автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение износоустойчивости футеровки агрегатов ковшовой обработки стали

На правах рукописи

Метелкин Анатолий Алексеевич

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОУСТОЙЧИВОСТИ ФУТЕРОВКИ АГРЕГАТОВ КОВШОВОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ

/

05.16.02 — Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005554244

Екатеринбург — 2014

005554244

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шешуков Олег Юрьевич.

Официальные оппоненты: Рощин Василий Ефимович,

доктор технических наук, профессор кафедры пирометаллургических процессов ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ);

Перепелицын Владимир Алексеевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник ОАО «Восточный институт огнеупоров»

Ведущая организация ФГАОУ ВПО «Национальный

исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва.

Защита состоится 23 сентября 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.111.01, ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» и на сайте http://w\v\v.rnagtu.ruyinformacziva-o-zashhishhennoi-i-predstavlennoi-k-zashhite-dissertaczii-na-soiskanie-uchenoi-stepeni'-kandidata-riauk-na-soi'skanie-uchenoi-stepeni-doktora-nauk-2014/item/3680.html.

Автореферат разослан « <AS~» июня 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Селиванов Валентин Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В настоящее время доля затрат на огнеупоры для агрегатов ковшовой обработки стали может достигать 1,5% себестоимости металла даже без учета затрат на ремонты и потери при простоях выведенных на ремонт агрегатов. Поэтому повышение стойкости футеровки, определяющей межремонтный ресурс агрегатов - одна из важнейших научно-технических задач.

Снижение удельных затрат за счет уменьшения стоимости огнеупорных изделий признано нецелесообразным, поскольку предопределяет потребление огнеупоров пониженного качества и снижение надежности работы агрегатов. Практика показала необходимость более сложного, комплексного подхода к проблеме стойкости огнеупоров - оптимизации условий их эксплуатации и рациональных конструктивных решений. В то же время, некоторые пути решения данной проблемы встречают определенные трудности. Использование дифференцированной футеровки на агрегатах внепечной обработки стали осложняет задачу оптимизации технологического режима, поскольку ковшевой шлак взаимодействует с разными типами огнеупоров по ходу обработки и разливки стали. Например, на ОАО «ЕВРАЗ НТМК» рабочая футеровка сталеразливочного ковша выполняется дифференцированно: шлаковый пояс из периклазоуглеродистых изделий, стены и днище - из шпинельных алюмопериклазоуглеродистых. Футеровка вакуум - камер выполняется из шпинельных периклазохромитовых изделий.

Шлак оказывает как негативное воздействие на футеровку, так и позитивное — через возможность образования, при определенных условиях, защитного гарни-сажа. Задача усложняется еще больше, с учетом основной технологической функции шлака — рафинирования металла и соответствующими требованиями к составу и его свойствам.

С другой стороны эффективность мероприятий по улучшению условий эксплуатации огнеупоров на практике ограничена чисто техническими факторами. Зачастую в футеровке имеются зоны повышенного износа, интенсифицированного, например, перепадами температур или особо высокими скоростями движения расплавов; причем именно эти зоны определяют стойкость всей конструкции в целом. Без применения конструктивных решений, выравнивающих износ огнеупоров по всей футеровке агрегата, корректировка шлакового режима будет малоэффективной, поскольку она в меньшей степени затронет зоны интенсивного износа.

Таким образом, необходимо проведение комплексных исследований по рациональному дизайну футеровок агрегатов ковшовой обработки и оптимизации состава и свойств ковшевых шлаков.

Цель работы — разработка комплекса мероприятий, направленного на повышение ресурса футеровки агрегатов ковшовой обработки стали, на основе

улучшения дизайна футеровки, подбора рациональных структуры и свойств огнеупорных изделий, подбора рационального состава рафинировочного шлака.

В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являлись:

определение основных факторов, влияющих на износ футеровки агрегатов ковшовой обработки;

уточнение фактических температурных условий эксплуатации огнеупоров;

разработка дизайна футеровки, направленного на повышение стойкости и надежности работы агрегатов ковшовой обработки стали;

петрографические исследования периклазохромитовых изделий, оценка влияния структуры огнеупоров на их удельный износ, подбор рациональных параметров огнеупорных изделий, применяемых в вакуум-камере;

исследования влияния состава шлака на износ футеровки сталеразли-вочного ковша (стальковша) и вакуум-камеры;

выбор рациональных параметров шлака, наводимого на АКП, который обладает хорошими рафинирующими свойствами, является малоагрессивным к футеровке и формирует защитный гарнисаж;

разработка предложений по составу и промышленные испытания новых шлакообразующих материалов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применен комплекс методов, включающий расчёты характеристик шлаков по полимерной теории строения шлаков, термодинамическое моделирование реакций в системе «шлак-огнеупор» с помощью специальных компьютерных программ, петрографические исследования огнеупорных изделий на границе перехода «огнеупор-шлак», средства вычислительной техники и методы математической статистики.

