Влияние эксплуатационных факторов на стойкость рабочей футеровки сталеразливочных ковшей

канд. техн. наук А. А. Кондрукевич, Д. В. Рябый

Потребности рынка и пути снижения удельных затрат на тонну готовой продукции требуют периодической дифференциации в сортаменте выплавляемых марок стали или внесения корректировок в металлургический процесс при выплавке стали. Следствием этого являются изменения условий эксплуатации сталеразливочных ковшей, которые сказываются на стойкости футеровки, в 90-95 % рабочего слоя. Так как в настоящее время на большей части сталеразливочных ковшей, обрабатываемых на установках ковш-печь (УКП) и разливаемых на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) используются периклазоуглеродистые (ПУ), алюмопериклазоуглеродистые (АПУ) или шпинелепериклазоуглеродистые (ШПУ) изделия в различной компоновке, то взаимодействие отдельных компонентов данных огнеупоров с агрессивными средами (продукты плавки, атмосфера и т.д.) являются определяющими факторами в их стойкости.

В работе [1] рассматриваются влияние некоторых металлургических факторов на стойкость рабочей футеровки стальковшей, таких как время обработки плавки на установке ковш-печь (УКП), общего времени нахождения металла в стальковше, среднесуточного производства, температуры металла на выпуске плавки из конвертера и времени нагрева металла на УКП. В данной работе пойдет речь о равностойкой дифференцированной футеровке [2] рабочего слоя сталеразливочных ковшей (стальковшей) эксплуатируемой в конвертерном цехе выплавляющим низколегированный, углеродистый и низкокремнистый сортамент с достаточной оборачиваемость стальковша более 4,5 плавок/сутки. Следует отметить, что доля плавок обрабатываемых на УКП – 100 %, разливка на МНЛЗ осуществляется открытой струей. А также о влиянии различных эксплуатационных параметров на процессы, протекающие в огнеупорах рабочего слоя.

Для рабочего слоя футеровки стен (зоны стали и шлакового пояса) стальковша при осуществлении их углеродсодержащими огнеупорами следует отметить следующие основные агрессивные среды - атмосферный кислород воздуха и продукты плавки (металл и шлак).

Для углеродсодержащих огнеупоров характерно частичное выгорание углерода в поверхностном слое на глубину примерно до 10 мм и термическое растрескивание изделий, которому подвержены в большей степени основные углеродсодержащие огнеупоры.

Для предотвращения окисления углерода ПУ, АПУ и ШПУ изделий от данных агрессивных существует несколько методов [3], такие, как: физический (пассивация), химический, структурный, термический и атмосферный.

Все эти методы в совокупности могут привести к значительному приросту стойкости футеровки (10-25 %) в процессе ее эксплуатации. В частности, при разогреве футеровки на смежных графиках с сушкой заливного бетонного донышка (график сушки и разогрева длиться от 44 до 60 часов) стальковша перед его вводом в эксплуатации, зарекомендовала себя технология физической защиты, за счет нанесения антиокислительного покрытия. Оно позволяют минимизировать глубину обезуглероженного слоя и увеличить стойкость за счет этого на 1-2 плавки.

Часто используемый химический метод позволяет значительно снизить окисление углерода в том числе и при длительных разогревах. При этом значительную роль играет чистота самого графита, что подтверждается исследованиями. Были подготовлены образцы (размер граней 80x80x80 мм) ПУ изделий с равным содержанием чешуйчатого графита (10 %) и его зерновым составом 30-120 мкм. Отличие образцов состояло в качестве графита:

1 образец – с графитом, содержание основного компонента которого 94 %;

2 образец – с графитом, содержание основного компонента которого 95 %;

3 образец – с графитом, содержание основного компонента которого 96 %;

4 образец – с графитом, содержание основного компонента которого 97 %.

