автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Обеспечение заданного качества алюминия в послеплавочный период на основе применения рациональных футеровок ковшей и миксеров

На правах рукописи

Темлянцева Елена Николаевна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОГО КА ЧЕСТВА АЛЮМИНИЯ В ПОСЛЕПЛАВОЧНЫЙПЕРИОД НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ФУТЕРОВОК КОВШЕЙ И МИКСЕРОВ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк - 2004

Работа выполнена

на кафедрах теплофизики и промышленной экологии, металлургии цветных металлов и химической технологии в ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Черепанов КА.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Хрущев М.С. кандидат технических наук, доцент Симаков В.П.

Ведущая организация

ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод»

Зашита состоится « 22 » июня 2004 г. в 16:00 часов в аудитории ЗП на заседании диссертационного совета Д 212.252.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, Кемеровской области, ул. Кирова, 42, ГОУ ВПО «СибГИУ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет»

Автореферат разослан «21» мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Стариков В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Вопросам повышения качества, сортности алюминия всегда уделялось пристальное внимание как в России, так и за рубежом. Исследования в области разработки мер по снижению количества металлических примесей приобрели особую актуальность при возросшей потребности авиационной, оборонной промышленности, росте производства предприятий выпускающих электропроводный алюминий, увеличении цен на электроэнергию, необходимости производства алюминия с повышенной электропроводностью. Снижение содержания примесей 81, Т1, Бе, Мп и других элементов для многих предприятий, особенно с устаревшим оборудованием, требует существенных затрат, при этом основными мерами являются переход на более качественное сырье (глинозем) и внепечную обработку расплава, что существенно повышает себестоимость алюминия и усложняет технологический процесс. Указанные факторы ставят перед учеными и производственниками задачи по изысканию новых ресурсов и технологий, обеспечивающих минимизацию загрязнения первичного алюминия примесями, в том числе футеровочного происхождения, и снижение его себестоимости.

Значению примесей футеровочного происхождения в формировании качества алюминия и его химического состава начали уделять внимание еще в конце 60-х, начале 70-х годов XX века, причем с акцентом, в основном, на стойкость футеровок эти вопросы были рассмотрены в работах М.М. Рутма-на, В.Н. Сенина, Е.Е. Гришенкова и др. и касались кирпичных футеровок алюмосиликатных составов. Развитие огнеупорной промышленности, появление технологий, позволяющих выполнять монолитные футеровки ковшей и миксеров, разработка связующих и огнеупоров новых поколений потребовали дальнейшей теоретической и практической проработки проблемы взаимодействия футеровок с расплавами первичного алюминия.

Актуальность работы. В современных экономических условиях функционирования предприятий алюминиевой промышленности первостепенной задачей является повышение качества и снижение себестоимости первичного алюминия. Одним из направлений решения этой проблемы является разработка и реализация научно обоснованных подходов к выбору рациональных составов, конструкций и режимов тепловой работы футеровок ковшей и миксеров, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение, повышение стойкости и увеличение срока службы огнеупоров, минимизацию загрязнения расплава металлическими примесями.

Работа выполнена по гранту Министерства образования Российской Федерации «Фундаментальные исследования в области технических наук» № ТОО-5.7-1329, а также в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации.

Цель работы. Разработка и внедрение: • технологических рекомендаций по минимизации загрязнения алюминия примесями футеровочного происхождения в послеплавочный период:

-<С. НАЦИОНАЛЬНАЯ I 3 библиотека I

• составов, конструкций и режимов тепловой работы футеровок, обеспечивающих повышение их стойкости;

• технологии утилизации отработанных огнеупоров.

Научная новизна.

1. На основе экспериментальных исследований впервые получена количественная оценка загрязнения первичного алюминия Si, Fe и Ti при непосредственном контакте расплава с монолитными, кирпичными футеровками ковшей и миксеров 13 известных и предлагаемых составов.

2. Проведены качественная и количественная оценка влияния температуры, времени контакта, наличия противосмачивающих добавок типа и вида связующего на интенсивность химического взаимодействия расплава с футеровками.

3. Разработана технология изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей на основе использования лома шамотных огнеупоров с применением связующего нового поколения - водной керамической вяжущей суспензии, определены режимные параметры тепловой подготовки футеровки.

4. Разработаны математические модели тепловой работы футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства для стационарных и нестационарных режимов тепловой работы.

Практическая значимость.

1. Полученные экспериментальные данные по влиянию составов футеровок, температуры и времени контакта металла с футеровкой позволяют прогнозировать изменение химического состава алюминия при транспортировании и обработке в ковшах и миксерах, осуществлять комплексный подход к выбору огнеупоров с учетом их стойкости, стоимости, влияния на качество металла.

2. Разработаны компьютерные программы, реализованные на языке программирования TURBO PASCAL 7.0, позволяющие осуществлять многовариантные прогнозные инженерные и исследовательские расчеты параметров тепловой работы футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства, работающих в стационарном и нестационарном тепловых режимах.

3. Разработана ресурсосберегающая, безотходная технология футеровки ковшей, основанная на использовании боя шамотных огнеупоров бывших в употреблении, позволяющая обеспечить эколого-экономическую эффективность при производстве первичного алюминия без снижения его качества.

Реализация результатов. На базе полученных результатов разработаны составы монолитных футеровок и защитных обмазок, технология их изготовления и нанесения, режимы сушки и разогрева, которые приняты к внедрению в практику эксплуатации двухтонных вакуумных и разливочных ковшей на ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод». Разработанные и реализованные на ПЭВМ математические модели внедрены в учебный процесс, в практику подготовки дипломированных специалистов по направлению 651300 - «Металлургия» при выполнении лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния составов монолитных футеровок, температуры и времени контакта с расплавом, антисмачивающих добавок на загрязнение первичного алюминия металлическими примесями 81, Бе и Т1.

2. Результаты экспериментальных исследований по химическому взаимодействию расплава с футеровками различных составов.

3. Технология изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей на основе рециклинга лома шамотных огнеупоров с применением связующего - водной керамической вяжущей суспензии.

Автору принадлежит: проведение экспериментов по влиянию различных футеровок на загрязнение расплава металлическими примесями и химическое взаимодействие с алюминием; установление механизмов взаимодействия футеровок различного состава с расплавами алюминия; реализация на ПЭВМ математических моделей стационарной и нестационарной тепловой работы футеровок ковшей и миксеров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Научно-практической конференции «Взаимодействие образовательных, хозяйственных и административных структур в регионе» (Новокузнецк, апрель 2000г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: Достижения и прогнозы» (Новокузнецк, октябрь 2000г.); VII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии СТТ 2001» (Томск, февраль - март 2001г.); III Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, май 2001г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, январь 2002г.); Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, апрель 2002г.); IV Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, май 2002г.); II Международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, декабрь 2002г.); Международной конференции «Технологии и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых видов огнеупорных изделий в металлургической промышленности» (Москва, февраль 2004г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них 6_статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Качество первичного алюминия предопределяется наличием в нем различного рода примесей. Химический (элементарный) состав алюминия, т.е. количество металлических примесей регламентировано ГОСТом 11069-2001 «Алюминий первичный. Марки», причем алюминий более высоких марок (А85, А8) имеет соответственно более высокую цену и меньшее количество примесей. Источниками металлических примесей железа, кремния, титана являются сырье (глинозем), анод электролизеров и огнеупорные футеровки ковшей и миксеров.

Цветная металлургия потребляет около 3-4% от общего объема производимых огнеупоров, причем примерно 75% всех огнеупоров, потребляемых цветной металлургией, приходится на производство алюминия. Учитывая, что российская огнеупорная промышленность до недавнего времени не производила специализированных огнеупоров для ковшей, печей и миксеров алюминиевого производства, широкое распространение получили шамотные (А12О3 28-45%) огнеупоры марок ШКУ, применяемые для изготовления футеровок ковшей в черной металлургии, огнеупоры ША, ШБ, а также муллитовые (А12О3 62-72%) изделия МЛС-62. Расплавленный алюминий обладает большим химическим сродством к-кислороду (высокой восстановительной способностью) и активно восстанавливает кремний, титан, железо и др. элементы из оксидов, имеющихся в огнеупорной футеровке. Вследствие этого рабочая поверхность футеровки приобретает ярко выраженное зональное строение. Химическое взаимодействие алюминия с шамотной кладкой приводит к изменению теплофизических и механических свойств поверхностного слоя футеровки. Значительное различие коэффициентов термического расширения поврежденного слоя и основной футеровки приводит к возникновению температурных напряжений и сколов при значительных колебаниях температуры последней. За рубежом производство специализированных огнеупоров для алюминиевой промышленности налажено давно и многие из фирм хорошо зарекомендовали себя на российском рынке, в частности, «Mayearton Refractories» (Китай) - производитель низкоцементных бетонов марок MCL-55, MCL-75; «Didier» (Германия) - кирпичных изделий Resistal B85 AC, Resistal B80 Spezial, Resistal B85 Spezial; «Plibrico» (Австрия) - набивных масс Pliram 27S, Plicast Hy-Mor 2000A1 и др. Отечественные производители огнеупоров в настоящее время успешно осваивают выпуск аналогичной продукции, причем цены на нее значительно ниже зарубежных. ОАО «Алитер-Акси» производит широкий спектр высокоглиноземистых масс содержащих антисмачивающие добавки (марки Алит-42 Кр-Ал, Алит-72 Ал, Алит-72 Арл-Ал, Алкор-76) для изготовления монолитных футеровок ковшей и миксеров. ОАО «Подольскогнеупор» выпускает специализированные высокоглиноземистые огнеупорные изделия с добавкой оксида бария и открытой пористостью менее 20%. Анализ технической литературы по дан-

ной тематике показывает, что процессы взаимодействия расплава с футеровкой рассматриваются с позиции стойкости огнеупоров, срока их службы, однако количественные данные по удельным величинам загрязнения алюминия металлическими примесями футеровочного происхождения и влиянию на них температурно-временного фактора (продолжительности контакта футеровки с расплавом и температуры расплава) фактически отсутствуют, особенно для монолитных футеровок, нет также количественной информации о влиянии антисмачивающих добавок на качество алюминия.

Средний срок службы футеровки в значительной степени зависит от вида материала (шамот, корунд, магнезит и др.), агрессивности рабочей среды (расплав металла, электролита, продукты сгорания топлива), температуры службы, элемента конструкции (свод, под, стены), а также целого ряда других факторов и может составлять от нескольких лет до нескольких месяцев. В современных экономических условиях функционирования алюминиевой промышленности вопрос повышения стойкости актуален и стоит как никогда остро в связи с тем, что относительно невысокие сроки службы футеровок приводят к образованию отвалов, занимающих значительные площади потенциально полезных земель и увеличению общей техногенной нагрузки на окружающую среду. В настоящее время проблема рециклинга огнеупорных материалов бывших в употреблении полностью не решена.