Достоверность полученных результатов подтверждается практическим внедрением предложенных огнеупоров с рациональной структурой для агрегатов ковшовой обработки стали и шлакообразующих материалов, разработанных с учетом новых сведений о процессе, публикацией результатов в печати и их апробацией на научно-технических конференциях и научных форумах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Комплекс технологий и технических решений, гарантированно обеспечивающий повышение ресурса футеровок агрегатов ковшовой обработки стали при сохранении качества металла:

применение огнеупоров нового поколения; усовершенствованный дизайн футеровки; рациональный шлаковый режим плавки.

2. Эффективное сочетание химико-минерального состава и прямо связанной микроструктуры изделий, обуславливающее высокую износоустойчивость новых огнеупоров магнезиально-шпинелидного состава.

3. На основании оценки интенсивности механического, термического и коррозионного износа усовершенствован дизайн футеровки путем создания дифференцированной конструкции каждого элемента металлургического агрегата.

4. Организация рационального шлакового режима — главный резерв повышения стойкости футеровки и качества стали, включающий корректировку насыщения шлака по оксиду магния, введение глиноземистого материала (до содержания в шлаке не более 27% А12Оз) и формирование шпинельного гарнисажа на рабочей поверхности огнеупоров.

Научная новизна работы

Подтверждена зависимость удельного износа рабочей футеровки сталеплавильных агрегатов от состава шлака. Показано, что агрессивность шлаков по отношению к футеровке снижается при достижении насыщения шлака по содержанию М§0. Установлены границы насыщения гомогенной составляющей шлака оксидом магния в зависимости от содержания в шлаке СаО, 8Ю2 и А12Оз. Впервые показана возможность снижения предела насыщения гомогенной составляющей шлака оксидом магния путем повышения содержания А1203 в шлаке.

Предложена схема регулирования шлакового режима в зависимости от вида огнеупорных изделий, применяемых в футеровке агрегатов ковшевой обработки стали (АКОС): повышая концентрацию М§0 и А1203 в шлаке, возможно снизить его агрессивность к периклазоуглеродистым (М§0-С) и шпинельным (М§О А12Оз) огнеупорам, а также обеспечить формирование гарнисажа содержащего шпинель на огнеупорах, состоящих не только из 1у^0А1203, но из М§0 Сг203. При этом рафинирующие свойства ковшевых шлаков не ухудшаются и использование АКП и вакууматора реализуются полнее.

Впервые исследован температурный режим системы «металл-шлак-футеровка» по ходу обработки стали на АКП. На основании исследований температурного режима показана возможность формирования рационального состава шлака с применением глиноземсодержащих добавок, насыщенного по содержанию М§0 при температуре до 1600°С.

Проведена оценка влияния структуры периклазохромитовых изделий на стойкость и удельный износ футеровки АКОС. Показано, что наибольшая стойкость футеровки достигается с применением изделий, для производства которых используется плавленый синтетический периклазохромит с размером кристаллов более 2 мм и равномерным распределением зерен хромшпинелида, упрочненных тонкодисперсной фракцией плавленого периклазохромита.

Практическая значимость работы. Определены рациональные составы шлаков, наводимых на АКП, обладающих низкой агрессивностью к футеровке

сталеплавильных агрегатов и обеспечивающие достаточные рафинирующие свойства в условиях участка ковшовой обработки стали конвертерного цеха ОАО «ЕВРАЗ НТМК». Предложены шлакообразующие добавки, применение которых позволило: улучшить рафинирующие свойства шлака по показателю десульфура-ции на 20%; повысить стойкость футеровки и время эксплуатации металлургических агрегатов на участке ковшевой обработки стали - циркуляционных вакуума-торов на 39,4%, сталеразливочных ковшей на 8%.

Разработаны и внедрены технологические решения по дизайну футеровки, применены огнеупорные изделия с рациональными параметрами, что позволило уменьшить количество аварийных выводов вакуум - камер из работы, повысить время их эксплуатации на 20-30% и упростить процесс выплавки транспортного металла в конвертерном цехе. Экономический эффект от внедрения данных мероприятий составил 64,8 млн. руб. в год или 14,4 руб./т стали.

Апробация работы . Основные положения работы докладывались и обсуждались на 70-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2012 г.), 71-й межрегиональной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск, 2013 г.), научно-практической конференции с международным участием и элементами школы для молодых ученых «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием фундаментальных исследований и НИОКР» (Екатеринбург, 2013 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Основной текст занимает 156 страниц, включает 55 рисунков, 41 таблиц и 153 источника.

Автор выражает признательность специалистам ОАО «ЕВРАЗ НТМК» за помощь при выполнении диссертационной работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана оценка состояния решаемой проблемы, обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и задачи исследований.

В первой главе проведён обзор литературных данных о современных схемах футеровок стальковшей и вакуум-камер.

Надежность эксплуатации агрегатов ковшовой обработки стали - обязательное условие нормальной работы цеха - в большей степени зависит от стойкости огнеупорной футеровки. Футеровка стальковшей и вакуум-камер находится в жестких условиях эксплуатации, которые определяются технологией производства стали, ее сортаментом и коэффициентом использования агрегатов.