Все образцы обжигались в оксилительной среде (α > 1,1) при 1680 оС в течении 4 часов. После обжига производился замер обезуглероженного слоя, линейные изменения по граням и потери массы образцов. Установлено, что с повышением качества графита от 94 % до 97 % толщина обезуглероженого слоя сокращается в 3,3-5,8 раза (см. табл. 1), линейное изменение и потери массы снижаются с 3,69 % до 1,94 % и с 5,0 % до 3,48 % соответсвенно (см. рис. 1). Поэтому использование более чистого графита с оптимальным зерновым составом позволяет значительно снизить толщину обезуглероженного слоя.

Таблица 1 – Влияние качества чешуйчатого графита на толщину обезуглероженного слоя образца периклазоуглеродистых изделий, с содержанием графита 10 %

Рис. 1 – Потери массы и линейные изменения образцов периклазоуглеродистых кирпичей 

В некоторых случаях при использовании схемы футеровки сталеразливочным ковшей с кирпичным дном уменьшение глубины обезуглероженного слоя кладки достигается термическим методом за счет снижения продолжительности нагрева ковша до 14-24 часа.

В процессе нагрева, эксплуатации и охлаждении футеровки стальковша периклазоуглеродистый кирпич в кладке испытывает значительные термомеханические напряжения [4, 5], которые приводят к образованию трещин,  сколов, отслоений, что вызывает снижение срока службы огнеупорам.

Первые термомеханические напряжения возникают в ПУ кирпичах при нагреве футеровки (тепловой режим нагрева), обусловленные объемным и линейным расширением изделий, которое может отличаться в радиальном направлении в зависимости от глубины прогретости кирпича от «горячей» стороны к «холодной». Некоторое влияние на это оказывает длительное воздействие высоких температур на стендах разогрева, что приводит к возникновению частично обезуглероженного слоя рабочей («горячей») поверхности кладки, губина которого зависит от качества кирпича и длительности нагрева. Так как линейное и объемное расширение с «горячей» кирпича максимально, то возникают напряжения, которые вызывают образование зародышей микротрещин. В дальнейшем они развиваются до крупных трещин, приводящих к сколам граней в зонах сопряжения кирпичей кладки (см. рис. 2 [4, 5]). Согласно эпюра распределения напряжений в кирпиче (рис. 2) максимальное значение напряжений в кладке возникает с «горячей» поверхности и снижается в радиальном направлении к «холодной». Если напряжения возникающие в кольце кладки становятся значительно больше предела прочности на сжатие кирпича и не распределяются в радиальном направлении, то на «горячей» поверхности кирпичей в зонах сопряжения возможно образование скола (см. рис. 2, 3). Хотя данные напряжения не являются критическими, и как правило не приводят к значительным сколам, но в случаях опережающего обезуглероживания контактной поверхности огнеупора, возникающие напряжения в кирпиче приводят к образованию отслоений и сколов (см. рис. 2, 3). Также на образование трещин за счет термических напряжений в период нагрева и эксплуатации влияет количество чешуйчатого графита (см. рис. 4 [6]), соответсвенно чем выше количество тем более термостойкая структура у изделия.

Рис. 2 – Распределение напряжений и температура в кольцевой кирпичном кладке во время нагрева стальковша 

Рис. 3 – Внешний вид футеровки рабочего слоя зоны стали периклазоуглеродистым кирпичом с характерными сколами 

Рис. 4 – Влияние содержания графита на образование трещин в образцах периклазоуглеродистого кирпича  

Напряжения, возникающие в процессе нагрева, возможно, распределить в радиальном направлении «холодной» стороны кирпича, за счет создания буферного слоя из засыпных масс способных спекаться с некоторой усадкой образуя компенсационный зазор. Толщина буферного слоя может колебаться в зависимости от ёмкости сталеразливочного ковша и толщины рабочего футеровки и в среднем составляет 10-25 мм. Вышеуказанных дефектов возможно избежать при квалифицированном осуществлении футеровочных работ и качеством огнеупоров.

