Отчет по практике в ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат»

Кроме абсолютного значения температуры поверхности огнеупоров, большое влияние на стойкость футеровки оказывает характер изменения температуры во времени. При высокопроизводительной ритмичной работе конверторов и минимальных межпродувочных простоях износ футеровки уменьшается, так как колебания температур незначительны.

Необходимо отметить, что основной особенностью износа футеровки конвертеров верхнего кислородного дутья является локальный его характер. По-видимому, скорость износа футеровки определяется снижением MgO в футеровке конвертера.

Наиболее опасными с точки зрения износа футеровки являются те периоды, когда шлак не вспенен, но жидкотекуч, а выделяющиеся газовые объемы вызывают образование его всплесков, интенсивно омывающих футеровку. Такими периодами являются начальный и заключительный периоды продувки, во время которых скорость износа футеровки, как показывают данные практики, максимальна.

Износ огнеупоров в кислородных конвертерах имеет сложный характер и зависит от качества кирпича, технологии плавки и определяется действием следующих факторов:

• химическим перерождением огнеупоров под действием химических элементов шлака;
• высокой температурой процесса;
• механическим разрушением огнеупорной кладки металлом, шлаком и газообразными продуктами плавки, а также шихтовыми материалами при загрузке их в конвертер;
• резкими изменениями температуры поверхностного слоя кладки в перерывах между плавками [3];
• окисление коксовой пленки, скрепляющей зерна огнеупора и защищающего его от взаимодействия со шлаком;
• размывания потоками металла и шлака при продувке и чугуна при его заливке, размывания футеровки летки при сливе металла;
• знакопеременных нагрузок при повороте конвертера;
• высокотемпературного газового потока с высоким содержанием частиц пыли на футеровку горловины.

Перечисленные факторы износа можно объединить в три группы:

• взаимодействием футеровки со шлаком;
• термические воздействия;
• обезуглероживание поверхностного слоя футеровки кислородом воздуха во время простоев конвертера или кислородом воздуха, подсасываемого в конвертер по ходу продувки, особенно при высоком положении кислородной фурмы.

Из компонентов конвертерного шлака на растворение огнеупоров на углеродистой связке наибольшее  влияние оказывают оксиды железа.

Взаимодействие оксидов железа  с такими огнеупорами происходит с участием  газовой фазы, о чем свидетельствуют вспенивание шлака и выбросы в опытах со шлаком, состоящим из 100% оксидов железа. Газовая фаза в системе огнеупор - железосодержащий шлак  может образоваться только при взаимодействии оксидов железа с углеродом связки.

И третьей причиной износа, как отмечалось выше, является обезуглероживание поверхностного слоя футеровки кислородом воздуха.

Таким образом футеровка кислородных конверторов в процессе эксплуатации должна противостоять:

• интенсивным тепловым потоком, возникающим со стороны жидких фаз ванны, первичной реакционной зоны и особенно высокотемпературного факела, образующегося при расположении фурмы над ванной, что может привести к оплавлению футеровки. С подъёмом фурмы над ванной рассматриваемое действие усиливается. Поэтому применяемые огнеупоры должны иметь достаточно высокие температуры начала размягчения и плавления;
• резким изменениям температуры поверхностного слоя в перерывах между плавками. Поэтому футеровка должна обладать достаточной термостойкостью (сопротивление скалыванию). В этом отношении наиболее неблагоприятны условия службы верхних участков футеровки;
• эрозионно-механическому износу, возникающему при интенсивном движении жидких и твердых фаз ванны при продувке. В последнее время высказывается мнение, что данный вид износа в обычных условиях плавки не является существенным. Механический износ возникает при ударах кусков скрапа о футеровку при его загрузке. Поэтому загрузочную сторону футеровки иногда делают утолщённой. Причиной износа также может быть механическое воздействие на горловину при очистке ее от заплесков;
• агрессивному физико-химическому (коррозионному) воздействию жидких фаз ванны, особенно шлака, брызг и газовой фазы. Исследования показали, что разъедающее действие шлака на огнеупоры в сотни и более раз превосходит действие даже окисленного металла.

Действительно износ футеровки определяется комплексным действием всех указанных факторов, но в этом комплексе воздействие шлака, точнее шлаково- металлической эмульсии, является обычно основной причиной износа футеровки. Это подтверждается тем, что наиболее интенсивный износ футеровки наблюдается как правило, в средних и верхних участках футеровки, т.е. в зоне так называемого шлакового пояса и высокотемпературного факела.

