Керамическая футеровка пода доменной печи
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для пода доменной печи. Под содержит футеровку стенки и футеровку основания, которые изготовлены из огнеупорного материала для размещения ванны, содержащей расплавленный металл. Футеровка основания имеет нижнюю область, содержащую углеродистый огнеупорный слой, и верхнюю область, которая содержит слой керамических элементов, расположенных для покрытия нижней области. Керамические элементы верхней области изготовлены из микропористого керамического материала, состоящего из зернистой фазы, изготовленной из кремниево-глиноземистого зернистого материала с высоким содержанием глинозема, и связующей фазы для связывания зерен зернистого материала, причем микропористый керамический материал имеет теплопроводность менее чем 7 Вт/м*K, предпочтительно менее чем 5 Вт/м*K, и проницаемость ≤2 наноперм, и среднюю ширину пор ≤2 мкм. Изобретение также предлагает способ выполнения керамических элементов микропористыми за счет обжига в атмосфере азота и особую укладку керамических элементов в футеровке основания. Изобретение позволяет улучшить керамический слой для верхней области футеровки основания, слой которой имеет более устойчивые защитные характеристики в нижней области. 5 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники
В общем, данное изобретение относится к огнеупорной футеровке металлургического резервуара, например пода печи доменной печи для изготовления передельного чугуна. Более конкретно, данное изобретение относится к использованию керамического материала в верхней области футеровки основания пода, которая содержит жидкий горячий металл во время изготовления.
Уровень техники
В области конструкции доменной печи хорошо известным является использование огнеупорных материалов, таких как углеродистые блоки при сооружении футеровки основания пода. Так как под содержит жидкий горячий металл, условия эксплуатации футеровки пода являются очень жесткими ввиду высокой температуры, механического износа, химического воздействия и инфильтрации жидкого горячего металла. Текущая тенденция, заключающаяся в увеличении производительности доменных печей, предполагает еще более жесткие условия эксплуатации. Для увеличения срока службы футеровки основания известное решение состоит в создании верхнего слоя керамического материала, такого как обожженный кирпич, например андалузитный кирпич с муллитовой связью, на верху основного огнеупорного слоя, который обычно изготовлен из теплопроводящих углеродистых огнеупорных блоков.
Верхний слой керамического материала, иногда называемый керамической подушкой, среди прочего, улучшает эффект системы охлаждения основания. Система охлаждения основания охлаждает теплопроводные огнеупорные элементы футеровки основания для достижения теплового равновесия, при котором изотерма затвердевания («уровень замерзания»), то есть уровень, при котором передельный чугун затвердевает, расположена как можно выше в футеровке основания. Окончательной целью является обеспечение того, что любой расплавленный литейный чугун, который, в конечном счете, переместился бы вниз в футеровку основания, затвердел бы как можно в более высокой точке, предпочтительно на уровне самого высокого керамического участка (керамической подушки), если имеется таковой. Создание дополнительного теплоизоляционного барьера керамических элементов между ванной и основной футеровкой основания, очевидно, способствует достижению последней цели. Легко понятно, что теплопроводность керамического слоя должна быть как можно ниже. Следовательно, основной функцией керамического верхнего слоя является защита находящегося ниже огнеупорного материала от эрозии и, в общем, уменьшение его рабочей температуры, что, как известно, уменьшает износ.
Однако недавно было установлено, что идея создания самого верхнего слоя защитного керамического огнеупорного материала все еще имеет недостатки. Действительно, кроме неизбежного долгосрочного износа керамического слоя, было обнаружено, что изотерма затвердевания начинает постепенно опускаться в углеродную часть футеровки основания, когда не происходит никакого значительного уменьшения толщины керамического слоя.
Техническая проблема
Ввиду вышесказанного, целью данного изобретения является создание улучшенного керамического слоя для верхней области футеровки основания, слой которой имеет более устойчивые защитные характеристики на нижней области.
Общее описание изобретения
Данное изобретение предлагает под для резервуара в металлургической промышленности, прежде всего под для печи, содержащей расплавленный металл низкой вязкости, прежде всего для доменной печи. Под содержит футеровку стенки и футеровку основания, которые изготовлены из огнеупорного материала для размещения ванны с расплавленным металлом. Футеровка основания имеет нижнюю область и верхнюю область, которая включает в себя слой керамических элементов, например слой в форме выложенной по типу мостовой конструкцией из отдельных строительных блоков, таких как кирпичи или, более предпочтительно, блоков большего размера. Размер слоя керамических элементов рассчитан так, чтобы покрывать нижнюю область.
Под «керамическим материалом» понимается обычно согласованное определение для огнеупорного керамического материала, то есть устойчивого к огню материала и основанного на керамических оксидах для его зернистой фазы и на керамических оксидах или бескислородных компонентах, насколько рассматривается связующая фаза между зернами. Огнеупорные материалы, имеющие зернистую фазу, изготовленную, главным образом, из бескислородных материалов, таких как углерод или карбид кремния, не рассматриваются в данном патенте по техническим причинам, которые будут рассмотрены по ходу данного документа.
Согласно изобретению вышеуказанная цель достигнута посредством создания керамических элементов, изготовленных из микропористого керамического материала, состоящего из зернистой фазы, изготовленной из кремниево-глиноземистого зернистого материала с высоким содержанием глинозема, и связующей фазы для связывания зерен зернистого материала. Обычно, микропористый керамический материал имеет теплопроводность менее чем 7 Вт/м*K, предпочтительно менее чем 5 Вт/м*K.
Зернистая фаза содержит один или более материалов из нижеследующих: андалузит, шамот, корунд, синтетический муллит.Связующая фаза содержит нитрированное связующее вещество, предпочтительно SiAlON.
