Аварии и повреждения конструкций доменных печей

Виды аварий в доменном производстве и причины, их вызы­вающие, весьма разнообразны. Наиболее тяжелыми из них являют­ся следующие.

1. Осевые и боковые прорывы горна доменной печи.

2. Разрывы кожуха и разрушение кладки печи от различных разрушающих усилий на футеровку и кожух печи.

3. Взрывы газа, чугуна и шлака.

Горн доменной печи представляет собой наиболее ответст­венную зону, повреждение в которой влечет за собой серьезную опасность для обслуживающего персонала и угрожает целостно­сти всего сооружения.

Особенно опасны прорывы чугуна при работе печи на высо­ком давлении газа под колошником - они связаны со взрывами большой мощности и выбросами жидких продуктов плавки и раскаленного кокса.

Несмотря на значительные достижения в области конструк­тивного оформления горна доменной печи, применение качественных огнеупоров для его кладки, аварии, связан­ные с прорывом горна печи, все же имеют место.

Эти прорывы наблюдаются в основном в районе чугунных леток, на стыке огнеупорной кладки металлоприемника и леща­ди, а также на уровне верхних рядов кладки лещади. Анализ службы огнеупорной кладки и характера прорывов горна, а также разрушения верхних рядов кладки лещади выявил ряд главных причин разрушения огнеупорной кладки в этих рай­онах. Присутствие в горне жидкого чугуна, нагретого до 1450-1550 °С с одной стороны и периферийное охлаждение стен металлоприемника - с другой, создает температур­ные поля, характеризующиеся резким снижением температуры от внутренней поверхности кладки к периферии. Под действием этого фактора нарушается сплошность кладки - между огнеупорами (особенно в периферий­ной зоне) возникают радиальные зазоры и раскрываются швы. Кроме того, каждый слой кладки лещади дополнительно деформи­руется при непрерывном нагреве лещади печи по ее толщине. Верхние слои кладки расширяются больше, чем нижние, что приводит к “выпучиванию” огнеупорного слоя. В образовавшийся зазор между смежными рядами проникает жидкий чугун, вызывая всплывание огнеупорных изделий и постепенное разрушение леща­ди. Всплывание уже первого ряда кладки лещади предопределяет условия для проникновения жидкого чугуна к холодильникам на стыке горна и лещади.

Имеется и другая причина быстрого разрушения огнеупорной футеровки горна и периферийной части лещади. Это связано с плохой сушкой кладки лещади или даже с полным отсутствием сушки перед задувкой печи. В этом случае имеет место окисление и разрыхление углеродистых огнеупоров лещади и горна печи парами воды.

Разрушению лещади способствует также влага, попадающая в печь из сгоревших холодильников и воздушных фурм, влага леточной массы, попадающая в горн печи при закрытии чугунной летки, нестабильность гарниссажа и колебания тепло­вого состояния плавки в целом.

Значительное разрушающее воздействие на стойкость кладки в районе горна печи оказывает наличие щелочей (К₂О, Na₂O).

Неравномерный нагрев углеродистых блоков со стороны вертикальных плитовых холодильников и центра печи, различия в термическом расширении углеродистой и муллитовой кладки приводят к появлению изгибающих усилий в углеродистых блоках стен горна и верха лещади. В результате этого по вертикальной плоскости в углеродистой кладке горна и верха лещади образуются кольцевые трещины.

После разрушения кладки и воздействия жидкого чугуна непосредственно на холодильники происходит их расплавление из-за недостаточной эффективности охлаждения (большой шаг между трубками в холодильнике, малая скорость воды в охлаждающих трубках, несовершенство технологии промывки трубок холодильников или ее полное отсутствиеи т.п.).

Ряд доменных печей работают с высокой интенсивностью на комбинированном дутье, содержание кислорода в котором дости­гает 30 %, что вызывает высокий температурный уровень в нижних зонах печи.

На многих печах не производится отработка верхнего шлака, вследствие чего значительно возросли тепловые нагрузки и усилилось разъедающее действие шлака на чугунные летки.

Таким образом, интенсификация доменного процесса и изме­нение режима выпуска жидких продуктов плавки привели к увеличению тепломассообменных процессов в горне печи, что при увеличении межремонтных периодов недостаточно компенси­руется качеством применяемых огнеупорных материалов и леточных масс, уровнем технологической дисциплины, обслужива­ния и контроля состояния горна.