Исходя из условий эксплуатации агрегатов применяют различные типы огнеупорных изделий. Футеровка стальковшей состоит из нескольких зон: шлаковый пояс, стена, днище. В зоне шлакового пояса применяются огнеупоры на основе плавленого или спеченного периклаза. Стойкость шлакового пояса по разным источникам составляет 42-52 плавки. Футеровку стен в зоне расплавленного металла выполняют из неформованных огнеупорных бетонов (стойкость 550760 плавок) или формованных огнеупорных изделий на основе N/^0 или 1^0А1203 (стойкость 80-300 плавок).

Показано, что повышение стойкости футеровки сталеразливочных ковшей связано с применением новых видов огнеупорных материалов: добавкой огнеупорной шпинели 1У^0А1203 как в неформованные, так и в формованные огнеупорные материалы; применением изделий формата высотой 100 мм.

Технологические факторы, такие как влияние состава шлака на износ футеровки, в общепринятом мнении заключаются в том, что для уменьшения химического воздействия шлака на футеровку он должен находиться в области насыщения М§0. Оптимальное содержание М§0 в шлаке, полученное во время промышленных испытаний соответствует значениям 8-10%.

Насыщение зависит от содержания основных компонентов шлака СаО, 8'Ю2, А1203. Поэтому полученные значения насыщения М§0 в шлаке при его содержании 8-10% не являются надежными.

Футеровка вакуум-камеры изнашивается неравномерно. Стойкость футеровки газохода составляет более 3000 плавок, верхней части вакуум-камеры - более 1500 плавок, средней части - 800-1500 плавок, нижней части - 50-300 плавок. В рабочей футеровке патрубков используют огнеупоры высокого качества с прямой связью между периклазом и хромитом.

В направлении повышения стойкости футеровки вакуум-камер проведено много исследований, направленных на изучение и подбор оптимального состава огнеупоров. В качестве замены периклазохромитовых огнеупоров предложено применение периклазоуглеродистых (М§0-С) и периклазоиттриевых (М§0-У20з) огнеупорных изделий. Однако по стойкости они уступают традиционным.

Известны исследования по изучению влияния состава шлака на стойкость периклазохромитовых огнеупоров применяемых в циркуляционных вакуумато-рах. Показано, что повышение содержания А^Оз в шлаке благоприятно отражается на стойкости футеровки вакуум-камер. Однако не уточнено, до каких пределов целесообразно вводить А120з- Также не выявлено влияния износа футеровки при различных содержаниях и соотношениях других ведущих оксидов. Полученные сведения имеют приблизительный характер, их использование в практических целях требует уточнения, а также учета рафинирующих свойств шлака и его взаимодействия с разными видами огнеупоров.

Из обзора литературных источников следует, что для дальнейшего повышения стойкости футеровки агрегатов на участке ковшовой обработки стали, и как следствие снижения удельных затрат на производство стали, необходимо комплексно подходить к решению данной задачи, т.е. учитывать не только конструктивные и физико-химические факторы огнеупорных изделий, а также технологические факторы выплавки стали, которые играют важную роль при износе футеровки.

Во второй главе представлен ряд мероприятий направленных на повышение стойкости и надежности работы одного из агрегатов ковшовой обработки стали — циркуляционного вакууматора. Стойкость рабочей футеровки наиболее изнашиваемого участка составляет от 50 до 100 плавок.

Нестабильная работа футеровки данного агрегата снижает эффективность рационального наведения шлака, поэтому автором совместно с сотрудниками (ККЦ) ОАО «ЕВРАЗ НТМК» было проведено несколько мероприятий, направленных на повышение стойкости и надежности работы футеровки вакуум-камеры:

1. Изменение геометрии патрубков вакуум-камеры - увеличение толщины внутренней футеровки патрубков со 150 до 180 мм, что позволило повысить срок эксплуатации огнеупора и, следовательно, количество вакуумированных плавок.

2. Увеличено количество сопел с 10 до] 2. Взаимно противоположное расположение форсунок снижает динамическое воздействие струи аргона на внутреннюю футеровку впускного патрубка.

3. При интенсивной обработке металла происходит разрушение верхнего кольца (в районе перемычки) с последующим его вымыванием и прекращением эксплуатации вакуум - камеры. Данный тип износа футеровки составлял около 15% преждевременного вывода вакууматора на ремонт. Для исключения данного типа износа, было введено усиление в футеровку в районе перемычки (рис. 1).

4. Патрубки находятся в наиболее жестких условиях эксплуатации. В результате происходит смещение огнеупорных колец, из которых выполнена внутренняя футеровка и раскрытие горизонтальных швов. Для снижения раскрытия швов предложена новая конструкция патрубков вакууматора. Особенность новой схемы футеровки

1— зона интенсивного износа; 2 — усиление в районе перемычки; 3 - новая «Г» образная форма

огнеупорного кольца Рисунок 1 — Схема футеровки нижней части вакуум - камеры

заключается в том, что нижние огнеупорные кольца в патрубках вакууматора «Г» образной формы (рис. 1).