Микропористые керамические элементы согласно изобретению образуют защитный слой или поверхность соприкосновения, которая полностью покрывает выполненную обычным образом нижнюю область футеровки основания. Небольшая негомогенность в пористости футеровки основания, рассматриваемая как единое целое, может происходить от мелких немикропористых областей, образованных швами между кирпичами или между блоками, которые необходимы по известным термомеханическим причинам. В любом случае, элементы сами по себе, исходя из технически допустимого предела, состоят исключительно из микропористого керамического материала.
Для лучшего понимания того, что определяется, исходя из микропорозности, следует помнить, что свойства матричной фазы, которые позволяют заявить, что материал является микропористым или нет, по сути, зернистая фаза, которая представляет около 80% материала, не является в действительности пористой или незначительно пористой, то есть это по существу закрытая пористость, если таковая имеется, и не мешает микропористому характеру материала. Тем не менее, когда утверждают, что материал является микропористым, это выражение относиться к материалу в общем, так как он используется как единое целое.
В ходе приведших к данному изобретению разработок было обнаружено, что по мере увеличения срока службы, керамические огнеупорные элементы сами постепенно пропитываются расплавленным литейным чугуном. Этот феномен становиться более выраженным при увеличении ферростатического напора и более высоких значений рабочего давления в печи. В теории установлено, что этот феномен происходит вследствие присущей пористости и проницаемости обычной керамики. Соответственно, теплопроводность верхнего керамического слоя со временем увеличивается вследствие увеличения содержания передельного чугуна. Как следствие, изотерма затвердевания со временем идет вниз в футеровку основания. Для преодоления этого недостатка данное изобретение предлагает значительное уменьшение проницаемости используемых в верхнем слое керамических элементов и, более конкретно, использование микропористой керамики. В этом отношении ясно, что проницаемость не обязательно всегда является восходящей функцией пористости. При определенных обстоятельствах известно, что для уменьшения проницаемости необходимо увеличивать пористость.
Пористые материалы могут отличаться их проницаемостью (собственная проницаемость), то есть степенью, до которой материал способен передавать жидкую субстанцию (позволяет осуществлять проницание). Проницаемость может быть указана в метрических пермах или в американских пермах (примерно 0,659 метрической перм). В дальнейшем в этом документе проницаемость указана в метрических пермах.
Согласно одному аспекту изобретения микропористый керамический материал защитного слоя имеет проницаемость, которая меньше или равна двум нанопермам и, более предпочтительно, меньше или равна одному наноперму. Такая низкая проницаемость значительно уменьшает или даже полностью предотвращает проницание посредством передельного чугуна. Подходящий способ измерения проницаемости определен в ISO 8841 (версия 1991).
Как хорошо известно, пористые материалы также классифицируется посредством средней ширины их пор, в данном контексте (и в отличие, например, от определения IUPAC), огнеупорные материалы считаются «микропористыми», если они имеют поры со средней шириной менее чем 2 мкм. Таким образом, согласно аспекту изобретения, керамические элементы имеют среднюю ширину пор меньше или равно 2 мкм, более предпочтительно меньше или равно 1 мкм.
Согласно одному варианту осуществления защитный слой является сборкой, например выложенной по типу мостовой конструкцией, которая полностью покрывает всю свободную поверхность нижней области, то есть по существу горизонтальную верхнюю поверхность нижней области, которая ограничена по окружности футеровкой стенки. Теоретически, защитный слой может быть построен обычным способом из сравнительно малых кирпичей. Обычно кирпичи имеют объем <20 дм3 (0,02 м3), например размеры меньше или равны 100×250×500 мм, и вес примерно 40 кг или менее. Однако согласно предпочтительному варианту осуществления слой является сборкой, образованной в большой степени из сравнительно больших блоков. В примыкающей к футеровке стенки смежной области, разумеется, могут использоваться меньшие элементы. В данном контексте, в отличие от кирпичей, выражение «блок» относится к элементам, которые имеют общий объем по меньшей мере 20 дм3 (0,02 м3), например размеры, превышающие 400 мм или даже 500 мм для высоты, что соответствует высоте или толщине керамического нижнего слоя (или подушки), превышающие 200 мм по ширине (в направлении вдоль окружности вокруг оси печи), и длину (в радиальном направлении), превышающую 500 мм, и вес, который может в значительной степени превышать 50 кг.
Футеровка стенки пода может содержать радиально крайнюю в направлении вовнутрь дополнительную сборку, например выложенную кольцевую стенку, керамические элементы которой образуют керамический стакан вместе со слоем керамических элементов для размещения расплавленного литейного чугуна. Термин «крайний в направлении вовнутрь» далее именуется как «радиально крайний в направлении вовнутрь». Дополнительная сборка может быть изготовлена из кирпичей или, предпочтительно, из блоков. В предпочтительном варианте осуществления керамического стакана керамические элементы дополнительной сборки также основаны на микропористом керамическом материале, так что весь керамический стакан образован микропористым материалом.
Обычные керамические огнеупорные материалы обычно являются среднепористыми и относительно проницаемыми (>10 наноперм). Существуют различные известные процессы для получения микропористости путем уменьшения проницаемости керамических материалов.
Керамические элементы предпочтительно получают из заранее изготовленных элементов, например литых керамических блоков. В принципе, микропористость может достигаться гидравлическим связыванием (например, с помощью гидравлического кальциево-алюминатного цемента). При использовании гидравлического связывания предварительно изготовленные керамические элементы могут быть основаны, например, на зернистом кремниево-глиноземистом материале с высоким содержанием глинозема, например корунде (кристаллическая форма оксида алюминия Al2O3 со следами железа, титана и хрома) или шамоте или андалузитном зернистом материале или шамотном синтетическом муллите. В любом случае, мелкие частицы между зернами придают микропористый характер, который остается неизменным при воздействии высоких температур.
