Огнеупорный аспект при производстве и разливке стали
  Доклад №4

Исследование влияния состава шлака на эффективность технологии нанесения гарнисажа в конвертере и глазури в сталеразливочных ковшах

???

Одной из наиболее эффективных и относительно «малозатратных» технологий по снижению скорости износа периклазоуглеродистых огнеупоров конвертеров и стальковшей, является нанесение защитного, шлакового гарнисажного покрытия на их поверхность. Для оценки эффективности магнезиальных модификаторов конвертерного и ковшевого шлаков разработана оригинальная, лабораторная методика и аппаратная база. В результате проведенных лабораторных и опытно-промышленных исследований создан продукт – магнезиальный брикетированный флюс-модификатор. Магнезиальный брикетированный флюс, в зависимости от химико-гранулометрического состава, позволяет изменять свойства конечных шлаков, для обеспечения формирования устойчивого шлакового гарнисажа на поверхности огнеупорной футеровки агрегатов.

Ключевые слова: конвертер, сталеразливочный ковш, футеровка, шлак, магнезиальный модификатор, гарнисаж, стойкость

В настоящее время в условиях развития мирового экономического кризиса, одной из наиболее важных стратегий развития технологии конвертерного производства стали является достижение высокой стойкости рабочей футеровки агрегатов, что соответствует минимизации удельных затрат на огнеупоры и исключает простои, связанные с ремонтами [1].

Последнее десятилетие характеризуется значительным повышением стойкости огнеупорной футеровки конвертеров и стальковшей за счет применения комбинированной гармонизированной схемы (рис.1), в которой учитываются особенности износа отдельных зон, в том числе подверженных повышенной эрозии.

При этом выбор оптимальной системы ухода за футеровкой в течение кампании формируется из соображений снижения удельных затрат (на 1 т стали) и технологических требований [2].

Химическому, эрозионному воздействию шлака подвергается практически вся внутренняя поверхность огнеупорной кладки конвертера в период интенсивного обезуглероживания и формирования газо-шлако-металлической эмульсии [3-5].

футеровка конвертера, футеровка стальковша

Рисунок 1 – Конструкция зональной кладки конвертера а) и стальковша б): 1 – горловина; 2 – сливная зона; 3 – леточный блок; 4 – гнездовой блок; 5 – цапфенная зона; 6 – загрузочная зона; 7 – днище и ванна; 8 – слой металла; 9 – продувочный узел; 10 – арматурный слой; 1’ – фиксирующий футеровку огнеупор; 2’ – арматурный слой; 3’– шлаковый пояс; 4’ – рабочая футеровка стен (кирпич); 5’– набивная масса; 6’ – выравнивающая кладка; 7’ – бойные блоки; 8’ – наливной слой стен и днища; 9’ – наливной бетон для ремонта футеровки

Одной из наиболее эффективных и относительно малозатратных технологий по снижению скорости износа огнеупорной кладки, является раздувка подготовленного конечного шлака азотом (рис. 2).

Для эффективной технологии раздувки шлак необходимо модифицировать специальными магнезиальными материалами повышающими его вязкость и придающими необходимые физические свойства. Ввод флюса осуществляется, как правило, до подачи азота и/или на первых секундах раздувки, единовременно либо порционно.

Вся операция раздува шлака азотом занимает не более 3-4 мин.

Образование гарнисажного слоя на поверхности огнеупорной футеровки конвертера происходит за счет затвердевания шлаковой суспензии, образующейся при модификации магнезиальными материалами конечного конвертерного шлака, оставленного после выпуска плавки, во время ее раздува струями азота высокого давления.

Гарнисажное покрытие, как правило «уплотняется» от цилиндрической части к нижнему конусу, т.е. защищены наиболее изнашиваемые зоны кладки – «слив», «завалка», «цапфы». Такая динамика наглядно продемонстрирована с помощью физического моделирования на модели конвертера (рис. 3).

раздувка шлака

Рисунок 2 – Схема раздувки шлака

набрызгивание гарнисажного покрытия

Рисунок 3 – Кинограмма динамики набрызгивания гарнисажного покрытия (физическое моделирование – сплав Вуда)

В качестве шлака, воздухом высокого давления раздувался сплав Вуда.