После внедрения данных мероприятий увеличилось время эксплуатации вакуум- камер на 10-15% и упростился процесс выплавки транспортного металла в конвертерном цехе ОАО «ЕВРАЗ НТМК».

Определены факторы, влияющие на износ внутренней рабочей футеровки погружных патрубков. Удельный износ (У, мм/плавку) описывается уравнением (1) с коэффициентом корреляции 0,67:

У = -0,035 + 0,0641 • X, + 0,0133 • Х2, (1)

где, X, - среднее время вакуумирования. мин.;

Х2 - процент плавок с остаточным давлением < 0,3 кПа в вакуум — камере во время вакуумирования металла, %.

Уравнение (1) отражает влияние условий эксплуатации на удельный износ, но не включает оценку качества изделий. В связи с этим, совместно с кафедрой «Химическая технология керамики и огнеупоров» УрФУ и ОАО «Комбинат «Магнезит», было проведено комплексное исследование вещественного состава и микроструктуры образцов периклазохромитовых изделий.

Наибольшая стойкость достигнута на изделиях, в которых используется плавленый периклазохромит с большим размером кристаллов, равномерным распределением хромшпинелида и дополнительно упрочненными добавкой тонкой фракции плавленого периклазохромита. Высоко обожженные изделия с прямой связью между периклазом и хромитом, имея меньший размер кристаллов спеченного периклаза, показывают меньшую стойкость. Ещё более низкую стойкость показывают изделия, где недостаточный контакт между зёрнами хромита и периклаза, и структура огнеупора неоднородна.

Установлено, что изделия, имеющие прочность при сжатии не менее 70 Н/мм2, кажущуюся пористость не более 13% и содержание оксида кремния не более 0,6%, в условиях эксплуатации циркуляционных вакууматоров показывают максимальную стойкость. Показатель предела прочности при сжатии показывает способность периклазохромитовых изделий к сопротивлению эрозионному износу, а также структурному растрескиванию, которое возникает при пропитке огнеупора шлаком с последующим образованием новых фаз: твердых растворов или химических соединений. Открытая пористость влияет на глубину проникновения внешних расплавов. Снижая данный показатель можно влиять на глубину пропитки изделий. Таким образом, изделия с высокой механической прочностью и низкой открытой пористостью позволяют снизить негативное влияние шлака на огнеупоры (пропитка и растрескивание) и одновременно обеспечить более полную реализацию его защитных свойств - через формирование гарнисажа. Подбирая оптимальный состав шлака, можно добиться, чтобы защитные свойства осаждающегося гарнисажа были максимальными без потери рафинирующих свойств.

Применение огнеупорных изделий с рациональными параметрами на циркуляционных вакууматорах ОАО «ЕВРАЗ НТМК» позволило увеличить время их эксплуатации на 10-15%.

В настоящее время на основании данных исследований огнеупорные изделия с оптимальными физико-химическими свойствами применяются в футеровках циркуляционных вакууматоров на ведущих предприятиях России: ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и ОАО «ММК». что подтверждено актами и заключениями по использованию и внедрению в производство.

В третьей главе проведён анализ влияния состава шлака на износ футеровки сталеплавильных агрегатов на участке ковшовой обработки стали (КОС).

Первоначальной задачей было определение влияния основных компонентов шлака на износ футеровки сталеразливочных ковшей. Сравнительный анализ износа футеровки и состава шлака, используемого для обработки металла, показал, что при различном содержании М§0 в шлаке изменяется и скорость износа огне-

Содержание MgO в шлаке, %

Рисунок 2 — Зависимость износа футеровки стальковша от общего содержания

MgO в шлаке

Из данных, представленных на рисунке 2 видно, что минимальный износ наблюдался в сталеразливочных ковшах, в которых содержание MgO в шлаке находилось в интервале от 7,5 до 9,0 %. При этом из расчетных данных установлено, что содержание оксида магния, при котором происходит насыщение шлака в условиях участка КОС конвертерного цеха ОАО «ЕВРАЗ НТМК», составляет от 8,50 до 9,05%. Таким образом, минимальный износ наблюдался на тех агрегатах участка КОС, при выплавке сталей в которых использовались шлаки, насыщенные по содержанию MgO.

Таким образом, можно отметить, что для снижения агрессивного воздействия шлака на футеровку стальковшей необходимо увеличивать содержание в нем М§0 до предела насыщения, но не более, т.к. избыток перейдёт в твердую фазу с гетерогенизацией системы, что негативно отразится на рафинирующей способности шлака. По-видимому, именно с увеличением содержания в

шлаке более 9% система становится гетерогенной и как следствие гетерогенный шлак не образует на поверхности футеровки защитный гарнисаж.

Предел насыщения гомогенной составляющей по Гу^О находится в определенной области и имеет границы, которые зависят от содержания СаО, 8Ю2 и АЬОз в составе шлака.

Для успешного проведения рафинирующих процессов необходимо высокое содержание СаО в шлаке. Поэтому целесообразно рассмотреть изменения предела насыщения гомогенной составляющей шлака по М§0 в зависимости от различного содержания СаО. На рисунке 3 представлены границы насыщения шлака по ]У^О в зависимости от содержания оксидов СаО, 8Ю2, А1203 в следующих пределах: СаО от 40 до 55%, 8Ю2 от 14 до 32% и А12Оэ от 4 до 27%.

