Автомобильная сталь и тонкий лист

Беняковский М.А., Масленников В.А.

Череповец, 2007 г.

3. Огнеупорные конструкции и вспомогательные системы конвертера

Огнеупорами называют изделия и материалы преимущественно из минералов, обладающих огнеупорностью, термостойкостью, устойчивостью к воздействию жидкой стали, шлаков и ударов со стороны сыпучих материалов.

Основное качество огнеупоров - огнеупорность, то есть способность материала противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких температур. Изделия и материалы успешно противостоящие температурам 1580 -1770°.С называют огнеупорными; 1770 - 2000°С - высокоогнеупорными; более 2000°С - изделия высшей огнеупорности.

Термостойкость - то есть способность материала выдерживать без разрушения резкие колебания температуры - незаменимое качество огнеупоров. Термостойкость зависит от механической прочности огнеупора, а также от его физико-химических свойств: чем выше его теплопроводность и меньше коэффициент линейного расширения и модуль упругости, тем выше термостойкость. Показатель термостойкости - число теплосмен, которое огнеупоры могут выдерживать без разрушения: у обычного магнезита - всего 1 - 3, у высокоглиноземистых (>45% Al₂O₃) - более 150 теплосмен (нагрев до 850°С и охлаждение в воде - одна теплосмена).

Оценка качества огнеупорного материала основывается и на его механической прочности, которая определяется стандартными испытаниями под нагрузкой 20Н/см². У периклазошпинелидного огнеупора предел прочности при комнатной температуре составляет 4-8 кН/см², что в 2 - 3 раза больше чем у динасового огнеупора. Температура начала деформации под нагрузкой огнеупора, содержащего периклаз (МgО) составляет 1550°С.

Огнеупорные материалы характеризуются также пористостью кажущейся (%) - отношение объема, занятого в образце открытыми порами, к общему объему образца; пористостью истинной (%) - отношение объема всех пор образца к общему объему образца; линейной усадкой (%) - необратимое изменение размеров изделия в результате нагрева до высоких температур; шлакоустойчивостью - способность огнеупоров противостоять разрушающему действию шлаков при высоких температурах.

Разъедающее действие шлаков выражается в коррозии, то есть в химическом взаимодействии шлака и огнеупора, и в эрозии, то есть механическом истирании шлаком футеровки.

Шлакоустойчивость футеровки определяется химическим составом и температурой шлака, химико - минералогическим составом шлака и огнеупоров, структурой огнеупора и вязкостью шлака.

Химико - минералогический состав огнеупоров многообразен. В качестве исходного сырья для изготовления огнеупоров применяют доломит, магнезит, каолин, огнеупорные глины, кварцит.

Доломит - природный материал, представляющий собой двойную соль угольной кислоты - CaC0₃MgC0₃. Магнезит - также природный материал; почти на 90% состоит из МдО - периклаза.

Для кладки соприкасающихся с жидкой сталью и шлаком рабочего слоя футеровки кислородного конвертера применяют (применяли) следующие виды огнеупорных материалов:

- безобжиговые, с основой из СаО и МgО на смоляной или пековой связке (смолодоломит, смоломагнезитодоломит, смоломагнезит);

- те же огнеупоры, но подвергнутые термической обработке;

- обожженные периклазовые (магнезитовые), доломитовые, магнезитодо-ло-митовые, пропитанные смолой;

- обожженные периклазохромитовые, хромитопериклазовые;

- безобжиговые периклазоуглеродистые, содержащие 23% углерода (графита).

Исходными материалами для производства безобжиговых смолосвязан-ных огнеупоров служат обожженные до спекания доломит и магнезит (периклаз), каменноугольная смола или пек. Сырой доломит обжигают во вращающихся печах при температурах 1600 -1800°С до спекания. Спекание способствует повышению плотности доломита, что уменьшает усадку огнеупора в конвертере, способствует стойкости футеровки. Содержание основных компонентов в этих доломитах - 45 - 60% СаО и 35 - 40% МgО .

Сырой магнезит (МgСО₂) обжигают во вращающихся или шахтных печах при температурах 1600 -1700°С. При обжиге образуется окись магния (периклаз). Её зерна дробят и рассеивают по фракциям.

Технология производства безобжиговых огнеупоров состоит в изготовлении исходной огнеупорной массы и последующем получении из неё путем прессования изделий необходимой формы и размеров. Массу получают смешением измельченных спеченного доломита или магнезита (или их смеси) с каменноугольной смолой или пеком; прессуют с усилием 12 -15 МПа.

