Огнеупорная футеровка конвертера для литейного производства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Определяющими факторами развития производства стали можно считать следующие:

1. Ориентация на выпуск высококачественных марок стали и получение «чистого металла»;

2. Обеспечение рентабельности металлургического производства за счет снижения себестоимости продукции;

3. Изменение в структуре производства огнеупоров в сторону увеличения доли неформованных огнеупоров. Анализ мирового удельного потребления огнеупоров [1 - 2] показывает, что за последнее десятилетие от 50 до 70% всех производимых в мире огнеупоров применяется в черной металлургии. И нет оснований полагать, что этот показатель в ближайшем времени уменьшится, потому что технология «чистой стали» требует высококачественных огнеупоров по всему производству. Стоимость огнеупоров повышенного качества окупается не только их высокой стойкостью, но и высокой стоимостью конечной продукции - стали. Совершенствуются оксидоуглеродистые на основе Mg - C (периклазоуглеродистые), Al2O3 - C (глиноземоуглеродистые), ZrO2 - C (цирконоуглеродистые), а также высокопрочные низко и безцементные бетоны.

Одной из статей снижения себестоимости стали и повышения рентабельности сталеплавильного производства является увеличение длительности компании эксплуатации сталеплавильного агрегата (конвертера) за счет повышения стойкости огнеупорной футеровки. А условия эксплуатации огнеупоров в кислородном конвертере значительно сложнее значительно сложнее по сравнению с другими способами производства стали. Это обусловлено следующими причинами:

1. Интенсивно перемешивание стали струей кислородного дутья;

2. Наклон и вращение конвертера;

3. Обильное пылеобразование;

4. Резкий перепад температур в межплавочный период;

5. Работа при высоких температурах до 1680 - 1720°С;

6. Ударное воздействие загружаемых материалов - металлический лом, передельный чугун..

Следовательно огнеупоры, применяемые в конвертерном процессе должны обладать высокой сопротивляемостью химическому коррозированию, высокой устойчивостью против смывания жидкой сталью, и к скалыванию («шелушению») при загрузке шихты. С целью сбалансирования износа футеровки конвертера на участках, наиболее подвергаемых ударному воздействию и износу, используют обожженные огнеупоры. В местах, наиболее подверженных расслаиванию («шелушению», скалыванию) и химической эрозии, применяются доломитовые и магнезитовые огнеупоры. Баланс службы огнеупоров влияет на общую экономичность кислородно-конвертерного производства и планируется от наличия огнеупоров, их свойств, от сортамента выплавляемой стали, режима работы печи и специфических заводских условий. Поэтому каждый цех должен иметь огнеупоры, свойства которых соответствуют условиям работы данного цеха. В целом баланс расхода огнеупоров при выплавке стали в различных печах складывается в пользу кислородно-конвертерного производства, таблица 2.1. [3]

Расход огнеупоров при выплавке стали в различных печах.

Таблица 2.1

Вид печи	По данным Питте	По данным Дж.Х.Честера
	Расход огнеупоров, кг/тн	Расход огнеупоров, кг/тн
Мартеновская печь	73,0	37,5-70,0
Томасовский конвертер	17,0	-
Кислородный конвертер	6,0	5,5

В промышленно развитых странах общий удельный расход огнеупоров, характеризующий качество, стойкость и эффективность их использования в черной металлургии постоянно снижается. Согласно данным работы [1] с 1983 по 1993г расход огнеупоров в Германии и Японии уменьшился с 19,7 и 14,7 до 13,4 и 11,2 кг/тн стали соответственно, а в 1996г этот показатель стабилизировался в Японии на уровне 10,3 - 10,7 кг/тн стали. Максимальная стойкость футеровки конвертеров при этом достигла примерно 7000 плавок. [4]

А вот удельный расход огнеупоров в черной металлургии России в последние годы по данным работы [5] практически не меняется: 1986г - 26,9 кг/тн; 1990г - 27,5 кг/тн; 1995г - 27,6 кг/тн. На таком же уровне этот показатель сохраняется и после 2000г. Явный застой в огнеупорном производстве России связан с отсутствием или недостаточным выпуском лучших современных видов огнеупоров - из благородных шпинелей и шпинелеграфитовых составов. Прекращен выпуск наливных и набивных масс, производство безцементных бетонов находится в зачаточном состоянии, а неформованные огнеупоры не соответствуют современным требованиям. В связи с этим крупные металлургические комбинаты: «Северсталь», «НЛМК», «ММК» и др. испытали в футеровках конвертеров огнеупорные изделия и массы почти всех известных иностранных фирм, таких как Veitsch-Radex-Dider, Vesuvius, Plibrico и т.п. и только за счет этого увеличили стойкость конвертеров. Так на ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» максимальная стойкость футеровки конвертера в ККЦ-1 составила ~2000 плавок.

1. Мировые достижения стойкости рабочего слоя футеровки конвертеров сталеплавильного производства

Огнеупоры используемые в конвертерном производстве и их свойства.

До XXI столетия огнеупоры, применяемые в конвертерном производстве, в основном изготовлялись из доломитового и магнезитового клинкера. Доломитовый клинкер обладает свойством интенсивного гашения на воздухе. Для снижения этого нежелательного явления к нему добавляют окислы FeO, Al2O3, SiO2, при этом коррозионная стойкость самого клинкера также снижается. Магнезитовый клинкер так же в свиязи со сложными условиями получения стали в конвертере должен обладать высоким качеством и минимальным содержанием Al2O3, SiO2 и других примесей. При использовании таких клинкеров в качестве связующего применяют обезвоженную смолу, которая предохраняет доломитовый клинкер от гашения, увеличивает его вязкость при низкой температуре, вносит определенное количество углеродсодержащих веществ, повышая устойчивость огнеупоров к пропитыванию шлаком и металлом.

