Рафинирование стали инертным газом

 

Для организации обработки жидкой стали аргоном в производ­ственных условиях наряду с решением технологических во­просов внепечного рафинирования потребовалось разработать технологию изготовления пористых огнеупорных вставок и бло­ков, создать устройства для их установки в кладку ковшей и сконструировать системы подачи аргона от емкости к пористым вставкам с необходимой контрольно-измерительной аппаратурой. Успешному решению всех этих вопросов способствовали прове­дение лабораторных и теоретических исследований, моделирова­ние процессов и широкие эксперименты в сталеплавильных цехах ряда заводов.

Пористые огнеупорные вставки и блоки, наряду с хорошей газопроницаемостью и большой открытой пористостью, должны быть прочными, не разрушаться при установке их в днище ковша, обладать повышенной термической стойкостью, быть химически стойкими к жидким металлам и шлакам, не шлаковаться и обес­печивать надежную стойкость при температурах эксплуатации 1500—1600° С. К материалам, удовлетворяющим указанным выше требованиям, относятся корунд, благородная шпинель, корундо-муллит и магнезит.

Корунд (А1₂0₃) является одним из наиболее широко исполь­зуемых материалов в технике высокоогнеупорных изделий. Огне­упорность составляет 2000—2050° С, температура начала размяг­чения под нагрузкой I860-1900° С. По механическим свойствам корунд относится к очень прочным огнеупорам как при низких, так и при высоких температурах.

Механическую прочность и термическую стойкость корунда можно изменять, регулируя его структуру. Температура возмож­ного использования керамики из спекшегося корунда близка к его температуре плавления. Корунд обладает химической инерт­ностью к воздействию расплавов цветных и черных металлов

 

и шлаков; он проявляет хорошую стойкость в окислительной и вос­становительной среде, а также в вакууме.

Чистый спекшийся корунд имеет небольшой коэффициент ли­нейного расширения. Расширение корунда происходит равно­мерно с постепенным увеличением при повышении температуры. Наряду с этим корунд наиболее технологичен и позволяет регу­лировать свойства получаемых изделий. Как показывают многочи­сленные исследования, керамика из корунда крупнокристалли­ческая, значительно более термостойкая, чем мелкокристалли­ческая.

Благородная шпинель (MgO - Аl₂O₃) относится к сложным окислам. Ее получают путем синтеза окиси магния и окиси алю­миния в стехиометрическом соотношении при высоких темпера­турах. По огнеупорным и механическим свойствам она находится на уровне корунда. Температура начала размягчения под нагруз­кой 2 кгс/см² составляет 1900—1920° С. Полное разрушение шпи­нели наступает при температурах 2060—2080° С. Химическая стойкость шпинели хорошая в металлах и основных шлаках.

Корундо-муллит — высокоглиноземистый огнеупор на ос­нове синтеза технического глинозема и огнеупорной глины. Со­держание Аl₂O₃ 80—85%. Огнеупорность 1850° С. Изделия на основе корундо-муллита имеют огнеупорность 1830—1840° С. Предел прочности на сжатие 700—1000 кгс/см² при содержании 76—78% Аl₂O₃. Они обладают высокой термостойкостью и устой­чивостью против действия металлов и шлаков. Температура начала деформации под нагрузкой 1580—1600°С. Хорошая термостойкость обеспечивается рациональным подбором зернового состава и по­вышенным содержанием окиси алюминия.

Для хорошей газопроницаемости, удовлетворяющей условиям эксплуатации, блоки должны иметь открытую пористость, рав­ную 25—40%. Известно, что газопроницаемость огнеупоров за­висит от размера пор и их взаимной связи. Крупнозернистые изделия обладают значительно большей газопроницаемостью, чем мелкозернистые, поэтому блоки должны иметь крупнозерни­стое строение и поры в виде тонких капилляров, образующих непрерывные каналы для свободного прохода инертного газа через них под небольшим давлением. Создать такую структуру огнеупора можно несколькими способами. Наиболее простым из них является добавление в формовочные массы выгорающих добавок, благодаря которым при обжиге в изделиях образуются поры. Другой способ заключается в подборе зернового состава масс.

В промышленных условиях были опробованы оба способа производства пористых блоков, причем на различных по зерно­вому составу массах и из различных по химическому составу материалов.

Для ввода инертного газа в металл на Златоустовском метал­лургическом заводе еще в 1963 г. использовали ложные стопора, оканчивающиеся огнеупорной пробкой с 10—15 радиально расположенными отверстиями (d=

=0,5-1,0 мм). Ложный стопор вводили через крышку вакуум­ной камеры в ковш с металлом (рис. 20), инертный газ подава­ли под давлением 2—3 ат с рас­ходом 0,4—0,6 м³/т в течение 7—10 мин.

Таким способом было дега­зировано около 20 плавок. Ра­бота с ложным стопором вы­явила ряд серьезных недостат­ков, к которым следует отнести частые случаи разрушения ниж­ней части стопора и пробки, в результате чего на каждую продувку приходилось футеро­вать и сушить новый ложный стопор, а в случае его разру­шения на предыдущей плавке — изготовлять и новый каркас. При этом наблюдалась повышен­ная загрязненность стали неме­таллическими включениями из-за разрушения футерованного стопора в процессе продувки стали.

Следующим этапом работы по подбору высокоэффективных средств ввода газа в металл явилось опробование пористых бло­ков без герметизации изоляционным слоем их боковой поверх­ности. Пористость блоков была на уровне 35—40%, однако из-за прекращения поступления газа в металл при наполнении ковша и его ухода в футеровку продувки расплавов не давали ожидае­мого эффекта. Об аналогичных результатах сообщает Спайер [60].

После ряда экспериментов остановились на способе ввода аргона в металл через огнеупорный блок, вставленный в футе­ровку днища ковша, с 40—50 направленными каналами диаметром 0,2—0,5 мм (рис. 21, 22).

В огнеупорном блоке в сыром состоянии после формовки про­делывали каналы диаметром 0,5 мм и затем его подвергали обыч­ному обжигу, применяемому при производстве шамотовых раз­ливочных стаканов. Эта пробка выдерживала 4—6 продувок, однако имела ряд существенных недостатков: после каждой про­дувки приходилось сбивать верхний слой блока с металлическими скрапинами (рис. 23), что приводило иногда к срыву намечаемой продувки; перед каждой установкой блока в ковш необходимо было снимать с нижней торцовой части пробки слой огнеупора толщиной до 3 мм для открывания газопроводящих каналов;