Если подвергнуть безобжиговые огнеупоры термической обработке при 300 -500°С в нейтральной или восстановительной атмосфере, то на 30 - 40% возрастает коксовый остаток связки и повышается прочность скоксованно-mогнеупора и его шлакоустойчивость, снижается склонность к гидратации, уменьшается возможность скалывания и оползания в процессе нагрева футеровки, что позволяет упростить обжиг футеровки и уменьшить его продолжительность [7].

Периклазоуглеродистые огнеупорные изделия являются безобжиговыми. Основой шихты для них служат порошкообразный периклаз МgО (обожженный до спекания или плавленый) и графит в количестве до 25% общей массы. В качестве связующего применяют либо каменноугольную смолу и пек, либо синтетические смолы. Кроме того, для предотвращения окисления углерода в шихту вводят до 30% Al, Si, Ti, Са или их сплавы. Формируют изделия под большим давлением и сушат при 200 - 300°С в восстановительной среде для предотвращения окисления углерода. Они отличаются высокой шлакоустойчивостью, термостойкостью и теплопроводностью.

Плавленый периклаз применяют для получения изделий, предназначенных для футеровки участков конвертеров, работающих в наиболее жестких условиях: изделия из плавленого периклаза отличаются высокой коррозионной стойкостью.

Обожженные при 1550 -1650°С и пропитанные смолой огнеупоры обладают большей, чем безобжиговые прочностью при высоких температурах, что обеспечивает повышение стойкости футеровки, особенно на участках, подвергающихся ударному воздействию.

Для конвертеров, работающих на комбинированном дутье, требуются огнеупоры, сочетающие повышенную термостойкость с высокими показателями плотности, механической прочности и металлошлакоустойчивости. Таким требованиям отвечают периклазоизвестковоуглеродистые огнеупоры. Технология их изготовления состоит в формировании изделий при высоком удельном давлении (>130МПа) из горячих масс с углеродными добавками на каменноугольной связке. Термообработку выполняют в защитной среде при 500 -600°С, после чего пропитывают в автоклаве жидкой смолой [10].

Большинство физико-химических и керамических свойств огнеупоров в значительной степени зависят от их микроструктуры: от размера и формы зерен, от объема межзеренного пространства и загрязнения его примесями. Особенно сильное влияние на взаимодействие шлака и огнеупоров оказывают канальные поры. С увеличением количества и диаметра пор возрастает негативное влияние шлака на стойкость огнеупоров, усиливается химическое взаимодействие, разрушающее структуру огнеупоров. Так, например, параллельно с пропиткой шлаковым расплавом магнезиально-шпинелидной футеровки протекают следующие реакции:

МgО + 2СаО • Al₂O₃ • SiO₂ - МgО • Al₂O₃ + 2СаО • SiO₂,

МgО 2СаО • МдО • SiO₂ - 2 (СаО • МgО • SiO₂).

В случае охлаждения ошлакованного огнеупора ниже 840°С происходит инверсия силиката кальция с увеличением его объема на 11%, что приводит к разрушению футеровки [11].

Пагубное влияние шлака на футеровку может быть значительно уменьшено, если ее периклаз не будет содержать СаО, SiO₂ и особенно Fe₂O. Их легкоплавкие соединения, - монтачеллит и мервинит, - разрушают периклазо-углеродистые огнеупоры. Применение последних без примесей вместо периклазо-хромитовых позволяет повысить стойкость футеровки конвертеров в 1,5 раза.

Стабильно высокая стойкость футеровки конвертера достигается в случае применения плавленого периклаза (с содержанием МgО до 99%) на связке из синтетических смол, а также периклаза, добытого из морской воды и затем спеченного.

Применение периклазоуглеродистых огнеупоров (ПУО), изготовленных из плавленого магнезита на синтетической связке позволяет вводить в эксплуатацию конвертер сразу после кладки футеровки (лишь просушив стены ванны при температуре 100 - 180°С для удаления влаги из запорных глин). Однако содержание в ПУО углерода (в виде графита) должно быть не менее 12

- 14%, а содержание примесей не превышать 1,5%. Периклаз должен иметь крупнокристаллическую плотную структуру (минимальную пористость).

Способы подготовки огнеупорных масс для формовки изделий должны обеспечить однородность их состава, изотропность свойств, высокие физико-керамические показатели: объемный вес 2,92 - 3,11 г/см³; пористость 1,0

- 2,2%; содержание МgО 86 - 98,2%.

Размеры готовых огнеупорных изделий, определяющие величину горизонтальных и вертикальных швов кладки, могут отклоняться от номинальных не более чем на ± 0,5 мм.

