Непрерывная разливка сортовой заготовки
  Раздел 2.6

Огнеупоры для агрегатов «ковш-печь»

Одной из основных затратных статей при внепечной обработке стали в УКП является удельный расход огнеупоров, который существенным образом зависит от рационального выбора номенклатуры изделий, условий их эксплуатации и ремонта.

Оптимизация выбора огнеупорных материалов для сталеразливочного ковша в УКП является актуальной задачей, при решении которой необходимо учитывать не только общие принципы построения футеровки, но также принимать во внимание условия эксплуатации ковшей, как неотъемлемого элемента технологической цепочки всего сталеплавильного цеха. К числу главных факторов, которые необходимо учитывать при конструировании футеровки ковша, следует отнести: удельную стоимость огнеупоров и их гарантируемое качество (стойкость); способ изготовления и методы ремонта элементов футеровки (в том числе промежуточных); методы контроля износа элементов футеровки в ходе эксплуатации; степень влияния футеровки на качество стали (загрязненность неметаллическими включениями); вероятность быстрого аварийного разрушения футеровки в экстремальных условиях.

Учитывая стремление большинства сталеплавильщиков к максимальному снижению удельного расхода огнеупоров, следует считать, что одним из базовых принципов конструирования футеровки должен быть принцип обеспечения равной и высокой стойкости различных участков футеровки и универсальности отдельных заменяемых элементов [213, 214].

Обобщая известные данные по характеру износа футеровки и огнеупорных элементов сталеразливочных ковшей агрегатов «ковш-печь», выделим наиболее быстро и неравномерно изнашиваемые зоны: зона шлакового пояса и область, прилегающая к шлаковому поясу снизу; зона контакта футеровки с падающим из печи металлом (днище или нижняя часть стенки); зона контакта футеровки (стена) с быстро движущимися восходящими потоками (при донной продувке инертным газом); область днища, непосредственно прилегающая к продувочному узлу; продувочный узел и гнездовой блок. На практике скорость износа вышеперечисленных зон достаточно сильно различается между собой и в несколько раз превышает скорость износа остальных участков футеровки ковша [215-217].

В основу выбора элементов футеровки ковшей для УКП могут быть положены два альтернативных принципа (рисунок 2.5):

  • применение для футеровки ковша только (штучных) кирпичных изделий различной прочности и толщины;
  • использование в рабочем слое наливных тиксотропных масс, которые дают возможность осуществлять общий ремонт футеровки за счет ее многократной доливки.

Применение кирпичной футеровки рабочего слоя следует считать традиционной и наиболее рациональной схемой подготовки сталеразливочных ковшей к эксплуатации. Основным недостатком такой футеровки было принято считать ее недостаточную стойкость, которая обычно связывалась с локальным износом отдельных зон футеровки и необходимостью вывода из эксплуатации всего ковша.

Вместе с тем, достигнутые в последнее десятилетие показатели эксплуатационной стойкости огнеупоров на основе магнезита и доломита позволили значительно расширить возможности внепечной обработки в ковше как технологического приема повышения качества стали.

Схема футеровки сталеразливочного ковша штучными изделиями и наливными бетонами

Рисунок 2.5 – Схема футеровки сталеразливочного ковша штучными изделиями (слева) и наливными бетонами (справа): 1,2 – фиксирующий и теплоизолирующий слой; 3 – шлаковый пояс; 4 – стена; 5 – выравнивающая защита; 6 – выравнивающий слой; 7 – блоки, установленные в месте падения струи; 8,9 – начальный и ремонтный слой бетона

По существу, ведущие производители огнеупоров (а их насчитывается в мире более двух десятков) для сталеплавильной технологии располагают весьма широкими возможностями в части получения огнеупорных изделий с различными эксплуатационными параметрами, что позволяет реализовать принцип равностойкости различных зон ковша. Этот принцип достигается как за счет варьирования номенклатуры (химического состава и механических свойств) изделий, так и за счет разной толщины футеровки в зависимости от скорости износа. На практике это означает, что при выборе огнеупоров первоначально определяется (задается) стойкость наиболее изнашиваемых элементов, которая определяет эксплуатационные показатели работы ковша в целом. Как показали исследования, такими элементами являются шлаковый пояс и продувочный узел. В настоящее время представляется возможным и экономически целесообразным обеспечивать соотношение стойкости футеровки ковша к стойкости шлакового пояса либо 2:1, либо 1:1 [218, 219].

