Современная футеровка для крупных кислородных конвертеров

Разработка универсальных подходов к конструированию футеровки кислородных конвертеров с применением принципа сравнительного прогнозирования износа различных участков кладки в зависимости от специфики их нагружения – одно из направлений исследований на ведущих металлургических предприятиях Европы и Азии. Стандартной практикой в настоящее время является применение периклазоуглеродистых штучных изделий (содержание углерода 5-25% в зависимости от условий эксплуатации) в качестве основной футеровки на основе смеси высокочистого плавленого и спеченного магнезита.

Классической схемой кислородно-конвертерного процесса принято считать совокупность технологических операций по переработке жидкого чугуна и некоторого количества добавленного металлолома путем вдувания в расплав технически чистого кислорода, что позволяет удалить углерод и повысить температуру расплава. Как правило, при кислородно-конвертерной плавке, длящейся примерно 35-45 мин, содержание углерода уменьшают с уровня ~ 4,0 до 0,1 % и ниже. В ходе плавки температуру расплава повышают до 1635-1680 оС. Примечательно, что для проведения конвертерной плавки дополнительный (внешний) источник тепла не требуется.

Между тем, система технологий производства стали в конвертерах с применением кислорода непрерывно совершенствуется, что в ряде случаев и определяет дальнейший научно-технический прогресс в черной металлургии в целом. Приоритет отдается технологическим решениям и построениям, которые направлены на уменьшение потерь энергии, железа, огнеупоров и других расходуемых материалов при снижении вредного влияния на окружающую среду за счет уменьшения выбросов СО2 и пыли, эффективной переработки металлолома и технологических отходов, утилизации технической воды, развития транспортной системы и т. п. Наибольшее распространение в мире получила верхняя и комбинированная продувки кислородом сверху и нейтральным газом снизу. Через донные фурмы могут вдуваться не только аргон или азот, но и CO2 с интенсивностью до 0,1 м3/(т мин) и даже СО.

Огнеупорная кладка конвертера в жестком режиме эксплуатации подвергается многочисленным термомеханическим и химическим воздействиям, которые требуют учета их специфики при конструировании футеровки.

Во время действия механических нагрузок, которые обычно вызваны процессами загрузки шихты, движением металла и шлака, вдуванием различных газов и расходных материалов, опрокидыванием конвертера, а также несовершенством укладки штучных изделий, появляются значительные участки футеровки, имеющие достаточно высокие внутренние напряжения и даже сдвиг штучных изделий относительно друг друга.

Действие термических нагрузок на футеровку, вызывающих, как правило, трещины, следует связывать с ее неравномерным нагреванием и протеканием экзотермических реакций, инфильтрацией металла, циклическим нагреванием и охлаждением футеровки вследствие дискретности процесса выплавки стали, а также изменением режимов продувки жидкой ванны.

Химические нагрузки на футеровку появляются вследствие протекания реакций гидратации, взаимодействия окислительно-восстановительных реакций с образующимся шлаком, а также изменения положения металла и шлака по ходу плавки.

На практике основными зонами повышенного износа футеровки конвертера принято считать: зону контакта футеровки со скрапом и жидким чугуном при их падении во время загрузки; зону, расположенную в области цапф; днище (особенно для конвертеров с комбинированной продувкой); гнездовой блок летки для слива стали; зону шлакового пояса; горловину и пр. Сбалансированный износ футеровки в целом обеспечивается использованием в отдельных зонах футеровки различных по качеству и толщине огнеупорных изделий. При этом актуальной остается общая задача, связанная с повышением стойкости футеровки путем улучшения ее конструктивных элементов, что реализуется через постоянное усовершенствование проектов.

Опыт эксплуатации футеровки 350-тонных конвертеров с верхней продувкой на металлургическом комбинате «Азовсталь», накопленный фирмой «Puyang Refractories Group Co., Ltd.» в течение последних пяти лет, показывает, что существует достаточно большой резерв повышения стойкости футеровки. Так, в течение 14 кампаний работы конвертеров стойкость футеровки конвертеров удалось повысить с 2100 до 4046 плавок, то есть почти в 2 раза.

Достигнутый результат обусловлен, в первую очередь, комплексным подходом к проблеме гармонизации эксплуатационной стойкости наиболее изнашиваемых участков футеровки, совершенствованием конструкции огнеупорной кладки, а также новыми подходами и материалами для ее текущего ремонта.

