Підвищення стійкості футеровки конверторів: вогнетриви, технологічні прийоми.
К.т.н. Аксельрод Л.М. Лаптєв О.П. Устинов В.А. Геращук Ю.Д. (Група Магнезит)
Виробництво конвертерної сталі і в Росії, і в Україні, як відомо, буде основним способом виробництва сталі в найближчі роки. Зниження питомих витрат на вогнетриви на тонну сталі і сьогодні, і в перспективі залишиться найважливішим завданням, що стоїть перед виробництвом.
Це комплексна, багатофакторна проблема, в рішення якої свою лепту вносять технологи - як Вогнетривники, так і металурги. Ті, хто розробляють технологію і виготовляють вогнетриви, розробляють проект футерування, виконують футеровочні роботи, експлуатують конвертер і забезпечують умови його безаварійної експлуатації, в тому числі забезпечують догляд за футеровкою.
У Групі Магнезит накопичено значний досвід у всіх згаданих компонентах, врахований досвід технічних фахівців металургійних підприємств.
Компанія поставляє для футерування конверторів повний комплект вогнетривів, що виготовляються на підприємствах Групи в Росії, а також в Китаї, Німеччині та Словаччині (табл.1).
Комплект вогнетривів для футеровки конвертерів і догляду за футеровкою в процесі її експлуатації включає:
- широкий асортимент періклазоуглеродістих виробів на основі плавленого периклаза різної якості;
- маси для стику приставного дна з нижнім конусом;
- вогнетриви для льотки, в тому числі льотки-моноблоки періклазоуглеродістого ж складу ізостатичного формування і, природно, гніздові вироби, мертели для збірки і маси для заліковування ділянок поблизу річки;
- торкрет-маси напівсухого торкретування;
- флюси різного складу для коригування складу шлаку в конвертері;
- поплавці (дротики) для відсічення шлаку.
У технопроцессе архіважливо і можливість точного дозування, і якість перемішування шихти, перевагу віддано високоростним змішувачів типу «Eirich», і формування виробів в заданому режимі, при певному питомому тиску на кожному ступені пресування, і можливість якісної термообробки виробів.
Використання сировини необхідної якості, передових технологічних прийомів дозволило забезпечити можливість виготовлення періклазоуглеродістих вогнетривів різних марок, орієнтованих на отримання необхідної стійкості футеровки в конкретних її зонах, істотно розрізняються особливостями служби [2].
Виходячи з відомих вимог експлуатації конверторів та досвіду, накопиченого в застосуванні вогнетривів, інжинірингом Групи Магнезит сформований підхід до проектування. Це і застосування робочої футеровки в один окат, диференціація періклазоуглеродістой футерування по зонах: верхній конус, завантаження, слива металу, повалочних кишень і зони цапф, і приставне дно, - що вирішило проблему швів і розподілу напружень в футеровці і т.д.
У дослідницькому центрі Групи проводиться оцінка якості розроблюваних і серійно виготовляються вогнетривких виробів по 10 параметрам, не кажучи про ретельному відстежуванні якості сировинних матеріалів.
Найважливішу роль відіграє геометрія конвертерних виробів, дотримання допусків, що ретельно контролюється, більше того, дно конвертера, при необхідності, проходить стендову збірку на вогнетривкому підприємстві до поставки споживачеві, це особливо важливо для футерування дна при використанні донної продувки (рис.2).
Як відомо, частота замін леткових блоків позначається і на стійкості конвертера, і на виконанні виробничої програми. Поряд зі збірними вічками з леткових блоків періклазоуглеродістого складу в комплекті може бути запропонована і монолетка - виріб періклазоуглеродістого складу гідростатичного формування довжиною до 1600 мм. Стійкість монолеткі до 200 плавок (дані по 350-375 тонним конвертерів).
Прийоми догляду за футеровкою конвертера і ефективність тих чи інших заходів багато в чому залежать від умов експлуатації конвертера, від завдань по стійкості, які поставлені виробництвом. Заходи по догляду за футеровкою можна розбити на дві основні групи:
I. Превентивні заходи по збереженню футерування в робочому стані:
1. Використання торкретування по всій поверхні футеровки масами низької стійкості з великою витратою вогнетривкого матеріалу, в тому числі смолоскипна торкретування (присутній в СНД на ряді підприємств, в Японії ж має широке поширення).
2. Оптимізація змісту MgO в шлаку з метою купірувати процес розчинення MgO-С футерування конвертера в шлаку.
