البطانة المقاومة للحرارة للمغرفة الفولاذية: الطبقة-بواسطة-دليل اختيار مادة الطبقة
في علم المعادن الثانوي الحديث، لم تعد المغرفة الفولاذية التي يتراوح وزنها من 150 إلى 300 طن بمثابة دلو نقل بسيط. بين النقر من فرن الأكسجين الأساسي (BOF) أو فرن القوس الكهربائي (EAF) والصب على العجلات المستمرة، تعمل المغرفة كمفاعل دفعي كيميائي حراري شديد. إنه يتحمل التسخين القوسي لفرن المغرفة (LF) لفترة طويلة، وفقاقيع الأرجون السفلية الشديدة، وتفريغ الغاز بالفراغ العميق (VD/VOD)، وملامسة خبث إزالة الكبريت العدوانية عند درجات حرارة تتجاوز في كثير من الأحيان 1650 درجة.
في ظل هذه الظروف الصعبة داخل الحديثةاختيار عزل الفرن الصناعيالاستراتيجيات، يجب على البطانة المقاومة للحرارة أن توازن بين ثلاثة أهداف مادية متناقضة:
تعظيم طول عمر الحملة: منع الاحتراق المبكر في مناطق التآكل الموضعية (خاصة خط الخبث ووسادة الصدمات) لتجنب توقف الفرن غير المجدول.
السلامة الهيكلية المطلقة: ضمان عدم احتمالية حدوث تسرب للصلب السائل، حيث يخترق المعدن المنصهر بدرجة حرارة 1600 درجة الغلاف الفولاذي الخارجي.
احتواء الطاقة الحرارية: Minimizing temperature drop during transport while preventing excessive shell shell temperatures (>350∘C>350 درجة مئوية) التي تحفز زحف القشرة وبيضاويتها.
يتطلب تحقيق هذه المتطلبات إنشاء بنية حرارية متكاملة مكونة من ثلاث-طبقات حرارية:بطانة العمل، البطانة أمان (دائمة).، وطبقة عازلة احتياطية.
إن تحديد الطوب الحراري الخاطئ أو التركيبة القابلة للصب لأي طبقة واحدة يضر بنظام الوعاء بأكمله. يوجد أدناه الإطار الهندسي للطبقات-بواسطة-الطبقات المستخدم لتصميم بطانات المغارف المرنة لصناعة الصلب الحديثة.
بنية الطبقات-الثلاثية: التسلسل الهرمي الميكانيكي والحراري
يكشف المقطع العرضي -من خلال الجدار الجانبي للمغرفة الفولاذية عن ثلاث مناطق وظيفية تعمل تحت تدرجات حرارية وكيميائية شديدة الانحدار.
الفولاذ المنصهر والخبث (1580 درجة – 1680 درجة ) │ ▼ [ 1. بطانة العمل (150 – 220 مم) ] • خط الخبث: الراتنج-المرتبط MgO-C (12–14% C) • الجدار الجانبي/ البرميل: منخفض-Carbon MgO-C (6–9% C) أو طوب AMC • الجزء السفلي/وسادة الصدمات: اكسيد الالمونيوم-كتلة الإسبنيل مسبقة الصب أو AMC الثقيل │ [ درجة حرارة الواجهة: 1100 درجة - 1350 درجة ] │ ▼ [ 2. بطانة أمان / دائمة (65 - 114 مم) ] • عالي الكثافة-طوب ألومينا ( أكبر من أو يساوي 75% Al₂O₃) أو Ultra- أسمنت اكسيد الالمونيوم المصبوب (ULCC) │ [ درجة حرارة الواجهة: 450 درجة - 700 درجة ] │ ▼ [ 3. طبقة عازلة احتياطية (10 - 25 مم) ] • ألواح عزل نانو صغيرة المسامية- أو كالسيوم عالي الكثافة- لوح السيليكات │ [ درجة حرارة الغلاف الفولاذي: 260 درجة - 320 درجة ] │ ▼ غلاف مغرفة فولاذي (صفيحة فولاذية هيكلية 30 - 50 مم)
تخدم كل طبقة حدودًا ميكانيكية حرارية معينة:
بطانة العمليمتص 90% من التآكل الحراري الكيميائي والتآكل الميكانيكي والصدمة الحرارية المباشرة. إنه مضحى ويتم إعادة تبطينه كل 80 إلى 160 درجة حرارة.