Для обеспечения высоких показателей срока службы крупных конвертеров с комбинированным дутьем фирмой «Puyang Refractories Group Co., Ltd.» разработаны комплексные мероприятия, учитывающие явление шлаковой эрозии и снижающие эффект окисления углерода, входящего в состав огнеупорных изделий. Чтобы предотвратить выгорание углерода, в них повышена плотность материала, оптимизировано содержание углерода (в зависимости от парциального давления кислорода в рабочей атмосфере), а также применены специальные антиоксиданты, многократная пропитка изделий, торкретирование и подварка футеровки в процессе эксплуатации. При этом для футеровки применяется зональный принцип кладки, при котором в различных зонах футеровки конвертера используют огнеупорные изделия различного химического состава и типоразмеров.

На рис. 1 представлена схема футеровки 300-тонного конвертера ОАО "Алчевский металлургический комбинат" фирмы «Puyang Refractories Group Co., Ltd.», которая используется в настоящее время.

Одной из отличительных особенностей данного проекта является конструкция днища с установленными непосредственно в кладке 14-ю монолитными огнеупорными фурмами с огнеупорной частью длинной 1100 мм. Учитывая кольцевую кладку, фирмой предоставлен оригинальный проект, позволяющий выполнить установку продувочных фурм согласно заданной схемы, создав при этом сплошную огнеупорную конструкцию.

Для условий конвертерного цеха ОАО «Алчевский металлургический комбинат» достигнута стойкость днища, достаточная для обеспечения всей кампании работы футеровки без его замены.

Наиболее быстро изнашиваемым элементом футеровки конвертера является футеровка сталевыпускного отверстия, которая эксплуатируется в крайне жестком тепловом режиме: во время выпуска плавки рабочая поверхность быстро нагревается с 400-700 до 1600-1800 оС и подвергается абразивному воздействию со стороны жидкого металла и шлака. Для повышения стойкости огнеупорной части летки фирмой «Puyang Refractories Group Co., Ltd.» разработана специальная конструкция изделия в виде моноблока, что упрощает ее обслуживание и повышает надежность. В качестве материала для леток используется электроплавленный крупнокристаллический магнезит (более 97,5 %) с добавлением чистого графита (10-14 %) и устойчивых к окислению специальных добавок, а также фенолоальдегидной смолы. Формовка изделий производится методом изостатического прессования (кажущаяся пористость 4-5 %). Как показала практика, такие изделия обладают повышенной механической прочностью (предел прочности на сжатие – не менее 40 МРа), коррозионной и эрозионной устойчивостью. Это обеспечивает повышенный срок службы летки – 110-150 плавок.

Одним из важнейших элементов повышения стойкости футеровки конвертеров является применение современных методов контроля ее состояния, позволяющих измерять профиль футеровки и степень ее износа. Примером такого оборудования может служить лазерная система измерения профиля футеровки. Обнаруженные участки с малой толщиной футеровки ремонтируют торкретированием и раздувом шлака или подваркой.

Горячим торкретированием восстанавливают, как правило, локальные зоны повышенного износа (цапфенная зона, область летки и рабочая зона конвертера). Для горячего ремонта конвертера применяются подварочные массы и брикеты на основе высококачественного магнезита (65-70 % MgO) с добавлением углерода (около 10 %) специальных органических соединений (смола или пек). Эти массы имеют высокую прочность сцепления, хорошую высокотемпературную текучесть, устойчивость к размыванию и эрозии. Механизм работы таких масс заключается в следующем: при высокой температуре материал быстро размягчается и превращается в жидкоподвижную субстанцию, которую легко распределять по поверхности футеровки независимо от размеров участков. В результате этого происходит хорошее спекание массы и основной футеровки, что повышает срок службы основной футеровки.

Вывод

Современные требования к футеровке сочетают в себе необходимость достижения ее высокой стойкости при минимизации удельных затрат на огнеупоры. В целом полученные практические результаты подтверждают, что системный подход, заключающийся в постоянном совершенствовании проектов в области гармонизации износа различных зон футеровки в совокупности с применением новых огнеупорных периклазоуглеродистых материалов и типоразмеров изделий, обеспечивает повышение ее стойкости.

Весьма важным фактором в этом плане является система проведения работ по текущему ремонту футеровки, позволяющих не только восстановить изношенную часть, но и защитить кладку от разрушающего воздействия. При этом следует иметь в виду, что максимальный эффект в повышении стойкости футеровки и снижении удельных затрат на 1 т стали достигается также вследствие совершенствования конструкции кладки совместно с коррекцией некоторых технологических аспектов ведения плавки, которые могут влиять на износ рабочего слоя.

Приложение 1. Перечень ссылочных документов

Продолжение приложения 1.