Поскольку величина и характер тепловых воздействий при службе фу-теровок ковшей и миксеров предопределяют ее стойкость, а соответственно и себестоимость алюминия, при разработке энерго- и ресурсосберегающих конструкций, составов и тепловых режимов работы необходимы многовариантные прогнозные расчеты, для реализации которых применяют математические модели. Активное развитие вычислительной техники позволило создавать многофакторные математические модели, учитывающие совокупность процессов и явлений, протекающих при работе футеровок. В целом можно отметить, что по проблеме математического моделирования плавильных и литейных агрегатов алюминиевого производства ощущается острая нехватка моделей тепловой работы ковшей, особенно нестационарных режимов их службы.

Анализ современного состояния вопроса показал актуальность выбранного направления исследования, на его основе сформулированы цели, задачи и методы исследования диссертационной работы.

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СНИЖЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ В АЛЮМИНИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ ФУТЕРОВОЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

В главе рассмотрены, сформулированы и проанализированы термодинамические и физико-химические основы повышения качества алюминия за счет уменьшения в нем металлических примесей футеровочного происхождения. При взаимодействии расплава алюминия с алюмосиликатными огне-

упорами восстановление кремния, титана и железа протекает по суммарным

реакциям:

4-А1+3-5Ю2=3-81+2-А12Оз, (1)

4А1+38Ю2=3-5Ю+А1203, (2)

8-А1+3(3-А1203-2-8Ю2)=6-51+13-А1203, (3)

4.А1+3-(А12Оз-2-5Ю2)=3-51+5-А12Оз, (4)

2-А1+Ре2Оз=2Ре+А12Оз, (5)

4-А1+3-ТЮ2=3-'П+2-А12Оз (6)

Проведенный расчет интенсивности протекания реакции (1), (3), (5), (6) показал, что наиболее интенсивно протекает реакция восстановления железа (5), далее в порядке убывания: кремния из кварца (1), титана (6) из ТЮ2 и кремния из муллита (3). Термодинамический анализ показал, что в данных условиях возможно фактически 100%-ное восстановление 81, Т1, Бе. В реальных условиях полнота и интенсивность протекания реакций лимитируется кинетическими факторами.

Систематизированы и проанализированы данные по влиянию различных факторов на глубину проникновения расплава в огнеупор 8, мм на основе

ИЗВеСтипгп спт кпшспи«

5= |с1-ст-С056-Т7, (7)

V 4-Ю6 -г]

где & - диаметр пор огнеупора, мкм; а - поверхностное натяжение, Н/м; 0 - краевой угол смачивания, рад; Тв - продолжительность контакта расплава с огнеупором, с; Т) - вязкость расплава, Па*с.

Отмечено, что геометрические размеры рабочего пространства оказывают существенное влияние на чистоту расплава по металлическим примесям. Поскольку источником примесей является футеровка и переход металлов в расплав-происходит с ее поверхности, важной характеристикой является

Т- 2

отношение площади поверхности; контакта г, м к массе: контактирующего алюминия т, кг или к его объему V, м3. Для существующих конструкций ковшей емкостью 2,3 и 5 т Б/У составляет 4,68,4,11,3,62 соответственно, т.е. с точки: зрения' повышения чистоты расплава по металлическим примесям применение ковшей большей емкости предпочтительнее. Наименьшие отношения Б/У на уровне 2,0 - 2,5 характерны для миксеров-копильников, а наибольшие - для индукционных плавильных печей с узким вытянутым рабочим пространством.

3 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для проведения экспериментов, приближенных к промышленным условиям взаимодействия футеровок и расплавов, из различных огнеупорных материалов (таблица 1) изготавливали тигли, которые загружали в специально сконструированную и изготовленную электропечную установку.

После разогрева тиглей в них расплавляли алюминий марок А5 и А5Е и выдерживали его при 700-900 °С в течение 3-115 часов. После выдержки расплав сливали и производили вертикальный разрез тигля. В 15 точках по периметру внутреннего пространства тигля, контактирующего с расплавом, измеряли топографию прометалливания. Влияние составов футеровок на загрязненность алюминия металлическими примесями определяли по его элементарному составу до и после экспериментов. Анализ состава огнеупоров и компонентов монолитных футеровок проводили на рентгеновском флуоресцентном спектрометре ЛЯЬ 9800 со встроенным дифракционным каналом. Рентгенофазовый анализ (РФА) огнеупоров осуществляли на дифрактометре ДР0Н-2,0 при Си-К„ излучении, напряжении на трубке 20 кВ, силе тока 20 мА, частоте вращения счетчика 2 гр/мин. Элементарный состав алюминия определяли с помощью оптического эмиссионного спектрометра АРЬ 3460.

Таблица 1 - Составы исследуемых монолитных тиглей

№ Заполнитель Связка Пластификатор Добавки

1 Кварцевый песок - 74% Водная керамическая вяжущая суспензия (ВКВС) кремнеземистого состава-21% Огнеупорная глина -5% -

2 Кварцевый песок - 74% Н)Р04-21% Огнеупорная глина -5% -

3 Бой шамотных кирпичей марки ША - 63% ВКВС-25% Огнеупорная глина -10% -

4 Бой шамотных кирпичей марки ША - 45% ВКВС-23% Огнеупорная глина -8% ВаБО« - 8% Тонкомолотый бой муллитовых кирпичей марки МЛС -«2-16%

5 Бой шамотных кирпичей марки ША - 60% ВКВС-25% Огнеупорная глина -10% ВаБО« - 5%

6 Бой шамотных кирпичей марки ША - 65% 1ЬРО,- 25% Огнеупорная глина -10% - ...

7 Бой муллнтокорундовых стопорных пробок стале-разливочных ковшей марки МКСП-70% Н,Р04 - 25% Огнеупорная глина -5% -

8 Бой муллнтокорундовых стопорных пробок стале-р&зливочных ковшей марки МКСП - 65% ВКВС-25% Огнеупорная глина -10% -

9 Бой корундовых изделий -64% Н)Р04-20% • ВаБО,- 10% Тонкомолотый глинозем - 6%

10 Бой магнезитовых блоков МСП 22-40 - 73% ВКВС-11% Огнеупорная глина -16% -

11 Бой магнезитовых блоков МСП 22-40-72% ВКВС-15% Огнеупорная глина -11% ВаЭО, - Г/.

12 Бой магнезитовых блоков МСП 22-40-75% ВКВС-16% Огнеупорная глина -6% Ва504 - 3%

13 Бой магнезитовых блоков МСП 22-40-70% ВКВС-16% Огнеупорная глина -7% ВаБО« - 7%

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с применением пакета программ 8ТЛТ!8Т1СЛ 6.0. Загрязнение первичного

алюминия металлическими примесями анализировали по удельной величине перехода элемента в расплав с 1 м2 поверхности футеровки ДЭр, кг/м2:

ДЭр =

0,01-(тк -Эк -шн -Эн)

(8)

где т„, ГПц, Э„, Эж — масса алюминия в тигле, кг и содержание элемента Fe, Ti, ...) в расплаве, % до и после опыта соответственно; F - площадь внутренней поверхности футеровки контактирующая с расплавом, м2.3ависимости удельных величин от температуры и времени выдержки представляли в графической форме.

4 ВЛИЯНИЕ СОСТАВОВ ФУТЕРОВОК НА КАЧЕСТВО АЛЮМИНИЯ

В главе представлены результаты экспериментальных исследований и их обсуждение. Для осуществления прогнозных расчетов изменения химического состава алюминия представлены соотношения, полученные при допущении, что масса расплава постоянна (M=const):

где 81', Ее', /П' и Б^Ре^.Т^одержание элементов дои после выдержки соответственно, .%;.ко51, коГе, коТ| эмпирические константы перехода кремния, железа и титана в расплав, кг/См^ч0'5) для различных составов тиглей и температуры выдержки 1В, °С (представлены в таблице 2).

Результаты исследования глубины прометалливания и сложности удаления настылей (прочность сцепления застывшего алюминия с футеровкой) представлены в таблице 3.

Анализ полученных данных показывает, что наиболее. интенсивно происходит взаимодействие расплава алюминия с футеровкой на основе кварцевого песка и ТЖЯС, кот^пое сот^поиождается максимальным переходом кремния в расплав что объясняется высоким со-

держанием ¿¡02 (более 80%) в данной футеровке. Переход в расплав железа и титана меньше, чем в составах на шамотном заполнителе, что связано с более низким содержанием их оксидов в кварцевом песке, в частности %, Ре203=2,02%, против 1,440 % и 2,670 %.

Футеровки на ВКВС и шамотном заполнителе по кремнию меньше загрязняют расплав, чем содержащие кварцевый песок, однако по железу и титану имеют максимальную загрязненность кот'=0,0067120 кг/(м2-ч0 5)).

Таблица 2 - Константы перехода кремния, железа и титана в расплав

Состав тигля 1.,°С ко" ко* коТ'

№1 800 0,020165 0,572214 0,0030740

№2 800 0 0,013857 0,0000577

№3 800 0,028117 0,563075 0,0067120

№31 800 0,001010 0,001342 0

№4 800 0 0,016960 0,0000577

№5 800 0 0,013293 0,0000722

№6 800 0 0,001761 0

ШАг 800 0 0,006842 0,0001010

900 0,009093 0,253933 0,0029880

№7 800 0 0,011374 0

900 0 0,027150 0

№8 800 0,005831 0,293886 0,0032480

№ 9 800 0 0 0

900 0 0 0

№10 800 0,007361 0,127739 0

№11 800 0 0,003926 0

№12 800 0 0,001400 0

№ 13 800 0 0 0

1 - Стенки тигля пропитаны расплавом электролита, 2 - Тигель изготовлен из кирпича марки ША

Анализ серии экспериментов, проведенных для установления влияния связующего и заполнителя массы монолитной футеровки на изменение состава расплава и взаимодействие его с футеровкой, показал, что при 800 °С и 48 ч выдержки применение ВКВС с различными заполнителями (составы №1,3, 8, 10) приводит к одинаковому загрязнению расплава и прометалливанию футеровки. На рисунке 1 представлен характерный вид тиглей на связке ВКВС с заполнителем: а), б) - состав №3 (шамот); в) - №10 (магнезит); г) -№1 (кварцевый песок); д) - №8 (высокоглиноземистый). Глубина прометал-ливания футеровок представленных на рисунке 1 а), в), г), д) составляет 4,38, 3,57, 3,57, 3,15 мм, а содержание примеси кремния в расплаве растет с увеличением содержания 8Ю2 в футеровке и составляет 0,572214, 0,563074, 0,293886 и 0,127739 кг/(м2-ч0,5) соответственно.