بطانة السلامةيوفر الحاجز الهيكلي النهائي ضد اختراق الفولاذ السائل في حالة تشقق بطانة العمل، أو تفكك المفاصل، أو حدوث تلاعب مفرط بالخبث. تظل في الخدمة لمدة تتراوح من 12 إلى 36 شهرًا عبر العشرات من عمليات إعادة بناء بطانة العمل.
الطبقة الاحتياطيةيخنق نقل الحرارة، مما يقلل من إجهاد غلاف الفولاذ الخارجي ويحافظ على الطاقة الكهربائية أثناء تكرير LF.
الطبقة الأولى: بطانة العمل - هندسة المواد المخصصة
يعد سمك البطانة الموحد عبر الجزء الداخلي بأكمله ممارسة تصميمية قديمة تؤدي إلى تضخم تكاليف الحراريات. تختلف حركية التآكل بشكل كبير بين خط الخبث والبرميل والقاع. تستخدم المغارف الحديثةهندسة البطانة المخصصةوتكييف كيمياء الطوب ومحتوى الكربون وسمك الكتلة مع آليات التحلل المحلية.
1. خط الخبث: طوب المغنيسيا الممتاز-الكربون (MgO-C)
يواجه خط الخبث البيئة الأكثر تدميرًا في الوعاء: خبث التكرير شديد الحرارة أو شديد الحموضة، والحمل الحراري السريع للسوائل الناتج عن أعمدة غاز الأرجون، وأكسدة FeO/MnO النشطة.
مواصفات الحراريات: الراتنج-مترابططوب كربون المغنيسيا للمغارف الفولاذيةتمت صياغته باستخدام مغنيسيوم -منصهر كهربائي عالي النقاء (MgO أكبر من أو يساوي 97.5%MgO أكبر من أو يساوي 97.5%)، ورقائق الجرافيت البلورية (12%–14% C12%–14% C)، وعناصر معدنية مضادة للأكسدة.
لماذا يهم الكربون هنا: رقائق الجرافيت غير قابلة للتبليل كيميائيًا-إلى خبث منصهر. لا يمكن للخبث أن يتسلل إلى المسام الحبيبية -بين الطوب، مما يمنع الذوبان.
تخصيص سمك: عادةً من 180 إلى 230 ملم، وغالبًا ما يتطلب ذلك "إعادة خط صغير-" متوسط مجدول (استبدال خط الخبث) في منتصف الحملة لموازنة تآكل البراميل.
2. برميل المغرفة (الجدار الجانبي): متوسط- إلى منخفض-Carbon MgO-C أو AMC Brick
يحمل البرميل حمام الفولاذ السائل. في حين أن ملامسة الخبث الكيميائي تكون في حدها الأدنى أثناء الإمساك، فإن الجدران الجانبية تتحمل ضغطًا حديديًا شديدًا، ودورة حرارية مستمرة بين درجات الحرارة، والتآكل الناتج عن غسل الفولاذ المتحرك بالأرجون- على الحائط.
مواصفات الحراريات:
بالنسبة إلى الفولاذ القياسي المصنوع من الكربون والسبائك: طوب MgO-C الذي يحتوي على نسبة كربون أقل (6%–9% C6%–9% C) لتقليل التوصيل الحراري وتقليل فقدان حرارة الفولاذ.
بالنسبة للفولاذ فائق -منخفض الكربون (ULC)، أو الفولاذ الخلالي-الحر (IF)، أو الفولاذ المحمل النظيف: طوب الألومينا-المغنيسيا-الكربون (AMC) (70%–78% Al2O370%–78% Al2O3، 6%–10% MgO6%–10% MgO، 5%–7% C5%–7% ج) محددة. يعمل طوب AMC على التخلص من التقاط الكربون-في الفولاذ المنصهر بينما يؤدي تكوين الإسبنيل (MgAl2O4MgAl2O4) في الموقع إلى إغلاق مفصل الطوب بشكل محكم أثناء التسخين الأولي.
تخصيص سمك: 140 إلى 180 ملم.
3. قاع المغرفة ووسادة التأثير: التحميل الحركي الديناميكي
عند سحب 200 طن من الفولاذ من EAF أو محول، يسقط التيار المعدني الحر-من 4 إلى 6 أمتار، مما يولد تأثيرًا ميكانيكيًا كارثيًا واضطرابًا وصدمة حرارية على الأرضية السفلية.
مواصفات منطقة التأثير: كتل ضخمة من الإسبنيل مسبقة الصب-محروقة مسبقًا-أو كتل AMC ثقيلة معززة (سمك 250-320 ملم). تعمل الكتل مسبقة الصب على القضاء على فشل المفاصل تحت تيار التنصت.