Самой значительной разработкой за последние 10 лет в области огнеупоров для конвертерного производства явилось создание периклазоуглеродистых изделий с добавкой графита, содержащих от 5 до 30% остаточного углерода. Углерод в сочетании с основным клинкером MgO повышает стойкость изделия к коррозии технологическими шлаками и улучшает их термомеханические свойства. Этим преимуществам противостоит легкая окисляемость, что может привести к значительной потере прочности. Для устранения этого недостатка в составы периклазовой шихты вводят замедляющие добавки (антиокислители): алюминий Al и составы Al - Mg. Высокие показатели стойкости огнеупорной футеровки достигнуты при использовании MgO - C - изделий с комбинированными антиоксидантами. [6] Периклазоуглеродистые огнеупоры первоначально были предназначены для футеровки водоохлаждаемых дуговых печей. В дальнейшем они были успешно опробованы в конвертерах в качестве донных фурменных блоков и в футеровке днища вокруг донных фурм [7], с комбинированной продувкой. Существуют различные типы пористых блоков для вдувания газов через днище (с одним отверстием и многоканальные), которые выполнены из крупнокристаллического плавленого периклаза (MgO - 98%; j - 3,58 г/см3) и графита (С - 98%) с добавками антиоксидантов (Al-Si; SiC; Mg-Al). В качестве связки использовали фенольную смолу и пек. По данным работы [8] пористые блоки периклазоуглеродичтого состава показали на 180 тн конвертере в г.Аньшане (Китай) средний срок службы 1255 пл, (максимальный срок - 2038пл) при расходе огнеупоров 1,64 кг/т стали.

Впоследствии периклазоуглеродистые изделия получили распространение в других участках футеровки конвертеров, причем в разных странах доля этих изделий в футеровке конвертеров различная. В Японии и Великобритании конвертеры всех типов практически полностью выполнены периклазоуглеродистыми изделиями, в США - на 50%, в Германии их применение ограничено цапфенными зонами. [6] Европейский рекорд стойкости футеровки конвертера достигнут на заводе в Сканторпе - 6500 плавок. [9]

В России несколько предприятий освоили производство периклазоуглеродистых изделий. ОАО комбинат «Магнезит» имеет потенциальные возможности для годового выпуска 200 тыс тонн конвертерных и электропечных периклазоуглеродистых изделий на основе плавленого периклаза. Периклазоуглеродистые летки в сталевыпускном отверстии 160 тн конвертеров ККЦ-1 ОАО «НЛМК» показали практически одинаковую стойкость с изделиями фирмы «Dider - Werke». [10] Примерный состав и свойства огнеупоров для конвертерного производства представлены в таблице 2.2. [3]

Состав и свойства огнеупорных изделий.

Таблица 2.2

Огнеупор. Изделие	Страна фирма	Содержание окислов, %	Пористость, %	Плотность, г/см3
		SiO2	Fe2O3	MgO	CaO	MnO	п.п.п.
Смолодо ломитовые	Япония Россия	1,9-3,6 -	2,0-4,0 -	4,8-55,0-	16,0-36,1-	1,7 -	4,4-6,4 8,5-8,7	5,5-9,0 -	2,8-2,95 2,73-2,88
Обожжен. Доломит.	Япония Россия Англия ФРГ США	1,9-10,4 8,0-8,7 - 0,9 1,5-3,0	2,9-3,8 2,7-3,25 - 0,3 1,0-4,3	44,2-69,8 60,3-62,2 32,7-40,0 35,0-39,1 36,2-61,0	19,2-38,6 23,8-24,6 39,5-54,5 40,3-56,0 37,0-57,6	0,1-0,4 - - - 0,1	0,1-0,4 0,5 - - 0,3-0,4	10,1-19,4 13,0-16,7 22,8-24,3 15,0-24,3 19,0-21,0	2,67-3,0 2,85-2,94 2,52-2,67 2,8-2,9 -
Обожжен. магнезит	Япония США Россия Австрия	0,98-6,0 2,1-6,0 0,7-5,9 2,0-5,0	0,5-7,8 3,5-7,0 1,5-8,3 4,0-6,0	77,2-92,4 70,0-90,2 67,4-91,8 63,0-80,0	1,0-2,5 1,5-15,5 2,0-3,8 10,0-25,0	0,4 - 0,6 -	0,4-7,0 0,1-0,3 0,1-0,6 0,5-2,0	5,8-18,6 17,8 9,0-23,3 -	2,8-3,0 - 3,0-3,3 -

В качестве набивных масс для устранения пустот стыков у днища и сферы, а также различного рода пустот для уплотнения швов огнеупорной кладки используется периклазоуглеродистые набивные массы. В работе [11] представлены данные использования периклазоуглеродистой набивной массы состава:

ѕ MgO - 94,5-95,5%;

ѕ CaO - ~2,4%;

ѕ SiO2 - ~1,7%;

ѕ Fe2O3 - ~0,9%;

ѕ С остаточный - 7,15-7,65%

ѕ Температура применения - 1750°С.

Исследование свойств массы выявили выгорание ее органической связки при обжиге. Потеря массы начинается при 140°С и продолжается до 700°С, при этом интервале температур потеря массы составляет 7,7%, что совпадает с данными содержания углерода. Это дает основания предполагать, что органика полностью выгорает, поэтому наличие окислительной среды при обжиге не допустимо. На дериватограмме набивной массы, нагретой до 1200°С в среде аргона, на кривой нагрева выявлены пять эндотермических пиков. Пики 380°С; 500°С; 780°С; 920°С - соответствуют разложению органической составляющей массы и образованию коксового остатка, который связывает частицы и приводит к уплотнению массы. Пик 1200°С соответствует спеканию массы. Потери массы при прокаливании составили 3,97%, следовательно 50% от массы остаточного углерода пошло на образование керамико-органической связи. Однако создать чисто восстановительную среду с использованием кокса и кислорода в условиях обжига массы в конвертере невозможно. Поэтому на «ММК» в настоящее время используются магнезиальные набивные массы на фосфатных связках.