Однако более предпочтительно, в соответствие со следующим аспектом, керамические элементы содержат подходящие мелкие добавки, которые при однократной обработке методом обжига в атмосфере азота («азотное сжигание» или «азотирование») обеспечивают устойчивую к высоким температурам постоянную пористость. В дополнение к уменьшению средней свободной ширины пор и, таким образом, «непроницаемости» материала, эта обработка может обеспечивать керамический материал, прежде всего SiAlON-керамику, с лучшей устойчивостью к химическому воздействию, например, щелочных веществ, чем неазотированные керамические материалы. Крупные микропористые керамические элементы являются предпочтительными и получаются путем обжига предварительно изготовленных блоков в атмосфере азота. Подходящие предварительно изготовленные блоки могут быть основаны на зернистом кремниево-глиноземистом материале с высоким содержанием глинозема. Однако более предпочтительно, ввиду уменьшенных расходов и уменьшенной теплопроводности, блоки могут быть основаны на андалузитном или шамотном зернистом материале, например шамоте с содержанием Al2O3 55-65% по массе, прежде всего 60-63% по массе, или также синтетическом муллите. Считается, что эти различные добавки придают микропористость, которая остается стабильной при высоких температурах, превышающих 1400°C. Предпочтительно, предварительно изготовленные блоки имеют такой состав, чтобы получать микропористую SiAlON связанную керамику, то есть сорт матрицы (или связующую фазу), изготовленную из «керамического сплава», на основе таких элементов, как кремний (Si), алюминий (Al), кислород (O) и азот (N), введенных соразмерно в шамот (первоначальная смесь до обжига), который затем обжигается в атмосфере азота. Поскольку SiAlON-связанная керамика известна своей устойчивостью к смачиванию или коррозии ввиду воздействия расплавленных цветных металлов, она может также быть благоприятной в случае использования сплава на основы железа, например, в доменной печи для изготовления передельного чугуна.
Согласно следующему аспекту, который также является независимым от фактического использования керамических материалов, керамические материалы верхней области могут содержать блоки большого размера, имеющие первую часть, изготовленную из обожженного в атмосфере азота керамического материала, причем первая часть имеет верхнюю сторону и нижнюю сторону и содержит по меньшей мере одно глухое отверстие на нижней стороне, и вторую часть, изготовленную из огнеупорного материала, утрамбованного в глухое отверстие. Глухие отверстия расположены так, что любая точка, расположенная в керамическом материале первой части, находится на расстоянии от поверхности первой части ниже, чем максимальная глубина проникновения непроницаемости, достигаемая с помощью используемого для изготовления блоков процесса отжига. Действительно, такие глухие отверстия позволяют осуществлять более глубокое проникновение или диффузию азота в блоки во время отжига, так что эта специальная конструкция позволяет изготавливать микропористые блоки больших размеров, например имеющие размеры более 200×400×500 мм, посредством отжига в атмосфере азота, причем глухие отверстия затем заполняются футеровочным материалом.
Известным образом нижняя область футеровки основания обычно содержит углеродистую огнеупорную конструкцию. Обычно нижняя область включает в себя от низа до верха огнеупорную массу, предохранительный графитовый слой и теплопроводный углеродистый огнеупорный слой.
Ясно, что данное изобретение, прежде всего, применяется в конструкции пода доменной печи, прежде всего для ее футеровки основания.
Согласно первому аспекту керамические элементы являются керамическими блоками большого размера, расположенные «елочкой».
Согласно первому варианту осуществления футеровка стенки содержит на том же уровне, что и верхняя область, огнеупорные блоки, совмещенные с керамическими блоками большого размера в укладке «елочкой», причем каждое выравнивание или группа расположений по одной линии керамических блоков продлевается по направлению к краю футеровки стенки посредством одного огнеупорного блока.
Согласно второму варианту осуществления футеровка стенки, на том же уровне, что и верхняя область содержит первый кольцевой ряд микропористых керамических блоков, расположенных по окружности бок о бок, а второй кольцевой ряд микропористых керамических блоков, расположенных по окружности бок о бок, расположен между первым кольцевым рядом огнеупорных блоков и керамическими блоками большого размера в укладке «елочкой».
Керамические элементы также могут быть керамическими блоками большого размера, расположенными в концентрических кольцевых рядах, причем каждый из кольцевых рядов состоит из микропористых керамических блоков, расположенных по окружности бок о бок, и футеровка стенки на том же уровне, что и что и верхняя область содержит кольцевой ряд огнеупорных боков, расположенных по окружности бок о бок, причем наружный кольцевой ряд керамических блоков соединен с кольцевым рядом футеровки стенки с помощью трамбовочного материала.
В любом из вышеприведенных вариантов осуществления огнеупорные блоки футеровки стенки, предпочтительно, являются углеродистыми блоками.
Согласно следующему варианту осуществления соединительные поверхности между смежными керамическими блоками постепенно более в целом наклонены от центра по направлению к краю футеровки основания, так что любой блок частично покрывает смежный вовнутрь блок. Предпочтительно, соединительные поверхности являются плоскими наклонными поверхностями для внутренних колец и ступенчатыми поверхностями или криволинейными волнообразными поверхностями для наружных колец.
В структуре любой из альтернатив, использующей керамические блоки больших размеров в футеровке основания, особого внимания требуют швы между этими блоками. Для предотвращения термомеханических повреждений толщина заполняемых керамическим раствором швов между этими блоками составляет от 0,7 до 1,5%, предпочтительно от 0,8 до 1,2%, от размера рассматриваемого блока, то есть размера смежных блоков, взятого в направлении, перпендикулярном плоскости рассматриваемого шва.
Наконец, данное изобретение также предлагает способ изготовления керамических элементов, который является независимым аспектом раскрытия данного изобретения.