В реальных же условиях затвердевание (потеря подвижности) шлака и образование гарнисажа происходит, когда объемная доля кристаллизующихся в нем твердых фаз переходит через рубеж, необходимый для их перколяции, образуя твердый каркас в объеме шлакового расплава [6,7].

Для закрепления образующегося гарнисажного слоя обязательна адгезия шлаковой суспензии к поверхности огнеупора, эта адгезия определяется высокотемпературным углом смачивания шлаковым расплавом рабочей поверхности огнеупорной футеровки, и зависит от химического состава и температуры шлакового расплава, состава и состояния поверхности огнеупора. Адгезия шлака усиливается фильтрационным процессом на границе шлакового расплава и огнеупора, который определяется смачиванием шлаковым расплавом огнеупора, пористостью и размером пор в поверхностном слое огнеупора.

На рисунке 4 представлен образец огнеупорного кирпича, выполненный в форме уголка с пропитанной шлаком поверхностью (имитация второй стадии износа – инфильтрация).

Проникновение шлака в огнеупор

Рисунок 4 – Проникновение шлака в огнеупор – «инфильтрация»

Для разработки специальных магнезиальных, модифицирующих материалов и определения физических свойств готового гарнисажного покрытия использовалась оригинальная методика (рис. 5).

Методика определения краевого угла смачивания и степени адгезии шлака к огнеупорному материалу

Рисунок 5 – Методика определения краевого угла смачивания и степени адгезии шлака к огнеупорному материалу

Присадка модифицирующих добавок осуществлялась на жидкий конвертерный шлак разогретый до 1600 °С с последующей оценкой времени и характера растворения с предварительным и последующим замером вязкости расплава. Затем, на заранее подготовленный (обжиг, шлаковая пропитка) образец (уголок) нагретый до температуры футеровки агрегата (1400°) помещалась капля жидкого модифицированного шлака. После чего производился замер краевого угла смачивания, как критерия адгезии.

Уголок с «лежащей» каплей помещался в горизонтальную печь, где оценивался температурный интервал плавления гарнисажного покрытия. Для этого образец с каплей в положении «подложка» нагревался до «температуры плавки», а затем переворачивался на 90° в положение – «стенка» и визуально оценивалось поведение гарнисажа с параллельным повышением, температуры.

гарнисажное покрытие, подготовка гарнисажного покрытия

Рисунок 6 – Высокотемпературное моделирование подготовки гарнисажного покрытия

На рисунке 6 а), в качестве примера, показана низкая адгезия и неудовлетворительная термостойкость гарнисажа из немодифицированного шлака. На рисунке 6 б), в) представлен характер взаимодействия навески разработанного магнезиального модификатора марки БК-8 и высокая адгезионная способность и термостойкость гарнисажа, соответственно. Так, время растворения флюса составляет 31 сек., с интенсивным вспениванием (увеличением объема) шлака, а тугоплавкость «капли» – более 1680 °С.

Огнеупорная футеровка стальковша подвержена целому ряду «разрушающих» факторов, большинство из которых по своей природе аналогичны, конвертерным. Одним из методов защиты футеровки в данном случае является нанесение т.н. глазури, из подготовленного с помощью специальных магнезиальных добавок, на поверхность огнеупоров в ходе разливки стали на МНЛЗ за счет постоянного понижения уровня мениска металла и шлака.

Гарнисажное покрытие, формируемое на рабочем слое футеровки стальковша решает как минимум три задачи: частично блокирует доступ кислорода воздуха к огнеупору - замедляет процесс окисления углерода в период перемещения ковша по цеху без металла и во время его пребывания на стенде разогрева между плавками, замедляет процесс остывания футеровки и принимает на себя скачек температуры в момент заполнения ковша металлом [8]. Для оценки эффективности магнезиальных добавок для ковшевого шлака с целью нанесения защитной глазури на поверхность рабочей футеровки ковша разработана оригинальная методика, представленная на рисунке 7.