На «НЛМК» при использовании для футеровки рабочего слоя конвертера необожженного пекодоломитового кирпича применяются смолодоломитовые массы на пековой связке с добавлением индустриального масла. При обжиге конвертера происходит сплавление ПД-кирпича на молекулярном уровне без образования керамико-органической связки.

2. Условия эксплуатации огнеупоров футеровки конвертера

Основными причинами износа огнеупоров являются следующие:

1. Химическое воздействие жидкой стали и шлака и механическое смывание движущимися слоями жидкой ванны. Особенно подвержена износу шлаковая зона.

2. Отслаивание (шелушение) огнеупоров вследствие температурных колебаний при межплавочных простоях, особенно в верхней части конвертера.

3. Истираемость под воздействием механических ударов при загрузке скрапа.

4. Абразивный износ при ведении продувки плавки в «жестком» режиме, особенно при высоком повалочном углероде ~0,5%.

Основным исходным сырьем для производства огнеупоров служат доломитовый и магнезитовый клинкеры. Механизм их износа различен. Магнезит при 1350°С «течет» и наблюдается сильное проникновение в футеровку известкового феррита(CaO)n*(FeO)m. Это объясняется разрушением связей между кристаллами магнезита, которые затем постепенно выпадают в шлак и изнашиваемость огнеупоров ускоряется. У доломита происходит медленное расплавление, начинающееся с поверхности зерен, поэтому, в отличии от магнезита, количество образующейся жидкой фазы несколько меньше. В таблице 2.3. приведены составы различных огнеупорных изделий после их применения. [3]

Изменение химического состава огнеупоров, на различных участках после их применения.

Таблица 2.3

Участки	SiO2,%	Fe2O3,%	Al2O3,%	CaO,%	MgO,%	П.П.П.
	Д	М	Д	М	Д	М	М	М	Д	М	Д	М
Шлаковая зона	5,32	7,25	62,25	9,11	0,54	1,55	24,2	12,9	3,19	60,3	-	0,88
Деформированный слой	5,04	6,43	33,21	1,01	0,57	0,59	32,81	1,3	23,8	87,8	0,75	2,44
Обезуглероженный слой	3,06	6,0	2,2	1,01	0,31	0,24	37,1	1,15	55,64	99,32	0,91	1,92
Недеформированный слой	3,12	0,55	1,74	0,99	0,29	0,55	33,87	1,79	56,15	86,47	4,4	5,8

Общепринятыми факторами, влияющими на износ футеровки являются:

1. Ритмичность работы;

2. Содержание кремния в жидком чугуне;

3. Содержание окислов железа в шлаке;

4. Температура жидкой ванны.

Эмпирические данные убедительно показывают, чем меньше время межплавочного простоя, тем больше срок службы футеровки конвертера, кроме того снижение длительности продувки плавки и обработки ее на повалке повышает стойкость. С увеличением содержания кремния в чугуне срок службы огнеупоров понижается из-за снижения основности шлака и более жесткого ведения продувки плавки. Увеличение степени окисленности шлака (содержание FeO+Fe2O3>22%) повышает износ рабочего слоя футеровки особенно при использовании доломитовых изделий, за счет образования жидких эвтектик типа (CaO)n(FeO)m; (MgO)n(FeO)m особенно в шлаковом поясе огнеупорной кладки. Содержание FeO в шлаке в свою очередь зависит от наличия окалины в металлоломе, давления кислорода в магистрали и высоты фурмы над уровнем жидкого металла.

Температурный режим плавки определяет интенсивность протекания реакции футеровочного материала с окислами шлаковой фазы SiO2, Fe2O3, FeO, MnO. С ростом температуры скорость протекания химической коррозии огнеупорного изделия увеличивается. Подобный эффект наблюдается и при увеличении количества применяемого шпата по ходу продувки плавки. Являясь хорошим разжижителем шлака плавиковый шпат (CaF2) увеличивает удельную поверхность контакта шлак-металл и способствует более полному протеканию реакций взаимодействия клинкера огнеупорного изделия с продуктами окисления примесей передельного чугуна с образованием жидкофазных сложных комплексов типа: (CaO)n(FeO)m, (MgO)n(SiO2)m, (CaO)n(SiO2)m, (CaO)n(P2O5)m и т.п. Соотношение [CaO+MgO]/[SiO2+FeO+Fe2O3+P2O5], определяемое как основность должно находится в пределах 2,8…3,2. При низком значении основности основные оксиды футеровки будут более интенсивно взаимодействовать с кислотными окислами примесей чугуна. При высокой основности образуется большое количество шлака, что оказывает отрицательное влияние на ход плавки. Важным моментом, в значительной мере влияющим на срок службы огнеупоров является выполнение кирпичной кладки и обжиг футеровки. Кладку кирпичей следует производить весьма тщательно, с зазорами швов не более 2 мм. Иначе в процессе плавки летучие компоненты смолы от нагреваемой поверхности перемещаются в направлении охлаждаемой поверхности кирпича и в конце концов происходит выброс летучих веществ с охлаждаемой поверхности. Во время этого выброса мелкие зерна, входящие в структуру кирпича, удаляется и пористость увеличивается. На этом участке скорость износа футеровки увеличивается. Обжиг кирпича следует проводить с равномерным прогревом по всему объему. Для этого требуется сбалансировать степень повышения температуры. Не соблюдение этого требования приведет к тому, что структура внешней и внутренне части кирпича будет различаться, это можно наблюдать даже визуально.

Кроме вышеперечисленных факторов, которые можно отнести к обязательно присутствующим, существует еще так называемая «философия ведения конвертерного процесса» - региональные особенности конвертерной плавки, таблица 2.4. [12]

Условия ведения конвертерного процесса по регионам мира.

