Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения

Воронов Г.В., Старцев, В.А.

Екатеринбург, 2006 г.

Применение огнеупоров в установках внепечного вакуумирования стали

Роль процессов внепечной вакуумной обработки стали возросла при производстве высококачественного металла. Сталь из печи выпускают полуготовой, нераскисленной с заданным содержанием серы и фосфора. Дальнейшую обработку полупродукта (дегазацию, раскисление и легирование, доводку по химическому составу, а также перемешивание) осуществляют вне сталеплавильного агрегата на установках внепечного вакуумирования стали. Такая технология позволяет сократить длительность плавок, уменьшить расходы раскислителей и легирующих добавок, повысить сортность и сократить отбраковку металла, исключить противофлокенную обработку заготовок и проката. Снижение содержания кислорода в стали за счет самораскисления углеродом, растворенным в расплаве металла, обеспечивает практически полное усвоение им таких раскислителей, как кремний и алюминий (за счет исключения окисления этих раскислителей кислородом стали), подаваемых для легирования металла.

Достигаемое в процессе вакуумирования выравнивание химического состава и температуры расплава металла, хорошее усвоение металлом легирующих добавок позволяют корректировать конечный состав стали.

При обработке стали в вакууме в условиях высоких температур протекают следующие процессы дегазация, т.е. уменьшение концентрации растворенных в

металле газообразных продуктов: химическое взаимодействие между углеродом и кислородом, растворенных в стали, с образованием газообразных продуктов реакции и последующим удалением их из зоны реакций, разрушение огнеупорной футеровки, происходящее в результате взаимодействия расплавов шлака и металла с компонентами огнеупора. процессов окисления и восстановления с последующим селективным удалением газообразных продуктов восстановления компонентов в огнеупорных материалах. Процессы окисления, восстановления и испарения оксидов, входящих в состав огнеупоров, обусловливает изменение его объема и потею им прочности и массы.

Устойчивость промышленных огнеупоров при высоких (до 1700°С) температурах в вакууме (0.678 Па) уменьшается в следующей последовательности: огнеупоры на основе двуокиси циркония, стабилизированного оксидом кальция, корундовые (99% Аl₂O₃). доломитовые на основе материалов повышенной чистоты, корундовые на муллитовой связке (90% Аl₂O₃) электроплавленные корундовые (90% Аl₂O₃). периклазохромитовые и пернклазовые.

Оксиды магния, хрома, кремния и алюминия при давлении ниже 133 Па могут восстанавливаться при температурах ниже 1600°С. т.е. при температурах вакуумной обработки стали. Поэтому огнеупоры, содержащие в свободном состоянии оксиды кремния и хрома, непригодны для применения в футеровке вакуумных агрегатов. Обычно оксид кремния связывают в муллит, а оксид хрома в магнезиальнохромовую шпинель. Устойчивость оксидных огнеупоров в вакууматорах определяется не только реакциями испарения и восстановления монооксидом углерода, но и восстановлением углеродом, растворенным в стали. Причем некоторые реакции взаимодействия оксидов огнеупора с углеродом стали в вакууме идут при более низких температурах, чем реакция испарения.

Проблемы, касающиеся службы огнеупоров в вакуум-установках, дополнительно усугубляются вследствие интенсивных газовых выделений, длительностью вакуумирования   доходящей до 90 мин. а в ряде случаев применением индукционного перемешивания стали.

Все это не позволяет однозначно делать выводы о приемлемости того или иного вида огнеупора только по его испаряемости или только по его восстановлению оксидом углерода или углеродом, растворенным в стали. Например, термодинамическая устойчивость к СО при высоких температурах Аl₂O₃ выше, чем MgO, но тем не менее Аl₂O₃ из огнеупора восстанавливается углеродом стали, а частично и СО до алюминия. Металлический алюминии растворяется в стали, а затем, окисляясь и образуя оксид, является источником загрязнения стали неметаллическими включениями. На практике стойкость корундовых огнеупоров оказалась невысокой.

Износ периклазовых огнеупоров идет путем растворения периклаза в шлаке, представляющем собой продукт окисления стали и легирующих добавок. Периклаз также восстанавливается всеми восстановителями до металлического магния. Металлический магний не растворяется в стали и летит из металлической ванны, конденсируясь, и затем окисляясь на огнеупорной кладке. Кроме того магнезиальные огнеупоры нетермостойки. Известно, что присутствие оксида хрома в магнезиальных огнеупорах повышает их стойкость к воздействию температурных колебаний. Но свободный оксид хрома легко восстанавливается. Следовательно, оксид хрома должен быть связан в MgO*Cr₂O₄без остатка, т.е. сплавлен. Действительно, изделия на основе плавленого периклазохромита показывают лучшую стойкость в "зоне металла" установок вакуумирования стали. А в "зоне шлака", в случае высокоосновных шлаков, они разрушаются в результате накопления в порах двухкальциевого силиката и последующей его инверсии при текущих ремонтах.