مغرفة الطابق السفلي: تم وضع طوب MgO-C أو AMC المتدرج باتجاه كتلة البئر لضمان الصرف الكامل أثناء الصب.
كتل الآبار وأقماع التطهير: أشكال -أكسيد الألمونيوم النقي جدًا-الإسبنيل مسبقة الصب تم تصميمها بتفاوتات أبعاد ضيقة لألواح البوابة المنزلقة وسدادات الأرجون المسامية.
الطبقة الثانية: بطانة السلامة (الدائمة) - السلامة الهيكلية
بطانة الأمان هي بوليصة التأمين الخاصة بصانعي الصلب. إذا أخطأ المشغل في تقدير تآكل خط الخبث، أو فتح المفصل السفلي، أو فشل سدادة الأرجون، فيجب أن تحتوي بطانة الأمان على فولاذ مصهور بدرجة حرارة 1600 درجة دون أن ينكسر لمدة لا تقل عن 4 إلى 6 ساعات، مما يسمح بالتصريف الآمن في حالات الطوارئ.
هناك طريقتان هندسيتان متميزتان تسيطران على بطانات سلامة المغرفة الحديثة:
| المعلمة الهندسية | طوب الألومينا عالي الكثافة- | أسمنت متجانس للغاية-منخفض الأسمنت قابل للصب (ULCC) |
|---|---|---|
| كيمياء المواد | 75%–82% Al2O375%–82% Al2O3 البوكسيت أو الأندلسيت | الكوراندوم-الإسبنيل ألترا-مصفوفة أسمنتية منخفضة |
| سمك نموذجي | 65 مم (القوس الجانبي-/ البناء الإسفيني) | 75 مم - 100 مم (مُشكل ومصبوب بالاهتزاز-) |
| العمارة المشتركة | وصلات الملاط كل 114 أو 230 ملم | 100% متجانسة، بدون وصلات من الطوب |
| خطر تسرب الفولاذ السائل | معتدل (خطر تآكل الملاط في المفاصل) | فائق-منخفض (حلقة سيراميكية غير ملحومة مستمرة) |
| عمالة التثبيت والسرعة | عمالة البناء ذات المهارة العالية؛ 24-36 ساعة | الصب الآلي السريع مع القالب الأساسي؛ 6-8 ساعات |
| طول عمر حملة الخدمة | 12 – 18 شهرًا | 24 - 36 شهرًا |
| هدم / إعادة تبطين الجهد | اختراق الطوب الفردي كثيفة العمالة | تمزيق الإزميل الهيدروليكي-; صيانة يمكن التنبؤ بها |
التحول الحديث إلى بطانات السلامة القابلة للصب
تعمل محلات الصهر الرائدة على التخلص التدريجي سريعًا من بطانات الأمان الخاصة بالطوب لصالح اكسيد الالمونيوم المتجانس-المصبوب من الإسبنيل. نظرًا لأن بطانات السلامة الخاصة بالطوب تتميز بمئات من وصلات الملاط الرأسية والأفقية، فإن أي قطعة فولاذية تخترق بطانة العمل تجد طريقًا محتملاً. توفر المادة المصبوبة المتجانسة بوتقة سلسة وخالية من المفاصل-والتي تقضي بشكل أساسي على عمليات غسل المفاصل.
الطبقة الثالثة: طبقة العزل الاحتياطية - النمذجة الحرارية وتوفير الطاقة
تعتبر الطبقة العازلة الاحتياطية أنحف طبقة في المغرفة (عادة من 10 إلى 25 ملم)، ومع ذلك فهي تمارس تأثيرًا غير متناسب على اقتصاديات تشغيل المصنع.
في مغرفة سعة 200 طن، يبرد الفولاذ عند درجة حرارة 0.8 درجة مئوية تقريبًا إلى 1.5 درجة مئوية من 0.8 درجة مئوية إلى 1.5 درجة مئوية في الدقيقة أثناء النقل والإمساك. للحفاظ على الحرارة الفائقة المطلوبة في العجلة المستمرة، يجب أن يقوم فرن المغرفة بحقن الطاقة الكهربائية لإعادة تسخين الحمام. يعمل العزل الاحتياطي الفعال على خفض درجات حرارة الصنبور بشكل مباشر ويقلل من استهلاك الطاقة LF.
مقارنة المواد العازلة
لوح سيليكات الكالسيوم التقليدي (درجة 1000 درجة)
الموصلية الحرارية: 0.08–0.11 واط/م·ك عند 600 درجة، تم تقييمها عبر دليلنا لـدرجات ألواح سيليكات الكالسيوم.