3. Роздувши шлаку після зливу металу з конвертера (сьогодні успішно використовують ВАТ «НЛМК», ВАТ «ЗСМК», ВАТ «ММК», ВАТ «Северсталь» і т.д.). Операція привертає простотою виконання, час операції 3-4 хвилини, використовується киснева фурма (рідше спеціальна фурма), необхідно певний тиск азоту в системі і необхідно сформувати оптимальний склад шлаку для формування стійкого гарнісажу. Зазвичай роздувши виконується через 1-2 плавки.
II. Виконання гарячого ремонту окремих ділянок футеровки в міру її зносу:
1. Підварювання в зонах інтенсивного зносу, зазвичай в зоні завантаження брухту і з боку зливу. Підвариво у вигляді брикету висипають з упаковки на проблемне місце, вона «розтікається» під дією високої температури футеровки і заповнює ремонтується ділянка. Стійкість подварки при правильному проведенні даної операції доходить до 100 плавок.
2. Саморозтічних масами ремонтується зона льотки.
3. Напівсухе торкретування використовується для ремонту практично будь-яких зон, операція займає менше часу, ніж підварювання, відновлена торкретуванням футерування має нижчу стійкість - до 40 плавок, але дозволяє більш вибірково виконати ремонт (на ВАТ «Северсталь» для цих цілей застосовували смолоскипна торкретування) .
Сформована практика застосування брухту періклазоуглеродістих, періклазовий, доломітсодержащіх виробів в якості підварювального матеріалу, звичайно, дає позитивний ефект. Значно ефективнішим є застосування спеціально розроблених «саморозтічних» магнезіально-вуглецевих матеріалів. Це термоотверждающімі при впливі тепла футерування ремонтний матеріал, що володіє адгезійною міцністю, важливим показником є і мінімізація часу затвердіння після завантаження в конвертор.
Як відомо, хімічний склад конвертерного шлаку в різні фази конвертерного процесу різниться, вона й інтенсивність руйнування футеровки. Найбільш висока інтенсивність руйнування футеровки конвертера спостерігається в період формування шлаку з основностью СаО / SiO2 = 1,0-1,5 і високою окислення (до 30% FeO). Тому необхідно саме в перший період продувки формувати шлак, що має максимальну для даних температурних умов концентрацію MgO, ближчу до насичення (рис.3). З метою збільшення вмісту MgO в шлаку ефективне використання магнезіальних флюсів.
Дослідження кінетики процесу насичення шлаку оксидом магнію при моделюванні взаємодії матеріалу огнеупора MgO-С при введенні магнезиального флюсу, показало істотне уповільнення швидкості надходження оксиду магнію в шлак, а саме - в 2-2,25 рази.
Явно виражена тенденція до зменшення переходу оксиду магнію з футерування в шлак зі збільшенням ступеня насичення шлаку MgO. Звичайно, в реальних умовах є проблема рівномірного розподілу розчиняється MgO по всьому об'єму шлаку, саме тому швидкорозчинних магнезиального матеріалу в шлаку грає таку важливу роль.
В останні 3-4 роки Групою Магнезит інтенсивно розвивається виробництво спеціалізованих матеріалів для підвищення ефективності застосування вогнетривів основного складу в конверторах, електросталеплавильних печах, сталерозливних ковшах (табл.3). Слід зазначити, що ці розробки з'являються в співдружності з фахівцями Уральського інституту металів і ряду металургійних підприємств.
Теорія і практика виплавки стали під збагаченими MgO шлаками - це реалізація ідеї сформувати шлак в області насичення MgO; шлаки такого складу мають менш агресивним впливом на вогнетривку футеровку конвертера. Реалізується відоме положення з теорії металургійної термодинаміки про відсутність взаємодії на поверхні розділу двох фаз в разі рівності концентрації диффундирующего компонента і концентрації насичення. За оцінкою [5], концентрація MgO в реальних шлаках завжди в 1,2-1,3 рази нижче концентрації насичення.
Реальна шлаковая система вимагає для досягнення насичення шлаку оксидом магнію від 20 до 35 хвилин з використанням, наприклад, магнезитового порошку, але цього часу фактично немає, проблема вирішується застосуванням легкозасвоюваних, легкорастворяющіхся в шлаку флюсів.