Таблица 2.4

Показатели	Регионы
	Европа	Сев. Америка	Япония
Кол-во плавок в сутки (производительность)	25-35 (высокая)	15-20 (низкая)	21-40 (высокая)
Покачивание агрегата	редко	Да+раздувка шлака	Редко
Температура выпуска стали, °С	1680-1730	1650-1680	1650-1700
Добавки в шлак	Доломит/магнезит	доломит	Малая доля шлака
MgO в добавл. шлаках, %	2-5	8-14	10-15
Si в чугуне, %	?0,7	?0,8	?0,3
Дефосфорация чугуна	нет	нет	Да
Доля мет. лома, %	20	30	~5
Донная продувка, %	100	60	100
Средняя стойкость, пл	1000-3000	65000-7000	2000-4000
Максимальная стойкость, пл	4000	33000	5500

В Европе ив Японии главной целью остается более полная загрузка конвертера высокой производительностью и отсутствием времени на мероприятия по уходу за футеровкой. Металлурги США уделяют достаточно времени на проведение соответствующих операций, одновременно с этим донная продувка все более отходит на второй план. Кроме того температура выпуска металла в Европе в среднем на 50 °С выше, чем в Японии и США. Ко всему прочему, в условиях низких цен на энергоносители конвертер в США служит для обезуглероживания, а прочие доводки химического состава производятся в агрегатах вторичной обработки. Особенность работы конвертеров в Японии с малой долей шлаков вызвана необходимостью и дороговизной их захоронения. Идущие в настоящее время дискуссии о преимуществах американской, европейской и японской «философии» управления конвертерным процессом в принципе некорректны. И что касается разницы в себестоимости, то, несомненно, из-за регионов с более дешевой электроэнергией и рабочей силой, всегда будут возникать проблемы демпинга. В вопросах качества стали потребитель давно осведомлен: американский или японский автомобиль ржавеет быстрее немецкого.

3. Пути повышения работоспособности футеровки конвертера на современном этапе развития металлургии

Работоспособность огнеупорной футеровки конвертера - стойкость рабочего слоя - наряду с качеством огнеупорных изделий и выполнения кладки, в значительной степени определяется условиями ее эксплуатации, как было показано выше, и выполнению необходимых мероприятий по нанесению шлакового гарнисажа. К основным мероприятиям по нанесению шлакового защитного гарнисажа на рабочий слой футеровки можно отнести:

1. Ошлакование конвертера в процессе продувки плавки за счет формирования гомогенного низкоокисленного шлака.

2. Торкретирование конвертера в межплавочный период.

Наиболее приемлемым способом нанесения шлакового гарнисажа является ошлакование конвертера по ходу продувки плавки. Именно этот способ не требует дополнительного оборудования, не способствует снижению производительности конвертера и не увеличивает его межплавочные простои за счет принятия дополнительных мер.

С этой целью используют различные добавки в качестве шлакообразующих материалов, например мягкообожженный ошлакованный доломит, конвертерный ожелезненный шлак и плавиковый шпат. Допустимо использование конечного шлака от предыдущей плавки в количестве 10-15%. Состав ошлакованного доломита, как правило следующий:

ѕ MgO не менее 30,0%;

ѕ SiO2 не более 5,5%;

ѕ CaO не более 62,0%;

ѕ P2O3 не более 2,5%;

ѕ Кажущаяся плотность не менее 1,3г/см3;

ѕ П.П.П. не более 2,5%.

Подача извести на конечный шлак и использование доломита положительно сказывается на шлакообразовании, что позволяет получать высокоосновные шлаки в начале продувки и способствует более глубокому рафинированию металла. [13] Под динамическим воздействием газовых струй шлак оттесняется к стенкам конвертера и, вовлекаясь в тороидальный вихрь со скоростью до 15 м/с, движется вверх вдоль них. В процессе движения вихрь растягивается в вертикальном направлении, скорость перемещения шлака вверх постепенно уменьшается, и под воздействием силы тяжести он начинает сползать вдоль стенки вниз. Поэтому авторами работы [13] предполагается, что шлаковый гарнисаж образуется в конце плавки (отбор проб, ожидание анализа, выпуск металла, слив шлака). При этом конечный шлак не смачивает поверхность футеровки со стороны цапф - это вызывает опережающий износ огнеупоров в этих местах. Эти данные подтверждаются и авторами работы [14], в результате чего было испробовано в 1997г на «ММК» способ принудительного разбрызгивания шлака азотной струей - газодинамическое торкретирование. В процессе опробования этого способа были определены следующие моменты успешного ошлакования футеровки:

1. Оптимальное расстояние головки фурмы до шлака 400-600 мм;

2. Критический диаметр сопла 40-42мм;

3. Расход азота составляет ~45% от расхода кислорода;

4. Продолжительность газодинамического торкретирования составляет примерно 10мин.

На первых кампаниях 1999г, при 50,4% газодинамического торкретирования на ММК достигнута стойкость 2400 плавок. При этом в куачестве дополнительной добавки в шлакообразующие материалы использовался мягкообожженный доломит с расходом 22,5 кг/т или 7,8 т/плавку, что обеспечивало содержание MgO в шлаках 8-10%. Увеличение количества доломита более 10т/плавку эффекта не дало.

Несколько другие параметры газодинамического торкретирования приводятся в работе [15]:

ѕ удельный расход доломита - 20-50кг/т;

ѕ содержание MgO в шлаке 5-12%;

ѕ расход азота 0,4-1,2% от расхода кислорода на продувку 300-500м3/мин;

ѕ время торкретирования 0,5-30 мин.

Вероятно, что при таких достаточно широких диапазонах набрызгивания шлака результаты не всегда положительные. Тем не менее, всеми авторами работ отмечается высокая технологичность газодинамического торкретирования, и обеспечение снижения доли дополнительных материалов на ремонт футеровки (торкрет-масса, подварочные изделия). В работе [16] отмечается, что применение набрызгивание шлака струей азота позволило в ККЦ-2 «Криворожсталь» увеличить стойкость конвертера на 44,3% и уменьшить расход торкрет массы на 51,6%.