Способ обеспечения непроницаемости керамического огнеупорного материала, состоящего из зернистой фазы, изготовленной из кремниево-глиноземистого зернистого материала с высоким содержанием глинозема, и связующей фазы для связывания зерен зернистого материала, содержит в себе, в качестве предварительного этапа, обеспечение необожженного (сырцового) керамического элемента, то есть на основе зернистого андалузита или шамота или синтетического муллита, который содержит в своей матрице элементы кремния, алюминия, кислорода и азота в соответствующем диапазоне соотношений, способных вырабатывать SiAlON-связь. Затем непроницаемость достигается за счет обжига в атмосфере чистого азота («азотное сжигание») этого необожженного (сырцового) керамического элемента в керамический элемент, содержащий микропористую керамическую связующую фазу матрицы (фаза между зернами), которая, предпочтительно, имеет проницаемость ≤2 наноперм. Предложенный обжиг в атмосфере азота достигает устойчивой к высоким температурам микропористости и, таким образом, обусловливает фактическую непроницаемость относительно расплавленного передельного чугуна.
Элементы, прежде всего сравнительно большие блоки, изготовленные с помощью этого способа обеспечения непроницаемости, то есть по существу непроницаемые для расплавленного передельного чугуна, особенно хорошо подходят для использования в огнеупорной футеровке пода металлургической печи, в особенности пода доменной печи.
Свойства, упомянутые выше относительно обжига в атмосфере азота, в равной степени применяются к этому независимо заявленному способу. Прежде всего, общий способ может использоваться для изготовления микропористых керамических элементов, используемых в верхней области футеровки основания пода, как определено выше, причем способ содержит:
- обеспечение заранее изготовленных блоков, изготовленных из зернистого андалузита или зернистого шамота, или зернистого корунда, или зернистого синтетического муллита, и связующей фазы, содержащей один или несколько следующих элементов: кремний, алюминий, кислород и азот, и
- обжиг блоков в атмосфере азота.
Для изготовления микропористых керамических блоков большого размера, заранее изготовленные блоки являются заранее изготовленными блоками большого размера, имеющими верхнюю сторону и нижнюю сторону, и содержат по меньшей мере одно глухое отверстие на нижней стороне, так что по существу любая точка внутри керамического материала находится на расстоянии от свободной поверхности блока ниже, чем достигаемая путем обжига максимальная глубина проникновения непроницаемости.
Прежде всего, создание одного или более глухих отверстий, прежде всего в необожженных элементах, рассматривается предпочтительным для изготовления блоков большого размера.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления изобретения теперь будут описаны посредством примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 вид вертикального поперечного сечения пода доменной печи, изображающий футеровку основания, причем керамические элементы верхней области содержат микропористые кирпичи или блоки относительно небольшого размера,
Фиг.2 вид вертикального поперечного сечения пода доменной печи, изображающий футеровку основания, причем керамические элементы верхней области содержат микропористые блоки большого размера,
Фиг.3А-3Б показывают огнеупорный блок большого размера в виде внизу и, соответственно, в виде вертикального поперечного сечения, блок специально адаптирован для изготовления блоков большого размера, как используется в варианте осуществления согласно фиг.2,
Фиг.4 вид сверху первого варианта осуществления футеровки основания, изготовленной из больших керамических блоков, расположенных концентрическими кругами,
Фиг.5 вид сверху второго варианта осуществления футеровки основания, изготовленной из больших керамических блоков, расположенных «елочкой», причем блоки футеровки стенки расположены ступенчато,
Фиг.7 вид радиального поперечного сечения футеровки основания согласно фиг.4, представляющей различные примеры вертикальных швов между керамическими блоками.
Подробное описание со ссылкой на чертежи
На фиг.1 изображен по существу цилиндрический под 10 доменной печи (показан не полностью), более конкретно, нижняя область пода под фурмами (не показаны). Под 10 содержит футеровку 12 боковых стенок и нижнюю футеровку 14 основания, которые изготовлены из огнеупорного материала, который противостоит очень высоким температурам >1500°C для размещения ванны расплавленного передельного чугуна, изготовленного посредством процесса в доменной печи. Футеровка 12 стенки содержит крайнюю в направлении вовнутрь дополнительную футеровку 16. Обычно окружающий наружный кожух 18, например цилиндрического кожуха, изготовлен из стали и для размещения и механической поддержки футеровки 12 стенки и футеровки 14 основания. Футеровка 12 стенки и футеровка 14 основания соответственно образуют боковую границу и нижнюю границу полезного объема пода 10. Как далее изображено на фиг.1, футеровка 14 основания содержит нижнюю область 20 и верхнюю область 22, которая расположена так, что она покрывает верх нижней области 20. При изготовлении из керамического материала, верхняя область 22 зачастую называется «керамическая подушка».
Хотя на фиг.1 не изображено подробно, нижняя область 20 содержит произвольную обычную конструкцию на основе углерода. Нижняя область 20, начиная с плиты основания футеровки основания, может состоять из трамбовочной массы, графитового слоя, толщиной примерно от 100 до 200 мм, и углеродного слоя, толщиной примерно 1 м, двух или трех перекрывающихся рядов теплопроводных углеродистых огнеупорных блоков.
