01 Влияние изменения функций стальных лотков на футеровку

 

С развитием вторичной очистки стальных лотков из емкостей для хранения расплавленной стали они превратились в важное металлургическое оборудование для вторичной очистки, в связи с чем условия использования футеровки стальных лотков также претерпели значительные изменения, которые проявились в следующих аспектах:

 

(1) Температура расплавленной стали в ковше для вторичной очистки значительно повысилась, обычно на 50-100 °C по сравнению с обычным ковшом, а в процессе очистки может превышать 150 °C. Чем выше температура, тем быстрее происходит эрозия огнеупорных материалов расплавленной сталью и шлаком.

 

(2) Усиливается циркуляция расплавленной стали в ковше для вторичной очистки. Из-за использования таких технологий, как вдувание аргона, электромагнитное перемешивание и вакуумная обработка, стальная жидкость оказывает серьезное воздействие на огнеупорные материалы, вызывая их размывание и износ.

 

(3) Повышается коррозионная активность шлака в стальных лотках для вторичной очистки. Поскольку в печах для вторичной очистки необходимо проводить глубокую десульфуризацию и выплавку фосфорного шлака, шлак имеет высокую щелочность и большой объем, что значительно усиливает коррозионное воздействие на огнеупорные материалы.

 

(4) Время нахождения стали в ковше для вторичной очистки значительно увеличивается, в 1-3 раза по сравнению с обычным ковшом, в результате чего срок службы огнеупорных материалов ковша значительно сокращается.

 

(5) Поскольку ковши для вторичной очистки в большинстве случаев используются в условиях высокой температуры и вакуума, в вакуумных условиях скорость испарения огнеупорных материалов ускоряется, что также снижает их стойкость к эрозии.

 

02 Какие требования предъявляются к огнеупорным материалам для стальных ковшей

 

Развитие технологии вторичной очистки стальных ковшей привело к тому, что огнеупорные материалы для стальных ковшей должны удовлетворять следующим требованиям:

 

Изображение

(1) Высокая термостойкость. Способность выдерживать длительное воздействие высокотемпературной расплавленной стали без плавления и размягчения.

 

(2) Термоударная стойкость, способность выдерживать многократное наполнение и опорожнение стальным расплавом без растрескивания и отслаивания.

 

(3) Устойчивость к воздействию шлака, способность выдерживать воздействие шлака и изменения его щелочности на внутреннюю облицовку.

 

(4) Достаточная механическая прочность при высоких температурах, способность выдерживать воздействие перемешивания и размывания расплавленной стали.

 

(5) Внутренняя облицовка обладает определенной расширяемостью, под воздействием расплавленной стали высокой температуры внутренние облицовки плотно соприкасаются и образуют единое целое.

 

03 Требования к рабочей футеровке стального ковша

 

Рабочая футеровка стального ковша является важной частью, контактирующей с расплавленной сталью и шлаком, и в процессе эксплуатации подвергается воздействию эрозии, размыва, плавления и термоударного разрушения со стороны расплавленной стали и шлака, поэтому при эксплуатации она должна отвечать следующим требованиям:

 

(1) Рабочая футеровка должна быть проста в установке, удобна в эксплуатации, снижать трудоемкость и повышать производительность труда. Она должна иметь хорошую приспособленность к обжигу, снижать энергопотребление при обжиге, одновременно увеличивая коэффициент использования стального ковша, продлевая срок его службы и сокращая количество запасных ковшей.

 

(2) При использовании в условиях высоких температур она должна иметь хорошие высокотемпературные характеристики, не только обладать высокой огнеупорностью и определенной высокотемпературной прочностью, но и иметь хорошую химическую стабильность, чтобы гарантировать, что в условиях высоких температур не произойдет вторичного окисления стального расплава, не будет загрязнения стального расплава и не снизится качество стальных заготовок.

 

(3) В процессе эксплуатации он должен обладать хорошей стойкостью к эрозии и проникновению шлака, а также устойчивостью к воздействию расплавленной стали и шлака, что способствует увеличению срока службы рабочей футеровки стального ковша, снижению расхода огнеупорных материалов и уменьшению загрязнения расплавленной стали огнеупорными материалами.