الحد الهندسي: الانكماش الانضغاطي تحت الحمل الحديدي الثقيل.
At thicknesses >20 mm>20 مم، يمكن أن يؤدي الضغط المتكرر إلى إنشاء حلقات من الطوب بطانة عمل فضفاضة، مما يتسبب في تعويم البطانة.
ألواح العزل النانوية الدقيقة المسامية المتقدمة.-الألواح العازلة
الموصلية الحرارية: 0.024–0.034 وات/م⋅ك0.024–0.034 وات/م⋅ك عند 600 درجة (3× إلى 4× أعلى من سيليكات الكالسيوم).
الأداء الحراري: توفر لوحة النانو - المسامية الدقيقة مقاس 10 مم مقاومة حرارية مكافئة لـ 35 مم من لوح سيليكات الكالسيوم الكثيف.
القيمة الاقتصادية: يؤدي استبدال ألواح النانو مقاس 15 مم-} بالعزل التقليدي الأكثر سمكًا إلى تحرير حجم الوعاء الداخلي، مما يسمح لمصنعي الصلب بزيادة سعة شحن المغرفة بمقدار 2 إلى 4 أطنان مترية لكل حرارة دون تغيير حدود الرافعات ذات الخطاف العملاقة الخارجية.
هندسة التوازن الحراري والتمدد الحراري
يتطلب تصميم بطانة المغرفة حسابًا دقيقًا لبدلات التمدد الحراري. بما أن بطانة العمل تسخن من البيئة المحيطة إلى 1600 درجة، فإن الحلقة المقاومة للحرارة تخضع للتمدد الحراري بحوالي 1.2% إلى 1.6%.
إذا كان هذا التمدد غير مقيد، فإن ضغوط الطوق تتجاوز قوة خضوع الشد للقذيفة الفولاذية، مما يتسبب في تشوه دائم للقذيفة. إذا تركت فجوات تمدد مفرطة قابلة للانضغاط، فإن الفولاذ المنصهر يخترق المفاصل الباردة المفتوحة أثناء الحرارة الأولى.
معايير التوسع الحرجة:
ورقة التوسع الشعاعي: يجب إدخال الورق المقوى المموج أو ورق ألياف السيراميك (سمك 1.5 - 2.5 مم) كل 3 إلى 5 طوب حول الحلقة المحيطية.
فجوة الأمان العمودية: وصلة تمدد 15-20 مم معبأة ببطانية من ألياف السيراميك ذات درجة الحرارة العالية-يجب تصميمها أسفل حلقة الاحتفاظ بأعلى المغرفة لامتصاص التمدد الرأسي.
مصفوفة المواصفات الموجزة: مغرفة فولاذية سعة 200 طن
| طبقة البطانة | المكون / المنطقة | المواد المقاومة للحرارة الموصى بها | سماكة | عمر خدمة التصميم |
|---|---|---|---|---|
| بطانة العمل | خط الخبث | الراتنج-MgO المرتبط-C (14% C14% C، MgO المنصهر) | 200 – 220 ملم | 60 - 80 جولة تمهيدية (Reline 1× لكل حملة) |
| بطانة العمل | برميل (الجدار) | منخفض-كربون MgO-C (8% C8% C) أو طوب AMC | 150 – 170 ملم | 120 – 160 درجة حرارة |
| بطانة العمل | وسادة التأثير | اكسيد الالمونيوم مسبق الصب-كتلة تأثير الإسبنيل | 280 – 320 ملم | 120 – 160 درجة حرارة |
| بطانة العمل | الطابق السفلي | كثيفة MgO-C أو عالية-طوب الألومينا AMC | 160 – 180 ملم | 120 – 160 درجة حرارة |
| بطانة السلامة | جدار جانبي كامل وأسفل | اكسيد الالمونيثيك-الإسبنيل الترا-منخفض الأسمنت وقابل للصب | 75 – 90 ملم | 1,200 - 1,800 تصفيات (18-24 شهرًا) |
| العزل الاحتياطي | الجدار الجانبي والسفلي | لوح عزل -نانو صغير المسام عالي القوة- | 10 - 15 ملم | 1,200 – 1,800 درجة حرارة (استبدل بالسلامة) |
الكشف عن معلمات التشغيل: تمثل درجات حرارة الحملة معايير صناعية مجمعة لمتاجر صهر أفران الأكسجين الأساسية مع أوقات تكرير LF تتراوح من 35 إلى 45 دقيقة. كيمياء الخبث شديدة التآكل (CaO/SiO2<2.0CaO/SiO2<2.0, FeO>25%FeO>25%) or vacuum degassing durations >25 min>25 دقيقة سوف تقلل من عمر دورة بطانة العمل بشكل متناسب.