печь таммана, нанесение гарнисажа

Рисунок 7 – Схематичное представление установки и методики для моделирования нанесения гарнисажа на ковшевые огнеупоры: 1 – шлак; 2 – нагреватель; 3 – подставка; 4 – шток; 5 – огнеупорный образец; 6 – тигель; 7 – печь

Предварительно подготовленный образец огнеупора (100x10x10 мм) погружался в модифицированный шлак (10 мин, до равномерного прогрева) а затем извлекался с равномерной скоростью = 100 мм/мин (средняя скорость опорожнения ковша на разливке).

Качественная (визуальная) оценка толщины и равномерности нанесенной глазури служила критерием эффективности того или иного модификатора. По данной методике, в лабораторных условиях проверено 3 марки модификаторов на 7 марках огнеупоров от разных фирм производителей. Из них 2 марки (БК-4 и Р70) производства “GIR-International”.

Результаты лабораторных исследований представлены на рисунок 8.

огнеупоры стальковшей, формирование гарнисажа

Рисунок 8 – Формирование «глазури» на различных огнеупорах стальковшей в зависимости от физико-химических свойств шлака

Обожженные образцы №1, №2, №1-S, №2-S сначала подвергались нанесению чистого шлака.

Тот же самый шлак модифицировали разработанными магнезиальными флюсами и наносили на обожженные образцы. Из представленных на рисунке данных видно, что предварительно модифицированный шлак обеспечивает формирование значительно более плотной и равномерной глазури на поверхности огнеупора. Примечательно, что адгезия глазури модифицированного шлака к периклазоалюмоуглеродистому огнеупору выше, чем к периклазоуглеродистому. Основная концепция разработанного магнезиального модификатора «БК-4» – строго регламентируемый гранулометрический состав шихтовых компонентов наряду с химическим составом по основным компонентам (рис. 9 а).

Регламентированное соотношение труднорастворимых и легкорастворимых компонентов, приводит к образованию значительного количества тугоплавких ферритных фаз в подготавливаемом шлаке и формированию прочного «скелета» в остывшем гарнисажном покрытии за счет «нерастворенных» фракций – «зерен» (рис. 9 б).

брикетируемый модификатор

Рисунок 9 – Труднорастворимые фракции (2-6 мм) в брикетированном модификаторе а) и нерастворенные соответствующие «зерна» в остывшем шлаке (гарнисаже) б)

При этом,расход модификатора, необходимого для данного эффекта, колеблется в пределах 0,4-1,2 т/плавку, в зависимости от производственных условий. Это соответствует 1,2 – 5 кг/т стали или 0,3 – 1,2 $/т стали.

В период с 27.05.2012 г. по 22.10.2012 г. в конвертерном цехе ПАО «МК» Азовсталь» при эксплуатации 18-й кампании конвертера зафутерованного огнеупорами фирмы Пуянг, успешно отработана технология модифицирования шлака под раздувку и оптимизирован режим и расход присадки магнезиального модификатора произведенного по нашей запатентованной технологии в Китае (на основе китайских магнезитов).

Так на рисунке 10 а) показаны достаточно большие остаточные толщины огнеупорной футеровки конвертера после вывода его из эксплуатации и остаточный слой гарнисажа (до 10 мм) на демонтированных кирпичах (рис. 10 б), несмотря на операцию «размытия» конвертера перед остановкой.

тольщина футеровки конвертера

Рисунок 10 – Остаточные толщины огнеупорной футеровки конвертера а) и остаточный слой гарнисажа на демонтированных кирпичах б)

В условиях ПАО «АМК» испытана опытно-промышленная партия магнезиального модификатора марки БК-4 украинского производства поставки компании «Пуянг-Украина». Флюс изготовлен на базе отечественного сырья региона и в основном из вторичных материалов.

В период с 26.03.2013г по 31.03.2013г в условиях ККЦ ПАО «АМК» испытания проводились в условиях стабильной технологии выплавки стали по действующей нормативно-технической документации Алчевского металлургического комбината на конвертере №1 емкостью 300 тонн.

В этот период производилась отработка технологии, режима и объема присадок данного модификатора.