 

(4) Рабочая футеровка должна обладать хорошей термостойкостью и стабильностью объема, не разрываться при контакте с расплавленной сталью, обеспечивая хорошую целостность стального ковша.

 

(5) Рабочая футеровка стального ковша также должна иметь низкую теплопроводность, хорошие теплоизоляционные свойства, способствовать уменьшению тепловых потерь в промежуточном ковше и поддержанию стабильной температуры расплавленной стали в промежуточном ковше.

 

(6) После использования рабочая футеровка должна легко сниматься, рабочий слой и постоянный слой должны легко отделяться, что способствует уменьшению повреждения постоянной футеровки стального ковша огнеупорными материалами и продлению срока службы стального ковша.

 

04 Причины повреждения огнеупорных материалов стального ковша

 

Процесс оборота стального ковша: выпуск стали из конвертера/электропечи → вторичная очистка → непрерывное литье стали → подготовка стального ковша → ожидание выпуска стали. Нормальное время оборота составляет 100-140 минут в зависимости от марки стали и машины непрерывного литья. Температура выливки из стального ковша составляет 1680-1700 °C, время наполнения стальным ковшом составляет 100-120 минут, типичный состав шлака стального ковша при непрерывной разливке стали (%): Al₂O₃ 17-26%, SiO₂ 8-10%, CaO 42-47%, MgO 5-11%, FeO 18-22%. При выплавке сверхнизкоуглеродистой стали, такой как кремниевая сталь, сталь для мостов, сталь для автомобильных листов, необходимо проводить вакуумную обработку, а также использовать перемешивание аргоном на дне ковша и LF-печь с помощью дугового нагрева, восстановительной атмосферы в печи, рафинирования с образованием белой шлаки, перемешивания газом и других средств, чтобы усилить термодинамические и кинетические условия, десульфуризацию, легирование, повышение температуры и другие комплексные эффекты рафинирования. В результате диапазон щелочности шлака становится широким, температура расплавленной стали и шлака выше, время пребывания расплавленной стали в ковше увеличивается, термоударная стойкость высокая, сила перемешивания большая, что усиливает повреждение внутренней облицовки ковша.

 

Причины повреждения следующие:

 

Во-первых, стальной ковш используется для транспортировки расплавленной стали высокой температуры. Во время транспортировки расплавленная сталь и шлак с температурой около 1680 °C подвергают его эрозии, особенно в области шлаковой линии, где эрозия наиболее сильная, что является важным фактором, определяющим срок службы ковша.

 

Во-вторых, внепечная очистка, такая как LF, приводит к серьезному повреждению не обожженных кирпичей.

 

В-третьих, при выпуске стали из конвертера и вытекании стального расплава внутренняя облицовка подвергается резким перепадам температуры, что приводит к появлению трещин и отслоению материала облицовки.

 

В-четвертых, при загрузке стального расплава в конвертер стальной расплав высокой температуры сильно размывает дно ковша, что приводит к повреждению материала облицовки в этой области из-за теплового удара.

 

05 Как уменьшить отслоение конструкции огнеупорных материалов сталелитейного ковша

 

В процессе эксплуатации огнеупорных материалов шлак легко проникает из нагреваемой поверхности вглубь, что приводит к значительному снижению пористости вблизи рабочей поверхности и ее уплотнению, образуя очень толстый слой метаморфизма. При резких перепадах температуры на границе между слоем метаморфизма и исходным слоем кирпичей образуются трещины, параллельные рабочей поверхности, что приводит к отслоению и повреждению кирпичей. Уменьшить отслоение конструкции огнеупорных материалов можно путем уменьшения глубины проникновения шлака, для чего можно принять следующие меры:

 

(1) Повысить устойчивость огнеупорных материалов к проникновению шлака;

 

(2) Уменьшить пористость огнеупорных материалов, уменьшив пути проникновения шлака;

 

(3) Обеспечить реакцию шлака с огнеупорными материалами с образованием преграды из соединений с высокой температурой плавления, препятствующей проникновению шлака;

 

(4) Увеличить вязкость шлака. Чем выше вязкость шлака, тем меньше его эрозионное воздействие на огнеупорные материалы.