الدعم الهندسي وتوريد المواد الحرارية للمغرفة الجاهزة
يتطلب تحسين الأداء الحراري للمغرفة الفولاذية مزامنة تصميمات الطوب المقسمة إلى مناطق مع تعدين التكرير المحدد في مصنعك، وقدرات وزن الرافعة، وجداول التسخين-. تقوم Thermaxcel بتصميم وتصنيع وتوريد مجموعات كاملة من المواد المقاومة للحرارة للمغرفة الجاهزة - بما في ذلك طوب الخبث الممتاز-خط MgO-C، وكتل أسطوانية AMC، وأكسيد الألمونيوم الصب -أشكال صدمات الإسبنيل، ومسبوكات الأمان المتجانسة، وألواح العزل النانوية- ذات الكفاءة العالية.
إذا كان مصنعك يعاني من تلاعب محلي في خطوط الخبث، أو درجات حرارة مفرطة لقذائف المغرفة، أو يسعى إلى توسيع سعة حمولة الفولاذ السائل، فأرسل رسومات المغرفة ومعلمات التشغيل إلى فريقنا الهندسي. سوف نقوم بتقديم تخطيط شامل للبطانة المخصصة وتقييم النمذجة الحرارية.
الأسئلة المتداولة
لماذا يتم استخدام حراريات مختلفة في خط الخبث مقابل برميل المغرفة؟
يتحمل خط الخبث التآكل الكيميائي الشديد الناتج عن الخبث الأساسي شديد الحرارة والاضطراب الشديد الناتج عن فقاعات الأرجون، مما يتطلب طوبًا يحتوي على نسبة عالية من -المغنيسيوم الكربوني-الكربون (MgO-C) (12%–14% C12%–14% C) الذي يقاوم تبلل الخبث. يحمل البرميل فولاذًا سائلًا مع الحد الأدنى من ملامسة الخبث، لذلك تم تحديد طوب -كربون MgO-C أو AMC منخفض (6%–9% C6%–9% C) لتقليل فقدان الحرارة الحرارية من خلال الغلاف ومنع التقاط الكربون في الفولاذ النظيف.
ما هو الغرض من بطانة الأمان في مغرفة الفولاذ؟
تعمل بطانة السلامة (الدائمة) بمثابة هيكل هيكلي آمن لمنع اختراق الفولاذ المنصهر في حالة تشقق بطانة العمل المضحية، أو تآكلها قبل الأوان، أو فتحها عند مفاصل الملاط. ويجب أن توفر مقاومة عالية للصهر، وقوة ميكانيكية، واستقرارًا للحجم لمدة تتراوح من 12 إلى 36 شهرًا من الخدمة عبر حملات بطانة العمل المتعددة.
لماذا تحل بطانات السلامة المتجانسة القابلة للصب محل بطانات السلامة المصنوعة من الطوب؟
متجانسة جداأسمنت منخفض الصبتعمل بطانات الأمان (ULCC) على إزالة جميع وصلات الملاط الرأسية والأفقية. نظرًا لأن وصلات الملاط هي المسار الأساسي لاختراق المراسلين الفولاذيين خلف بطانة العمل، فإن البطانة المتجانسة غير الملحومة تقلل بشكل كبير من مخاطر الاختراق وتقلل من وقت تركيب الخط من أيام إلى ساعات.
كيف يؤثر العزل الاحتياطي على سعة الحمولة الفولاذية المغرفة؟
من خلال استبدال 30-40 مم من ألواح سيليكات الكالسيوم التقليدية بـ 10-15 مم من العزل -النانو الصغير المسامي عالي الأداء، يقل سمك البطانة المقاومة للحرارة دون زيادة درجة حرارة القشرة. يسمح الحجم الداخلي المستعاد لمتاجر الصهر باستغلال 2 إلى 4 أطنان إضافية من الفولاذ المنصهر لكل حرارة ضمن حدود وزن الرافعة الحالية.
ما الذي يسبب بيضاوية قذيفة مغرفة وتشوه؟
Shell deformation is caused by excessive external casing temperatures (>350∘C>350 درجة مئوية) مع التمدد الحراري غير المدار لحلقات الطوب الحراري. إذا كانت بدلات ورق التمدد غير كافية أو تدهور العزل، فإن الحلقات المقاومة للحرارة المتوسعة تولد ضغوطًا شديدة على الطوق تتجاوز قوة خضوع الغلاف الفولاذي عند درجة الحرارة.