В конце 70 годов 20 столетия в СССР был разработан способ факельного торкретирования в основу которого положено вдувание смеси CaO-C в струе воздуха с последующим наддувом кислорода, который был успешно внедрен во многих странах. Авторы работы [17] показывают, что использование факельного торкретирования в Японии, за счет оплавления специального огнеупорного порошка в факеле продуктов сгорания и его последующего «пригорания» на изношенные части футеровки позволили получать высокую плотность и механическую прочность отремонтированного участка. При выплавке рядовых марок стали использовалась торкрет-масса состава MgO-CaO-SiO2, а для коррозионностойких сталей MgO-Al2O3-Cr2O3. Стойкость факельного торкрет слоя составляла 14-18 и 4-8 плавок соответственно.

Авторами работы [18] проведено опытно-промышленное опробование установки торкретирования конвертера по ходу продувки. Инжектирование массы на основе магнезита осуществлялось в токе кислорода. Установлено, что торкрет покрытие наносится на футеровку только в конце плавки. Стойкость покрытия 1-4 плавки. Испытания опытной установки показали принципиальную возможность торкретирования конвертера по ходу плавки без отключения дутья кислорода.

Этот момент требует особого внимания, т.к. внедрение данной технологии по уходу за футеровкой позволяет сократить межплавочные простои конвертеров, а это очень важно.

3. Анализ и оценка мероприятий ККЦ-1 ОАО «НЛМК» по увеличению стойкости рабочего слоя футеровки 160 тн конвертеров.

4. Динамика изменения стойкости футеровки конвертера

Развитие огнеупорной промышленности в соответствии с требованиями современной металлургической промышленности позволило создать современные виды огнеупорных изделий, что в свою очередь привело к увеличению стойкости футеровки конвертеров, несмотря на ужесточение условий их эксплуатации - повышение температуры выпуска металла, увеличение количества рафинирующего конвертерного шлака, низкое качество металлолома подаваемого в завалку.

На рисунке 3.1. представлена динамика изменения среднегодовой стойкости конвертеров 1,2,3. По данным приложений 1-4 стойкость конвертеров изменяется от 834 пл до 1380 пл. Только в 2003г разность стойкостей составила 954 плавки, хотя и была достигнута максимальная среднемесячная стойкость. Диаграмма изменения среднемесячной стойкости футеровки по годам 2000-2003 не позволяет выделить четкой закономерности роста в течении года. (рис. 3.2.) Это в первую очередь связано с различными условиями эксплуатации конвертеров (температурный, шлаковый режим) и с конкретными особенностями производства (качество ремонта в период перефутеровки и равномерностью поставок дополнительных материалов цехами смежниками). Особое значение следует уделить качеству исходных материалов конвертерной плавки: чугуна, металлолома, извести, а также постоянству давления кислорода в магистрали. В конечном итоге эти факторы приводят к увеличению межплавочных простоев конвертеров и дополнительному расходу материалов, необходимых для ухода за футеровкой. В результате мы имеем снижение производительности конвертера, и увеличение себестоимости стали.

Существующее различие между Европейской (Японской) и Американской «философией» конвертерного производства требуют ввести коэффициент эксплуатации конвертера:

; тн/сут (1)

где Q - объем выплавки стали за компанию конвертера, тн; t - время эксплуатации конвертера, сут.

Введя данный коэффициент попробуем сделать заключение об эффективности работы того либо иного конвертера за 2003 год. В первом приближении примем - средний вес плавки остается постоянным на протяжении всего периода эксплуатации конвертеров, тогда выражение (1) справедливо записать:

, пл/сут (2)

где W - количество плавок, выполненных за компанию конвертера.

На рисунке 3.3. представлена динамика изменения стойкости конвертера и коэффициента его эксплуатации. Несоответствие хода кривых значений стойкости футеровки и коэффициента эксплуатации на рабочих компаниях конвертеров на рабочих компаниях говорит о неравномерности нагрузки агрегатов в прочие их работы. Исключение составляет режим работы конвертера 2, остановленного в мае 2003г со стойкостью 1301плю. Это вызвано тем, что конвертер был остановлен по производственной необходимости (сложившиеся форс-мажорные обстоятельства) с рабочим слоем футеровки, способным проработать еще около 200пл. Поэтому провал кривой стойкости вероятно можно убрать, прибавив к фактическому количеству плавок ожидаемое, выявленное при ломке рабочего слоя футеровки. При этом суммарная стойкость составит около 1500 плавок. Это хорошее согласовывается с практическим режимом работы конв.2 за период январь-октябрь 2003г. Число межплавочных простоев (ППР, вынужденные простои и т.п.) на конв.2 по сравнению с конв.1.3 минимальные.

5. Стойкость. Коэффициент эксплуатации

футеровка конвертер сталеплавильный огнеупор

Проанализировав условия эксплуатации конвертера в соответствии с принятой технологической схемой ККЦ-1 ОАО «НЛМК» можно прийти к выводам, что наибольшую роль в разрушении футеровки рабочего слоя сталеплавильного агрегата играют следующие факторы:

1. Коррозия - химическое взаимодействие огнеупорного материала с конвертерным шлаком в процессе шлакообразования;

2. Эрозия - процесс механического истирания футеровки потоками металла, шлака и газами. При этом происходит смывание с поверхности огнеупора наружной пленки шлака, которая защищает его рабочую поверхность.

3. Размягчение - потеря механических свойств огнеупорного материала под воздействием высоких температур.

Таким образом очевидно, что для достижения высокой стойкости футеровки конвертера при его высокой производительности необходимо:

1. Исключить вынужденные простои - снижение планово-предупредительных ремонтов, ритмичная подача качественного исходного сырья, безаварийная работа;

2. Оптимизировать межплавочные простои - исключить задержки с выпуском плавки из конвертера, применять мероприятия по уходу за футеровкой в исключительно необходимых случаях, устранить эффект зарастания горловины конвертера шлаково-металлическими настылями;

3. Обеспечить стабильную оптимальную продувку плавок и использование дополнительных шлакообразующих добавок (доломит).