 

06 Основные функции перфорированных кирпичей для стальных лотков

 

Перфорированные огнеупорные кирпичи для стальных лотков являются ключевым функциональным элементом процесса вторичной очистки. Их основные функции заключаются в следующем:

 

(1) Регулирование равномерного распределения температуры расплавленной стали в стальном лотке для достижения оптимальной температуры литья в рамках существующего технологического процесса.

 

(2) С помощью продувки воздухом можно обеспечить равномерное распределение сплава и деоксиданта в сталеплавильном ковше.

 

(3) Можно переносить неметаллические включения из расплавленной стали в шлак, чтобы обеспечить требуемую чистоту расплавленной стали.

 

Для реализации вышеуказанных функций необходимо вдувать инертный газ, используемый для рафинирования, в стальной ковш через перфорированные кирпичи. На поверхности контакта перфорированных кирпичей с расплавленной сталью, то есть на рабочей поверхности перфорированных кирпичей, под достаточным давлением выдуваемые пузырьки образуют струю газа, которая перемешивает расплавленную сталь во всем стальном ковше, стимулируя ее движение, что приводит к выравниванию температуры и состава в стальном ковше. в то же время непрерывно выдуваемые пузырьки под действием межфазного взаимодействия переносят неметаллические включения из расплавленной стали в шлак, достигая цели очистки расплавленной стали.

 

07 Необходимые характеристики перфорированных кирпичей для стальных лотков

 

Чтобы перфорированные огнеупорные кирпичи могли выполнять вышеуказанные металлургические функции, они должны обладать следующими основными характеристиками:

 

(1) Хорошая воздухопроницаемость. Воздухопроницаемость является одним из важных параметров, определяющих качество воздухопроницаемых кирпичей. Исследования показывают, что перемешивание расплавленной стали пропорционально расходу вдуваемого газа; перемешивание напрямую влияет на эффективность перемешивания расплавленной стали, и только при достаточном перемешивании можно добиться хорошего результата. При постоянном расходе аргона, чем больше выдуваемых пузырьков аргона, тем лучше дегазация и перемешивание расплавленной стали.

 

(2) Устойчивость к коррозии при высоких температурах. К температуре и времени рафинирования в сталеплавильном ковше предъявляются очень строгие требования: максимальная температура часто достигает 1750 °C и более, а время рафинирования иногда составляет несколько десятков минут. В процессе рафинирования щелочность шлака оказывает большое влияние на срок службы перфорированных кирпичей. Поэтому перфорированные кирпичи подвергаются коррозии под воздействием щелочного шлака, который при высоких температурах обладает высокой проницаемостью, и быстро разрушаются.

 

(3) Высокая термостойкость. При додуске аргоном в стальной котел, вследствие додуски аргоном, расплавленный металл движется в котле с большой скоростью, что значительно увеличивает эрозионный износ материала футеровки печи, а также домуфтирующих кирпичей и опорных кирпичей. При горячем ремонте стального ковша для удаления остатков стали и шлака с поверхности воздухопроницаемых кирпичей и восстановления их воздухопроницаемости необходимо провести очистку поверхности воздухопроницаемых кирпичей с помощью кислородной продувки, чтобы расплавить прилипший к поверхности воздухопроницаемых кирпичей стальной шлак; одновременно в воздухопроницаемые кирпичи вдувается газ, который выдувает расплавленный шлак. В процессе очистки воздухопроницаемые кирпичи подвергаются воздействию высокоскоростного воздушного потока, поэтому они должны обладать хорошей износостойкостью при высоких температурах.

 

(4) Хорошая термостойкость. Поскольку стальной котел работает в прерывистом режиме, при заливке стального котка в стальной котел концы перфорированных кирпичей подвергаются воздействию высокотемпературного стального котка, температура резко повышается, при продувке аргоном происходит охлаждение холодным потоком воздуха, что приводит к возникновению больших тепловых напряжений внутри материала. В то же время, при вливании расплавленной стали в пустой ковш также происходит значительное изменение температуры, поэтому условия эксплуатации воздухопроницаемых кирпичей очень жесткие, и они очень легко подвержены тепловому отслоению и разрушению структуры.