Серия экспериментов, проведенная на связке Н3РО4 - составы №2, 6, 7, при аналогичном времени и температуре выдержки показала полное отсутствие прометалливания футеровки, рисунок 1 е) - состав №7, константы перехода кремния в расплав в 30-40 ниже, чем у составов на ВКВС, а загрязнение примесями титана и железа фактически не наблюдается.

Таблица 3 - Глубина прометалливания тиглей и уровень сложности удаления настыли

Состав тигля t.,°C т„, час 8, мм Удаление настыли, баллы

№1 800 48 3,57 1

№2 800 48 0 2

№3 700 3 0,5 3

6 1,14 3

9 1,57 3

800 3 0,91 2

6 1,59- 1

9 1,95 1

48 4,38 1

48' 1,43 3

900 3 0,91 1

6 2,11 1

9 1,67 1

№4 700 48 0 5

800 48 0 2

№5 800 48- 0 3

№6 800 48- 0 5

ША" 800 48- 0 5-

900 3 0 5

9 0 5

-- 15 0 3

25 3,52 1

48- 4,19 1

№7 800 > 48 0 4

900 48 0 4

900- 115 0 4

№8- 800 48- 3,15 1

№9 700 48« 0 5

800' 48 0 5

№10 800 48 3,57 1

№11 800' 48 0,79 1

№12 800 48' 0 2

№13 800 48 0 5

Примечание: 1 - интенсивное взаимодействие футеровки с расплавом, удаление настыли

затруднено; 2 - незначительное взаимодействие футеровки с расплавом, удаление насты-

ли затруднено; 3 — незначительное взаимодействие футеровки с расплавом, настыль удаля-

ется легко;

4 — следы взаимодействия футеровки с расплавом отсутствуют, удаление

настыли затруднено; 5 - следы взаимодействия футеровки с расплавом отсутствуют, настыль уда-

ляется легко.

Предложены четыре варианта (типа) взаимодействия алюминия с футеровкой:

1. Зерна заполнителя и связка не взаимодействуют с алюминием, например, корундовая футеровка на связке из

2. Зерна футеровки не взаимодействуют, а связка взаимодействует с расплавом - «по связке». Алюминий, проникая в поры футеровки и соприкасаясь с ее поверхностью, взаимодействует со связкой, глубина поврежденного (прометалленного) слоя увеличивается, в нем содержатся зерна заполнителя, которые не реагируют с расплавом, размеры и количество пор, как правило, уменьшаются. Такой вариант характерен для монолитных футеровок, например, высокоглиноземистого или корундового составов на связке из жидкого стекла или ВКВС кремнеземистого состава.

3. Зерна футеровки взаимодействуют, а связка не взаимодействует с расплавом - «по зернам». Расплав алюминия, проникая в поры и соприкасаясь с поверхностью зерен на поверхности футеровки, взаимодействует с ними, что приводит к образованию поврежденных участков на поверхности зерен, с течением времени глубина поврежденных участков увеличивается и охватывает все зерно. Вариант характерен для футеровок на алюмосиликат-ных заполнителях типа шамотного,. муллитокремнеземистого и др. на фосфатных связующих или ВКВС высокоглиноземистого состава.

4. Зерна футеровки и связка взаимодействуют с расплавом — «смешанный тип». Расплав алюминия взаимодействует со связкой и зернами заполнителя. Этот тип взаимодействия характерен для футеровок на алюмосиликат-ных заполнителях и связке типа жидкого стекла или ВКВС кремнеземистого состава.

С точки зрения стойкости футеровки наиболее неблагоприятными являются типы 2) и 4), поскольку приводят к образованию значительного по величине прометаллившегося слоя.

Серия экспериментов., проведенная с целью установления влияния ан-тисмачивающей добавки на загрязнение расплава примесями и проме-

талливание футеровки, показала, что ее применение весьма перспективно. Добавка ВаБ04 в состав на шамотном заполнителе и ВКВС в количестве 5% (состав №5) фактически исключила прометалливание и восстановление в расплав железа и титана, а снизилась с 0,563075 до 0,013293 кг/(м2-ч0-5)), т.е. в 42 раза. Аналогичное действие добавка оказывала на составы на основе магнезитового заполнителя. При 1% Ба804 глубина прометалливания снизилась с 3,57 до 0,79 мм, а при 3 и 7 % исключила его полностью.

Учитывая специфику эксплуатации вакуумных и разливочных ковшей на некоторых алюминиевых заводах, попадание электролита в ковш и затвердевание его на поверхности футеровки неизбежно. Серия экспериментов, проведенная для исследования влияния этого фактора на процесс взаимодействия расплава и футеровки, показала, что затвердевший электролит оказывает защитное действие. Пропитка тигля состава №3 вторичным электролитом снижает глубину прометалливания с 4,38 до 1,43 мм, т.е. в 3 раза и существенно снижает переход кремния, титана и железа в расплав. Внешний вид

тигля состава № 3 представлен на рисунке 1: а) без пропитки электролитом и б) с пропиткой при выдержке 48 ч при 800 °С. При температурах 700-900 °С электролит образует вязкую прослойку, снижающую смачивание и проникновение расплава в футеровку.

Рисунок 1 - Внешний вид тиглей после выдержки 48 ч при 800 °С

Особую актуальность имеет вопрос, трудоемкости чистки футеровки, в частности, вакуумных и разливочных ковшей от настылей и остатков затвердевшего алюминия, поскольку затрудненная чистка приводит к дополнительному механическому разрушению кладки. В таблице 3 представлены результаты качественной оценки сложности удаления настылей, из которой отчетливо видно, что интенсивное прометалливание приводит к затрудненному удалению настылей и значительному сцеплению их с футеровкой, а его отсутствие и добавка противосмачивающих добавок значительно облегчает чистку.

Результаты экспериментов имеют широкую область применения и рекомендуются для прогнозирования состава алюминия при плавке в индукционных, пламенных отражательных печах, транспортировании в вакуумных, разливочных ковшах и выдержке в миксерах.

5 РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ СОСТАВОВ, КОНСТРУКЦИЙ И РЕЖИМОВ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ФУТЕРОВОК КОВШЕЙ И МИКСЕРОВ

В главе проведено исследование стойкости, конструкций и причин вывода из эксплуатации вакуумных и разливочных ковшей емкостью 2, 3, 5 т используемых на ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» (ОАО «НКАЗ», г.Новокузнецк). Средняя стойкость вакуум-ковшей емкостью 2т футерованных шамотным кирпичом представлена на рисунке 2 и составила 1,3 мес.

С целью повышения стойкости футеровок вакуумных и разливочных ковшей, эксплуатируемых на ОАО «НКАЗ», была разработана энерго- и ресурсосберегающая технология изготовления монолитных и комбинированных (арматурный слой кирпичный, рабочий - монолитная защитная обмазка) фу-теровок. При разработке состава использовали следующие критерии выбора составляющих (заполнителя и связующего):

1) их дешевизна и недефицитность, использование вторичных материальных ресурсов, утилизация лома огнеупоров бывших в употреблении;

2) относительная: простота нанесения обмазки (технологичность), в частности, в условиях отсутствия; торкрет-машин возможность нанесения вручную с помощью шпателя;

3) безвредность и экологическая чистота ингредиентов;

4) применяемая обмазка не должна снижать качество металла;.

I-1

04 0.9 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.в 28

Стойсость, мес

Рисунок 2 - Стойкость вакуум-ковшей емкостью 2 т

5) набор прочности обмазки после сушки и разогрева при температурах не более 150-200 °С (ограничения связаны с возможностями эксплуатируемых на заводе электронагревателей ковшей);

6) достаточно высокая прочность и адгезия обмазки к футеровке.

С учетом перечисленных критериев было принято решение в качестве заполнителя использовать молотый лом шамотных (ША) и муллитовых (МЛС-62) огнеупоров, эксплуатируемых в ковшах и миксерах НКАЗа, в качестве связки - водную керамическую вяжущую суспензию (ВКВС) кремнеземистого состава, пластификатор - огнеупорная глина. Состав обмазок представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Состав обмазок, % масс.

Агрегат Заполнитель Добавки Связка

Разливочный ковш емкостью 2т. ША-65% Огнеупорная глина -10% ВКВС-25%

Вакуум-ковш емкостью 2т. ША-55-60%; МЛС-62-5-10% Огнеупорная глина -10% ВКВС-25%

Для предложенного состава разработаны тепловые режимы сушки и разогрева, обеспечивающие хорошее качество футеровки. Внешний вид футеровки до и после нанесения обмазки представлен на рисунке 3 а) и б) соответственно. Отсутствие кладочных швов увеличило срок службы футеровки, облегчило обслуживание ковша, чистку и удаление настылей. При применении обмазки снижение чистоты алюминия по металлическим примесям не наблюдалось, а следы существенного прометалливания обмазки отсутствовали.

Рисунок 3 - Внешний вид футеровки до и после нанесения обмазки Для моделирования стационарных и нестационарных температурных полей в футеровках плавильных и литейных агрегатов разработаны и реализованы на ПЭВМ математические модели с применением языка программирования TURBO PASCAL 7.0.

Модель нестационарных тепловых процессов включает дифференциальное уравнение теплопроводности для плоской стенки

dt

- = а-

eh

(12)

дг дх*

Дифференциальное уравнение дополнено краевыми условиями: 1) граничными условиями: для внутренней поверхности - период сушки, разогрева, охлаждения - III рода (возможна также задача граничных условий II рода q=f(T) или q=Const), нагрев и охлаждение ведутся конвекцией и излучением:

et

(13)

(14)

- период выдержки и разливки- I рода, температура внутренней поверхности футеровки определяется с учетом снижения температуры расплава вследствие тепловых потерь на аккумуляцию тепла кладкой и потерь тепла теплопроводностью через кладку в окружающую среду

« • Ок - toc)- f • дт+мф • сф • г -1')

Мме..'сме

на наружной поверхности кожуха охлаждение протекает в условиях' свободной конвекции:

где t — температура греющей среды, 0С; f. — температура'внутренней

Ф

поверхности футеровки, °С; — температура стального кожуха, °С; (ос — температура окружающей среды, .°С; — начальная температура.расплава, 0С; Р — площадь кожуха и зеркала металла, м2; Дт — время выдержки, с; Мф,. Мме — масса футеровки и расплава металла в ковше соответственно, кг; ?• ,

СМе — средняя теплоемкость футеровки и расплава соответственно, Дж/(кг- К), для алюминия! сме=920 Дж/(кг-К); — средние по толщине конечная и

О/-.

начальная температуры кладки соответственно,

2) теплофизическими: коэффициенты теплоемкости с (кДж/(кг*К)), теплопроводности X (Вт/(м-К)), определяются по соотношениям вида:

с = а'+Ь'-1, Л = а±Ь-'й (16)

где а, Ь, а', Ь' — эмпирические коэффициенты, зависящие от материала, из которого изготовлена футеровка, / - средняя температура футеровки, °С. Плотность р=сопз1 (кг/м3).

