Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных печей


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ  
ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2021 
1 

УДК 669.18 
ББК 34.22 
П42 
 
 
 
Авторы: 
А. Г. Радюк, А. Е. Титлянов, И. А. Левицкий, 
М. М. Скрипаленко, С. Д. Сайфуллаев 
 
 
 
 
 
 
П42  
Повышение эффективности работы воздушных фурм доменных 
печей : монография / [А. Г. Радюк и др.]. – Москва ; Вологда :  
Инфра-Инженерия, 2021. –  216 с.  
 
 
ISBN 978-5-9729-0581-2 
 
Изложено применение газотермических и шликерных покрытий, а также 
теплоизоляционных материалов для повышения стойкости воздушных фурм 
доменных печей и снижения тепловых потерь через их поверхность. Представлены результаты моделирования тепловых и газодинамических процессов, а 
также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием современного программного обеспечения. Рассмотрены мероприятия по улучшению 
смешивания природного газа, пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива. 
Для инженерно-технического персонала металлургических предприятий,  
а также студентов металлургических специальностей. 
 
УДК 669.18 
 
ББК 34.22 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-0581-2 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 
2 

 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
............................................................................................................... 8 
 
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ РАБОТЫ  
ВОЗДУШНЫХ ФУРМ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ ................................................. 9 
1.1. Причины выхода из строя воздушных фурм 
............................................... 9 
1.2. Продление срока службы фурм .................................................................. 10 
1.3. Уменьшение теплоотвода через поверхность дутьевого канала  
и рыльной части 
................................................................................................... 12 
1.4. Возможность замены кокса природным газом ......................................... 13 
1.5. Замена кокса пылеугольным топливом ..................................................... 14 
1.6. Выводы .......................................................................................................... 15 
 
2. МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ  
ИССЛЕДОВАНИЙ 
................................................................................................ 16 
2.1. Газотермическое напыление ....................................................................... 16 
2.2. Подготовка образцов для исследования .................................................... 21 
2.3. Элементный и рентгеноструктурный фазовый анализ  
диффузионного слоя ........................................................................................... 21 
2.4. Теплопроводность диффузионного слоя ................................................... 22 
2.5. Прочность сцепления покрытия с основой ............................................... 22 
2.6. Измерение толщины диффузионного слоя и микротвердости 
................ 24 
2.7. Оценка износостойкости диффузионного слоя ........................................ 24 
2.8. Оценка жаростойкости образцов 
................................................................ 26 
2.9. Контроль тепловых потерь и снижение расхода кокса 
............................ 27 
2.10. Расчет толщины диффузионного слоя в системе  
«основа-покрытие» 
.............................................................................................. 28 
 
3. НАПЫЛЕНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО  
ПОКРЫТИЯ НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ ..................................................... 31 
3.1. Изучение структуры и элементного состава медно-алюминиевого  
диффузионного слоя ......................................................................................... 31 
3.2. Исследование свойств медно-алюминиевого диффузионного слоя 
..... 32 
3.3. Создание защитного слоя на воздушных фурмах с использованием  
алюминиевого покрытия для ДП–5 ПАО «Северсталь» 
............................... 36 
3.3.1. Напыление покрытия методом электродуговой  
металлизации на опытную партию фурм ................................................... 36 
3 

3.3.2. Исследование влияния покрытия на стойкость воздушных  
фурм 
................................................................................................................ 38 
3.3.3. Исследование тепловых потерь через поверхность  
воздушных фурм ........................................................................................... 40 
3.3.4. Нанесение алюминиевого покрытия на наружную  
поверхность и со стороны дутьевого канала 
.............................................. 42 
3.4. Повышение стойкости и снижение тепловых потерь 
на воздушных фурмах ДП–4 ПАО «Северсталь» 
.......................................... 45 
3.5. Выводы ........................................................................................................ 45 
 
4. НАПЫЛЕНИЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ  
НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ 
............................................................................... 46 
4.1. Исследование влияния оксида алюминия на состав и свойства  
медно-алюминиевого диффузионного слоя ................................................... 46 
4.1.1. Улучшение свойств медно-алюминиевого диффузионного  
слоя путем добавления к алюминию оксидов алюминия ....................... 46 
4.1.2. Распределение элементов в диффузионном слое .......................... 47 
4.1.3. Рентгеноструктурный фазовый анализ поверхностного слоя 
...... 48 
4.1.4. Толщина диффузионного слоя ........................................................ 49 
4.1.5. Теплопроводность и тепловое сопротивление 
............................... 49 
4.1.6. Износостойкость ............................................................................... 50 
4.1.7. Жаростойкость .................................................................................. 51 
4.2. Создание диффузионных слоев на меди в защитной среде 
................... 52 
4.2.1. Микроструктура ................................................................................ 52 
4.2.2. Микрозондовое исследование ......................................................... 54 
4.2.3. Микротвердость ................................................................................ 56 
4.3. Создание защитного слоя на воздушных фурмах и их испытание  
на ДП–6 ПАО «НЛМК» 
.................................................................................... 57 
4.4. Разработка технического решения по нанесению оксида  
алюминия на фурмы 
.......................................................................................... 60 
4.5. Выводы ........................................................................................................ 60 
 
5. НАПЫЛЕНИЕ НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ  
НА ВОЗДУШНЫЕ ФУРМЫ 
............................................................................... 61 
5.1. Исследование диффузионных процессов в системе  
«Cu основа – газотермическое покрытие, содержащее Al, Ni, Cr» 
.............. 61 
5.1.1. Методика проведения исследований .............................................. 61 
5.1.2. Исследование структуры поверхности меди  
с газотермическими покрытиями .............................................................. 62 
5.1.3. Влияние алюминия на диффузию никеля и хрома в медь  
при нанесении и термообработке газотермических покрытий .............. 63 
4 

5.1.4. Расчет толщины диффузионного слоя в системе  
«Cu основа – Al/Ni газотермическое покрытие» ..................................... 66 
5.1.5. Оценка адгезии поверхностного слоя на меди .............................. 70 
5.2. Металлографические исследования поверхностного слоя на меди  
после напыления никельсодержащих покрытий на Cu-Al 
 диффузионный слой 
......................................................................................... 71 
5.3. Оценка влияния АД1/НП2 покрытий на время проплавления  
деталей из меди при попадании на них жидкого чугуна .............................. 72 
5.4. Практика эксплуатации фурм с никельсодержащими  
покрытиями в доменном цехе ПАО «Северсталь» 
........................................ 74 
5.5. Практика эксплуатации фурм с никельсодержащими  
покрытиями в доменном цехе ПАО «НЛМК» ............................................... 76 
5.6. Выводы ........................................................................................................ 77 
 
6. НАНЕСЕНИЕ ШЛИКЕРНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ  
АЛЮМОХРОМОФОСФАТНОЙ СВЯЗКИ 
..................................................... 78 
6.1. Влияние покрытия на основе алюмохромофосфатной связки  
на диффузионные процессы между алюминиевым покрытием  
и основой 
............................................................................................................ 78 
6.2. Улучшение свойств поверхностного слоя на меди  
с использованием АХФ покрытия 
................................................................... 79 
6.3. Нанесение АХФ покрытия на Сu–Аl диффузионный слой ................... 82 
6.4. Практика эксплуатации фурм с АХФ покрытием  
в доменном цехе ПАО «Северсталь» .............................................................. 82 
6.5. Выводы ........................................................................................................ 84 
  
7. НАНЕСЕНИЕ ШЛИКЕРНЫХ БОРСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ ..... 85 
7.1. Свойства борсодержащих покрытий 
........................................................ 85 
7.2. Лабораторные исследования диффузионного слоя на меди 
.................. 86 
7.3. Варианты нанесения борсодержащих покрытий на фурмы .................. 90 
7.4. Промышленные испытания фурм с борсодержащими покрытиями .... 91 
7.5. Выводы ........................................................................................................ 95 
 
8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОЗДУШНОЙ  
ФУРМЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ............................................................................. 96 
8.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи поверхностям фурмы .................. 96 
8.2. Методика расчета тепловых потерь и температуры внутреннего  
стакана воздушной фурмы ............................................................................... 99 
8.3. Использования программного комплекса DEFORM-2D  
для моделирования теплового и напряженного состояния  
воздушной фурмы доменной печи ................................................................ 100 
5 

8.4. Использования программного комплекса Ansys  
для моделирования теплового и напряженного состояния  
воздушной фурмы ........................................................................................... 101 
 
9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВСТАВКИ ИЗ УГЛЕРОДНОЙ ТКАНИ  
В ВОЗДУШНУЮ ФУРМУ ................................................................................ 103 
9.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи поверхностям фурмы ................ 103 
9.2. Расчет тепловых потерь для фурмы с муллитокорундовой  
массой ............................................................................................................... 103 
9.3. Преимущества вставки из углеродной ткани с SiC-покрытием  
в дутьевой канал фурмы ................................................................................. 104 
9.4. Испытание вставки из углеродной ткани в промышленных  
условиях ........................................................................................................... 105 
9.5. Выводы ...................................................................................................... 107 
 