Процесс разрушения огнеупора начинается с насыщения его контактного слоя легкоплавкими соединениями типа (CaO)n(FeO)m; (CaO)n(Fe2O3)m; (MgO)n(FeO)m и т.п., молекулы которых образуют переходный слой. Данный слой по своему химическому составу (сод. oокислов железа, P2O3) изменяется от чистого огнеупора до чистого шлака. Линейную скорость износа футеровки можно выразить формулой [1]:

, м/сек (3)

где D - коэффициент диффузии CaO и MgO в объем шлака через пограничный слой, м2/сек;

с - плотность огнеупора, кг/м3;

д - толщина диффузионного слоя,м;

Сф(нач) - концентрация растворившегося в шлаке огнеупора при насыщении, кг/м3;

Сф(кон) - концентрация огнеупора в шлаке, кг/м3.

Таким образом, химический состав шлака (FeO) является одним из факторов, определяющих скорость износа футеровки. На рисунке 3.4. представлено изменение содержания MgO в конечном конвертерном шлаке в зависимости от степени окисленности за период работы конвертера с 17 января по 19 февраля 2003г. Повышенные температуры выпуска металла также негативно сказываются на стойкости огнеупорного материала вследствие его размягчения. Корректировки плавки по температуре (додувка металла) после повалки конвертера приводит в первую очередь к интенсивному насыщению поверхностных слоев шлака оксидами железа (FeO), что в значительной степени повышает эффект коррозии огнеупорного материала и как следствие снижает стойкость конвертера.

Однако износ футеровки не ограничивается только переходом CaO и MgO в шлак. Более активным является процесс миграции в огнеупорах окислов FeO, SiO2, MnO, P2O5. Проникая в огнеупорный материал, они повышают его пластичность, снижают температуру начала размягчения. Следовательно, содержание утих окислов в шлаке должно быть таким, чтобы только обеспечить растворение извести с большей скоростью, т.е. раннее образование высокоосновного шлака в конвертере. С увеличением содержания окислов железа, кремния, фосфора выше оптимального, износ футеровки ускоряется.

Схема опытной футеровки 160тн конвертера ККЦ-1 ОАО «НЛМК» представлена на рисунке 3.7. Футеровка конвертера по оптимизированной схеме выполняется с использованием огнеупорных изделий ПУКП - 8 (периклазоуглеродистый плавленый кирпич) в следующих зонах:

1. Два сектора цилиндрической части футеровки со стороны цапф по 110 градусов, высотой с 12го по 28 ряды, включительно;

2. Карманы смещены в обе стороны от оси сталевыпускного отверстия конвертера по 45°;

3. С 1 по 11 и с 29 по 52 ряды кладка рабочего слоя выполняется пекодоломитовым кирпичом по ранее принятой схеме футеровки конвертера.

Схемы разгара рабочего слоя футеровки конвертеров 1,2,3 представлены соответственно на рисунках 3.8; 3.9; 3.10.

По окончании сроков эксплуатации конвертеров 1,3 топография износа рабочего слоя футеровки конвертера просматривается в следующих направлениях:

1. Цилиндрическая часть выработана с остаточным слоем 100-200мм;

2. Карманы с обеих сторон выработаны до арматурного слоя с нулевым остатком рабочего слоя.

В связи с этим экстремальным участком в части эксплуатации футеровки конвертера являются карманы. По степени их выработки принимается решение об остановке конвертера на перефутеровку.

По окончании срока эксплуатации конвертера 2 с экспериментальными участками рабочего слоя футеровки топография ее разгара просматривается в следующих направлениях:

1. Цилиндрическая часть выработана с остаточным слоем ~500мм;

2. Карманы с обеих сторон выработаны с остаточным слоем ~150мм.

Недостатком футеровки является выполнение сферический кладки пекодоломитовым кирпичом. А именно здесь наблюдается максимальная реакционная зона взаимодействия огнеупорного материала со шлакометаллической ванной. Выработка футеровки составила ~150мм, что является недопустимым.

5. Технология и мероприятия нанесения защитного гарнисажа

Тенденция конвертерного производства предусматривает максимальную загрузку агрегата (коэффициент эксплуатации 22-23) в сочетании с возможно оптимальным количеством мероприятий по уходу за футеровкой в процессе всей компании. В таблице 3.1. приведены данные мероприятий по уходу за футеровкой конвертер 1, 2, 3 за период их эксплуатации.

Мероприятия по уходу за футеровкой в процессе компании.

Таблица 3.1

Наименование мероприятия	Ед. измерения	Кон. 1	Кон. 2	Кон. 3
Факельное торкретирование	Опер	140	140	59
Газодинамическое торкретирование	Опер	376	574	396
Подварка ПД кирпичом	Опер	10	14	4
Плавки с использованием доломита	Шт %	1064 74,7	1591 80,4	331 32,3
Горячие плавки, температура выпуска более 1700°С	%	17,1	13,0	12,4
Количество додувок	%	11,0	13,0	14,0

Наиболее применяемыми мероприятиями в ККЦ-1 являются:

ѕ подварка футеровки пекодоломитовым кирпичом;

ѕ набрызгивание конвертерного шлака при помощи воздушных труб;

ѕ факельное торкретирование.

С середины 90 годов прошлого столетия внедрено в производство газодинамическое торкретирование. Подварка рабочего слоя футеровки пекодоломитовым кирпичом - наиболее эффектный способ горячего ремонта футеровки. Гомогенный конвертерный шлак оставляют в конвертере в количестве 4-5 тонн, при необходимости его раздувают кислородом с добавлением 0,3-0,4тн плавикового шпата. После получения высокоосновного шлака (FeO ?26,0%) через горловину подают ПД кирпич в количестве 4,2-4,8 тн, и раскантовывая конвертер перемещают его в зону ремонта футеровки. Главным недостатком этого способа является невозможность ремонта зон футеровки по цапфам.