3) начальными: разогрев кладки проводят с холодного состояния, начальное распределение температуры по сечению задано равномерным 1о(х)=СОП51=20 °С, возможно задание любого начального распределения температур по сечению, температурное поле может быть описано полиномом п-го порядка вида:

фг,0) = а0 +Д|-х + а2 •х2 +а3 'Хг +... + а„•*"> 07)

коэффициенты полинома для определения начального поля температур.

4) геометрическими: характерный размер 8 (м) равен толщине футеровки для плоской стенки, для ковшей с футеровкой цилиндрического типа 8=г - толщина футеровки, Я - внешний радиус ковша по кожуху, модель применима в случае

Для оценки адекватности математических моделей реальным процессам сконструировали лабораторную установку. Анализ экспериментальных данных и математического моделирования показал, что точность моделирования температурных полей составляет что в полной мере удовлетворяет требованиям к прогнозным моделям данного уровня.

С применением разработанных моделей произведено разделение огнеупоров, применяемых для изготовления футеровок ковшей и миксеров, на три группы по теплоаккумулирующей (таблица 5) и теплоизолирующей (таблица 6) способности. В качестве критерия для оценки теплоаккумулируюгцей способности выбрана объемная теплоемкость о г н е у п л о и з о -лирующей - коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К).

Таблица 5 - Группы огнеупоров с различной теплоаккумулирующей

способностью

Группа Тип огнеупора

I Шамотные

II Муллитовые, цирконовые

III Высокоглиноземистые, корундовые, периклазовые, бадделеитовые

При прочих равных условиях, для футеровок, выполненных из огнеупоров III группы, рекомендуются повышенные температуры разогрева, поскольку после наполнения расплавом такие футеровки аккумулируют значительное количество тепла, что может привести к существенному снижению температуры расплава. Для футеровок I группы, в случае отсутствия других ограничений, при прочих равных условиях, могут быть выбраны пониженные температуры разогрева. Футеровки с пониженной аккумулирующей способностью охарактеризованы более высокими теплосохраняющими свойствами и скорость охлаждения расплава в таких ковшах ниже. Огнеупоры II группы занимают промежуточное положение.

Таблица 6 - Группы огнеупоров с различной теплоизолирующей способностью

III__Высокоглиноземистые, корундовые, периклазовые_

Наилучшей теплоизолирующей способностью обладают шамотные и муллитовые огнеупоры, применение огнеупоров III группы приводит к повышенным теплопотерям, для снижения которых рекомендуется применение более мощной теплоизоляции. Огнеупоры II группы занимаю промежуточное положение.

Результаты математического моделирования тепловой работы футеровки разливочных ковшей показали, что после заливки расплава в течение первых 10-15 мин. (начальный период) наблюдается резкое снижение его температуры вследствие значительной аккумуляции тепла кладкой, скорости охлаждения достигают 5,8-7,2 К/мин. Дальнейшее охлаждение протекает при скорости 1,7 К/мин и вызвано в основном потерями тепла теплопроводностью через кладку в окружающую среду. Увеличение температуры разогрева поверхности футеровки перед разливкой с 100 до 300 °С снижает скорость охлаждения алюминия в начальный период на 20 %. В период заливки расплава футеровка подвержена высокоинтенсивному тепловому воздействию (термическому удару), перепады температур по толщине достигают 732, 781, 832 °С в зависимости от температур предварительного разогрева поверхности до 300, 200 и соответственно. Оценка опасности разрушения футеровки

от температурных напряжений показывает, что даже при предварительном разогреве футеровки до 300 °С максимальные температурные перепады по толщине достигают 17600 К/м, в то время как расчетные допустимые составляют 14700 К/м, т.е. на 20 % ниже действительных. В наиболее тяжелых условиях работают поверхностные слои (5-10 мм) в первые 1-3 мин. после заливки расплава. Данный фактор приводит к снижению стойкости и может стать причиной преждевременного износа (растрескивания) футеровки. Заливка расплава в «холодные» ковши приводит к повышенному настылеобра-зованию и необходимости более частой чистки. Повышение температур разогрева футеровки перед приемом расплава до 600-800 °С способствует повышению ее стойкости и увеличению срока службы.

В условиях возросших требований к стойкости и надежности у заводов - производителей первичного алюминия возникла необходимость перехода от традиционно применяемых для миксеров шамотных кирпичных футеровок к более совершенным монолитным конструкциям. Так, например, одним из перспективных материалов для монолитных футеровок миксеров является смесь Алит-72АРС-Ал высокоглиноземистого состава поставляемая ОАО «Алитер-Акси» (г.Санкт-Петербург). Для прогнозирования тепловой работы миксера с монолитной футеровкой и сравнения ее с кирпичной проведена серия многовариантных расчетов на базе разработанных математических моделей, также исследовали влияние прометалливания шамотной кирпичной кладки миксера емкостью 25 т на тепловые потери. Применение монолитного рабочего слоя приводит к повышению тепловых потерь, что связано с более высоким (почти на 70%) коэффициентом теплопроводности высокоглиноземистого бетона — 1,9 Вт/(м-К) (при 500 °С) по сравнению с шамотным кирпичом ША - 1,13 Вт/(м*К). Тепловые потери бетонных футеровок в среднем на 5-8% выше кирпичных, температура кожуха увеличивается несущественно,

всего на 3-5 °С. Учитывая, что химическое взаимодействие и прометаллива-ние низкопористого, не содержащего $¡02, бетона с течением времени фактически не происходит и его теплофизические свойства остаются неизменными, бетонные футеровки имеют повышенные тепловые потери только на начальном этапе работы. По мере увеличения срока службы их теплоизоляционные свойства выше кирпичных шамотных.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Экспериментальным путем установлено, что:

• В наибольшей степени сохранению высокого качества алюминия способствуют высокоглиноземистые футеровки на связке что позволяет поддерживать химический состав металла на исходном уровне.

• Добавка ВаБС^ в состав на шамотном заполнителе и ВКВС в количестве 5% фактически исключает прометалливание и восстановление в расплав железа и титана, а ко5' снижает с 0,56 до 0,013 кг/(м2-ч0,5), т.е. в 42 раза. Аналогичное действие добавка оказывает на составы на основе магнезитового заполнителя. глубина прометалливания снизилась с 3,57 до 0,79 мм, а при 3 и 10 % вообще не наблюдалось.

• Пропитка футеровки электролитом оказывает защитное действие и способствует сохранению качества первичного алюминия. Для масс на шамотном заполнителе глубина прометалливания снижается с 4,38 до 1,43 мм, т.е. в 3 раза, а к^' снизилась с 0,56 до 0,0013 кг/(м2-ч0,5), т.е. в 420 раз.

• Наибольшее отрицательное влияние на качество алюминия оказывают футеровки на основе кварцевого песка и ВКВС, которое сопровождается максимальным переходом кремния в расплав (ко5|=0,572214 кг/(м2-ч0,5)), что объясняется высоким содержанием 5Ю2 (более 80%) в данной футеровке.

2. Выявлен и изучен механизм разрушения футеровок ковшей алюминиевого производства. Предложены четыре типа химического взаимодействия огнеупорных футеровок с расплавом алюминия.

3. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель стационарной тепловой работы многослойных плоских, цилиндрических и сферических футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства, позволяющая исследовать температурные поля в слоях при изменяющихся: температуре расплава, величине прометаллившегося слоя, температуре окружающей среды, толщине рабочего слоя (механический износ). Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель нестационарной тепловой работы футеровок ковшей, позволяющая моделировать температурные поля при разогреве ковша, приеме расплава, выдержке и охлаждении после разливки, прогнозировать температуру расплава в разные промежутки времени после заливки.

4. Разработаны и рекомендованы к внедрению на ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» составы монолитных футеровок и защитных обмазок двухтонных вакуумных и разливочных ковшей.

5. Разработана и рекомендована к внедрению в производство технология изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей с использованием лома шамотных огнеупоров и применением тиксо-тропного связующего - водной керамической вяжущей суспензии, определены режимные параметры тепловой подготовки футеровки. Предложенная технология является ресурсосберегающей и безотходной, ее применение позволяет получить положительный эколого-экономический эффект.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Моделирование температурных полей в многослойных покрытиях из отходов огнеупорного производства / Е.Н. Килякова (Е.Н. Темлянцева), B.C. Стариков, К.А. Черепанов, М.В. Темлянцев, И.В. Гладких // Материалы всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: Достижения и прогнозы». - Новокузнецк: СибГИУ, 2000. - С.62-64.

2. Килякова Е.Н. (Темлянцева Е.Н.), Черепанов К.А., Темлянцев М.В. Применение покрытий из отходов огнеупорного производства для повышения надежности высокотемпературных энергетических установок / Труды VII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии СТТ 2001». Том 1. -Томск: ТПУ, 2001. - С. 76-79.

3. Черепанов К.А., Гладких И.В., Килякова Е.Н. (Темлянцева Е.Н.) Изготовление теплоизоляционных материалов на основе промышленных отходов // Труды 3-й Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии». - СПб.: СПбГТУ,

2001.-С. 761-763.

4. Черепанов К.А., Килякова Е.Н. (Темлянцева Е.Н.), Темлянцев М.В. Использование боя огнеупорного кирпича при изготовлении защитных обмазок на связке из технического кремнезоля // Изв. вузов. Черная металлургия. -

2002.- №6. -С. 45-47.

5. Черепанов К.А., Темлянцева Е.Н., Темлянцев М.В. Рециклинг бывших в употреблении огнеупорных изделий - один из путей решения проблемы рационального использования природных ресурсов // Труды 4-й Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии». Том 3. - СПб.: Нестор, 2002. - С. 353-355.

6. Моделирование тепловой работы футеровки металлургических ковшей / B.C. Стариков, М.В. Темлянцев, Е.Н. Темлянцева, А.Ю. Коробкин // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2002. - № 10. - С. 55-56.

7. Стариков B.C., Темлянцева Е.Н., Темлянцев М.В. Исследование тепловой работы футеровок высокотемпературных металлургических агрегатов // Материалы 2-й международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии». - Москва: МИСиС, 2002. - С. 285-287.

8. Стариков B.C., Темлянцев М.В., Темлянцева Е.Н. Программа для моделирования тепловой работы разливочных ковшей / Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2002612041 от 7.10.2002 г.

9. Темлянцева Е.Н., Стариков B.C., Темлянцев М.В. Исследование тепловой работы ковшей для разливки алюминия // Вестник горнометаллургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сборник научных трудов. Вып. 11. - Новокузнецк: Сиб-ГИУ, 2002. -С. 27-30.