Качественная и количественная оценка гарнисажеобразования производилась на основании показателей лазерного сканера и визуально [9].

На рисунке 11 представлена графическая сканограмма состояния футеровки конвертера после использования опытной партии магнезиального флюса марки БК 4 в сравнении с предыдущей кампанией №7 по той же стойкости.

футеровка конвертера, толщина

Рисунок 11 – Сканограмма остаточных толщин огнеупорной футеровки конвертера (актуальная и сравнительная кампании)

Установлено, что при модификации шлака под раздувку азотом флюсом марки БК 4 на поверхности футеровки формировался равномерный износоустойчивый защитный шлаковый гарнисаж с «положительной динамикой его нарастания». Особого внимания заслуживает тот факт, что в случае проведения вынужденных операций додувки плавок гарнисаж не «смывался» т.е. огнеупорная кладка не оголялась. Это указывает на достаточно высокую термо-эрозионную и коррозионную стойкость гарнисажного слоя.

Общий фактический расход магнезиальных брикетов марки БК 4 за всю кампанию их испытания составил 2,3 кг/т стали.

Результаты испытания опытно-промышленной партии магнезиального модификатора конечного шлака «заактированы» по соответствующим нормам. В результате проведенных лабораторных и промышленных исследований создан продукт, позволяющий эффективно защищать футеровку конвертеров, на базе вторичного сырья, производимый в непосредственной близости от металлургических комбинатов.

Магнезиальный брикетированный флюс, позволяет изменять свойства конвертерного шлака для формирования устойчивого гарнисажа на футеровке конвертера. Гарнисаж создает на поверхности периклазоуглеродистого кирпича “вторичную футеровку”.

Магнезиальный брикетированный флюс, производится на базе предприятий в Донецкой области с удобными схемами логистики и оперативным планированием поставок. Так же флюс, позволяет использовать 100% образовывающегося на металлургических комбинатах огнеупорного лома отработанной футеровки плавильных и разливочных агрегатов.

Магнезиальный модификатор, является легкодоступным, ориентированным на недефицитное региональное сырье, учитывающим все производственные аспекты определенного предприятия, материалом.

Библиографический список

  • 1. 1. Смирнов А.Н. Перспективы развития рынка огнеупоров для сталеплавильного комплекса Украины // Металлургический компас. Украина – Мир, 2010. – №4. – C. 16-23
  • 2. Сердюков А.А., Тонкушин А.Ф., Смирнов А.Н. Современная футеровка для крупных кислородных конвертеров // Металлы и литье Украины, 2010. – №9-10. – С.4-7.
  • 3. Сунаяма X., Кавабара М., Кономото Т. Скорость коррозии периклазоуглеродистых изделий шлаком, содержащим FeO // Новости чёрной металлургии за рубежом, 1998, № 3, С. 120-121.
  • 4. Wohmeyer G., Elorrza-Ricard T., Joilly R. etс. The Impact of Syntehetic Slags on Steel Ladle Refractory Life // 51rd International Colloquium on Refractories, 2008, Aachen, Germany, 15-16 October, 2008, pp. 80-83.
  • 5. H. Jourbet: Proc. 6th Int. Conf. on Molten Salts, Fluxes and Slags, Royal Inst. of Tech., Stockholm, and Helsinki Univ. of Tech., Helsinki, 2000.
  • 6. Matti J. L., Timo M. J., Physical Model Study of Selective Slag Splashing in the BOF, ISIJ International, 2002, Vol. 42, No. 11, pp. 1219-1224
  • 7. Суворов С.А., Козлов В.В., Проектирование образования гарнисажа на поверхности футеровки конвертера и оптимизация расхода модификатора // Новые огнеупоры. – 2011. – №1. – С. 35-37.
  • 8. Ламм Р., Винтьенс П. Использование технологии 3-размерного лазерного сканирования в качестве технологического инструмента в конвертерном цехе // Труды 8 конгресса сталеплавильщиков, 2002, – С. 97-102.
  • 9. K. Beskow, N. N. Viswanathan, L. Jonsson and Du Sichen: Me-tall.Mater. Trans. B, 2001, 32B, 319-328.
  Доклад №4
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