Из данных отечественной практики следует, что оптимальная продолжительность кампании должна определяться с учетом конкретных условий работы печи, качества применяемых огнеупоров, системы охлаждения и уров­нем эксплуатации доменной печи. В зарубежной практике часто в качестве показателя, характеризующего оптимальную продол­жительность кампании, принимают количество чугуна, выплав­ляемого за период до капитального ремонта 1 разряда, отне­сенного к 1 м³ полезного объема доменной печи. Для большинст­ва зарубежных печей этот показатель составляет 4-5 тыс. тонн на 1 м³ объема печи (в Германии до 6-7,5 тыс. т/м³). При достижении за кампанию заданного уровня производства домен­ную печь останавливают на капитальный ремонт с полной заменой огнеупорной кладки в горне печи и лещади независимо от ее состояния.

Следует отметить, что для многих доменных печей России отмеченный показатель может составлять 8,5 тыс. т/м³. Анализ аварий с прорывом горна показывает, что одной из причин, вызывающих этот вид тяжелейшей аварии, является напряженная работа горна печи.

Возможные повреждения конструкций доменных печей. Такие повреждения конструкций являются следствием условий эксплуатации, дефектов проектирования, изготовления и монтажа. Это в равной степени относится к кожуху печи, холодильникам и футеровке.

К характерным повреждениям конструкций печи относятся продувы кожуха, разрывы кладки и прогары холодильников, просыпание или выдувание засыпок в компенсационных слоях, изменение физико-механических характеристик материала кожуха, холодильников и футеровки в процессе эксплуатации домен­ной печи.

Нередко возникают повреждения в виде местных перегревов кожуха, вмятин, выпучин, корродированных участков и т.п. Пере­гревы являются следствием разрушения футеровки или прогара холодильников, а выпучины обычно возникают в перегретых участках кожуха, где металл частично теряет способность воспринимать действующие нагрузки.

Наиболее частым видом повреждения кожуха являются трещи­ны, причины образования которых чаще всего заключаются в следующем: недостаточная толщина компенсационного слоя, наличие зоны перелома кожуха, высокая и меняющаяся по вре­мени температура (к примеру, в районе чугунной летки), мест­ные перегревы кожуха вследствие разгара огнеупорной кладки или выхода из строя холодильников. Возможными причинами образования трещин в кожухе могут быть также: неудовлетвори­тельное состояние охлаждения горна печи и ее лещади, а также технологические изменения хода печи (колебания теплового состояния при глубоких расстройствах хода плавки, переходы печи на выплавку других видов чугунаи др.). Основными техно­логическими причинами снижения надежности работы кожуха доменной печи являются: чрезмерное развитие периферийного газового потока, неустойчивость гарниссажа из-за нарушения технологического режима плавки, охлаждение зон перегрева кожуха наружным поливом, что вызывает в кожухе печи допол­нительные термические напряжения.

Трещины в кожухе могут достигать 1,5-3 метров по вертика­ли и горизонтали, а ширина трещин может доходить до 60-80 мм.

Процесс, ведущий к разрушению кожуха, идет обычно по следующей схеме: выгорание кладки доменной печи (от 0,5 до 1,5 года), выход из строя холодильников (2-4 года), появление необратимых пластических деформаций кожуха с последующим появлением трещин (от 2,5 до 5 лет).

Работоспособность кожуха во многом определяется состояни­ем холодильников. На каждом капитальном ремонте 1 и 2 разря­дов все холодильники шахты подлежат замене. Примеры исполь­зования старых холодильников, которые по визуальным наблюде­ниям казались вполне пригодными для дальнейшей эксплуата­ции, не оправдались.

Неполадки в работе технологического оборудо­вания доменной печи. Под неполадками понимается нарушение нормального функционирования агрегатов, конструкций оборудования и устройств, приводящих к отказу в их работе. Внезап­ное разрушение сооружений, агрегатов, механизмов, машин и зданий квалифицируется как авария.

Анализ простоев, аварий и тихого хода доменных печей показывает, что по числу случаев и длительности простоев прогар фурменных приборов находится на “первом месте” (25 % от общего числа анализируемых случаев). Причины выхода из строя фурменных устройств многообразны. Помимо конструктив­ных ошибок, малой интенсивности охлаждения или временного прекращения подачи воды на их охлаждение, существенное влияние на стойкость этих устройств оказывают техноло­гические факторы. К ним относятся следующие: переполнение горна печи расплавами и подход жидких продуктов плавки к уровню воздушных фурм, причиной которого может быть как нарушение графика выпусков, так и загромождение горна рас­плавами, оползание гарниссажа, похолодание печи, нерациональ­ное распределение материалов и газов по сечению печи, повы­шение вязкости шлака, неровный ход печи. Бывают случаи частичной или полной заливки фурм шлаком при остановках печи с непродутой чугунной леткой, при ошибках на переводе воздухонагревателей, при временном прекращении дутья.