Однако верхняя область 22 футеровки 14 основания имеет особую конфигурацию согласно настоящему изобретению. Как видно на фиг.1, верхняя область 22 содержит непрерывный горизонтальный слой из множества керамических элементов 24, который полностью покрывает верхнюю поверхность 26 нижней области 20 обычной конфигурации, то есть верхнюю поверхность 26, которая подвергалась бы воздействию ванны в поде 10 в отсутствие верхней области 22. Соответственно, покрытая верхней областью 22 поверхность соответствует дискообразной области, которая по окружности ограничена футеровкой 12 стенки и нижней области 20. В варианте осуществления согласно фиг.1 слой керамических элементов 24 образован выложенной по типу мостовой сборкой, изготовленной, в основном, из небольших блоков, например кирпичей или блоков, имеющих размеры, превышающие 100×200×500 мм, причем блок обычно расположен со своей продольной осью, ориентированной в вертикальном направлении. В смежной области, примыкающей к футеровке 12, стенки могут использоваться меньшие элементы. Более конкретно, верхняя область 20 содержит два перекрывающихся горизонтальных слоя 28, 30 (то есть, плоскостные слои) блоков в шахматном порядке. Геометрическое расположение элементов 24 в ряды 28, 30 является любым известным подходящим типом, например обычное расположение «елочкой». Кроме керамических элементов как таковых, верхняя область 22 содержит вертикальные швы 34, 36 на цементной основе между элементами 24 из обычного материала и обычной конфигурации и горизонтальные цементные швы между рядами 28, 30 и между нижним рядом 30 и нижней областью 20. Расположение в шахматном порядке элементов 24 ряда 28 относительно элементов ряда 30 позволяет осуществить более устойчивую конструкцию и увеличивает герметичность по отношению к расплавленному передельному чугуну. Из вышеизложенного ясно, что верхняя область 22 образует сцементированный сплошной барьер или разделитель между ванной, содержащейся в поде 10, и сконфигурированной обычным образом нижней областью 20. Соответственно, верхняя область 22 обеспечивает долговременно устойчивое положение изотермы затвердевания передельного чугуна в верхней области 22 (то есть, внутри подушки). Кроме того, керамическое покрытие верхней области 22 обеспечивает дополнительную защиту от растворения углерода углеродистого огнеупорного (слоя) в нижней области 20, прежде всего в том случае, если ванна в поде 10 не насыщена углеродом (например, вследствие уменьшения выбросов окиси углерода).
Ясно, что каждый керамический элемент 24 основан на микропористом керамическом материале, то есть материале, имеющем проницаемость ≤2 наноперм, предпочтительно, ≤1 наноперм (метрический - измерен с помощью способа согласно ISO 8841:1991 «Dense, shaped refractory products-Determination of permeability to gases»). Более предпочтительно, керамические элементы 24 состоят, по существу, из микропористого материала и имеют средний размер пор со средней шириной пор ≤2 мкм (измерено с помощью способа согласно DIN 66133: ((Determination of pore volume distribution and specific surface area of solids by mercury intrusion))).
Защитный слой огнеупорных элементов 24 позволяет осуществлять долговременное обслуживание уровня изотермы затвердевания передельного чугуна (например, при температуре 1150°C), идеальным образом внутри верхней области 22 во время всей работы печи. Кроме того, и как ясно по сравнению с изготовленными из обычной керамики защитными слоями предложенная верхняя область 22 с защитным слоем из микропористого керамического материала обеспечивает устойчиво увеличенный уровень упомянутой изотермы затвердевания, как указано выше. Кроме того, в теории установлено, что микропористые огнеупорные элементы 24 будут менее подвержены износу и, таким образом, имеют более долгий срок службы вследствие улучшенной устойчивости к химическому воздействию щелочей. Как следствие, срок службы нижней области 20 значительно увеличивается за счет микропористых элементов 24 в верхней области 22 согласно изобретению.
Как далее видно на фиг.1, футеровка 12 стенки оснащена крайней в направлении вовнутрь дополнительной сборкой, состоящей из керамических элементов 38, которые также могут быть изготовлены из микропористой керамики. Вместе с керамическими элементами 24 керамические элементы 38 могут образовывать керамический стакан 32, обеспечивающий «искусственный гарнисаж высокого качества», защищающий основную огнеупорную конструкцию как футеровки 12 стенки, так и футеровки 14 основания пода 10. Следует отметить, что керамические материалы также минимизируют потери тепла по сравнению с обычными огнеупорами, так что при обеспечении керамического стакана 32 является возможной более энергоэффективная эксплуатация. Как ожидается, микропористое качество керамических элементов 24 существенно снижает на долгое время теплопроводность по сравнению с обычными керамическими огнеупорами.
Подходящие керамические элементы 24 с низкой проницаемостью могут изготавливаться с помощью любого известного способа, например обычного гидравлического связывания предварительно изготовленных литых блоков на основе зернистого андалузита (минерала незосиликата алюминия Al2SiO5) или синтетического муллита.
Однако, предпочтительно, керамические элементы 24 низкой теплопроводности, а также термически стабильной очень низкой проницаемости, например <1 наноперм, получают за счет обжига в атмосфере азота.
Предпочтительно, керамические элементы 24 изготавливаются с помощью подходящих мелкодисперсных добавок, что после обжига в атмосфере азота («азотное сжигание» или «азотирование») обеспечивает устойчивую к высокой температуре постоянную микропористость. В дополнение к уменьшению средней свободной ширины пор и тем самым "непроницаемости" материала, это обработка может снабдить керамический материал, прежде всего SiAlON-керамику, лучшей устойчивостью к химическому воздействию, например щелочных веществ, чем неазотированные керамические материалы. Большие микропористые керамические элементы 24 являются предпочтительными и получаются путем обжига в атмосфере азота предварительно изготовленных блоков. Подходящие предварительно изготовленные (зеленые) блоки могут быть основаны на зернистом материале с высоким содержанием глинозема. Однако более предпочтительно, ввиду уменьшенной стоимости и уменьшенной теплопроводности, блоки могут быть основаны на андалузите, синтетическом муллите или шамотном зернистом материале, например шамоте с содержанием Al2O3 55-65% по массе, прежде всего 60-63% по массе. Эти три альтернативы рассматриваются в качестве создающих микропористость, которая остается стабильной при высоких температурах, превышающих 1400°С, которые могут иметь место в поде. Предпочтительно, предварительно изготовленные блоки имеют такой состав, чтобы получать микропористую SiAlON связанную керамику, то есть тип матрицы (связанная фаза), изготовленной из «керамического сплава» на основе таких элементов, как: кремний (Si), алюминий (Al), кислород (O) и азот (N), введенных соразмерно в шамот (первоначальная смесь до обжига), который затем обжигается в атмосфере азота. Поскольку SiAlON связанная керамика известна своей устойчивостью к смачиванию или коррозии ввиду воздействия расплавленных цветных металлов, она может также быть благоприятной в случае использования сплава на основе железа, например в доменной печи для изготовления передельного чугуна.