Механизм разрушающего действия шлака на футеровку связан с миграцией окислов (FeO, SiO2 и др.) из шлака в поверхностные слои кирпича. С одной стороны, это вызывает образование легкоплавких растворов и химических соединений (ферритов кальция, различных эвтектик, силикатов кальция и других) с составляющими огнеупора и облегчает тем самым растворение поверхностного слоя футеровки в шлаке и его оплавление и, с другой стороны, обуславливает перерождение поверхностных слоёв кирпича и образование в нём зон с различными физическими свойствами (коэффициентами линейного расширения, плотностью, механической прочностью, термостойкостью), что способствует скалыванию (шелушению) кирпича при резких изменениях температур кладки. Поэтому очень важна шлакоустойчивость кирпича, зависящая от его плотности (пористости) и смачиваемости окисными расплавами. В износе обоженного кирпича, по мнению некоторых исследователей, большую роль обычно играет скалывание и образование трещин.

Химическое и микроскопическое исследование обожженного кирпича после службы в конвертерах позволили выявить его зональную структуру: за неизменной зоной располагаются последовательно обезуглероженная (0,5-2 мм) и флюсовая (рабочая) зоны небольшой глубины (до 3-5 мм). Как следует из исследований,  износ кладки конвертера, в основном состоит из следующих звеньев:

1. внешнего массопереноса, т.е. подвода компонентов шлака (FeO, SiO2) к поверхности огнеупора (и пор) и отвода от неё в глубинные слои жидкой фазы продуктов растворения и оплавления огнеупора;
2. внутреннего массопереноса, т.е. миграции компонентов шлака в огнеупоре (движение в порах, по границам зерен, проникновение в кристаллическую решетку огнеупора), сопровождающейся окислением графита, образованием легкоплавких растворов, химических соединений шлака с составляющими огнеупора и его перерождением.

В самом начале плавки, когда скорость окисления углерода, особенно в периферийных участках ванны, также мала, износ обожженных огнеупоров зависит от скорости движения шлака и звена внешнего массопереноса. На протяжении основной части плавки износ огнеупоров не зависит от интенсивности перемешивания ванны и звена внешнего массопереноса. Это подтверждается тем, что между скоростью окисление углерода (определяющей интенсивность перемешивания ванны, скорость движения шлака в ней) и скоростью износа футеровки в ходе плавки не наблюдается заметной связи. Обычно в период максимальной скорости окисления углерода по ходу плавки наблюдается минимальный износ огнеупора.

Таким образом, износ футеровки определяется длительностью контакта её со шлаком  и скоростью движения шлака.

Интенсивность износа футеровки существенно изменяется по ходу плавки: наиболее сильный износ происходит в начале плавки (вследствие высокой концентрации SiO2 и FeO в шлаке) особенно в конце продувки (комплексное действие высокой температуры ванны и повышеннго содержания окислов железа в шлаке). Вместе с тем характеры динамики износа по ходу продувки обоженных и безобжиговых огнеупоров несколько различаются.

Очень сильное влияние на стойкость футеровки оказывает состав шлака. Он определяет вязкость шлака, краевой угол смачивания шлаком поверхности огнеупора, поверхностное натяжение шлака, т.е. свойства, от которых зависит способность шлака проникать в поры футеровки, а также способность шлака образовывать в рабочей зоне футеровки легкоплавкие соединения, изменять химико-минералогический состав рабочей зоны, её огнеупорность и механическую прочность. По данным ряда исследований, увеличение содержания кремнезема в шлаке усиливает размывающие действие шлака на футеровку. Поэтому целесообразно снижать содержания кремния в чугуне (до определенного предела) и концентрацию SiO2 в сыпучих материалах, в руде.

Для уменьшения агрессивного воздействия шлака с повышенным содержанием кремнезёма на футеровку желательно всемерно ускорять растворение извести и формирование активного основного шлака.

При замене железной руды и части извести высокоосновным агломератом, окатышами (и частично плавиковым шпатом) значительно ускорят шлакообразование и существенно повышается стойкость футеровки (на 20-40%). Это особенно эффективно при охлаждении ванны в основном железной рудой. При комбинированном охлаждении ванны плавки металлическим ломом и небольшими присадками (10-15 кг на 1т стали) высокоосновного агломерата основность шлака и стойкость футеровки также повышаются (по сравнению с основностью шлака и стойкостью футеровки при охлаждении ванны только ломом).

В большинстве исследований выявлено отрицательное влияние кремнезема шлака и снижения основности шлака на стойкость футеровки, что связано, по-видимому, с превышением в обычных условиях оптимальной концентрации SiO2.

