Прожиг горна и пода доменной печи является наиболее серьезной аварией в производстве чугуна, которая может привести к значительным потерям жизни и имущества предприятия, а в некоторых случаях даже к прекращению работы печи на весь срок службы. В отличие от аварий в верхней части печи или других оборудований, которые можно устранить краткосрочным ремонтом и восстановить производство до первоначального уровня, прожиг горна и пода может спровоцировать крупные взрывы, разрушающие целые цеха, или сделать печь непригодной для дальнейшей эксплуатации без капитального ремонта или перестройки.

Причины прожига горна и пода доменной печи многообразны и требуют тщательного анализа и индивидуального подхода. Продление срока службы доменной печи — это сложная системная задача, требующая комплексных мер в области проектирования, выбора оборудования и материалов, изготовления, строительства, эксплуатации, обслуживания и управления.

В течение всего срока службы доменной печи горн и под постоянно находятся в контакте с расплавленным шлаком и чугуном, подвергаясь воздействию высоких температур и давления. Эрозия футеровки горна и пода — сложный процесс, обусловленный множеством факторов, и некоторые механизмы эрозии до сих пор остаются предметом дискуссий. Однако общепринято деление этих механизмов на два основных типа: механическую и химическую эрозию.

01 Механическая эрозия

Термические напряжения

Огнеупорный кирпич для доменной печи на горячей стороне контактирует с расплавленным шлаком и чугуном при температуре выше 1350°C, тогда как на холодной стороне температура охлаждающей воды составляет 25–45°C, а внешняя часть охлаждающей стенки близка к температуре окружающей среды. Таким образом, радиальный перепад температур в горне может достигать 1300°C, создавая значительные термические напряжения. Огнеупорный материал толщиной около 1 м работает в условиях высоких температур, давления и значительных перепадов температур, подвергаясь различным физико-химическим реакциям, что может приводить к тепловому расширению, растрескиванию и разрушению. Распределение напряжений в горне и поду крайне сложно и требует междисциплинарных исследований, которые пока недостаточно развиты.

Механическое трение и эрозия

Циркуляция чугуна в горне и колебания уровня шлака и чугуна вызывают трение и эрозию на поверхности огнеупорного материала. При высоких температурах износостойкость огнеупоров снижается, что сокращает срок их службы. Защитный слой (шлаковая корка), образующийся на поверхности футеровки, может периодически отслаиваться, подвергая огнеупорный кирпич для доменной печи дополнительному механическому воздействию.

Статическое давление и сдвиговые нагрузки

Плотность жидкого чугуна составляет около 7,6 т/м³, а глубина слоя чугуна в горне вместе с "мертвым" слоем может достигать нескольких метров. В сочетании с высоким давлением горячего дутья это создает статическое давление в несколько мегапаскалей на огнеупоры пода. В зоне сопряжения горна и пода это давление действует как сдвиговая нагрузка. Углеродистый кирпич имеет прочность на сжатие 20–40 МПа и прочность на изгиб всего 7–15 МПа. При высоких температурах прочность огнеупоров снижается, что увеличивает риск разрушения. При появлении трещин или разрушении материала жидкий чугун может проникать в швы или поры огнеупоров, ускоряя их эрозию. Для снижения проникновения чугуна в под важно использовать углеродистый кирпич с высокой теплопроводностью, микропористой структурой и стойкостью к расплавленному чугуну, а также строго контролировать размеры швов при кладке.

Выталкивающая сила

Помимо статического давления и сдвиговых нагрузок, огнеупоры пода подвергаются выталкивающей силе со стороны чугуна. Плотность огнеупорных материалов составляет 1,5–3,0 т/м³, что значительно меньше плотности чугуна, поэтому огнеупоры могут всплывать. Для предотвращения этого в конструкции пода обычно предусматривают сужение к периферии, которое удерживает кирпичи за счет трения и сжатия. Однако эти нагрузки делают огнеупорный кирпич для доменной печи более хрупким и подверженным деформациям, что может привести к его разрушению и всплыванию.

02 Химическая эрозия

Растворение углерода в чугуне

В современных доменных печах содержание углерода в чугуне составляет 4,5–5,4%, а в некоторых случаях может быть выше. Чугун представляет собой ненасыщенный раствор углерода в железе, и процесс науглероживания продолжается до тех пор, пока в горне есть жидкий чугун. Углерод для этого процесса может поступать из кокса, угольной пыли или углеродистого кирпича. Графитизированный и полуграфитизированный кирпич быстро вступает в реакцию с чугуном, что приводит к его интенсивному растворению.

Окислительно-восстановительная эрозия

В горне протекают различные окислительные реакции, например, реакция водяного газа при утечке воды из охлаждающих устройств, что приводит к окислению и разрушению углеродистого кирпича. Также окислительно-восстановительные реакции с участием калия, натрия, свинца и цинка могут вызывать образование рыхлых зон или кольцевых трещин в кирпиче.

Механическая и химическая эрозия действуют на горн и под одновременно, и их вклад может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. Контроль этих факторов требует комплексного подхода и использования высококачественных материалов, таких как огнеупорный кирпич для доменной печи.