Факельное торкретирование позволяет нанести защитный гарнисаж по всей окружности футеровки на высоте от 0,5 до 4,5м от уровня жидкой ванны. Расход кислорода составляет ~250 м3/мин и определяется плотностью торкрет массы. Состав торкрет массы:

ѕ MgO?32.0%;

ѕ SiO2?7.0%;

ѕ Fe2O3+Al2O3?7.5%;

ѕ CaO~56-58%;

ѕ П.П.П.~28%.

Расход воздуха, как инжектирующего газа, составляет ~150 м3/мин. Технологическая схема торкретирования представлена на рисунке 3.11. для равномерного нанесения защитного торкрет покрытия используется система торкретирования, включающая в себя наполнительные бункера, сеть трубопроводов, нагнетающие насосы и торкрет фурмы, оснащенные специальными головками (прил. 5). Стойкость нанесенного защитного гарнисажа торкрет массы 1-4 плавки, в зависимости от режима продувки и степени окисленности шлака.

Для устранения локальных мест выработки рабочего слоя футеровки применяется набрызгивание остаточного конвертерного шлака при помощи воздушных труб диаметром 57мм и длинной 6-8м. Для этого конвертер устанавливается в положение «повалка», вводится воздушная труба до непосредственного контакта со шлаком и вдувается воздух под давлением 4 атм. Уровень набрызгивания шлака на «карманы» сферической части корпуса конвертера регулируется углом поворота агрегата. Стойкость нанесенного гарнисажного слоя 1-3 плавки.

В последнее время для оперативного ремонта конвертера успешно применяется газодинамическое торкретирование (рисунок 3.11). В полость конвертера с остаточным конвертерным шлаком (4-5тн) вводится кислородняа фурма через которую подается азот под давлением 16-18 атм. Режим газодинамического торкретирования в цехе предусматривает следующее:

ѕ расход доломита на шлакообразование, кг/тн 5,4;

ѕ расход доломита на гомогинезацию остаточного шлака, кг/тн 35;

ѕ расход азота, м3/мин 200;

ѕ время торкретирования, мин 1-3;

ѕ глубина погружения фурмы, м от 0,5 до 2,5.

Стойкость нанесенного гарнисажа составляет 1-3 плавки. Практический опыт показывает, что наибольший эффект стойкости нанесенного гарнисажа достигается при комплексном использовании различных способов, когда образуется покрытие по типу «слоеный пирог»; торкрет масса, шлак, торкрет масса, шлак и т.д. Соотношение этих слоев определяется степенью износа рабочего слоя футеровки, при этом необходимо иметь ввиду, что стоимость одной операции факельного торкретирования в 2,5 раза выше, чем стоимость газодинамического. Межплавочные простои при факельном торкретировании в 3,3 раза больше чем при газодинамическом. В таблице 3.2 приведены данные стоимости одной операции торкретирования рабочего слоя футеровки.

Затраты на проведение одной операции торкретирования

футеровки 160тн конвертера.

Таблица 3.2

№ п.п	Наименование статьи расхода	Кол-во материала	Стоимость материала	Сумма, руб
				Газодинамическое Торк-ние	Факельное Торк-ние
1	Торкрет масса	7тн	1031р/тн	-	7217
2	Кислород	2500 м3	914,21р/м3	-	2286
3	Сжатый воздух	2500 м3	70,31р/м3	-	176
4	Азот	900 м3	237,96р/м3	214	-
5	Доломит	4,5тн	753,44р/тн	3390	-
6	Продолжительность операции, мин	-	-	3	10
7	Итого	-	-	3604	9679

Для получения гомогенного жидкоподвижного остаточного конвертерного шлака используют ошлакованный доломит, состав которого приводится в приложении 6. Непродолжительность операции газодинамического торкретирования (3мин) обусловлена стеканием набрызгиваемого шлака, который не успел затвердеть, со стенок конвертера, или его преждевременным свертыванием, что является результатом неправильной дачи доломита.

7. Перспективные направления повышения стойкости футеровки конвертеров в ОАО «НЛМК»

Обязательным условием эффективной эксплуатации конвертеров является сбалансированное сочетание степени загруженности конвертеров и необходимого количества мероприятий по уходу за футеровкой в процессе рабочей компании. Необходимость проведения того или иного горячего ремонта рабочего слоя футеровки определяется точностью определения степени износа огнеупоров. Существующий в цехе визуальный метод не позволяет с достаточной стойкостью определить необходимость проведения горячего ремонта, а при наличии защитного гарнисажа, становится невозможным сделать заключение о наличии остаточного рабочего слоя. Поэтому необходимо использовать соответствующее оборудование по контролю за футеровкой. На заводе Какочава (Япония) используют лазерную систему определения остаточной толщины рабочего слоя футеровки конвертера (рис. 3.12) Данную систему дополняет встроенный температурный FM - датчик, позволяющий осуществлять тонкий контроль за остаточным слоем футеровки конвертера на экстремальных участках ее эксплуатации. Лазерный пучок накрывает 20 точек контроля по всему рабочему периметру футеровки. Время измерения и выдачи результатов на дисплей составляет 15мин. FM датчик оснащен 7-9 термосопротивлениями, расположенными на различных расстояниях от зоны контакта с металлом. При контакте с жидким металлом термосопротивление резко меняется, что свидетельствует об определенной величине износа рабочего слоя футеровки.

Внедрение данного оборудования в условиях конвертерного производства позволит не только оптимизировать необходимость проведения мероприятий по уходу за футеровкой, но и в значительной мере сократить межплавочные простои агрегатов и расход дополнительных материалов (торкрет масса, кислород, азот, огнеупорные изделия).