10. Моделирование разрушения и исследование тепловой работы футеровки металлургических ковшей / А.Ю. Коробкин, Е.Н. Темлянцева, М.В. Темлянцев, B.C. Стариков // Труды региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения». Вып.6. - Новокузнецк: СибГИУ, 2002. - С. 178-180.

11. Темлянцева Е.Н. Анализ теплоаккумулирующей способности футе-ровок разливочных ковшей // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество». - Новокузнецк: СибГИУ, 2002. - С. 43-44.

12. Стариков B.C., Темлянцева Е.Н., Темлянцев М.В. Анализ теплоизолирующих свойств футеровок разливочных ковшей // Изв. вузов. Черная металлургия. - 2003. -№ 8. - С. 40-41.

13. Перспективные виды огнеупоров для футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства / Е.Н. Темлянцева, А.Ф. Пинаев, Ю.В. Астахов, А.В. Кухаренко, Н.А. Найденов // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сборник научных трудов. Вып. 12. - Новокузнецк: СибГИУ, 2003. - С. 49-53.

14. Повышение стойкости футеровок вакуумных и разливочных ковшей алюминиевого производства / А.Ф. Пинаев, Ю.В. Астахов, А.В. Кухаренко, Е.Н. Темлянцева, К.А. Черепанов // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии: Сборник научных трудов. Вып. 12. - Новокузнецк: СибГИУ, 2003. - С. 54-56.

15. Темлянцева Е.Н., Черепанов К.А., Стариков B.C. Химическое взаимодействие расплава алюминия с огнеупорами различных составов // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество». - Новокузнецк: СибГИУ, 2003. - С. 61-63.

16. Темлянцева Е.Н. Механизм разрушения футеровок ковшей для разливки алюминия // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество». - Новокузнецк: СибГИУ. 2003. - С. 64-66.

17. Стариков B.C., Темлянцев М.В., Темлянцева Е.Н. Математическое моделирование тепловой работы огнеупорных футеровок высокотемпературных агрегатов черной и цветной металлургии // Материалы Международной конференции «Технологии и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых видов огнеупорных изделий в металлургической промышленности», М.: МИСиС, 2004. - С.97-102.

Издлиц. №01439 от 05.04.2000г.

Подписано в печать 19.05.2004г. Формат бумаги 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,4 Уч.-изд. л. 1,4 Тираж 100 экз. Заказ

ГОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42, Издательский центр СибГИУ

ЛИ02 03

Введение.

1 Современное состояние вопроса и постановка задач исследования.

1.1 Анализ влияния режимов тепловой работы, конструкций и составов футеровок ковшей и миксеров на качество алюминия.

1.2 Решение проблемы ресурсосбережения при производстве алюминия на основе рециклинг-технологий изготовления футеровок.

1.3 Анализ режимов тепловой работы футеровок плавильных и литейных агрегатов алюминиевого производства на основе математического моделирования.

1.4 Выводы и постановка задачи исследования.

2 Теоретические основы снижения содержания в алюминии металлических примесей футеровочного происхождения.

2.1 Термодинамические и физико-химические основы повышения качества алюминия посредством уменьшения в нем металлических примесей футеровочного происхождения.

2.2 Основы влияния геометрии ванн литейных и плавильных агрегатов на качество алюминия.

2.3 Выводы.

3 Методика экспериментальных исследований.

3.1 Выбор марок алюминия и составов огнеупоров для исследований.

3.2 Описание опытных установок и используемого оборудования.

3.3 Обработка экспериментальных данных.

4 Влияние составов футеровок на качество алюминия.

4.1 Влияние составов футеровок на качество алюминия.

4.2 Выводы.

5 Разработка рациональных составов, конструкций и режимов тепловой работы футеровок ковшей и миксеров.

5.1 Разработка рациональных составов и конструкций футеровок ковшей, используемых на ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод».

5.1.1 Анализ конструкций применяемых ковшей, условий их службы и стойкости футеровки.

5.1.2 Разработка технологии изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей на основе рециклинга лома шамотных огнеупоров.

5.2 Разработка математических моделей тепловой работы футеровок плавильных и литейных агрегатов алюминиевого производства.

5.2.1 Математическая модель нестационарного режима тепловой работы футеровок.

5.2.2 Математическая модель стационарного режима тепловой работы футеровок.

5.2.3 Оценка адекватности математических моделей реальным процессам.i.

5.3 Рациональные режимные параметры тепловой работы футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства.

5.3.1 Анализ теплоаккумулирующей способности огнеупоров.

5.3.2 Анализ теплоизолирующей способности огнеупоров.

5.3.3 Влияние температуры разогрева ковшей на тепловую работу и стойкость футеровки.

5.3.4 Влияние конструкций футеровки на тепловую работу миксеров.

5.4 Выводы.

Выводы.

Список источников.

Вопросам повышения качества, сортности алюминия всегда уделялось пристальное внимание как в России, так и за рубежом. Исследования в области разработки мер по снижению количества металлических примесей приобрели особую актуальность при возросшей потребности авиационной, оборонной промышленности, росте производства предприятий выпускающих электропроводный алюминий, увеличении цен на электроэнергию,. необходимости производства алюминия с повышенной электропроводностью. Снижение содержания примесей Si, Ti, Fe, Мп и других элементов для многих предприятий, особенно с устаревшим оборудованием, требует существенных затрат, при этом основными мерами является переход на более качественное сырье (глинозем) и внепечную обработку расплава, что существенно повышает себестоимость алюминия и усложняет технологический процесс. Указанные факторы ставят перед учеными и производственниками задачи по изысканию новых ресурсов и технологий, обеспечивающих минимизацию загрязнения первичного алюминия примесями, в том числе футеровочного происхождения и снижение его себестоимости.

Значению примесей футеровочного происхождения в формировании качества алюминия и его химического состава начали уделять внимание еще в конце 60-х, начале 70-х годов XX века, причем с акцентом, в основном, на стойкость футеровок, эти вопросы были рассмотрены в работах М.М. Рутмана, В.Н. Сенина, Е.Е. Гришенкова и др. и касались кирпичных футеровок алюмосиликатных составов. Развитие огнеупорной промышленности, появление технологий, позволяющих выполнять монолитные футеровки ковшей и миксеров, разработка связующих и огнеупоров новых поколений потребовали дальнейшей теоретической и практической проработки проблемы взаимодействия футеровок с расплавами первичного алюминия.

Актуальность работы. В современных экономических условиях функционирования предприятий алюминиевой промышленности первостепенной задачей является повышение качества и снижение себестоимости первичного алюминия. Одним из направлений решения этой проблемы является разработка и реализация научно обоснованных подходов к выбору рациональных составов, конструкций и режимов тепловой работы фу-теровок ковшей и миксеров, обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение, повышение стойкости и увеличение срока службы огнеупоров, минимизацию загрязнения расплава металлическими примесями.

Работа выполнена по гранту Министерства образования Российской Федерации «Фундаментальные исследования в области технических наук» № ТОО-5.7-1329, а так же в соответствии с перечнем критических технологий Российской Федерации и приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники Российской Федерации.

Цель работы. Разработка и внедрение

• технологических рекомендаций по минимизации загрязнения алюминия примесями футеровочного происхождения в послеплавочный период,

• составов, конструкций и режимов тепловой работы футеровок, обеспечивающих повышение их стойкости,

• технологии утилизации отработанных огнеупоров.

Научная новизна.

1. На основе экспериментальных исследований впервые получена количественная оценка загрязнения первичного алюминия Si, Fe и Ti при непосредственном контакте расплава с монолитными и кирпичными футе-ровками ковшей и миксеров 13 как известных, так и предлагаемых составов.

2. Проведены качественная и количественная оценка влияния температуры, времени контакта, наличия противосмачивающих добавок типа BaSC>4 и вида связующего на интенсивность химического взаимодействия расплава с футеровками.

3. Разработана технология изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей на основе использования лома шамотных огнеупоров, с применением связующего нового поколения — водной керамической вяжущей суспензии, определены режимные параметры предплавочной тепловой подготовки футеровки.

4. Разработаны математические модели тепловой работы футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства для стационарных и нестационарных режимов тепловой работы.

Практическая значимость.

1. Полученные экспериментальные данные по влиянию составов футеровок, температуры и времени контакта металла с футеровкой позволяют прогнозировать изменение химического состава алюминия при транспортировании и обработке в ковшах и миксерах, осуществлять комплексный подход к выбору огнеупоров с учетом их стойкости, стоимости, влияния на качество металла.

2. Разработаны компьютерные программы, реализованные на языке программирования Turbo Pascal 7.0, позволяющие осуществлять многовариантные прогнозные инженерные и исследовательские расчеты параметров тепловой работы футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства, работающих в стационарном и нестационарном тепловых режимах.

3. Разработана ресурсосберегающая, безотходная технология футеровки ковшей, основанная на использовании лома шамотных огнеупоров, бывших в употреблении, позволяющая обеспечить эколого-экономическую эффективность при производстве первичного алюминия без снижения его качества.

Реализация результатов. На базе полученных результатов разработаны составы монолитных футеровок и защитных обмазок, технология их изготовления и нанесения, режимы сушки и разогрева, которые приняты к внедрению в практику эксплуатации 2 тонных вакуумных и разливочных ковшей на ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод». Разработанные и реализованные на ПЭВМ математические модели внедрены в учебный процесс, в практику подготовки студентов по специальности 110300 — Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей при выполнении лабораторных работ, курсового и дипломного проектирования.

Предмет защиты и личный вклад автора. На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований влияния составов монолитных футеровок, температуры и времени контакта с расплавом, ан-тисмачивающих добавок на загрязнение первичного алюминия металлическими примесями Si, Fe и Ti.

2. Результаты экспериментальных исследований по химическому взаимодействию расплава с футеровками различных составов.

3. Технология изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей на основе рециклинга лома шамотных огнеупоров, с применением связующего - водной керамической вяжущей суспензии.

Автору принадлежит: проведение опытов по влиянию различных футеровок на загрязнение расплава металлическими примесями и химическое взаимодействие с алюминием; установление механизмов взаимодействия футеровок различного состава с расплавами алюминия; реализация на ПЭВМ математических моделей стационарной и нестационарной тепловой работы футеровок ковшей и миксеров.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: Научно-практической конференции «Взаимодействие образовательных, хозяйственных и административных структур в регионе» (Новокузнецк, апрель, 2000г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия на пороге XXI века: Достижения и прогнозы» (Новокузнецк, октябрь, 2000г.); VII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии СТТ 2001» (Томск, февраль — марта 2001г.); III Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, май, 2001г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: реорганизация, управление, инновации, качество» (Новокузнецк, январь, 2002г.); Региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, апрель, 2002г.); IV Международной научно-практической конференции «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии» (Санкт-Петербург, май, 2002г.); II Международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (Москва, декабрь, 2002г.); Международной конференции «Технологии и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых видов огнеупорных изделий в металлургической промышленности» (Москва, февраль, 2004г.).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах в центральных журналах и сборниках, из них 6 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 23 таблицы, список литературы из 108 наименований.