Содержание окислов железа в шлаке действует на службу футеровки двояко: с одной стороны, при обогащении шлака FeO ускоряется шлакообразование и уменьшается отрицательное действие кремнезёма на кладку, но, с другой стороны, миграция FeO в огнеупоры способствует их износу. Это обуславливает экстремальный характер зависимости износа футеровки и её стойкости от содержания окислов железа в шлаке (рисунок 2.2).

На левой ветви кривой рисунка 2.2 превалирует положительное влияние окислов железа на стойкость кладки. В случае применения обожженных огнеупоров обычно превалирует положительное влияние окислов железа на стойкость кладки.

При содержании окислов железа в шлаке выше оптимального значения, зависящего от типа огнеупоров и технологии плавки, усиливается износ кладки с ростом окисленности шлака (рисунок 2.2). Это особенно относится к конечному шлаку и кладке из огнеупоров, содержащих смолу и графит, для которых оптимальное содержание FeO в шлаке обычно ниже (8-12%), чем для обычных обожженных огнеупоров (13-15%). В этом случае чаще превалирует отрицательное влияние окислов железа шлака на стойкость кладки. В принципе желательно в начале плавки иметь шлаки с повышенным содержанием FeO для ускорения шлакообразования, но после растворения извести и образования гомогенного шлака в конце плавки ограничивать окисленность шлака. Это важно и сточки зрения показателей выхода годного и легко достижимо, ели изменять положение фурмы в ходе плавки и принять другие меры.

Исследования, проведенные Р.В. Огаревым и В.И. Явойским, показали, что наиболее растворимой в шлаке структурной составляющей, обезуглероженной зоны переклазоуглеродистого кирпича является окись кальция, а наиболее агрессивным компонентом шлака - окислы железа. По мнению этих исследователей, отрицательное влияние снижение основности шлака на стойкость футеровки связано не с непосредственным разъедающим действием кремнезема, а с повышением активности окислов железа в шлаке в этом случае. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что при основности шлака более 1,7, т.е. во второй половине плавки, когда происходит наибольший износ футеровки, увеличение содержания кремнезема в шлаке действительно сопровождается повышением коэффициента активности закиси железа в нем.

Обогащение шлака MgO при вводе магнезии в состав шлакообразующих материалов, например в видеизвестковомагнезиального флюса, затрудняет переход MgO из огнеупоров в шлак вследствие изменения перепада концентраций MgO в шлаке (приближения к пределу растворимости магнезии в шлаке), а также некоторого улучшения шлакообразования, уменьшение активности кремнезема и закиси железа в шлаке. При чрезмерном обогащении шлака MgO резко возрастает его вязкость и затрудняется формирование активного шлака.

Присадки электродного боя (содержащей углерод и легкоплавкие соединения), двояко влияют на условие службы футеровки: с одной стороны, электродный бой заменяет дорогостоящий плавиковый шпат, он ускоряет растворение извести и способствует быстрому шлакообразованию, с другой вызывает растворение футеровки. Наибольшая стойкость футеровки достигается при некоторой оптимальной присадке электродного боя, зависящей от типа применяемых огнеупоров и особенности технологии процесса.

С увеличением количества шлака обычно усиливается износ футеровки. Так как, большое количество шлака, образующегося при переделе высокофосфористого чугуна, является основной причиной пониженной стойкости футеровки в этом случае. Оставление небольшого количества конечного шлака в конвертере (1/3-1/4 от общего его количество обусловливает ускорение шлакообразования и может положительно влиять на стойкость кладки.

При увеличении расхода лома на плавку несколько ухудшаются условия шлакообразования и незначительно удлинятся процесс продувки. Однако стойкость футеровки конвертера при замене железной руды ломом и увеличении доли лома в металлошихте обычно повышается (рисунок 2.3, а), что обусловлено снижением количества кремнезема, вносимого в шлак, снижением количества шлака (вследствие уменьшения концентрации кремния и других примесей в металлошихте) и более низкой в среднем температурой ванны в течении почти всей плавки.

В лабораторных исследованиях при постоянном составе шлака четко выявлено увеличение износа огнеупоров (перехода в шлак) с ростом температуры шлака. Вместе с тем изменение температуры стали в обычных пределах, по данным ряда исследований, слабо влияет на стойкость футеровки, поскольку отрицательное влияние повышение температуры на стойкость кладки нейтрализуется ее положительным влиянием на шлакообразование. Лишь превышение в конце плавки некоторого предельного значения температуры ванны (1625-16500С), зависящего от марки стали и особенностей технологии, приводит обычно к заметному увеличению износа футеровки.

Сокращение перерывов между плавками, уменьшая колебания температур футеровки и окисление графита кирпича, способствует уменьшению износа скалыванием и повышению стойкости кладки.