10. РАЗРАБОТКА КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ  
В ДУТЬЕВОЙ КАНАЛ ВОЗДУШНОЙ ФУРМЫ 
......................................... 108 
10.1. Моделирование теплового состояния фурмы в среде Excel 
.............. 108 
10.2. Компьютерное моделирование динамики нагрева  
воздушной фурмы в среде DEFORM-2D 
...................................................... 114 
10.3. Учет реальных условий эксплуатации воздушных фурм  
с использованием среды Ansys ...................................................................... 120 
10.4. Результаты моделирования и их анализ .............................................. 123 
10.5. Изготовление керамической вставки для воздушной фурмы ........... 128 
10.6. Испытания воздушных фурм с керамической вставкой  
в промышленных условиях ............................................................................ 130 
10.7. Выводы .................................................................................................... 136 
 
11. ПОВЫШЕНИЕ СТОЙКОСТИ КЕРАМИЧЕСКОЙ ВСТАВКИ ......... 137 
11.1. Изготовление вставки из двух частей, с бандажом  
и шликерным покрытием ............................................................................... 137 
11.2. Результаты моделирования и их анализ .............................................. 141 
11.3. Установка вставки в дутьевой канал после сборки фурмы ............... 145 
11.4. Приклеивание кремнеземистой ткани на наружную  
поверхность вставки ....................................................................................... 147 
11.5. Технические решения для повышения стойкости вставки 
................ 148 
11.6. Выводы .................................................................................................... 150 
 
12. УЛУЧШЕНИЕ СМЕШИВАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА  
И ГОРЯЧЕГО ДУТЬЯ 
........................................................................................ 151 
12.1. Вывод трубочки для подачи природного газа до середины  
дутьевого канала 
.............................................................................................. 151 
6 

12.2. Результаты моделирования и их анализ .............................................. 153 
12.3. Ступенька в дутьевом канале 
................................................................ 157 
12.4. Обсуждение результатов моделирования 
............................................ 159 
12.5. Использование выступа под газовым патрубком,  
бандажа и завихрителя 
.................................................................................... 162 
12.6. Выводы .................................................................................................... 168 
 
13. ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ФУРМЫ 
......... 169 
13.1. Теплоизоляция торца рыльной части с использованием  
керамического диска 
....................................................................................... 169 
13.1.1. Компьютерное моделирование теплообмена  
в DEFORM–2D .......................................................................................... 169 
13.1.2. Разработка технического решения по теплоизоляции  
торца рыльной части 
................................................................................. 173 
13.1.3. Промышленные испытания фурм с теплоизоляцией  
торца рыльной части 
................................................................................. 174 
13.2. Приклеивание огнеупорной ткани к рыльной части .......................... 175 
13.3. Теплоизоляция наружного стакана и боковой поверхности  
рыльной части 
.................................................................................................. 177 
13.4. Выводы .................................................................................................... 186 
 
14. СОВМЕСТНАЯ ПОДАЧА ПРИРОДНОГО ГАЗА  
И ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА ................................................................ 187 
14.1. Влияние параметров пылеугольного топлива  
на тепловой баланс в дутьевом канале 
.......................................................... 187 
14.2. Влияние параметров конструкции фурмы  
на тепловой баланс в дутьевом канале 
.......................................................... 193 
14.3. Выводы .................................................................................................... 198 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................... 199 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ..................................... 201 
 
 
7 

 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Воздушные фурмы являются одним из важнейших элементов конструкции 
доменной печи, определяющих эффективность ее работы; выход фурм из строя 
влечет за собой необходимость остановки печи для замены разрушенной фурмы. Простои печи по этой причине приводят к существенному снижению выплавки чугуна и увеличению расхода кокса. 
Известно, что на воздушные фурмы приходится 30% всех тепловых потерь 
в печи. При этом в обычных условиях работы доменной печи через рыльную 
часть, наружный и внутренний стаканы фурмы поступает соответственно 18, 36 
и 46% [1], а по данным [2] – 60% суммарного теплового потока. Об этом свидетельствуют экспериментальные данные по работе доменных печей ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК». 
Поэтому проблема повышения стойкости и снижение тепловых потерь через поверхность воздушных фурм является актуальной. 
В книге представлен опыт авторов по применению газотермических и 
шликерных покрытий, а также теплоизоляционных материалов в доменном 
производстве в условиях ПАО «Северсталь» и ПАО «НЛМК». Покрытия и теплоизоляцию использовали в доменном производстве для защиты от износа и 
прогара воздушных фурм, а также снижения тепловых потерь через их поверхность. 
Особое внимание уделено моделированию тепловых и газодинамических 
процессов, а также напряженного состояния в воздушных фурмах с использованием программных комплексов Excel, DEFORM–2D и Ansys. 
Предложены мероприятия по улучшению смешивания природного газа, 
пылеугольного топлива и горячего дутья для более полного сгорания топлива. 
Книга предназначена для инженерно-технического персонала металлургических предприятий, а также студентов вузов металлургических специальностей. 
 