Следующим важным моментом в оптимизации горячих ремонтов является их локализация - нанесение ограниченного количества огнеупорных материалов непосредственно на выработанный участок футеровки. В настоящее время существует множество установок югославского, немецкого производства для локального нанесения торкрет массы на отдельные «прожженные» участки футеровки. По нашему мнению наиболее применяемой, в условиях работы ККЦ-1, установкой является торкрет пушка, конструктивной особенностью которой является сосуд, работающий под давлением.

Принцип работы данной торкрет пушки заключается в порционной подаче торкрет массы фракции 0-2мм под давлением не менее 6атм в целенаправленном порядке на выбранные участки рабочего слоя футеровки. В качестве торкрет массы можно использовать известково-периклазовый клинкер на пековой связке, используемый в огнеупорном производстве ОАО «НЛМК». В зависимости от рабочего давления в накопительном бункере расход торкрет массы составляет от 200 до 400 кг/мин. Порядок работы торкрет пушки следующий.

1. Через загрузочный клапан (2) поместить необходимое количество торкрет массы в накопительный бункер (1) и прижать клапан (2) в верхнее положение;

2. Направить копье (4) на торкретируемый участок и подать воздух и подать воздух из магистрали в систему воздушной разводки (3), открыв вентиля (8) и (10) в указанной последовательности;

3. Убедившись в свободном прохождении воздуха через сопло копья открыть соответственно вентиля (11) и (9);

4. По достижении показаний манометра (12) соответствующих рабочему давлению включить электрический двигатель (6) на работу дозирующего редуктора (5);

5. По завершении операции торкретирования отключение производится в обратном порядке.

При необходимости - для увлажнения (смачивания) торкрет массы в копье подается связующий материал, им может быть отработанное индустриальное масло или мазут. Время работы торкрет пушки непродолжительное. За 1-1,5 мин наносится около 500кг огнеупорной массы, этого достаточно для первичной заделки локальной выработки рабочего слоя футеровки. После ошлакования этого места торкретирование можно повторить.

Заключение

Исходя из вышеизложенного материала можно сделать следующие выводы:

1. В мировой практике производства стали нет общепринятой концепции эксплуатации конвертеров в части соотношения загруженности агрегата и частотой применения мероприятий по уходу за футеровкой;

2. По нашему мнению наиболее приемлемым, для условий работы ККЦ-1 ОАО «НЛМК» является оптимизация количества операций по уходу за футеровкой, обеспечивающая максимально допустимую загрузку конвертеров (коэффициент эксплуатации должен находиться в пределах 23-24 единицы);

3. Наибольший эффект (срок продолжительности работы) торкрет слоя достигается при комплексном торкретировании с образованием чередующихся слоев: торкрет масса - шлаковый гарнисаж;

4. Для достижения оптимального режима ухода за футеровкой конвертера необходимо использовать специальное оборудование, для оперативного определения участков износа футеровки и степени ее выработки.

5. Представляется перспективным направление локального ремонта отдельных участков рабочего слоя футеровки.

Литература

1. Пивинский Ю.Е. «Новые огнеупорные бетоны и вяжущие системы - основополагающие направления в разработке производства и применения огнеупоров в XXI веке» Огнеупоры и техническая керамика 1998г. №2 с. 4-11.

2. Driscoll.M «East Asian refractories» Industrial Minerals. 1997г. August с. 25-41 анг.

3. Дои Дзе «Конвертерное производство стали» Металлургия М. 1971г. 295с. Пер с японского.

4. Kataoka C “Develonment of Retractories for Stielmaking in Jpan” Taikabutsu - Retractories 1996г. 48 №5 с.201-217.

5. Саганевич Ю.Д. «Состояние огнеупорной промышленности России и перспективы ее развития» Биллютень НТИ «Черная металлургия» 1997 вып.7-8.

6. Опагова И.Г. «Периклазоуглеродистые огнеупоры для футеровки кислородных конвертеров, дуговых печей и агрегатов внепечной обработки стали» Новости черной металлургии за рубежом 1995г. №1 с.137-149.

7. Ruh E “Worldwide Trends in Refractories ceramic industry” 1995г. 144 №2 с.31-38 анг.

8. Show-Wei X “Refrectories for tne Iron and Steil Industry” Interecram 1995. 44 №3 с.150-160 анг.

9. Baltcy J.H. “Total guslity teamwoking reduces refractories cost” Steilmaking Conferenct Proctdings. 1996.48 №5 с.487-494. анг.

10. Бибаев В.М. и др. «ОАО Комбинат «Магнезит» уверенно входит в третье тысячилетие» Огнеупоры и техническая керамика 2000г. №7 с.50-51 А.Я.Сарычев, В.Г.Овсянников и др «Исследование процесса службы периклазоуглеродистых набивных масс в футеровке 370тн конвертеров» Сталь, №3 1997 с.26-27.

11. В.П.Московчук «Совершенствование огнеупоров для конвертерного производства» Сталь, №3 2000г. С.28-30.

12. Р.С.Айзатулов и др. «Совершенствование способов ремонта 160тн конвертеров с применением нейтральных газов» Сталь №5 1999г. С.39-42.

13. П.С.Тахаутдинов и др. «Отработка нанесения шлакового гарнисажа на футеровку 370тн конвертеров» Сталь №11 1999г. С.27-28.

14. В.М.Кукарцев и др. «Способ ремонта футеровки конвертера» Пат. 213292. Россия МПК с.21 с5/44. ОАО «НЛМК».

15. В.А.Нечепоренко и др. «Технология ошлакования футеровки кислородных конвертеров» Теория и практика металлургии №3 1999г. С.22-23.

16. Macda K “Flame gunning repain” Taikobutsu - Refractories 1995. 47 №8 с.382-389 пер. с англ.

17. Демиденко Л.М. Полий Г.М. и др. «Торкретирование фетеровки кислородных конвертеров по ходу плавки без отключения дутья» Огнеупоры и техническая керамика 1996г. №3 с.27-29.

Размещено на Allbest.ru