На фиг.1 керамические элементы 24 изготовлены, например, из заранее изготовленных блоков на основе андалузита с содержанием Al2O3 примерно 55-65, прежде всего 60-63% по массе, которые стали непроницаемыми за счет обжига в атмосфере азота, то есть за счет окружения зерен зернистого материала связанной фазой SiAlOH.
На фиг.2 показан альтернативный вариант осуществления пода 210, в котором только конфигурация верхней области 222 футеровки 214 основания отличается от вышеописанного пода. На фиг.2 нижняя область 220 содержит любую обычную конструкцию на углеродной основе, и керамические элементы 224 изготовлены из предварительно изготовленных блоков, например, на основе зернистого андалузита, шамота или корунда, также преобразуемого в микропористую SiAlON-связанную керамику за счет обжига в атмосфере азота. Измерения проницаемости также показали проницаемость <2 наноперм.
Ясно, что схематично показанный на фиг.2 слой огнеупорных элементов 224 образован из двух рядов, построен по существу из блоков относительно большого размера, имеющих объем, обычно превышающий 20 дм3, и размеры, по меньшей мере 400×200×500 мм (высота × ширина × длина), однако по меньшей мере один размер значительно превышает 200 мм. Обычно слой 224 изготовлен из двух рядов блоков с протяженностью по вертикали 400 мм или даже двух рядов с протяженностью по вертикали 500 мм. Слой огнеупоров может также состоять только из одного ряда больших блоков.
Независимо от вышесказанного, в данном раскрытии также предлагается конфигурация и способ обеспечения непроницаемости для изготовления блоков 224 большого размера с высокой гомогенной микропористостью по всему составляющему материалу.
На фиг.3А-Б изображен подходящий необожженный (зеленый) блок 300, например на основе зернистого андалузита, получившего форму посредством трамбовки или виброформования. Относительно его ориентации при установке, в общем параллелепипедный блок 30 имеет верхнюю сторону 302 и противоположную нижнюю сторону 304 (основание). Как видно в поперечном сечении на фиг.3А, блок 300 сформован таким образом, что он имеет глухие отверстия 306, которые, предпочтительно, являются немного коническими в целях формования. Глухие отверстия 306 открываются в нижнюю сторону 304 и заканчиваются недалеко от верхней стороны 302 на расстоянии d. Кроме того, как видно на виде сзади на фиг.3Б, блоки большого размера имеют четыре (или любое другое подходящее количество в зависимости от размера и формы) глухих отверстия 306, которые имеют диаметр, например, 10-50 мм, обычно около 20 мм. Глухие отверстия 306 расположены на одинаковом расстоянии с тем, чтобы быть отделенными друг от друга и от наружных сторон на одинаковом максимальном расстоянии d (например, на диагонали прямоугольной нижней стороны 304). Расстояние d выбрано немного меньше, чем двукратная максимально допустимая глубина проникновения выбранного процесса непроницаемости. При использовании азотирования d обычно составляет 100-200 мм. Благодаря глухим отверстиям 306, возможным является гомогенный обжиг в атмосфере азота блоков большого размера. После обжига блоков 300 большого размера в атмосфере азота, немного конические глухие отверстия 306, предпочтительно, закрываются посредством трамбовки. В качестве предпочтительной трамбовочной массы используется гранулированная масса, схожая с керамическим материалом необожженного блока, предпочтительно подходящая для фосфатного твердения (твердение вследствие фосфатной реакции с составляющей матрицы). Такая трамбовочная масса придает устойчивость к высокой температуре и износостойкость. Отверстия для подъема, хорошо известные из уровня техники, выполненные на верхней стороне блоков, также могут способствовать эффективному азотированию.
На фиг.4-6 изображены три альтернативные конструкции футеровки основания согласно изобретению, выполненные из керамических блоков большого размера.
В первой предпочтительной конструкции, представленной на фиг.4, керамические блоки 224, имеющие, например, среднюю ширину 500 мм в направлении вдоль окружности, выполнены концентрическими кольцами параллельно кольцу окружающих углеродистых блоков 2 футеровки стенки. Наружное кольцо 4 керамических блоков, предпочтительно той же компоновки, выполнено для достижения надлежащего размещения относительно окружающих углеродистых блоков 2, например посредством толстого шва толщиной 50 мм.
В представленных на фиг.5 и 6 конструкциях керамические блоки 224a выстроены в двух перпендикулярных направлениях. Эта конструкция, зачастую называемая «конструкция елочкой», преимущественно позволяет придавать идентичную прямоугольную форму и размеры многим блокам, уменьшая, тем самым, стоимость форм.
Если окружающие углеродистые блоки 2 имеют круглую конструкцию, как показано на фиг.5, между блоками («елочкой») 224 и углеродистыми блоками рекомендуется промежуточное кольцо 5. Только блоки 224a′, расположенные с краю, смежные с промежуточным кольцом 5, требуют придания специальной формы. Предпочтительно, керамические блоки кольца 5 имеют ту же компоновку, что и блоки 224a, или возможно лучше.
