В хромшпинелиде [(Fe, Mg) О*(Cr,Al)2O3] этого огнеупора наблюдается увеличенное содержание оксидов железа. При п & 1,0 реакционная зона в магнезите составляет около 1,5 мм. В реакционной зоне магнезита наблюдается увеличение размеров зерна с образованием магнезиовюстита (MgO*FeO). Глубина реакционной зоны на муллитоциркониевом огнеупоре составляет примерно 1 мм и состоит преимущественно из герценита (FeO*Al2O3). Корундовый огнеупор после нагрева на нем трансформаторной стали изменился на глубину 10 мм. В этой зоне вокруг остаточных зерен корунда имеются оторочки новообразованного герценита. В реакционной зоне наряду с герценитом наблюдается магнетит, который на глубине до 1 мм является основной составляющей и состоит из кристаллов, разделенных прослойками силиката.
При снижении коэффициента расхода воздуха с n=1,0 до n=0,6/0,65 разрушение огнеупоров, несмотря на значительное уменьшение окалины, изменялось мало. Стойкость огнеупоров возрастала лишь при уменьшении n от 0,6 до 0,5.
В атмосфере с n=0,54/0,58 по величине видимого разрушения огнеупоры можно расположить в следующий ряд: ХМ, Кор-95, М, АХП, МХС, МЦ, KK (карбидкремниевые) и BK, причем стойкость перечисленных огнеупоров мало различается и является удовлетворительной. Наибольшая глубина разрушения огнеупоров стекающей с металла окалиной в слабовосстановительной атмосфере не превышала 3 мм.
Глубина проникновения окалины при n=0,54/0,58 (см. рис. 109) в хромомагнезитовый огнеупор осталась примерно такой же, как и при n=1,0. Реакционная зона на магнезитовом огнеупоре уменьшилась до 0,1—0,2 мм; она состоит в основном из кристаллов магнезитовюстита, плотно прилегающих друг к другу. Глубина реакционной зоны муллитоциркониевого огнеупора в слабоокислительной атмосфере не превышала 0,5 мм, глубина реакционной зоны корундового огнеупора составляла 5—7 мм.
В атмосфере продуктов неполного сгорания с n≤0,5, т. е. при отсутствии окисления железа трансформаторной- стали, огнеупоры (включая и обычный шамот) практически не реагируют с «сухой» оксидной пленкой.
Таким образом, нагрев трансформаторной стали при n≤0,5 позволяет не только резко снизить окисление этой стали, но и резко повысить стойкость огнеупоров кладки печи, что также важно.
В кислородсодержащей безгенераторной атмосфере, полученной путем неполного сжигания природного газа при n=0,3/0,5, ни один из применяемых огнеупоров не может быть восстановлен, так как парциальное давление кислорода в такой атмосфере превышает упругость кислорода диссоциации большинства огнеупорных окислов. Возможно лишь поверхностное высокотемпературное выделение сажи и пироуглерода, связанное с присутствием в этих атмосферах C2H2 и CH4, так как диффузия газов через слой пироуглерода и огнеупора сопровождается быстрым увеличением глубины реагирования исходного CH4 и приближением состава газа к равновесному. Присутствие в огнеупорах элементов, оказывающих каталитическое действие на превращение CH4 и C2H2, например железа, кобальта, никеля, практически исключает выделение углерода в глубинных высокотемпературных слоях. Во внутренних слоях в интервале температур 400—650° С начиная с коэффициента расхода воздуха 0,5 и ниже термодинамически возможно протекание реакции Белла — Будуара с выделением сажистого углерода из CO. Железо и железистые оксиды являются активными катализаторами реакции Белла — Будуара. Разбухание и разрушение огнеупоров в связи с этой реакцией протекают относительно медленно. Применение плотных огнеупоров, уменьшение содержания железа и его оксидов или перевод их путем высокотемпературного обжига в силикаты железа, пропитка огнеупоров раствором серной кислоты, сернокислого аммония и т. п. придают огнеупорам устойчивость против разрушения сажистым углеродом, выделяемым CO.
Влияние атмосферы на разрушение кладки

Влияние атмосферы на разрушение кладки

С применением бескислородных контролируемых атмосфер, характеризующихся высоким восстановительным и углеродным потенциалами, разрушение кладки в связи с протеканием реакций восстановления и высокотемпературного выделения углерода в ней значительно усиливается.
Основная причина разрушения кладки стен и свода, обычно выполненных из шамотного или высокоглиноземистого кирпича восстановлением, связана с образованием летучего монооксида кремния SiO, что приводит к разрыхлению огнеупоров и снижению их прочности. Летучая SiO образуется либо в результате восстановления кремнезема SiO2 метаном и ацетиленом, либо водородом.
Из огнеупоров кладки пода наиболее подвержены восстановлению хромомагнезитовые, а также муллитоциркониевые материалы. В этих огнеупорах восстанавливаются соответственно оксиды хрома, хромшпинелиды и кремнезем.
Образование углерода в кладке при бескислородных атмосферах термодинамически возможно как при высоких, так и при относительно низких температурах. Основным общим условием устойчивости огнеупоров против разрушения восстановлением и углеродом является их повышенная плотность и термодинамическая устойчивость. Плотные корундовые и магнезитовые огнеупоры наиболее пригодны для работы в сильно восстановительных бескислородных атмосферах.
Таким образом, с применением кислородсодержащих атмосфер, полученных в результате неполного сгорания природного газа при n=0,3/0,5, вместо продуктов полного сгорания стойкость огнеупорных материалов печи возрастает. При этом полностью исключается разрушение кладки оксидами металла, разрушение же огнеупоров восстановлением такой атмосферой печи термодинамически невозможно. В печах с бескислородной атмосферой, так же как и с традиционным эндогазом, необходимо применение специальных огнеупоров, чтобы предотвратить их разрушение восстановлением и выделенным из атмосферы углеродом.