Аналогичным образом подбираются огнеупоры для днища ковша. При этом стойкость продувочного узла выбирается на уровне стойкости днища или шлакового пояса. Преимущество спроектированной таким образом кирпичной футеровки заключается в уменьшении затрат на промежуточные ремонты, снижении чувствительности футеровки к длительному пребыванию в ней металла, уменьшении затрат на огнеупоры за счет использования изделий отечественных производителей в местах, которые меньше подвержены износу, повышении качества стали и т.п.

Метод изготовления наливной футеровки на основе высокоглиноземистых тиксотропных и саморастекающихся масс получил широкое применение на мини-заводах в США, Западной Европе и Японии в последние два десятилетия [220]. На первый взгляд, основным преимуществом различных типов наливной футеровки принято считать высокую степень автоматизации процесса изготовления и последующей подготовки ковшей к эксплуатации, а также возможность периодического ремонта футеровки за счет ее подливки после каждых 40-70 плавок. Однако использование ковшей с наливной футеровкой требует оснащения участка их подготовки специальным оборудованием: смесителями для приготовления наливной массы с выдачей материала, шаблоном для формирования внутренней поверхности футеровки, виброустановками для уплотнения бетона, специальными сушильными агрегатами для длительной (в течение нескольких суток) термообработки футеровки по заданному режиму, специальным участком в цехе, в котором поддерживается положительная температура в зимнее время и пр.

Между тем, сравнительно быстрый цикл изготовления футеровки ковша (2-3 ч) не обеспечивает дальнейших преимуществ в силу того, что длительность периода «выдержка – сушка – разогрев» ковша составляет, по меньшей мере, двое суток. В этих условиях негативным фактором следует считать невозможность оперативного ввода ковша в эксплуатацию, так как персонал цеха должен планировать вывод его из работы за 3-4 суток, что при значительном износе футеровки представляется достаточно сложной производственной задачей. Наличие эксплуатационного резерва по футеровке у ковша, который запланирован к выводу из эксплуатации, приводит к ситуации, когда новый ковш продолжает стоять под разогревом (соответственно происходит потеря топлива), либо приходится выводить из эксплуатации старый ковш, который мог бы еще работать некоторое время (это повышает удельный расход огнеупоров). Эта проблема представляется достаточно актуальной, в условиях, когда в обороте одновременно находится ограниченное количество ковшей. С точки зрения технологии изготовления и эксплуатации наливная футеровка имеет ряд весьма существенных особенностей, которые необходимо учитывать при принятии решения об ее применении:

  • обязательная специальная центровка шаблона относительно стенок ковша, которая достаточно часто представляется крайне затруднительной и неэффективной из-за коробления (появления эллиптичности) металлического кожуха ковша в ходе эксплуатации;
  • необходимость равномерного прогрева всей поверхности футеровки во время ее сушки, что требует использования специальных горелок и программного обеспечения;
  • возможность растрескивания футеровки и нарушения ее сплошности на больших участках во время сушки и при первых наливах (вследствие внутренних напряжений и деформации ковша при транспортировке);
  • необходимость тщательной подготовки и ручной очистки футеровки от шлака и металла во время ее промежуточного ремонта и доливки новым слоем бетона; образование трещин в такой футеровке представляется еще более опасным с точки зрения высокой вероятности расслоения бетона.