Наоборот, если углеродистые блоки 2а выполнены, как показано на фиг.6, согласно так называемым «ступенчатым, параллельным балкам», может использоваться, включая необходимый толстый шов 3а, непосредственное размещение с углеродистыми блоками, обеспечивая то, что ширина керамических блоков 224a адаптирована к ширине углеродистых блоков. Однако при необходимости также могут использоваться керамические блоки, имеющие разную ширину, например керамические блоки 224b половинной ширины.
Длину только некоторых керамических блоков 224a″ необходимо подогнать, чтобы обеспечить размещение с окружающими углеродистыми блоками 2a с помощью толстых швов 3a.
Как уже было сказано, особого внимания требуют швы между керамическими блоками большого размера из вышеприведенных примеров. Например, в случае конструкции концентрических колец на фиг.4 длина блока в радиальном направлении равна 600 мм. Затем толщина шва 234, 236 между двумя следующими друг за другом кольцами составляет 1% от длины, то есть 6 мм.
Соединительные поверхности швов могут быть либо плоскими скошенными поверхностями (31a), либо криволинейными волнообразными поверхностями (31c), либо ступенчатыми поверхностями (31b), как показано на фиг.7. Предпочтительно, эти швы являются швами, скошенными все более и более от центра к краю футеровки основания, важный аспект состоит в том, что граница любого блока, направленная от к оси А, преодолевает смежную границу смежного блока, так что своего рода арочный эффект, благоприятствующий лучшему поддержанию блоков, получают посредством блокировки последовательно разных колец от центра к наружному кольцу. Все швы могут иметь одну и ту же форму, как упомянуто выше. На фиг.7 не ограничивающим способом показаны примеры швов между разными кольцами футеровки концентрическими кольцами, расположенными над нижней областью 20 углеродистой футеровки. Ось A пода находится на левой стороне чертежа. Нарастающий наклон швов, получаемый посредством соединительной поверхности 31 с между блоками внутренних колец 4а, является по существу плоским. Соединительная поверхность 31c между блоками промежуточных колец 4с дает пример криволинейной волнообразной поверхности, а соединительная поверхность 31b между блоками наружных конец 4b дает пример ступенчатой поверхности контакта. Фактически, в поде используется либо криволинейные волнообразные или ступенчатые поверхности контакта, но не обе одновременно.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
Фиг.1
10 под
12 футеровка стенки
14 футеровка основания
16 крайняя в направлении вовнутрь футеровка
18 наружный кожух
20 нижняя область
22 верхняя область
24 керамические элементы
26 верхняя поверхность
28 первый ряд
30 второй ряд
32 керамический стакан
34 первый шов
36 второй шов
38 крайние в направлении вовнутрь керамические элементы
Фиг.2
210 под
212 футеровка стенки
214 футеровка основания
216 крайняя в направлении вовнутрь футеровка
218 наружный кожух
220 нижняя область
222 верхняя область
224 керамические элементы
226 верхняя поверхность
228 первый ряд
230 второй ряд
232 керамический стакан
234 первый шов 236 второй шов
238 крайние в направлении вовнутрь керамические элементы
Фиг.3
300 необожженный керамический блок
302 верхняя сторона
304 нижняя сторона
306 глухие отверстия D расстояние
(<2х глубина проникновения)
Фиг.4
2 углеродистые блоки
3 толстые швы
4 наружное кольцо
236 керамические элементы 224 керамические блоки
Фиг.5
224a керамические блоки
2 углеродистые блоки
3 толстые швы
5 наружное кольцо
224a′ керамические блоки края
Фиг.6
224a керамические блоки
2a углеродистые блоки
3a толстые швы
5а наружное кольцо
224a" керамические блоки края
224b керамические блоки половинной ширины
Фиг.7
4а внутренние кольца
4b наружные кольца
4с промежуточные кольца
31а плоские скошенные поверхности
3lb ступенчатые поверхности
31с криволинейные волнообразные поверхности.
1. Под (10; 210) доменной печи, содержащий:
- футеровку (12; 212) стенки и футеровку (14; 214) основания, которые изготовлены из огнеупорного материала для размещения ванны, содержащей расплавленный металл,
причем футеровка (14; 214) основания имеет нижнюю область (20; 222), содержащую углеродистый огнеупорный слой, и верхнюю область (22; 222), которая содержит слой керамических элементов (24; 224), расположенных для покрытия нижней области (20; 220),
отличающийся тем, что
керамические элементы (24; 224) верхней области (22; 222) изготовлены из микропористого керамического материала, состоящего из зернистой фазы, изготовленной из кремниево-глиноземистого зернистого материала с высоким содержанием глинозема, и связующей фазы для связывания зерен зернистого материала, причем микропористый керамический материал имеет теплопроводность менее чем 7 Вт/м*K, предпочтительно менее чем 5 Вт/м*K, и проницаемость ≤2 наноперм, и среднюю ширину пор ≤2 мкм.
2. Под (10; 210) по п. 1, в котором футеровка (12, 212) стенки ограничивает горизонтальную верхнюю поверхность нижней области (20, 220) футеровки (14,214) основания, при этом слой керамических элементов (24; 224) представляет собой сборку, которая содержит кирпичи или блоки и полностью покрывает верхнюю поверхность (26, 226) нижней области (20, 220) футеровки (14,214) основания.
3. Под (10; 210) по п. 1, в котором микропористый керамический материал имеет проницаемость ≤1 наноперм.
4. Под (10; 210) по п. 1, в котором микропористый керамический материал имеет среднюю ширину пор ≤1 мкм.
5. Под (10; 210) по п. 1, в котором зернистая фаза содержит один или более материалов из андалузита, шамота, корунда и синтетического муллита.
6. Под (10; 210) по п. 5, в котором зернистая фаза содержит зернистый андалузит с содержанием AlO3 55-65% по массе, предпочтительно 60-63% по массе.