 
 
8 

 
 
 
Гл
лава
а 1 
 
ОСНО
ОВНЫЕ
Е НАП
ПРАВЛЕ
ЕНИЯ 
СОВ
ВЕРШЕ
ЕНСТВ
ВОВАН
АБОТЫ
ДУШН
НЫХ 
ФУР
М ДОМ
НИЯ РА
МЕННЫ
ЫХ ПЕ
Ы ВОЗД
ЕЧЕЙ 
1.1. П
Причины
ы выход
да из стр
роя возд
душных 
фурм 
о передня
яя часть ф
фурмы, н
яся в рабо
очем прос
е 
-
рисунок 1
.1), подве
аходящая
термичес
ханическо
странстве
ому и хиестно, чт
й печи (р
му воздей
йствию га
азовой, жи
ергается т
идкой и т
твердой ф
кому, мех
аз [3]. 
Изв
доменно
мическом
 
Рис. 1.1 –
– Условия
ы воздушн
ых фурм:
1 – хол
лодильник
ки печи; 2
2 – гарнис
я работы
саж; 3 – 
воздушна
 
 4 – фурм
менный 
 холод
дильник; 5
5 – амбра
азура; 6 –
– сопло; 7 
горна 
ая фурма; 
– кладка 
9 

Основными причинами выхода воздушных фурм из строя являются: прогар 
рыльной части, трещины по сварке и износ наружного стакана. Если первая 
причина выхода определяется преимущественно нарушением технологии плавки, вторая – качеством сварного соединения, то последняя – износостойкостью 
материала фурмы, а именно износостойкостью поверхностного слоя. 
Прогар рыльной части является самой непредсказуемой причиной замены 
воздушных фурм и может произойти в любой момент времени их эксплуатации 
при попадании на поверхность фурм жидкого чугуна. Доля фурм, выведенных 
из эксплуатации по прогару, составляет в среднем 70–75% от общего числа замененных фурм. Механизм прогара фурм состоит в следующем. Жидкий чугун, попадая на охлаждающую поверхность, вызывает резкое повышение температуры стенки, а также образование устойчивой паровой пленки, изолирующей поверхность фурмы в месте контакта от массы воды. В результате резкого 
ухудшения теплообмена температура стенки в зоне контакта повышается до 
температуры плавления меди, и фурма прогорает [4]. 
Трещины по сварным швам происходят преимущественно в начальный 
момент времени эксплуатации фурм при нарушении технологии сварки. Возможны трещины по внутреннему стакану, возникающие также в основном на 
начальной стадии работы фурм из-за использования некачественной меди. 
Износ наружного стакана является наиболее ожидаемой причиной замены 
фурм и возникает в зависимости от объема печи и условий ее работы через  
3–6 месяцев их эксплуатации. Фурмы, находясь в зоне максимальных температур, подвергаются непрерывному истирающему действию шихтовых материалов, приводящему к их износу. 
При анализе посвященной воздушным фурмам литературы можно выделить два направления их модернизации: первое – увеличение срока службы, 
второе – снижение тепловых потерь. Кроме того, представляет интерес вопросы 
замены кокса природным газом и пылеугольным топливом. 
1.2. Продление срока службы фурм 
Среди разработок, повышающих стойкость фурм, можно отметить следующее [5]. 
По износу: 
 создание диффузионного слоя толщиной 0,5–2,0 мм на основе алюминиевых соединений на поверхности медной фурмы [6] с высокой степенью 
адгезии. Однако диффузионный метод создания защитных покрытий из 
порошковых смесей отличается низкой производительностью; 
 нанесение газотермических покрытий на поверхность фурмы из жаростойких материалов, включая оксиды и их смеси [7]. Для увеличения 
толщины защитного покрытия газопламенным напылением наносят слой 
10