В определенной степени влияние технологической разнотолщинности футеровки, ее растрескивания и повышенного локального износа удается уменьшить при рациональном выборе толщины футеровки. Лимитирующим звеном при оценке показателей работоспособности монолитной футеровки является ее минимально допустимая толщина, которая обычно принимается в пределах 70-80 мм, и минимально необходимая толщина подливаемого слоя, которая из технологических соображений не должна быть менее 60-70 мм. Соответственно, минимальная начальная толщина монолитной футеровки может колебаться в пределах 140-150 мм. Однако работа сталеразливочного ковша с минимальной начальной толщиной монолитной футеровки не может быть признана рациональным решением по следующим соображениям:

  • низкая конструкционная прочность ковша из-за недостаточной толщины слоя футеровки;
  • высокая вероятность образования сквозных трещин в футеровке вследствие низкой конструкционной прочности ковша (деформация при транспортировке со сталью);
  • высокая температурная нагрузка на весь монолитный слой при длительном нахождении в ковше жидкой стали;
  • повышенные требования к равномерности износа футеровки из-за малого интервала между допустимым износом футеровки и минимальной толщиной подливаемого слоя.

Увеличение толщины наливной футеровки также имеет свои ограничения, которые связаны, в первую очередь, с заданной вместимостью сталеразливочного ковша. Кроме того, утолщение слоя наливной футеровки предполагает увеличение срока ее эксплуатации, что ужесточает общие требования к однородности и прочности материала по всей поверхности ковша.

Другим крайне важным элементом футеровки сталеразливочного ковша для агрегатов «ковш-печь» является зона шлакового пояса. Известно, что износ огнеупоров в зоне шлакового пояса для таких ковшей является достаточно быстрым. Часто именно критический износ футеровки зоны шлакового пояса становится причиной вывода ковша из эксплуатации (рисунок 2.6). Повышенный износ огнеупоров в этой зоне обычно связывают с развитием следующих факторов: использование активного синтетического рафинирующего шлака с высоким содержанием извести и плавикового шпата; применение электродугового подогрева металла в ковше, что значительно повышает температуру шлака и его агрессивность по отношению к футеровке; длительное нахождение футеровки в условиях контакта со шлаком (нескольких часов) при каждом наливе; термоциклический характер работы шлакового пояса и пр.

На практике наибольшее распространение для зоны шлакового пояса получили периклазоуглеродистые изделия с содержанием MgO - 97%. Определенное влияние на стойкость шлакового пояса также оказывает требование проведения вакуумирования стали в ковше.

При рациональной эксплуатации ковша стойкость шлакового пояса может составить 50-70 плавок и более, а согласование стойкости стен ковша и шлакового пояса обычно достигается путем регламентирования марки кирпича и толщины футеровки шлакового пояса. При этом наиболее предпочтительными вариантами следует считать либо равную стойкость шлакового пояса и стен ковша (преимущественно для ковшей с кирпичной футеровкой стен), либо использование двух шлаковых поясов для одного цикла эксплуатации футеровки стен (предпочтительно при использовании монолитных бетонных футеровок).

Внешний вид шлакового пояса 120-т сталеразливочного ковша при механическом скалывании штучных изделий и при химической эрозии

Рисунок 2.6 – Внешний вид шлакового пояса 120-т сталеразливочного ковша при механическом скалывании штучных изделий (а) и при химической эрозии (б)

Функционально важным и аварийно опасным элементом футеровки ковша является его днище. Характерной особенностью эксплуатации футеровки днища сталеразливочного ковша является ее контакт с падающей при выпуске струей стали, которая интенсивно размывает футеровку в месте контакта. С другой стороны, футеровка днища ковша обязательно имеет определенные конструктивные ослабления, которые формируются в местах установки продувочных узлов и сталевыпускных стаканов. Таких отверстий в футеровке днища ковша может быть от 2 до 4 шт. При этом каждое отверстие оформляется специальным набором керамических изделий, которые имеют свою скорость износа и свои коэффициенты линейного расширения материала. В условиях различных температурных деформаций отдельных элементов футеровки днища это приводит к неравномерности распределения внутренних напряжений и повышает вероятность появления трещин и разрушений футеровки днища на всем протяжении периода эксплуатации (рисунок 2.7).