 

(5) Требования к простоте установки, безопасности и надежности. Воздухопроницаемые кирпичи устанавливаются внутри кирпичей дна ковша, условия эксплуатации очень жесткие, срок службы воздухопроницаемых кирпичей ковша не может совпадать со сроком службы всего ковша, поэтому воздухопроницаемые кирпичи необходимо заменять. Поэтому требуется простота установки, безопасность и надежность в эксплуатации, чтобы избежать утечек и протечек стали.

 

08 Общая классификация перфорированных кирпичей для стальных лотков

 

После многолетнего развития перфорированных кирпичей, в настоящее время существует три основных типа конструкций: диффузный, щелевой и с прямыми отверстиями.

 

Диффузионные перфорированные кирпичи являются самой ранней формой перфорированных кирпичей. Благодаря высокой пористости материала, большое количество пор обеспечивает проход инертных газов. Недостатком таких диффузионных перфорированных кирпичей с пористой поверхностью является низкая прочность, плохая стойкость к эрозии, склонность к отслоению под воздействием расплавленной стали и шлака, а также плохой эффект перемешивания расплавленной стали. В настоящее время они редко используются в перфорированных кирпичах для стальных лотков в Китае.

 

Щелевые перфорированные кирпичи бывают двух видов: один из них состоит из нескольких тонких пластин, соединенных в центре кирпича, образующих щель, а снаружи залит бетоном, то есть так называемый «сварной» тип. Недостатком этого типа перфорированных кирпичей является плохая контролируемость вдуваемого газа. Другой тип — это кирпичи, в которых заранее залиты десятки прямых щелей, то есть так называемые «щелевые». По сравнению с первым типом, щелевые кирпичи имеют более длительный срок службы, высокую эффективность продувки, большой расход газа и хороший эффект перемешивания.

 

Кирпичи с прямыми отверстиями изготавливаются путем заделывания в кирпичи различного количества тонких стальных трубок, газовые каналы состоят из множества прямых микротрубок, формируются методом заливки. По сравнению с диффузными перфорированными кирпичами, перфорированные кирпичи с прямыми отверстиями имеют лучший эффект перемешивания и срок службы, увеличенный в 2-3 раза, однако их недостатком является ограниченный расход газа, что впоследствии часто приводит к снижению пропускной способности или невозможности продувки, что приводит к сбою процесса рафинирования.

 

09 Способы установки перфорированных кирпичей в стальных лотках

 

Установка перфорированных кирпичей может быть внутренней или внешней. Внутренняя установка означает, что перфорированные кирпичи и опорные кирпичи предварительно собираются вместе снаружи стального ковша. При кладке стального ковша очищается место для перфорированных кирпичей на дне ковша, после кладки завесы из кирпичей перфорированные кирпичи с опорными кирпичами поднимаются в это место, а затем поочередно кладутся дно и футеровка ковша. Наружный монтаж состоит из опорных кирпичей, кольцевых кирпичей и воздухопроницаемых кирпичей. При кладке стального ковша после установки опорных кирпичей на дне ковша можно класть дно и стенки ковша, а затем равномерно нанести огнеупорную глину на внешнюю сторону кольцевых кирпичей и воздухопроницаемых кирпичей, последовательно с силой установить их в опорные кирпичи, заделать нижнюю часть кольцевых кирпичей и воздухопроницаемых кирпичей подкладными кирпичами, закрыть фланцем и обжечь. Внутренние воздухопроницаемые кирпичи используются в случаях, когда срок службы футеровочных кирпичей и воздухопроницаемых кирпичей одинаков, а внешние подходят для случаев, когда воздухопроницаемые кирпичи необходимо часто заменять. В связи с низкой безопасностью, низкой надежностью и сложностью замены внутренних воздухопроницаемых кирпичей, в настоящее время почти во всех стальных лотках используются внешние воздухопроницаемые кирпичи.

 

10 Распространенные материалы для изготовления перфорированных кирпичей для стальных лотков

 

В настоящее время перфорированные кирпичи изготавливаются из таких материалов, как корунд, хромокорунд, высокоалюминиевый и магниево-хромовый.