ё ё? о? ^ §

!-" V Ч Л И N N — — — — . — — О О О О О О О О О О О О О О О

Соотношение ЭЮг/ А1203

Рисунок 3 - Область рациональных содержаний СаО, А1203, 8Ю2 и М§0 в гомогенной фазе сталеплавильного шлака

Из данных, представленных на рисунке 3 видно, что при замене БЮ2 на А120з в гомогенной составляющей шлака, предел насыщения шлака по М§0 снижается и как следствие снижается агрессивность шлака к футеровке металлургических агрегатов. Поэтому рационально снижать вязкость шлака вводом в шлак глиноземсодержащих флюсов, а не снижением его основности.

Для проведения рафинирующих процессов, на АКП наводят жидкоподвиж-ный высокоосновный шлак. На рисунке 3 темным цветом выделена область с ра-

циональным содержанием оксидов СаО. А1203, 8Ю2 и М£0 в гомогенной фазе при содержании СаО более 50%. При наведении шлака необходимо стремиться попасть в данную область, т.к. это благоприятно отразится на рафинирующей способности шлака и снизит его агрессивное воздействие на футеровку.

Второй задачей было оценить свойства защитного гарнисажа, образующегося на футеровке сталеразливочных ковшей и вакуум-камер при сливе металла.

Возможность образования защитного покрытия зависит от свойств как самого гарнисажа, так и от свойств применяемых огнеупорных изделий. Кристаллизация отложений на подложке или, как в нашем случае, поверхности огнеупора будет определяться ориентационно-размерным соотношением. Вероятность отложения новой фазы увеличивается, если оба вещества кристаллизуются в одинаковой сингонии и имеют равные или кратные параметры решетки.

Наиболее износоустойчивыми минералами огнеупорных изделий, применяемых в футеровке сталеразливочного ковша и вакуум-камеры, являются шпинели 1У^0-А120з и М§0-Сг203, поэтому целесообразно рассмотреть возможность выделения из шлакового расплава шпинели М§0 А1203, которая осаждается на футеровке металлургических агрегатов и способствует созданию защитного гарнисажа, препятствующего интенсивной пропитке огнеупоров и снижающего время контакта огнеупоров с расплавами.

Для определения состава защитного гарнисажа было отобрано огнеупорное изделие от футеровки сталеразливочного ковша. Также был отобран шлак с последней плавки, перед постановкой сталеразливочного ковша на холодный ремонт (состав шлака, %: СаО -53,9; 8Ю2 - 21,4; А1203 - 15,6; N^0 - 6.4).

Далее был проведён рентгеноструктурный анализ в области перехода «шлак-огнеупорное изделие» методом послойного снятия с поверхности огнеупора, на которой происходило взаимодействие шлака и самого огнеупора. Результаты съёмки и расшифровки, а также количественная оценка присутствующих фаз представлены на рисунке 4.

Показано, что для образования защитного гарнисажа, содержащего шпинель, необходимо повышать содержание в шлаке до предела насыщения и А1203 более 15 %.

Третьей задачей было исследование температуры шлака в различных зонах сталеразливочного ковша на установке АКП. Необходимость изучения данного вопроса заключается в том, что при расчетах активностей компонентов шлака, которые зависят от температуры, принимается, что температура шлака равна температуре металла. Однако необходимо учитывать тот факт, что во время нагрева температура металла отличается от температуры шлака. Необходимо также принять во внимание, что необходимо учитывать температуру шлака, находящегося возле футеровки металлургического агрегата, которая вероятно будет отличаться от средней температуры шлака.

80

5 70 £

I60

| 50

£ зо

зг

I 20

е

10 о

Шлак= О 0,3 0.6 0,7 0,9 1.3 2,1 Основа

расстояние, мм огнеупора

1 - 12Са0'7А1203; 2 — Р-2СаО'8Ю2; 3 - М§0; 4 - М^0А1203: 5 - А1203;

6 — С (графит); более темным участком представлен защитный гарнисаж Рисунок 4 - Изменение фазового состава огнеупорной футеровки при удалении от рабочей поверхности огнеупора

На АКП были проведены замеры температур металла и шлака вблизи электродов и возле борта сталеразливочного ковша (на расстоянии 10 см). Пример температурного режима системы «металл-шлак-огнеупор» для группы высокоуглеродистых марок стали представлен на рисунке 5.

Основное время обработки металла на АКП составляет проведение рафинировочных процессов. Период повышенных температур (нагрев металла) составляет для различных марок сталей от 24 до 44%, поэтому рационально проводить расчеты по насыщению шлаков М^О до 1600°С. Для снижения агрессивности шлака к футеровке, необходимо иметь шлаки, насыщенные по 1У^О.