Поэтому в большинстве случаев стойкость футеровки днища как функционального элемента ковша оказывается значительно ниже, чем футеровки стен ковшей, даже в случае использования специальных утолщений из более прочных материалов. Достаточно часто стойкость днища ковша принимается равной стойкости футеровки шлакового пояса, что обеспечивает возможность их одновременного промежуточного ремонта.

При конструировании днища ковша и задавании его проектной эксплуатационной стойкости необходимо принимать во внимание стойкость продувочного узла. Безусловно, его стойкость должна быть эквивалентна стойкости днища. В настоящее время ведущими производителями разработаны высококачественные и высокоэффективные многощелевые продувочные блоки. В целях предотвращения проникновения стали толщина продувочных каналов регламентируется в определенных пределах – 0,10-0,15 мм. Как показывает опыт промышленной эксплуатации, щелевая продувочная пробка является наиболее эффективным техническим решением, которое соответствует условиям работы агрегатов «ковш-печь».

Характерный вид днища сталеразливочного ковша с двумя продувочными пробками после обработки 35 плавок

Рисунок 2.7 – Характерный вид днища сталеразливочного ковша с двумя продувочными пробками после обработки 35 плавок

На практике к продувочной пробке предъявляются следующие основные требования: гомогенизация металла (продувка с большим расходом газа) и его рафинирование (продувка с малым расходом); высокая стойкость к износу от тепловых ударов, и других факторов; сопротивление проникновению жидкой стали и шлака в поры; надежность в работе в начале продувки и безаварийность; легкость в обслуживании и подготовке к работе.

Продолжительность работы продувочных узлов зависит от различных факторов: длительности продувки, давления газа, условий эксплуатации, проникновения стали в каналы, наличия операции «промывки» пробки кислородом, качества огнеупорного материала и пр.

Расход газового потока обычно ограничен размером поперечного сечения пробки на горячей стороне. Для рационального распределения износа и во избежание формирования крупных пузырьков (образующихся близко друг к другу во время инжекции) целесообразно иметь большую величину поперечного сечения. Поэтому предпочтение отдается конусовидным форматам с диаметром горячей стороны на уровне 60-80 мм.

Обычно продувочные пробки имеют стальной кожух толщиной 0,8-1,0 мм. Большинство пробок изготавливается из высокоглиноземистых материалов с добавлением шпинели. Каналы формируются путем выпаривания или выгорания во время сушки проволоки, ленты или сетки, установленной в месте будущего местоположения каналов. Более сложное устройство имеет сегментная пробка, где есть формованные сегменты с канавками, которые залиты бетоном. Пробки в обязательном порядке должны быть оборудованы индикатором остаточной толщины, предупреждающим о невозможности дальнейшей эксплуатации пробки. Продувочные пробки размещаются на достаточно большом расстоянии от зоны падения струи металла. Рекомендуется устанавливать пробки на расстоянии от половины до двух третьих радиуса днища. Принято считать, что продувочные узлы лучше располагать примерно на одном радиусе с шиберным затвором, но на удалении в 90-120o от него. В целом более точную информацию об оптимальном расположении продувочных узлов удается получить при проведении изысканий на физической и математической моделях с последующим уточнением в промышленных условиях.

Кроме износа продувочного узла необходимо принимать во внимание возможность повышенного износа футеровки днища в области расположения пробки. Износ в этом месте следует связывать с турбулизацией потоков стали в области инжектирования газа, а также динамическими процессами, сопровождающими отрыв пузырьков газа от поверхности пробки. Традиционно это место принято усиливать посредством применения более прочных материалов (специальный огнеупорный кирпич и гнездовой блок).

Таким образом, при проведении комплексной внепечной обработки стали происходит значительный неравномерный износ отдельных частей футеровки сталеразливочного ковша. Для повышения эффективности службы футеровки ковша целесообразно гармонизировать работу наиболее изнашиваемых ее элементов, что обеспечит возможность организации локальных ремонтов. Применение наливных монолитных футеровок для стен и днища ковша имеет ряд специфических особенностей, которые связаны с характером их эрозионного износа и растрескивания рабочего слоя.

  Раздел 2.6
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