Выводы

1. Экспериментальным путем установлено, что:

• Наибольшее отрицательное влияние на качество алюминия оказывают футеровки на основе кварцевого песка и ВКВС, которое сопровождается максимальным переходом кремния в расплав (koSi=0,572214 кг/(м2-ч0'5)), что объясняется высоким содержанием SiC>2 (более 80%) в данной футеровке.

• В наибольшей степени сохранению высокого качества алюминия способствуют высокоглиноземистые футеровки на связке Н3РО4, что позволяет поддерживать химический состав металла на исходном уровне.

• Добавка BaSC>4 в состав на шамотном заполнителе и ВКВС в количестве 5% фактически исключает прометалливание и

QJ восстановление в расплав железа и титана, а ко снижает с 0,56 до 0,013 кг/(м2-ч0'3), т.е . в 42 раза. Аналогичное действие добавка оказывает на составы на основе магнезитового заполнителя. При 1% BaS04 глубина прометалливания снизилась с 3,57 до 0,79 мм, а 3 и 10 % исключили его полностью.

• Пропитка футеровки электролитом оказывает защитное действие и способствует сохранению качества первичного алюминия. Для масс на шамотном заполнителе глубина прометалливания снижается до 1,43 мм, т.е. в 3 раза, a koSl снизилась с 0,56 до 0,0013 кг/(м2-ч0'5), т.е. в 420 раз.

2. Выявлен и изучен механизм разрушения футеровок ковшей алюминиевого производства. Предложены четыре типа химического взаимодействия огнеупорных футеровок с расплавом алюминия.

3. Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель стационарной тепловой работы многослойных плоских, цилиндрических и сферических футеровок ковшей и миксеров алюминиевого производства, позволяющая исследовать температурные поля в слоях при изменяющихся: температуре расплава, величине прометаллившегося слоя, температуре окружающей среды, толщине рабочего слоя (механический износ). Разработана и реализована на ЭВМ математическая модель нестационарной тепловой работы футеровок ковшей, позволяющая моделировать температурные поля при предплавочном разогреве ковша, приеме расплава, выдержке и охлаждении после разливки, прогнозировать температуру расплава в разные промежутки времени после заливки.

4. Разработаны и рекомендованы к внедрению на ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод» составы монолитных футеровок и защитных обмазок 2 тонных вакуумных и разливочных ковшей.

5. Разработана и рекомендована к внедрению в производство технология изготовления монолитных и комбинированных футеровок разливочных ковшей с использованием лома шамотных огнеупоров и применением тиксотропного связующего — водной керамической вяжущей суспензии, определены режимные параметры предплавочной тепловой подготовки футеровки. Предложенная технология является ресурсосберегающей и безотходной, ее применение позволяет получить положительный эколого-экономический эффект.

1. Макаров Г.С. Рафинирование алюминиевых сплавов газами. М.: Металлургия, 1983.- 120с.

2. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах / В.И. Добаткин, Р.М. Габидулин, Б.А. Колачев, Г.С. Макаров М.: Металлургия, 1976. -264 с.

3. Металловедение алюминия и его сплавов: Справ.изд Беляев А.И., Бочвар О.С., Буйнов Н.Н. и др. М.: Металлургия, 1983. - 280с.

4. ГОСТ 11069-2001. «Алюминий первичный. Марки».

5. Гохштейн М.Б., Морозов Я.И. Рафинирование первичного алюминия от оксидных включений и газов. М.: Металлургия, 1979. 78с.

6. Воронцова Л.А., Маслов В.В., Пешков И.Б. Алюминий и алюминиевые сплавы в электротехнических изделиях. М.: Энергия, 1971. 224с.

7. Беляев А.П., Гохштейн М.Б., Мараев С.Е. Рафинирование и литье первичного алюминия. М.: Металлургия, 1966. - 76с.

8. Ларионов Г.В. Вторичный алюминий. М.: Металлургия, 1967. - 271 с.

9. Ветюков М.М., Цыплакова А.М., Школьников С.Н. Электрометаллургия алюминия и магния. М.: Металлургия, 1987. - 320 с.

10. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов/ А.В. Курдюмов, С.В. Инкин, B.C. Чулков, Н.И. Графас М.: Металлургия, 1980. -196 с.

11. П.Дегтярь В.А., Федотов В.М. Ковшовая обработка электролитического алюминия // Известия вузов. Черная металлургия. 2000. - №2. - С.35-36.

12. Альтман М.Б. Вакуумирование алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1977.- 120 с.

13. Рафинирование алюминиевых сплавов в вакууме. М.Б. Альтман, Е.Б. Глотов, Р.М. Рябинина, Т.И. Смирнова М.: Металлургия, 1970. -160 с.

14. Кухаренко А.В., Астахов Ю.В. Плодотворное сотрудничество по улучшению качества металлопродукции// Цветные металлы. 2002. -№11. - С.40-42.

15. Сенин В.Н., Костюков А А., Лозовой Ю.Д. Очистка алюминия от ванадия и титана борсодержащими соединениями в электролизерах // Цветные металлы. 1969. - №6. - С. 45-49.

16. Певзнер И.З., Макаров Н.А. Обескремнивание алюминатных растворов. -М.: Металлургия, 1974. 113 с.

17. Металлические примеси в алюминиевых сплавах / А.В. Курдюмов, С.В. Инкин, B.C. Чулков, Г.Г. Шадрин М.: Металлургия, 1988. - 143 с.

18. Мальков М.А., Дмитриев И.Г. Огнеупоры для алюминиевого производства.// Огнеупоры и техническая керамика. 2000. №6. - С. 3541.

19. Куликов Б.П. Выливка алюминия-сырца вакуум-транспортным ковшом с закрытым переливом металла// Технико-экономический вестник «Русского Алюминия». 2002. №1. - С. 46-49.

20. Пихутин И.А., Захаров А.Н. Опыт применения огнеупорных бетонов для изготовления футеровки вакуумных и разливочных ковшей // Технико-экономический вестник «Русского Алюминия». 2001. №1. - С. 24-27.

21. Шкляр М.С. Печи вторичной цветной металлургии. — М: Металлургия, 1987.-217с.

22. Футеровка отражательных печей и миксеров для плавки и выдержки алюминиевых сплавов. Е.Е. Гришенков, В.М. Баранчиков, Г.А. Копытов и др. // Цветные металлы. 1977. № 6. - С. 76-78.

23. Служба огнеупоров: Справ, изд. / JI.M. Аксельрод и др.; Под ред. И.Д. Кащеева, Е.Е. Гришенкова. М.: Интермет Инжиниринг, 2002. - 656 с.

24. Служба шамотных изделий в печах для плавки алюминия. А.К. Карклит, С.В. Кондакова, Г.Г. Мельникова, З.И. Тверьянович // Огнеупоры и техническая керамика. 1998. №5. - С. 35-37.

25. Огнеупорное производство. Справочник, Т.2 М.: Металлургия, 1965. -583 с.

26. Огнеупоры. Технология строительства и ремонта печей. Пер. с японск. М.: Металлургия, 1980. 384 с.

27. Андреев А.Д., Гогин В.Б., Макаров Г.С. Высокопроизводительная плавка алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1980. — 136с.

28. Кокот Б. Современные огнеупорные материалы и концепции их применения в агрегатах по производству алюминия // Цветные металлы. 1997.-№2.-С. 44-48.

29. Пихутин И А., Фролов В.Ф., Юрков АЛ. Внедрение технологии изготовления футеровки печей ИАТ-6 из новых футеровочных материалов (полусухие набивные массы) // Технико-экономический вестник «Русского Алюминия». 2001. №1. - С. 16-19.

30. Мир огнеупоров. Справочник. Выпуск 1. М.: ООО «Меттекс», 2002. — 417с.

31. Шульц И.А., Седмалис УЛ., Даукнис В.И. и др. Защитное покрытие по керамике. А.с. 1323549. Кл. С04В, 28/34. 1986.

32. Спрыгин А.И., Хорошавин Л.Б. Магнезиальные бетонные блоки для агрегатов цветной металлургии // Огнеупоры. 1985. №5. — С. 47-49.

33. Хлыстов А.И., Коренькова С.Ф., Шеина Т.В. Жаростойкий безусадочный бетон для футеровки печей // Литейное производство. 1990. №8. — С. 2223.

34. Сасса B.C. Футеровка индукционных плавильных печей и миксеров — М: Энергоатомиздат, 1983.- 120с.

35. Алюминиевая промышленность России: Состояние технологии, экологии, экономики, подготовки инженерных кадров/ Г.В. Галевский, МЛ.

36. Применение факельного торкретирования для восстановления и захцить1 футеровок агрегатов алюминиевого производства/ А.П. Богданов, С.Н. Калужский, А.Г. Скрипник и др. // Огнеупоры. 1987. №9. - С. 52-55.

37. Хорошавин Л.Б. Диалектика огнеупоров. Екатеринбург: Изд-во Екатеринбургская Ассоциация Малого Бизнеса, 1999, - 359 с.

38. Никулин В.М. Вторичное использование огнеупоров. Металлургиздат. 1962. 95 с.

39. Ромашкин В.В. Рационально использовать местные ресурсы вторичных огнеупоров.// Огнеупоры. -1981. №5. - С.9-13.

40. Гоберрис С., Пундене И., Вала Т. Некоторые особенности пористости низкоцементных бетонов на шамотных заполнителях.// Огнеупоры и техническая керамика. 1999. - №7. - С. 17 - 20.

41. Каторгин Г.М., Гаенко Н.С. Перспективы использования вторичных огнеупорных ресурсов // Огнеупоры. 1986. №11. - С. 57-60.

42. Определение экономической эффективности использования вторичных огнеупорных ресурсов / Г.М. Каторгин, Ю.В. Аксененко, Г.А. Гилыитейн и др. Огнеупоры. 1986. №10. - С. 50-54.

43. Черепанов К.А., Масловская З.А., Колесников А.А. О возможности замены вяжущих в кислотостойких покрытиях.// Изв. Вузов. Черная металлургия. 1995. - №4. - С.66-68.

44. Огнеупорные бетоны. С.Р. Замятин, А.К. Пургин, Л.Б. Хорошавин ** ДР-М.: Металлургия. 1982. -192 с.

45. Черепанов К.А., Масловская З.А., Кулагин Н.М. Технология изготовления керамобетона // Изв. вузов. Черная металлургия. — 19^5. -№8. С.75-76.