В период нагрева металла температура шлака повышается, и предел насыщения по М§0 возрастает. Для достижения нового предела насыщения по К^О можно добавлять магнийсодержащие материалы или снижать предел насыщения. Первый путь не рационален, т.к. после окончания нагрева температура шлака снижается и выравнивается с температурой металла и как следствие введенный Гу^О выделится виде твердой фазы, что приведет к повышению гетерогенизации шлака. Второй путь — это снижение предела насыщения шлака по М£0. Это достигается путем повышения содержания в шлаке А1203. Данный путь более целесообразен, т.к. глиноземсодержащий материал может применяться и в качестве разжижителя шлака, взамен традиционно используемой кремнеземсодержащей добавки ОКД (керамзит). Фактически, это единственный способ снижения агрессивности шлака в период его значительного перегрева.

Шлак Защитный гаршса* Тело огнеупора

.1 :; ■ 4 . / \

,2 ч

/ /

X \ ¡И

\ \ 5 \ / \

/ ' /:

,,3 .............«,

^^---—*----—___ ____у

д

Время, мин.

1 - температура шлака; 2 - температура шлака возле футеровки;

3 - температура металла Рисунок 5 — График температурного режима металла и шлака при обработке высокоуглеродистых марок сталей, повергающихся обработке на циркуляционном вакууматоре

Четвертой задачей был выбор материалов для наведения рафинирующего шлака. С целью проведения рафинировочных процессов на АКП наводят высокоосновные, жидкоподвижные шлаки. Для растворения СаО необходимо ввести добавки, которые снизят температуру шлаковой смеси, например СаГ2, керамзит или материалы, содержащие оксид алюминия.

Плавиковый шпат широко применяется в сталеплавильном производстве как эффективный разжижитель шлака. Однако применение плавикового шпата отрицательно влияет на экологическую обстановку на рабочей площадке участка КОС.

Поэтому для разжижения шлака, как было показано выше, наиболее рационально применять материалы на основе глинозема.

В четвёртой главе проведён анализ и представлены промышленные испытания различных глиноземсодержащих материалов, которые вводили на АКП взамен разжижающей добавки ОКД.

В качестве данных материалов были предложены следующие добавки:

- «РАНТАЛ 50 ГР» производства ООО «РАНТАЛ» (г. Санкт-Петербург); глиноземсодержащие брикеты производства ОООИ «РОИС» (г. Екатеринбург).

Химический состав материалов представлен в таблице 3.

Таблица 3 - Химический состав материалов «РАНТАЛ 50 ГР» и

глиноземсодержащих брикетов производства ОООИ «РОИС»

Материал Массовая доля. %

ТЮ-> А1мет АЬО, 5Ю, СаО МрО Ре2С), N320 КЮ хлориды ппп

Рантал 50 ГР 1,98 - 72,10 20.00 0,71 0,70 2.05 0.52 0.31 - 2.95

Брикеты - 3.20 55,70 6,04 1,91 12,60 2,74 4,30 3,70 8,10 11,90

Были рассчитаны варианты изменения состава шлака и его свойств при замене ОКД на глиноземсодержащую добавку «РАНТАЛ 50 ГР» и/или глиноземсо-держащие брикеты производства ОООИ «РОИС». Показано, что наиболее целесообразно полностью заменить ОКД на глиноземсодержащие материалы.

При полной замене разжижающей добавки ОКД на «РАНТАЛ 50 ГР» и/или глиноземсодержащие брикеты производства «РОИС» изменяются технологические свойства шлака:

коэффициент распределения серы увеличивается, при использовании на низко- и среднеуглеродистых марках стали на 21 и 23% соответственно; на высокоуглеродистых марках сталей - на 19 и 20% соответственно; шлаки всех марок сталей насыщены по М§0;

активность насыщения по М£0А1203 на низко- и среднеуглеродистых марках стали в шлаковом расплаве достигается при добавке глиноземсодержаще-го материала более 150 кг на плавку, что приводит к образованию защитного гар-нисажа, содержащего шпинель и, как следствие, к повышению стойкости футеровки агрегатов ковшовой обработки стали;

активность насыщения по М§0А1203 на высокоуглеродистых марках стали в шлаковом расплаве при различных добавках не достигается и, для образования защитного гарнисажа на футеровке металлургических агрегатов АКП необходимо дополнительно вводить А1203;

при использовании «РАНТАЛ 50 ГР» снижается вязкость шлаков, на низко- и среднеуглеродистых марках стали на 9,6%, на высокоуглеродистых марках стали на 8,1%;

при использовании глиноземсодержащих брикетов производства «РОИС» снижается вязкость шлаков, на низко- и среднеуглеродистых марках стали на 10, 2%, на высокоуглеродистых марках стали на 8,4%

Промышленные испытания «Рантал 50ГР» и глиноземсодержащих брикетов производства «РОИС» показали следующие результаты:

материалы обладают удовлетворительной разжижающей способностью; значения степени десульфурации стали при использовании материала «Рантал 50ГР» и плавикового шпата близки и составляют 25,7 и 27,4% соответственно; при использовании глиноземсодержащих брикетов производства «РОИС» степень десульфурации выше, чем на сравнительных (42,9% против 35,0%); прирост в стойкости футеровки стальковшей составил 8%;

средняя стойкость футеровки вакуум-камер повысилась на 39,4%, с 69,8 до 97,3 плавок.