Швы и зазоры между рядами огнеупоров, неизбежно возникающие на неровных поверхностях рабочих ванн конвертеров укрепляются огнеупорными клеевыми композициями, прочность которых не ниже основы - периклазоуглеродистых изделий: в составе клеевых композиций спеченный или плавленый периклаз (90 - 92% МgО и 1,6%С). Огнеупорные клеевые композиции:

- устраняют щелевые каналы футеровки - концентраторы её интенсивного износа и прикозления;

- превращают футеровку в монолитную структуру, с повышенной механической и термической прочностью;

- увеличивают срок службы отдельных узлов и агрегата в целом.

Щели в футеровке пересекающихся плоскостей, открытые проемы между не совмещенными плоскостями футеровки конвертера устраняют стыковочной периклазоуглеродистой массой (МgО - 93%, С - 5%). Их применение позволяет:

- закрыть стыки футеровки днища и стенок ванны конвертера;

- устранить зазоры между арматурным и рабочим слоями футеровки конвертера;

- залить пространство между леточными блоками и кладкой в футеровке конвертера;

- забить каналы между гнездовыми блоками и футеровкой днища ковшей. Конструкция футеровки конвертера в основном определяется размерами

и профилем его корпуса; применяемыми для футеровки огнеупорными материалами; технологическим процессом от загрузки в рабочее пространство шихты до слива выплавленной стали в ковш; способом подачи в ванну конвертера дутья, - при помощи фурмы, введенной в горловину, сквозь специальные блоки, установленные в днище кожуха, или комбинированно - сверху и снизу; характером и степенью возможного износа её на различных участках своей поверхности, соприкасающейся с расплавом металла и шлака, с газообразными и твердыми (в случае их ввода в ванну) энергоносителями.

Износ огнеупорной кладки зависит, главным образом, от минералогического состава изделий, из которых она выполнена, от свойств, которые ей приданы в процессе изготовления, от эффективности применения реагентов, вводимых в сталеплавильную ванну для нейтрализации разрушающего влияния шлаков или в шихту огнеупорной массы, из которой формуют изделия, от выбранных средств защиты и ремонта футеровки. Он зависит также от места на внутренней поверхности кожуха, где кладка уложена, где наиболее тяжелые температурные условия службы огнеупоров: в зоне горловины, в области летки, на участке повалочных карманов, в соседстве с цапфами, по меридианам первой реакционной зоны рабочего пространства корпуса.

Средний износ участка футеровки 300 - т конвертера, выполненного из периклазовых огнеупоров (содержание МgО>85%), в случае верхней кислородной продувки через многосопловую фурму, может составить за одну плавку стали 1,4 мм, а выполненного из периклазошпинелидных, содержащих кроме МgО, до 25%AI₂O₃-2,4 мм.

Механизм износа футеровки заключается в следующем (изделия изготовлены из графитсодержащих огнеупорных масс).

Продувка ванны кислородом сопровождается непрерывным наращиванием массы шлака, насыщенного окислами железа. В развитие этого процесса и вместе с ним идет окисление рабочей поверхности огнеупорного периклазоуглеродистого, периклазошпинельноуглеродистого, периклазозвестковоуглеродис-того кирпича кислородом окислов шлака по реакции, например, C+FeO=CO+Fe, а также кислородом атмосферы рабочего пространства конвертера. Во время окисления, протекающего при высоких температурах расплава, расширяются существующие канальные поры и возникают новые (в местах, где находились микрочастицы графита), по которым окислы шлака проникают в периферийные слои огнеупорного материала, восстанавливая магний из его оксида - МgО.

Идет и развивается процесс разрушения футеровки. Бурно развивающийся в начальный период продувки плавки, он замедляется в последующий период и вновь ускоряется в конце продувки, вследствие увеличения растворимости МgО в шлаке: наружные слои кирпичей неизбежно теряют свою огнеупорность и уходят в шлак.

Сдержать агрессивность высокожелезистых шлаков в отношении огнеупорных материалов (во время первого периода продувки расплава) можно присадкой в ванну известково - магнезиальных флюсов, содержащих - СаО - 50%, МgО - 35%, Fe₂O₃ до 10% и SiO₂ до 4%. Ввод в ванну одновременно с кислородом продувки магнийсодержащих флюсов ускоряет процесс образования жидкоподвижных шлаков, способных быстро усваивать оксиды магния. Это предопределяет снижение эрозии огнеупоров, благоприятно сказывается на повышение стойкости огнеупоров.

Агрессивность шлака по отношению к магнезиальной футеровке ванны в первый период ее продувки можно сдержать, увеличивая его основность.

Значительный износ футеровки конвертера имеет место и во время заключительной стадии продувки расплава. И в этот период плавки необходима целенаправленная защита футеровки конвертера от агрессивного воздействия