Целью исследовательской работы было определение химического состава, определение теплофизических свойств проб гарнисажного слоя и футеровки доменной печи №6 АО «ЕВРАЗ НТМК», определение механизмов образования гарнисажного слоя и коррозии огнеупорной футеровки.
После выдувки печи и её охлаждения воздухом и водой в ходе разборки футеровка и гарнисаж обрушались при помощи машины для ломки футеровки с гидромолотом и выгребались из печи. При этом производился отбор проб из горна, фурменной зоны и заплечиков. на исследование было представлено 13 образцов гарнисажа (16 шт.) и 4 образцов огнеупорной футеровки (6 шт.) преимущественно из горна, а также частично из горизонта заплечиков и распара.
1. В результате работы определены химический и фазовый состав, физико-химические (открытая пористость, кажущаяся плотность) и теплофизические (температура плавления, температуропроводность, теплоёмкость, термический коэффициент линейного расширения) свойства образцов гарнисажа и огнеупоров после эксплуатации в доменной печи № 6 ОАО «ЕВРАЗ-НТМК» в интервале температур 20 - 1100 ОС в виде табличных данных и аппроксимирующих уравнений стандартного вида.
2. Исследованный гарнисаж представляет собой исключительно сложный по химико-минеральному составу и весьма неоднородный по микроструктуре и свойствам полифазный металло-керамический материал, состоящий из более чем 30 неорганических соединений (минеральных фаз).
3. По вещественному составу и микроструктуре выявлены 5 структурно - генетических разновидностей гарнисажа:
- карбидно - металлический;
- карбидно - силикатный;
- углеродистый;
- корундосодержащий;
- полифазный.
Наиболее высокую огнеупорность имеют разновидности 1 и 2, представленные греналью (температура плавления более 1700 ОС).
4. «Козловой чугун» представляет собой смесь разновидностей гренали 1 и 2 и при максимальной температуре в горне 1650-1700 ОС находится в тепмопластичном состоянии с высокой вязкостью и отсутствием жидкотекучести. Это объясняется высокой температурой плавления составляющих гренали: Т1К (Тпл = 3205 ОС), Т1С (Тпл = 3250 ОС), УС (Тпл = 2830 ОС), УК (Тпл = 2360 ОС), которые образуют между собой непрерывный ряд твёрдых растворов (Т1,У)(С,К), что обусловлено близкими значениями параметров элементарной ячейки (а0) кристаллов, нм: Т1К - 0,4220; Т1С - 0,4324; УС - 0,4182; УК - 0,4126, и единой кубической сингонией указанных соединений - простейшая кубическая решётка типа КаС1.
5. Общей тенденцией изменения состава гарнисажа по высоте нижнего строения доменной печи является снижение удельного объёма гренали от лещади к распару.
6. Структурно- генетическим анализом установлено, что кокс в доменной печи выполняет две функции: кроме основной - карботермического восстановления железа и переходных металлов из сырья, он активно участвует в формировании наиболее химически и термически износоустойчивого гарнисажа.
Наиболее вероятной причиной графитизации кокса в доменной печи является термобаррогенез, т.е. сочетание высоких значений температуры и давления вышележащих слоёв шихты и чугуна в сочетании с химической активностью продуктов плавки.
7. По текстурно-структурным характеристикам углеродистого и других типов металлургического гарнисажа выявлен циклический характер формирования гарнисажа и его разрушения под воздействием большого ферростатического давления столба материалов в шахте доменной печи.
8. На основании комплексного изучения установлены основные фазово - структурные изменения, происходившие при эксплуатации огнеупорной футеровки в горне печи. Исследованные образцы огнеупоров представлены следующими их разновидностями: корундо-карбидкремниевый огнеупор (образца О1, О3); углеродисто-графитовый (О2, один слой образца О4) и нетрадиционными оксидно-углеродистого состава в системе А2Оз-81С-8Ю2- С (второй слой образца О4).
9. Выявлена следующая хронологическая последовательность фазово-структурных превращений в исследуемых образцах огнеупоров (О1, О2, О3):
- формирование макро- и микротрещин (возможны источники силовых направлений: механические нагрузки; термическое воздействие (резкие перепады температур); внутренние структурно-фазовые процессы, протекающие со значительными объёмными изменениями;
- заполнение трещин конденсатом металлического цинка;
- окисление цинка (вероятно, кислородом и/или СО2, Н2О и/или металлотермическим процессом от оксидов огнеупора) с образованием огнеупорного /пО (Тпл = 1950 °С) с увеличением объёма на 51 %;
- синтез алюминатов и силикатов цинка из огнеупорных оксидов и/или цинкита и металлического цинка.
10. Результаты исследований могут быть использованы для разработки проекта футеровки доменной печи. Огнеупорные материалы должны минимизировать формирование макро- и микротрещин, кроме этого необходимо учитывать, что химико-термическая стойкость огнеупоров в восстановительной среде при взаимодействии с расплавами на основе железа снижается в ряду: графит - аморфный углерод - карбид кремния - корунд - муллит