Материал «Рантал 50ГР» и глиноземсодержащие брикеты производства «РОИС» могут быть использованы в качестве заменителя плавикового шпата на всем сортаменте сталей, выплавляемых в конвертерном цехе.

Таким образом, промышленные испытания подтвердили, что для разжижения шлака необходимо использовать материалы на основе А120з. Добавка глино-земсодержащих материалов приводит к повышению рафинирующих и защитных свойств шлака и снижает его агрессивность к футеровке агрегатов на участке КОС за счет уменьшения предела насыщения по М§0. Кроме того, интенсивность выделения защитной шпинели повысится, если с глиноземистыми шлакообра-зующими вводить оксид магния, в т.ч. до предела растворимости. С этой точки зрения использование материал фирмы «РОИС» более рационально.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведен анализ литературных источников по вопросам стойкости огнеупорной футеровки металлургических агрегатов. Показано, что для решения задачи повышения стойкости футеровки агрегатов ковшовой обработки стали необходим комплексный подход, направленный не только на повышение качества огнеупорных изделий и улучшение дизайна футеровки, но и на технологию наведения рафинировочного шлака, который с одной стороны подвергает химическому износу огнеупоры шлакового пояса, и в тоже время с другой стороны при определенных составах способен формировать защитный шлаковый гарнисаж на огнеупорах стен, своего рода расходуемую футеровку.

2. Проведены исследования структуры периклазохромитовых огнеупоров, предназначенных для циркуляционных вакууматоров. Подбирая рациональный состав шлака, можно добиться, чтобы защитные свойства осаждающегося гарни-сажа были максимальными без потери рафинирующих свойств.

Применение данных огнеупорных изделий в ККЦ ОАО «ЕВРАЗ НТМК» позволило увеличить время эксплуатации вакуум-камеры на 10-15%. В настоящее время огнеупорные изделия с рациональными физико-химическими свойствами применяются в футеровках циркуляционных вакууматоров на ведущих предприятиях России: ОАО «ЕВРАЗ НТМК» и ОАО «ММК», что подтверждено актами и заключениями о внедрении в производство.

3. Рассмотрены варианты дизайна футеровки вакуум-камеры. Предложены и внедрены технологические решения по изменению дизайна футеровки вакуум-камеры. Предложенные решения позволили уменьшить количество аварийных выводов вакуум-камер из работы, повысить время их эксплуатации на 10-15% и упростить процесс выплавки транспортного металла в конвертерном цехе ОАО «ЕВРАЗ НТМК, что подтверждено актами внедрения.

4. Проведены исследования по подбору рационального состава шлака, наводимого в стальковше при ковшовой обработке стали, обладающего низкой агрессивностью к футеровке и достаточными рафинирующими свойствами.

4.1. Подтверждено, что для снижения агрессивного воздействия шлака на футеровку стальковшей, необходимо увеличивать содержание в нем М§0 до предела насыщенности, но не более, т.к. избыток МдО перейдёт в твердую фазу, с ге-терогенизацией системы, что негативно отразится на рафинирующей способности шлака.

4.2. Определены границы насыщения шлака по в зависимости от содержания в шлаке оксидов в следующих пределах: СаО от 40 до 55%, ЙЮ2 от 14 до 32 % и А1203 от 4 до 27%. Повышение содержания А1203 в гомогенной составляющей шлака снижает предел насыщения шлака по N/^0, что благоприятно влияет на стойкость футеровки металлургических агрегатов на участке КОС.

4.3. Рассмотрены условия выделения шпинели 1У^0А1203 на поверхности огнеупоров в защитном гарнисаже. Показано, что для образования защитного гарнисажа, содержащего шпинель, необходимо повышать содержание в шлаке Гу^О до предела насыщения и А1203 более 15 %.

4.4. Проанализирован тепловой режим системы «металл-шлак-футеровка» на АКП. Впервые показано, что в различные периоды плавки на АКП, температура шлака в разных точках может отличаться от температуры металла. В период нагрева металла температура шлака вблизи электродов превышает температуру стали более 55°С. Температура шлака на расстоянии 10-15 см от футеровки меньше на 10°С средней температуры шлака.

5. На основании проведенных исследований подобраны и испытаны шла-кообразующие материалы на основе А1203, способные придать шлаку хорошие рафинирующие свойства за счет повышения степени десульфурации и высокой разжижающей способности.

5.1. Проведены промышленные испытания глиноземсодержащих материалов «Рантал 50 ГР» и глиноземсодержащих брикетов производства ОООИ «РОИС», при этом выявлено следующее:

степень десульфурации на опытных плавках выше, чем на сравнительных (42,9 % против 35,0 %);

повысилась стойкость футеровки вакуум-камер с 69,8 до 97,3 плавок (в среднем на 39,4 %);

стойкость стальковшей на опытной кампании составила 54,0 плавки, при средней стойкости футеровок данного типа 49,7 плавок (в среднем прирост в стойкости футеровки составил 8%).