46. Черепанов К.А., Черепанова В.К. Керамические неформованные материалы из отходов металлургической промышленности на основе тиксотропных сырьевых смесей // Изв. вузов. Черная металлургия. — 2003. №2. - С.65-66.

47. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. М.: Металлургия. 1990. - 262 с.

48. Пивинский Ю.Е., Трубицын М.А. Огнеупорные бетоны нового поколения. Низкоцементные бетоны, наливные вибрационные тиксотропные огнеупорные массы. // Огнеупоры. 1990. - №7. - С. 1-10.

49. Пивинский Ю.Е., Трубицын М.А. Огнеупорные бетоны нового поколения. Общие характеристики вяжущих систем. // Огнеупоры. -1990. №12. - С.1-8.

50. Пивинский Ю.Е., Белоусова В.Ю. Исследование компонентов вяжущей (матричной) системы новых огнеупорных бетонов. Часть 1. Составы и общая характеристика вяжущих систем. // Огнеупоры и техническая керамика. 1999. - №12. - С.25-29.

51. Неформованные огнеупоры: Справочное издание: В 2-х томах. Т.1. Книга 1. Общие вопросы технологии/ Ю.Е. Пивинский. М.: Теплоэнергетик, 2003.-448с.

52. Пивинский Ю.Е., Трубицын М.А. Огнеупорные бетоны нового поколения. Бесцементные бетоны. // Огнеупоры. 1990. - №8. — С.6-16.

53. Хорошавин Л.Б., Перепелицын В.А. Связки нового поколения.// Огнеупоры и техническая керамика. — 2000. №9. — С.23-27.

54. Бакакин А.В., Хорошилов В.О., Кельманов В.Е. Математическое моделирование течения металла в сталеразливочном ковше при продувке инертным газом. // Огнеупоры. — 1981. №4. - С.52-56.

55. Сущенко А.В., Травинчев А.И., Безчерев А.С. Математическое моделирование процессов сушки и разогрева футеровки сталеразливочного ковша. // Известия вузов. Черная металлургия. 2002. -№5. - С.42-45.

56. Влияние режима первого разогрева на стойкость блоков динасового бетона в ячейках нагревательных колодцев. И.И. Шахов, В.Г. Петров-Денисов, Ю.В. Матвеев и др. // Огнеупоры. 1976. - №9. - С. 14-18.

57. Бакакин А.В., Хорошилов В.О., Гальперин Г.С. Математическая модель тепловых процессов в ковше для прогноза температуры стали при внепечной обработке. Сообщение 1.// Известия вузов. Черная металлургия. —1981. -№4.-С.143-147.

58. Математическое моделирование тепловой работы сталеразливочного ковша. Сообщение 1.3. Д. Хонг, В.А. Кривандин, Р.Б. Гутнов и др. // Известия вузов. Черная металлургия. 1980. - №9. - С. 149-153.

59. Математическое моделирование тепловой работы сталеразливочного ковша. Сообщение 2. З.Д. Хонг, В.А. Кривандин, Р.Б. Гутнов и др. // Известия вузов. Черная металлургия. — 1980. №11. - С.137-140.

60. Математическое моделирование теплового состояния алюминиевого электролизера. Е.Н. Панов, В.В. Пингин, А.В. Демидович, А.Я. Карвацкий// Цветные металлы. 1996. - №9. - С. 70-74.

61. Тепловые процессы в электролизерах и миксерах алюминиевого производства. Е.Н. Панов, Г.Н. Васильченко, С.В. Даниленко и др. — М.:Изд.дом «Руда и металлы», 1998. 256с.

62. Обжиг и пуск алюминиевых электролизеров. Б.С. Громов, Е.Н. Панов, М.Ф. Боженко и др. М.:Изд.дом «Руда и металлы», 2001. — 336с.

63. Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов. — М.: Металлургия, 1988.-288с.

64. Siljan O.J. et al.: Refractories for Molten Aluminium Contact Part II: Influence of pore size on aluminium penetration, /UNITECR' Ol.Cancun, Mexico, Vol.1, P. 551-571.

65. Richter Т., Vezza Т., Allaire C., Afshar S.I. Cashable with Improved Corrosion Resistance against Aluminium, /41. International Colloquium on Refractories, Achen, Germany, 1998, P. 86-90.

66. Gabis V., Exner I. Improvement of High Alumina Cashable Resistance to Corrosion by Aluminium Alloys, UNITECR' 99, Berlin, Germany, P. 380383.

67. Прошкин A.B. Основные направления работы по усовершенствованию цокольных устройств электролизеров // Технико-экономический вестник «Русского Алюминия». 2003. №2. - С. 9-14.

68. Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. М.: Металлургия, 1985. - 480с.

69. Андронов В.Н., Чекин Б.В., Нестеренко С.В. Жидкие металлы и шлаки. Справ.изд. — М.: Металлургия, 1977. 128с.

70. Гува А .Я. Краткий теплофизический справочник. — Новосибирск: «Сибвузиздат», 2002. — 300с.

71. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. — М.: Металлургия, 1994.- 440с.

72. Лавренко В.А., Гогоци Ю.Г. Коррозия конструкционной керамики. М.: Металлургия, 1989.- 199с.

73. Васильев В.А. Физико-химические основы литейного производства. М.: Изд-во МГТУ, 1994. - 320 с.

74. Федорук P.M., Питак Н.В., Савина Л.К. Сопротивление карбидкремниевых огнеупоров воздействию расплава алюминия и паров хлористого алюминия// Огнеупоры. 1995. №12. - С. 2-5.

75. Пикуза П.П. Панасюк А.Д., Нешпор И.П. Контактное взаимодействие материалов на основе нитрида кремния и сиалонов с алюминием, кремнием и никелем // Огнеупоры. 1985. №4. - С. 20-24.

76. Материалы на основе высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий (ВКВС). Прессование огнеупоров с применением ВКВС на основе боксита/ Ю.Е. Пивинский, Д.А. Добродон, И.В. Галенко и др. // Огнеупоры и техническая керамика. 1997. №3. - С. 19-23.

77. Материалы на основе высококонцентрированных керамических вяжущих суспензий (ВКВС). Оценка способов формирования бокситовых керамобетонов/ Ю.Е. Пивинский, Д.А. Добродон, Е.В. Рожков и др. // Огнеупоры и техническая керамика. 1997. №5. - С. 11-14.

78. Производство и служба высокоглиноземистых керамобетонов. Набивные массы на основе модифицированных ВКВС боксита/ Е.М. Гришпун, Ю.Е. Пивинский, Е.В. Рожков и др. // Огнеупоры и техническая керамика. 2000. №3. - С. 37-41.

79. Пивинский Ю.Е., Добродон Д.А. Получение и свойства вяжущих высокоглиноземистых суспензий. ВКВС на основе боксита // Огнеупоры и техническая керамика. 2000. №6. - С. 21-26.

80. Вайнберг А.М. Индукционные плавильные печи М.: Энергия, 1967. — 416с.

81. Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургии. — М.: Металлургия, 1970. 704с.

82. Патент № 2144552 России, МКИ 7 С 09 J 1/02, Способ получения силикатного клея связки / К.А. Черепанов, В.А. Полубояров, Е.П. Ушакова и др. - № 98106273/04;3аявл. 08.04.98; Опубл. 20.01.2000, Б.И. №2.

83. Копейкин В.А., Клементьева B.C., Красный Б.Л. Огнеупорные растворы на фосфатных связующих. М.: Металлургия, 1986. 102 с.

84. Измерения в промышленности. Справочник, пер. с нем. под ред. П. Профоса. -М.: Металлургия, 1980. 648 с.

85. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. Пер. с англ. — М.: Мир, 1981.-520 с.

86. Боровиков В.П., Боровиков И.П. STATISTICA Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. - М.: Информационно-издательский дом «Филинъ», 1998. - 608с.

87. S. Lecointe, М. Sehnabel, P. Menner New monolithic matrix for modern aluminium furnace lining and new allow generation. UNITECR' 01. Cancun, 2001.

88. S. Afsher, C. Alleire Furnaces: Improving low-cement castables by nonwetting additives. / JOM. August, 2001, P. 24-27.

89. Самарский А А., Михайлов А.П. Математическое моделирование: Идеи. Методы. Примеры. 2-е изд., - М.: Физматлит, 2001. - 320с.

90. Прусаков Г.М. Математические модели и методы в расчетах на ЭВМ. — М.: Физматлит, 1993. 144с.

91. Прикладные задачи металлургической теплофизики / В.И. Тимошпольский, Н.М. Беляев, А.А. Рядно и др. Мн.: Навука i тэхшка, 1991.-320 с.

92. Стариков B.C., Темлянцев М.В., Стариков В.В. Огнеупоры и футеровки в ковшевой металлургии. М.: МИСИС, 2003. - 328с.

93. Литовский ЕЛ., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. Справочное изд. М.: Металлургия, 1982. — 152с.

94. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. — М.: Изд-во МГУ, 1999. 798с.

95. Самойлович Ю.А. Микрокомпьютер в решении задач кристаллизации слитка. М.: Металлургия, 1988. - 182с.

96. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е. М.: Энергия, 1977. 344 с.

97. Телегин А.С., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. Тепломассоперенос.- М.: Металлургия, 1995. 400с.

98. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение: Пер. с англ. — Изд. второе, стереотип. М.: Мир, 2001. — 575с.

99. Якушев В.К. Процессы разрушения футеровок тепловых агрегатов. -Алма-Ата: Наука, 1987. -208с.

100. Экспериментальное определение предельно допустимых температурных градиентов в огнеупорных материалах при их нагреве/ Н.Б. Герцык, А.А. Малютин, В.В. Стрекотин, и др.// Огнеупоры. 1990. №12. С.23-27.

101. Стариков B.C., Темлянцев М.В. Исследование разрушения футеровки металлургических ковшей.// Известия вузов. Черная металлургия. — 2002. -№6. С.28-30.

102. Кузнецов А.Т., Магель Р.К., Сибикин А.Б. Температура, тепловой поток и кинетика развития корки металла на поверхности огнеупора// Огнеупоры. 1987. №5. - С. 35-39.

103. Денисов Д.Е., Максимов М.В. Огнеупорные бетоны с пониженным содержанием цемента для плавильно-литейных агрегатов алюминиевого производства // Цветные металлы. 2004. №2. - С. 96-99.

104. Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982. - 390с.

105. Электроплавка алюмосиликатов. М.И. Гасик, Б.И. Емлин, Н.С. Климкович, С.И. Хитрик- М.: Металлургия, 1971. 304с.

106. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСИС, 2002. - 376с.к:1. РУСАЛ1. УТВЕРЖДАЮ:миниевый завод» Пинаев А.Ф. 2003г.о возможности промышленного внедрения результатов научно-исследовательской работы

107. Дня повышения стойкости и увеличения межремонтного периода службы футеровки вакуум-ковшей емкостью 2т разработан состав защитной обмазки:

108. Заполнитель молотый бой кирпичей ША бывших в употреблении (фракция < Змм) - 55-60% (по массе);

109. Заполнитель молотый бой кирпичей МЛС-62 бывших в употреблении (фракция < 0,25 мм) - 5-10%;

110. Пластификатор огнеупорная глина -10%;

111. Связка водная керамическая вяжущая суспензия (ВКВС) - 25% Промышленные испытания обмазок показали, что их использованиене приводит к снижению качества алюминия, способствует лучшему удалению настылей и увеличению срока службы футеровки.

112. Результаты научно-исследовательской работы приняты к внедрению в практику изготовления футеровок вакуум-ковшей.1. СОГЛАСОВАНО:

113. Менеджер дирекции по литью

114. ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод»1. Кухаренко А.В.7й //v/,m РУСЛЛк!1. УТВЕРЖДАЮ:шниевый завод» . Пинаев А.Ф. 2003г.о возможности промышленного внедрения результатов научно-исследовательской работы

115. Для повышения стойкости и увеличения межремонтного период; службы футеровки открытых разливочных ковшей емкостью 2т разработав состав защитной обмазки:

116. Заполнитель молотый бой кирпичей ША бывших в употреблении (фракция < Змм) - 65% (по массе);

117. Пластификатор огнеупорная глина - 10%;

118. Связка водная керамическая вяжущая суспензия (ВКВС) - 25% Промышленные испытания обмазок показали, что их использованиене приводит к снижению качества алюминия.

119. Предлагается провести дополнительные испытания защитной обмазки изготавливая футеровку открытого разливочного ковша полностью из новой смеси.1. СОГЛАСОВАНО:

120. Менеджер дирекции по литью

121. ОАО «Новокузнецкий алюминиевый завод»1. Кухаренко А.В.

122. Оценка снижения затрат на материалы при изготовлении предлагаемых монолитных футеровок разливочных ковшей емкостью 2т на основе рециклинга лома шамотных огнеупоров

123. Стоимость шамотного заполнителя принимаем 750 руб./т или 0,75 руб./кг (для изготовленного на предприятии).1. Стоимость связки:

124. Ризг = т• W • Сэл /рсв • VCB = 12 • 1,5.0,3/1221,0. 0,023 = 0,19руб/кг,где т время изготовления 1 партии связки, ч.; W - мощность мельницы, кВт; Сэл - стоимость 1 кВт-ч, руб.; рС8 - плотность связки, кг/м ; VCB- вместимость мельницы, м3.

125. Стоимость дистиллированной воды:

126. Шщ = М • гш /100 = 250,5 • 80/100 = 200,43кг ,где гш = 80 доля шамотного заполнителя в футеровке, %. mCB = М • гсв /100 = 250,5 • 20/100 = 50,11кг , где гсв = 20 - доля связки в футеровке, %. Шасб = 46 кг согласно техническому чертежу.

127. Снижение затрат на материалы для изготовления футеровки одного ковша составляет:

128. A3 = 3j 32 = 1263,2 - 676,37 = 586,83 руб. В процентах:

129. Д3,% = ili. юо = .Ю0 = 46,46% 3, 1263,2

130. Листинг исходного текста программы на языке Turbo Pascal 7.0 для моделирования тепловой работы футеровки ковшей и миксеров встационарных условиях

131. PROGRAM KV (INPUT,OUTPUT); LABEL 1,2,3,4;

132. VAR H,L,M,I,N,J,K,KF,RA:INTEGER; AK,SRS,SRSN,TW,SR,SR1 ,RSL,TSN,TSN1 ,q,C,Mn,Ni,Cu,Mo,V,Cr,Si,S,P,Al, TL,TC,Z,D,DV,TSR,DTT:REAL;

133. TDN,RS,TSS,TSU,TEP,DD,DS,A,B,TR,TDSR:ARRAY1.16. OF REAL; DTK,DTN:ARRAY[0. 16] OF REAL; DT,TDS,TRR,AR,BR,DR:ARRAY[ 1. 16] OF REAL; dataout:text; BEGINassign(dataout,'data.out'); rewrite(dataout); \УЫТЕ('Введите число физических слоев Н-); READLN(H);

134. WRITE(,Bвeдитe число подслоев на которые разделен физический слой L- );1. READLN(L);1. M:=H*L;

135. УМТЕ('Внутренний диаметр или ширина ковша с футеровкой, м DV—); READLN(DV);

136. УШТЕ('Температура окружающей среды, ОС TSR=r);1. READLN(TSR);

137. WRITE('TeMnepaTypa перегрева расплава, ОС DTT-);1. READLN(DTT);1. FORI:=l ТОН DO1. BEGIN

138. WRITELN(,Cлoй N',1:1); WRITEC^nmHa слоя, м DR','Г,'.='); READLN(DR1.); WRITE(,Koэффициeнт A[',T,']-); READLN(AR[I]); WRITE(,Koэффициeнт B[','I',']='); Ъ READLN(BR[I]);

139. WRITE(,Дoпycтимaя рабочая температура слоя, ОС TRR=r);1. READLN(TRR1.);1. END;

140. WRITECPACILJIAB 1-СТАЛЬ, 2-АЛЮМИНИЙ, RA-);1. READLN(RA);1. RA=2 THEN1. BEGIN1. TL:=660.1;1. TC:=TL;1. Al:=99.95;1. GOTO 2;1. END;

141. WRITELN('BBEJ1HTE ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТАВ СТАЛИ, %');

142. УМТЕ(*Углерод, С='); READLN(C);

143. WRITE('MapraHeu, Mn='); READLN(Mn);

144. WRITE('KpeMHHA, Si='); READLN(Si);

145. WRITE('XpoM, Сг=0; READLN(Cr);

146. УМТЕ('Никель, Ni='); READLN(Ni);

147. WRITECMe^, Cu=l); READLN(Cu);

148. WRITE('Алюминий, Al='); READLN(Al);

149. WRITE(,Moлибдeн, Mo='); READLN(Mo);

150. У1иТЕ('Ванадий, V='); READLN(V);

151. WRITE('Cepa, S='); READLN(S);

152. WRITE(,Фocфop, P=r); READLN(P);1. WRITELNO;

153. WRITELN(dataout,'TeMnepaTypa ликвидуса,ОС TL-,TL:6:1); WRITELN(dataout,'TeMnepaTypa солидуса, ОС TC=',TC:6:1); TW:=TL+DTT;

154. WRITELN(dataout,'TeMnepaTypa расплава, ОС TW=',TW:6:1); WRITELN(dataout,Температура перегрева расплава, ОС DTT-,DTT:5:1); WRITELN(dataout, 'ФОРМА КЛАДКИ KF 1-ПЛОСКАЯ, 2-ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ, 3-ШАРОВАЯ');

155. WRITE('<DOPMA КЛАДКИ 1-ПЛОСКАЯ, 2-ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ, 3-ШАРОВАЯ -);READLN(KF); J:=l;

156. FOR I:=l TO H DO BEGIN k:=l; repeat

157. DSJ.:=DR1./L; A[J]:=AR[I]; B[J]:=BR[I]; TR[J]:=TRR[I];1. J:=J+1;1. K:=K+1;until K>=L+1;1. END;1. D:=0;1. DD1.:=DV;1. FOR I:=2 TO M+l DO1. BEGIN1. D:=2*DSI-1.+D;1. DD1.:=D+DV;1. END;

158. FOR I:=l TO M DO TSS1.:=(M+1-I)*TW/(M+1); TSN:=3*TSR;1: SRS:=0;1. FOR I:=l TO M DO BEGIN

159. TEP1. :=AI.+B [I] *TS S [I]/100000; IF KF=1 THEN RS[I]:=DS[I]/TEP[I];

160. KF=2 THEN RS 1. :=DD M+ 1 ./(2 * ТЕР [I]) * LN(DD [1+1 ]/DD [I]); IF KF=3 THEN RS[I]:=DD[M+1]*DD[M+1]/(2*TEP[I])*(1/DD[I]-1/DD[I+1]); SRS:=SRS+RS[I]; END;

161. AK:=4.8*EXP(0.25*LN(TSN-TSR));1. SRSN:=1/AK;1. SR:=SRS+SRSN;q:=(TW-TSR)/SR;1. TSN1 :=TW-q*SRS;1. SR1:=0;1. FOR I:=l TO M DO BEGIN

162. TSU1.:=TW-q*(SRl+0.5*RSI.); SR1:=SR1+RS[I];

163. DT1. :=(ABS(TSSI.-TSU[I])* 10/TSU[I])-0.1; END;

164. DTM+1.:=(ABS(TSN-TSN1)* 10/TSN1)-0.1;1. FOR I:=l TO M+l DO1. BEGIN1.(DT1.>0)THEN GOTO 4; END; GOTO 3; 4: TSN:=TSN1; FOR I:=l TO M DO BEGIN

165. TSS1.:=TSUI.; END; GOTO 1; 3: RSL:=0; FOR I:=l TO M DO BEGIN

166. RSL:=RSL+RS1.; TDS I. :=TW-q* RSL; END;

167. DTN 1 . :=TR[ 1 ]-T W; DTK[ 1 ] :=100* DTN[ 1 ]/TR[ 1 ]; FOR I:=2 TO M DO BEGIN

168. DTN1. :=TRI.-TDS [I-1 ]; DTK[I] :=100 * DTN[I]/TR[I]; END;1. TDSR1.:=TW;

169. FOR I:=l TO M+l DO TDSRI+1.:=TDS1.; WRITELN(dataout,' KF=\KF:1);

170. WRITELN(dataout, 'Результаты расчетов по теплопередаче');

171. WRITELN(dataout, 'Плотность теплового потока (с 1м2 кожуха ковша) Вт/м2, q=',q:7:l);

172. WRITELN(dataout, Температура окружающей среды ОС, TSR-,TSR:4:1); WRITELN(dataout, 'Коэффициент теплообмена конвенцией Вт/(м2*К), АК=',АК:5:2); WRITELN(dataout, 'Суммарное внутреннее тепловое сопротивление м2*К/Вт, SR=',SR:6:4);

173. WRITELN(dataout, 1:2,' ',DD1./2:5:3,' ',(DDI.-DV)/2:5:3,' ',TDSR[I]:6:1,' ' ,TSS[I]:6:1,' ',TR[I]:6:1,' ',DTN[I]:5:1,' ',DTK[I]:4:1); WRITELN(dataout,");

174. FOR I:—1 TO H DO WRITELN(dataout,'DRM,'.=',DR1.:5:3; AR[',I,']=',AR[I]:7:3, •BR[',I,'KBR[I]:7:3);

175. WRITELN(dataout, 'H=',H:2,' L=',L:2,' M=',M:2); flush(dataout); close(dataout); END.146