Вторым видом аварийных ситуаций по числу случаев и длительности простоев являются неполадки на выпусках чугуна и шлака. Эти неполадки связаны с работой чугунной и шлаковой леток. Чугунная летка является ответственным эле­ментом печи, за которой требуется постоянный уход и кон­троль. Часто встречающийся вид разрушения арматуры летки - прогар рамы. Возможно дальнейшее развитие этого разрушения - прогар леточных холодильников. Прогар рамы может быть связан с установкой высокого уровня чугунного перевала в горновом желобе, неправильной конструкцией главного желоба в частности малым углом его наклона, бурным выпуском чугуна, неверно установленным углом наклона электрической пушки. При исполь­зовании леточной массы низкого качества может наблюдаться значительный разгар выпускного отверстия, разъедание футляра летки и прожигание чугуном арматуры летки, в том числе и ее рамы. Кроме того, при некачественном составе леточной массы уменьшается длина чугунной летки, наблюдается близкий подход чугуна к горновым холодильникам и как возможный случай такого состояния - самопроизвольный выход чугуна.

Горение шлаковых приборов происходит вследствие следую­щих причин: подход чугуна к уровню шлаковых леток и их неизбежное горение, увеличение вязкости шлака, сопровождающее­ся плохим разделение чугуна и шлака и наличием в верхнем шлаке капель металла, нарушение графика выпусков, осадки шихты при заполненном горне печи. Шлаковая летка работает в исключительно тяжелых условиях. Чаще всего сгорает шлаковая летка, реже - бронзовый холодильник и еще реже - чугунные холодильники.

Далее по числу простоев стоят остановки печи из-за неисправностей загрузочных устройств. С переходом доменных печей на работу с высоким давлением колошникового газа стойкость загрузочных устройств существенно сократилась. Основной причиной выхода деталей засыпного и распределитель­ного аппаратов является образование неплотностей по линии контакта конуса с чашей, по которым устремляется грязный газ, вызывая абразивный износ конуса и чаши. Расчетная скорость движения газа в указанных неплотностях составляет при пере­паде давления 0,2 атм (20 кПа) более 80 м/с, а при перепаде давления 1,8 атм (180 кПа) увеличивается до 300 м/с. Имеющиеся в специальной литературе данные показывают, что количество металла, снимаемое частичками пыли, пропорционально кубу скорости. Имеются и другие причины низкой стойкости засыпно­го устройства доменной печи: дефекты отливки (раковины, трещины, пузыри), деформация деталей засыпного устройства при транспортировке, остаточные напряжения после отливки деталей или после наплавки их контактных поверхностей твердыми сплавами, из-за несоосности печи и загрузочного устройства. Крайне неблагоприятно на стойкости загрузочного устройства сказывается нарушение нормального газораспределения. Установ­лено, что различия в температурах по окружности чаши и конуса могут достигать 300 °С и более. Это приводит к дефор­мации и появлению щелей шириной до 3-4 мм, которые не могут быть ликвидированы усилием поджатия конуса к чаше.

К числу немногочисленных аварийных ситуаций, связанных с эксплуатацией загрузочных устройств, можно отнести следующие: разрыв штанги большого конуса при взрыве газа в межконусном пространстве, изгиб штанги большого конуса при принудитель­ном опускании большого конуса на перекошенный и высокий уровень шихты в печи.

Что касается состояния аварийности на вспомогательных устройствах и оборудовании доменной печи, то причины их возникновения связаны с конструктивными недостатками, нарушением графика осмотров и ремонтов и ошибками техноло­гического персонала.

Аварии на тракте подачи и нагрева дутья чаще всего связаны с хлопками и взрывами в воздухонагревательных аппаратах. Такими причинами могут быть: не зажигается газ, поступающий в горелку в начальный момент подачи газовоздуш­ной смеси, взрыв газа при взятии печи “на тягу” во время остановок, когда не подается воздух для сжигания газа, отса­сываемого из печи, нарушается очередность действий при взятии печи на “тягу” и при переводе воздухонагревателей из одного режима в другой.

Аварийность на агрегатах по очистке газа связана чаще всего с хлопками и взрывами. Взрывы газа происходят, главным образом, в газовой сети при остановках и пусках печи. Газ, находящийся в газоотводах, охлаждается, уменьшается в объеме, что влечет за собой подсос воздуха и образование взрывчатых смесей. В связи с этим пренебрежение правилами технологических инструкций по остановкам и пускам печи может закончиться взрывами.

Ранее считали, что аварии неизбежны и органически присущи доменному производству. Однако изучение всевозможных аварий и анализ вызвавших их причин показывает, что чаще всего авария является следствием небрежной работы, либо неумелого ведения доменной плавки, а, следовательно, может быть предот­вращена.

ОБСЛУЖИВАНИЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