7. Под (10; 210) по п. 1, в котором связующая фаза содержит нитрированное связующее вещество.
8. Под (10; 210) по п. 7, в котором связующая фаза основана на кремнии, алюминии, кислороде и азоте в соответствующем диапазоне соотношений, способных вырабатывать SiAlON-связь.
9. Под (10; 210) по п. 2, в котором керамические элементы выполнены в виде блоков (224), имеющих размеры более 200×400×500 мм и первую часть (300), изготовленную из обожженного в атмосфере азота керамического материала, с по меньшей мере одним глухим отверстием (306) на его нижней стороне, и вторую часть, изготовленную из огнеупорного материала, утрамбованного в глухие отверстия, причем глухие отверстия расположены таким образом, что любая точка, расположенная в керамическом материале первой части, находится на расстоянии (d), которое выбрано меньшим, чем двукратная максимально допустимая глубина непроницаемости, обеспечиваемая за счет используемого при изготовлении блоков процесса обжига.
10. Под (10; 210) по п. 2, в котором керамические элементы являются блоками (224а) большого размера, имеющими размеры более 200×400×500 мм, расположенные в двух перпендикулярных направлениях.
11. Под (10; 210) по п. 10, в котором футеровка стенки на одном уровне с верхней областью содержит огнеупорные блоки (2а), совмещенные с блоками (224а) большого размера, размещенными в двух перпендикулярных направлениях, причем каждое расположение по одной линии или группа расположений по одной линии керамических блоков продлевается по направлению к краю футеровки стенки посредством одного огнеупорного блока (2а).
12. Под (10; 210) по п. 10, в котором футеровка стенки на том же самом уровне, что и верхняя область содержит первый кольцевой ряд огнеупорных блоков (2), расположенных по окружности бок о бок, и второй кольцевой ряд (5) микропористых керамических блоков, расположенных по окружности бок о бок, расположенный между первым кольцевым рядом огнеупорных блоков и керамическими блоками (224а) большого размера, размещенными в двух перпендикулярных направлениях.
13. Под (10; 210) по п. 2, в котором футеровка стенки на одном уровне с верхней областью содержит первый кольцевой ряд огнеупорных блоков (2а), расположенных по окружности бок о бок, а керамические элементы выполнены в виде керамических блоков (224) с размерами более 200×400×500 мм, расположенными концентрическими кольцевыми рядами, причем каждый из кольцевых рядов состоит из микропористых керамических блоков, расположенных по окружности бок о бок, причем наружный кольцевой ряд (4) керамических блоков присоединен к первому кольцевому ряду посредством трамбовочного материала (3).
14. Под (10; 210) по одному из пп. 11-13, в котором огнеупорные блоки (2а) являются углеродистыми блоками.
15. Под (10; 210) по п. 13, в котором соединительные поверхности (31а, 31b, 31с) между смежными керамическими блоками постепенно наклонены от центра по направлению к краю футеровки основания.
16. Под (10; 210) по п. 13 или 15, в котором соединительные поверхности являются плоскими скошенными поверхностями (31а) или криволинейными волнообразными поверхностями (31с) или ступенчатыми поверхностями (31b).
17. Под (10; 210) по п. 2, в котором керамические элементы (24; 224) выполнены в виде блоков, имеющих размеры более 200×400×500 мм, определяющие ширину заполняемых между ними керамическим раствором швов (234, 236), причем шов между любыми смежными блоками имеет ширину от 0,7 до 1,5%, предпочтительно от 0,8 до 1,2%, от размера смежных блоков, взятого в направлении, перпендикулярном направлению шва.
18. Доменная печь, содержащая под (10; 210) по одному из пп. 1-17.
19. Способ изготовления микропористых керамических элементов для верхней области (22; 222) футеровки основания пода доменной печи по п. 1, включающий:
- обеспечение заранее изготовленных блоков (300), изготовленных из зернистого андалузита или зернистого шамота или зернистого корунда или зернистого синтетического муллита, и связующей фазы, содержащей один или более таких элементов, как кремний, алюминий, кислород и азот, и
- обжиг блоков в атмосфере азота.
20. Способ по п. 19, в котором заранее изготовленные блоки являются заранее изготовленными блоками (30) большого размера, имеющими верхнюю сторону (302) и нижнюю сторону (304) и содержащими по меньшей мере одно глухое отверстие (306), выполненное на нижней стороне так, что любая точка внутри керамического материала находится на расстоянии от свободной поверхности блока ниже, чем обеспечиваемая за счет обжига максимальная глубина проникновения непроницаемости.
21. Способ изготовления микропористых керамических элементов для верхней области (22; 222) футеровки основания пода доменной печи по п. 1, включающий:
- обеспечение заранее изготовленных блоков, содержащих агрегаты с высоким содержанием глинозема или агрегаты андалузита или шамотного синтетического муллита,
- гидравлическое связывание заранее изготовленных блоков.
22. Способ изготовления микропористых керамических элементов для верхней области (22; 222) футеровки основания пода доменной печи по п. 1, включающий изготовление упомянутых элементов из керамического огнеупорного материала, состоящего из зернистой фазы, изготовленной из кремниево-глиноземистого зернистого материала с высоким содержанием глинозема, и связующей фазы для связывания зерен зернистого материала, причем способ включает:
- обеспечение необожженного керамического элемента (300), предпочтительно на основе зернистого андалузита или шамота, или корунда, или синтетического муллита, который в своей связующей фазе содержит элементы кремния, алюминия, кислорода и азота,
- обжиг в атмосфере азота этого необожженного керамического элемента (300) в керамический элемент, содержащий микропористую керамическую связующую фазу, имеющую, предпочтительно, проницаемость ≤2 наноперм.