После нагрева футеровки тепловой поток становится более постоянным, что создаёт равномерное распределение напряжений, возникающих в кирпичах (стационарный тепловой режим). Соответственно в данном случае определяющую роль играет объёмное расширение, которое является для изделия характеристическим (см. рис. 5 [4]). Напряжения, возникающие в результате этого, также компенсируются буферным слоем. При этом на контактную поверхность огнеупора действует новая агрессивная среда продукты плавки (сталь и шлак). Взаимодействия в ПУ кирпичей с данной агрессивной средой достаточно изучены [7 - 9]. Наиболее характерный это опережающий износ за счет обезуглероживания контактной поверхности, что, зачастую, обусловлено качеством графита и антиоксиданта (см. рис. 6). Значительное влияние оказывает ковшевая обработка стали, ввод кальцийсодержащей проволоки и интенсификации продувки на стойкость ПУ изделий, что будет рассмотрено ниже.

 Рис. 5 – Распределение напряжений и температуры в кольцевой кирпичной кладке при стационарном режиме работы стальковша 

 Рис. 6 – Внешний вид футеровки рабочего слоя зоны стали периклазоуглеродистым  кирпичом с трещиной по торцу

Окончательным этапом, при котором возникают значительные термические напряжения, является охлаждение (тепловой режим охлаждения). В этот период разница объемных и линейных расширений изделий, отличающееся в радиальном направлении в зависимости от глубины прогретости кирпича от «горячей» стороны к «холодной» значительна. Обусловлена она высокой температурой и наличием значительного диффузионного слоя, как обезуглероженного, так и частично пропитанного продуктами плавки. Как правило, это отражается в раскрытии швов с «горячей» стороны и вертикальными трещинами по торцу кирпича (см. рис. 6 а и 7 [4]). Также возможны сколы торцевых поверхностей кирпича (см. рис. 6 б) из-за образования трещин в толщине кирпича по причине возникновения предельных напряжений (см. рис. 7 распределение температуры по толщине футеровки) в толщине кирпича вызванных разницей линейных и объемных расширений охлаждаемого обезуглероженного и «горячего» необезуглероженного слоев.

 Рис. 7 – Распределение напряжений и температуры в кольцевой кирпичной кладке во время остывания стальковша 

Поэтому важной задачей является максимально поддерживать рабочую футеровку в стационарном тепловом режиме. Предотвращая все возможные охлаждения, в том числе на замены элементов шиберного и продувочных узлов. О путях достижения этого в значительной мере отражено в публикации [2, 9], следует отметить, что важнейшим является проведение горячих ремонтов шиберных и продувочных узлов и торкретирования шлаковые поясов. Влияние некоторых металлургических факторов на стойкость рабочей футеровки при стационарном тепловом режиме описаны в разной литературе [в том числе в 1, 9], в данной работе отражен частный случай влияния порошковой проволоки (FeCa) и интенсивности обработки плавки агроном на стойкость периклазоуглеродистых огнеупоров.

Ковшевая обработка стали вводом кальция преследует несколько основных задач:

• модифицирование природы включений и улучшение качества стали при разливке. Ввод кальция в жидкую сталь трансформирует твердые глиноземные включения в жидкие включения алюмината кальция;
• образование глобулярных включений, которые остаются глобулярными и во время горячей прокатки стали;
• раскисление металла на низких концентрациях кислорода;
• при избыточном добавлении порошковой проволоки с наполнителем из кальцийсодержащего материала - частичная десульфурайция стали.

Продувка аргоном плавки позволяет обеспечить максимальное перемешивание металла для гомогенизации состава и удалению неметаллических включений в шлак.

При этом оба параметра по-своему влияют на компоненты ПУ кирпича определяя его износ. В промышленных условиях на нескольких этапах (см. табл. 2) эксплуатации футеровок анализировалась взаимосвязь этих двух металлургических факторов и стойкости футеровки в зависимости от химического и морфологического состава ПУ изделий. Выделены два периода:

• включающий этапы испытаний с 1 по 3 (см. табл. 2) при типе футеровки 1 (см. табл. 3);
• включающий 4 этап испытаний (см. табл. 3) при типе футеровки 2 (см. табл. 3).