5.2. На основании положительных результатов испытания глиноземсодержащих материалов принято решение установить норму расхода глиноземсодер-

жащего материала «Рантал 50 ГР» на АКП в количестве 1,8-2.0 кг/т стали (273304 кг/пл.) взамен ОКД.

6. При внедрении технологических мероприятий, огнеупорных изделий с рациональными физико-химическими показателями и применения глиноземсо-держащих материалов для разжижения шлака и придания ему рафинирующих свойств, стойкость футеровок стальковшей и вакуум-камер повысилась на 8 и 60% соответственно. Экономический эффект от внедрения данных мероприятий составил 64,8 млн. руб. в год или 14,4 руб/т стали. Таким образом, прирост количества научно-технических данных о процессе ковшевой обработки реализовался приростом ее технико-экономической эффективности.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Метелкин, А. А. Оценка влияния агрессивности технологических факторов на износ алюмопериклазоуглеродистых изделий, применяемых в футеровке сталеразливочного ковша [Текст] / А. А. Метелкин, О. Ю. Шешуков, В. В. Левчук, С. П. Малинин, И. В. Некрасов // Сталь. - 2013. -№5. С. 29 - 30.

2. Метелкин, А. А. Способы повышения стойкости футеровки циркуляционных вакууматоров в условиях «ЕВРАЗ НТМК» [Текст] / А. А. Метелкин, О. Ю. Шешуков, И. В. Некрасов, Э.А. Вислогузова, В.М. Кулик, В. В. Левчук // Сталь. -2013,-№9.-С. 49-52.

3. Метелкин, А. А. Технология ремонта и способы повышения стойкости футеровки вакуум — камеры [Текст] / А. А. Метелкин, Д. В. Корюков, В. Н. Сергеев // Новые огнеупоры. - 2006. - №3. - С. 10 - 11.

4. Шешуков, О. Ю. Исследование оптимального содержания оксида магния в шлаке с целью увеличения стойкости футеровки металлургических агрегатов на участке внепечной обработки стали КЦ ЕВРАЗ НТМК [Текст] / О. Ю. Шешуков, А. А. Метелкин, И. В. Некрасов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 71-й межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск: Издательство МГТУ: - 2013. - Т.1. С. 138-141.

5. Шешуков, О. Ю. Рациональное наведение шлака для повышения стойкости футеровки сталеразливочных ковшей в условиях конвертерного цеха ЕВРАЗ НТМК [Текст] / О. Ю Шешуков, В. В. Левчук, С. П. Малинин, А. А. Метелкин, И. В. Некрасов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегиональной научно-технической конференции. - Магнитогорск: Издательство МГТУ. - 2012. - Т.1. С. 186 - 189.

6. Метелки A.A. Стабилизация технологических свойств шлака внепечной обработки ОАО «ЕВРАЗ НТМК» [Текст] / A.A. Метелкин, О.Ю. Шешуков, И.В. Некрасов // Труды научно-практической конференции с международным участием и элементами школы молодых ученых «Перспективы развития металлургии и

машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР». Екатеринбург: ООО «УИПЦ», - 2013. - С. 168 - 173.

7. Метелкин, А. А. Способы повышения стойкости и надежности работы футеровки вакуум - камеры / XXXVII научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «НТМК». - 2005. - с. 214.

8. Кромм, В. В. Способы повышения стойкости футеровки вакуум - камеры [Текст] / В. В. Кромм, А. А. Метелкин // Технологии и оборудование для вне-печной обработки и непрерывной разливки стали: материалы междунар. конф — М.: Теплоэнергетик, 2006. - С. 219.

9. Шешуков, О. Ю. Увеличение времени эксплуатации и надежности работы вакуум - камер [Текст] / О. Ю. Шешуков, С. В. Виноградов, Э. А. Вислогузова, В. В. Левчук, А. С. Ткачев, А. А. Метелкин, И. В. Некрасов // Сталь. - 2012. - №1. -С. 20-21.

10. Вислогузова, Э. А. Исследование влияния технологических факторов вакуумирования и качества периклазохромитовых огнеупоров на их износоустойчивость в футеровке вакуум - камер [Текст] / Э. А. Вислогузова, А. А. Метелкин, Л. В. Зорхина, И. Г. Марясев, Д. А. Терешенко. Л. М. Михайловская // Новые огнеупоры. - 2006. - №9. - С. 35 - 38.

11. Вислогузова, Э. А. Прогнозирование стойкости рабочей футеровки вакуум — камеры. ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» [Текст] / Э. А. Вислогузова, А. А. Метелкин // Новые огнеупоры. — 2006. - № 4. - С. 64 - 65.

12. Метелкин, А. А. Исследование влияния технологических факторов вакуумирования и качества периклазохромитовых огнеупоров на их износоустойчивость в футеровке вакуум — камер [Текст] / А. А. Метелкин // Технологии и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых видов огнеупорных изделий в металлургической промышленности: материалы междунар. конф,-М.: Теплоэнергетик, 2006. - С. 121.