 

A. Агломерат из корунда и шпинели

 

Однофазный корундовый бетон имеет неидеальную стойкость к шлаку и термоударную стойкость, в то время как шпинель обладает хорошей стойкостью к коррозии шлаком. В соответствии с принципом улучшения свойств огнеупорных материалов путем многофазной модификации, в корундовый бетон добавляют высокочистую электроплавленную шпинель для улучшения его свойств. В качестве сырья используется пластинчатый корунд в качестве гранулированного материала, электроплавленый белый корунд, шпинель, активный микропорошок α-Al₂O₃ и т. д. в качестве мелкого порошка, а также кальциево-алюминиевый цемент в качестве связующего вещества. Преимуществом является значительное повышение термоударной стойкости и стойкости к воздействию шлака; недостатком является то, что в процессе высокотемпературной обработки шпинель изменяет свой объем, что приводит к плохой стабильности объема воздухопроницаемого кирпича и затрудняет контроль в процессе производства.

 

B. Воздухопроницаемые кирпичи на основе системы корунд-оксид хрома

 

Для дальнейшего повышения устойчивости воздухопроницаемых кирпичей к воздействию стального шлака в изделия добавляется определенное количество микропорошка оксида хрома. Основным сырьем является пластинчатый корунд в качестве гранулированного материала, мелкодисперсный порошок пластинчатого корунда, микропорошок оксида хрома в качестве мелкодисперсного порошка и кальциево-алюминиевый цемент в качестве связующего вещества. При высокой температуре оксид хрома и оксид алюминия образуют высокотемпературный твердый раствор, одновременно с небольшим количеством оксида магния образуя частичный твердый раствор MgO·Cr₂O₃-MgO·Al₂O₃. Этот твердый раствор значительно повышает устойчивость к эрозии Fe₂O₃ или шлака и имеет очень высокую вязкость, что позволяет эффективно предотвращать проникновение и эрозию стального шлака при высоких температурах. В то же время небольшое количество Cr₂O₃ может сдерживать чрезмерный рост Al₂O₃, а также уменьшать напряжение внутри кристаллов и улучшать физические свойства материала. Однако при добавлении слишком большого количества Cr₂O₃ рост кристаллов корунда будет чрезмерно сдерживаться, что приведет к возникновению внутреннего напряжения и ухудшению физических свойств материала. Кроме того, Cr₂O₃ имеет относительно высокую стоимость, поэтому добавление слишком большого количества этого компонента значительно увеличит стоимость материала; кроме того, Cr₂O₃ вызывает серьезное загрязнение окружающей среды.

 

C. Алюминиево-шпинелевые воздухопроницаемые кирпичи

 

Алюминиево-шпинелевые воздухопроницаемые кирпичи являются наиболее широко используемым материалом, основными сырьевыми компонентами которого являются пластинчатый корунд, микропорошок α-Al₂O₃, шпинель и чистый кальциево-алюминиевый цемент. Их преимуществом является то, что шпинель обладает высокой устойчивостью к кислотам и щелочам, а также является соединением с высокой температурой плавления и имеет хорошие эксплуатационные характеристики. Алюмомагниевый шпинель обладает высокой устойчивостью к щелочным шлакам и стабильным воздействием на оксиды железа. При контакте с магнетитом при высоких температурах происходит реакция с образованием твердого раствора, что повышает устойчивость воздухопроницаемых кирпичей к коррозии при высоких температурах. В то же время, шпинель с твердым раствором MgO или Al₂O₃ обладает лучшей термостойкостью благодаря разнице в коэффициентах расширения минералов. Недостатком является то, что при образовании шпинели из MgO и Al₂O₃ в соответствии с теоретическим составом происходит объемное расширение примерно на 8%, в результате чего при обжиге трудно добиться уплотнения, а изменение объема воздухопроницаемых кирпичей трудно контролировать.

 

D. Воздухопроницаемые кирпичи на основе системы корунд-хромоксид

 

Воздухопроницаемые кирпичи на основе системы корунд-хромоксид были созданы на основе системы корунд-шпинель с целью повышения стойкости воздухопроницаемых кирпичей к отслаиванию при высоких температурах. Основными сырьевыми материалами являются пластинчатый корунд, микропорошок α-Al₂O₃, промышленный оксид хрома, шпинель, а также чистый кальциево-алюминиевый цемент. Их преимуществом является то, что на основе улучшения характеристик кирпичей шпинели, твердый раствор, образованный Al₂O₃-Cr₂O₃, противостоит эрозии оксидной железорудной шлаки.