Розроблена, як відомо, в США технологія роздування шлаку в кисневому конвертері полягає у вдувании азоту високого тиску (8 ÷ 14 МПа) через верхню фурму з витратою 600 ÷ 1200м3 / хв з метою розбризкування шлаку на поверхню футеровки. Цей спечений вогнетривкий шар не допускає прямого контакту вогнетривких виробів футерування з рідким металом і шлаком під час продувки металу киснем, запобігаючи, таким чином, окислення вуглецю і ерозію періклазоуглеродістих вогнетривів.
Як показує практика, при відсутності оптимуму хімічного складу рідкого шлаку, при роздуванні цього реально сформованого в конвертері шлаку операція може виявитися недостатньо ефективною.
Доведено, що для формування ефективного вогнетривкого гарнісажу достатньої товщини при роздуванні кінцевого шлаку необхідно дотримуватися ряду умов. Одне з них - необхідність зниження в'язкості шлаку в період операції роздування. Є думка, що наявність твердої фази в шлаку в кількості близько 30% знижує в'язкість гетерогенного шлаку, одночасно дозволяючи шлакового розплаву і розтікатися по футеровці, але і сповільнюючи цей процес. У той же час слід обмежити кількість тугоплавких фаз в шлаку щоб уникнути огрудкування шлаку, що призведе до зниження адгезії шлаку до поверхні футеровки аж до його відшарування від футеровки. По-друге, необхідна наявність в роздувати шлаку певної частки феритів магнію з температурою плавлення вище 17500С.
Показано, що застосування магнезиального флюсу - самораспадающейся гранул (СМГ-10С, «Компакт») - створює ефект збільшення вмісту MgO в шлаку перед його роздуванням з одночасним зниженням його в'язкості і вспениванием за рахунок інтенсивного газоутворення при контакті з гарячим шлаком в конверторі (подається на шлак у кількості 1-2 кг на тонну шлаку, в залежності від концентрації FeO), істотно підвищує стійкість футеровки конвертера [7].
У реальних умовах вибір фазового складу шлаку носить індивідуальний характер, тому розроблена і реалізована на комбінаті «Магнезит» гнучка технологія, розроблені і успішно використовуються на металургійних підприємствах магнезіальні флюси різних складів (табл.3) на основі власного магнезиального сировини. Є можливість регулювати кількість і якість легкоплавку фази у флюсі, враховуючи конкретні умови експлуатації конвертера, це стосується створення умов для освіти в певній кількості згаданих феритів кальцію, а також браунміллеріта і герцініта з температурами плавлення 1415 і 14400С відповідно (табл.3, продукти МГФ) .
При оптимізації шлакового режиму експлуатації конвертора, крім коригування хімічного складу шлаку, необхідно враховувати і інші чинники: температуру випуску металу і, відповідно, температуру шлаку, глибину шлаку в конвертері і відстань фурми від шлаку під час роздування. Слід зазначити, що кваліфіковане використання заходів по догляду за футеровкою під час експлуатації конвертора не приводить до проблем з донними фурмами для конверторів з донною продувкою [4].
Швидкість розчинення флюсів оцінювали в ВАТ «Уральський інститут металів» за наступною методикою. У алундові тигель поміщали 50 г синтетичного шлаку складу: 40% Сао, 40% SiO2 і 20% Al2O3, та 0,07% MgO. При 1600-16100С в шлаковий розплав вводили гранули флюсу і візуально за секундоміром визначали тривалість їх розчинення.
На рис.5 наведено динаміку зростання виробництва магнийсодержащих флюсів.
Найважливішим гідністю технології виплавки стали під магнезіальних шлаками, поряд зі зниженням зносу періклазоуглеродістой футерування, є поліпшення шлакового режиму, що особливо наголошується фахівцями металургами. Оксиди магнію прискорюють розчинення вапна, перешкоджаючи утворенню тугоплавкой скоринки двукальціевого силікату навколо частинок вапна, а також підвищують активність розчинної оксиду кальцію, взаємодіючи з частиною оксидів кремнію.
Безумовно, існує оптимум стійкості конвертерів, для чого необхідно пов'язати переваги, одержувані від виконання футеровки якісними вогнетривами і застосування заходів щодо догляду за футеровкою, з виробництвом, з огляду на і збільшення продуктивності агрегату, і простої для догляду за футеровкою, на ремонт і на зміну футерування, і витрати на вогнетривкі матеріали [4]. Реально оцінюються витрати в рублях (гривнях) як на вогнетривкі вироби, так і на матеріали, призначені для догляду за футеровкою (торкрет-маси, флюси, підварювання) на тонну продукції (виплавленої сталі).