Таблица 2 – Взаимосвязь некоторых металлургических факторов на стойкость рабочей футеровки стальковша

Каждый этап по-своему был определен производственной необходимостью, в частности:

1 этап – исходный, с 1-ым типом футеровки (см. табл. 3);

2 этап – обусловлен снижением себестоимости за счет расхода порошковой проволоки и интенсификации обработки аргоном плавки, используется 1-ый тип футеровки без антиоксидантов в огнеупорах;

3 этап – направлен на увеличение производственной программы и как следствие снижением времени нахождения плавки в стальковше за счет интенсификации обработки аргоном плавки, используется 1-ый тип футеровки без антиоксидантов в огнеупорах;

4 этап – использование 2-го типа футеровки при сохранении металлургических параметров эксплуатации этапа 3, но с введением антиоксидантов в огнеупоры.

На основании полученных данных следует, что при снижении расхода порошковой проволоки с наполнителем из FeCa с 3,2 м/тонну до 2,8 м/тонну и повышением интенсивности обработки аргоном плавки с 140-160 дм3/мин до 280-300 дм3/мин, стойкость сохраняется на уровне 80 плавок для типа футеровки 1. После значительной интенсификации продувки для ускорения обработки плавки выявлено, что при использовании типа футеровки 1 происходит опережающий износ рабочей футеровки стен в районе зоны стали. Причина этого связана с тем, что в процессе продувки плавки аргоном, свободный кислород взаимодействует с рабочей поверхностью кирпича зоны стали. Тем самым обезуглероживая диффузионный слой.

На 3-ем этапе при увеличении производственной программы на 5 %, было сокращено среднее время нахождения плавки в стальковше на 6,3 % за счет интенсификации обработки плавки на УКП и повышении скорости разливки на МНЛЗ. Это было достигнуто ростом интенсивности обработки аргоном плавки до 500-600 дм3/мин (см. табл. 2) и сохранении расхода порошковой проволоки на уровне 2,1-2,4 м/тонну. Данный фактор негативно сказался на стойкости рабочей футеровки типа 1, что выразилось в опережающем ее износе, локальных сколах, «рваным» характером при визуальных осмотрах и снижением средней стойкости до 70 плавок. Внешний вид футеровки на 56 плавке представлен на рис. 8 а., топография данного ковша после кампании 67 плавок отображена на рис. 9 а.

Если вводиться антиоксидант Al, то он окисляется до Al2O3, тем самым защищая углерод от окисления, при избытке растворенного кальция в стали он взаимодействует на глиноземные включения, образующиеся в диффузионном слое огнеупора, образую широкий спектр алюминатов кальция. Данные алюминаты кальция переходят в жидкую фазу и насыщают сталь неметаллическими включениями, приводя к разрушению контактного слоя огнеупора.

 
Рис. 8 – Внешний вид рабочей футеровки стальковшей по типу футеровки № 1 (а, на 56 плавке) и № 2 (б, на 58 плавке) 

Увеличение интенсивности обработки аргоном плавки до 600 дм3/мин в типе футеровки 1 без добавления в кирпич антиоксиданта приводит к тому, что в эксплуатации футеровки кальций уже не оказывает такого влияния на оксиды алюминия и магния в огнеупоре, но по причине отсутствия антиоксиданта в процессе продувки интенсифицируется перемешивание и массоперенос свободного кислорода в стали, в том числе и взаимодействие контактной поверхности огнеупора зоны стали. Это приводит к окислению углерода создавая в огнеупоре напряжения, обусловленные разницей термических коэффициентов линейного и объемного расширения между слоем кирпича содержащим углерод и обезуглероженным слоем. Все это выражается в сколах диффузионного слоя рабочей поверхности кирпича зоны стали, приводя к опережающему износу огнеупора.

Рис. 9 – Топография износа футеровки стальковшей по типу футеровки № 1 (а, после 67 плавки) и № 2 (б, после 81 плавки)  

Для продолжения работы в изменившихся условиях была испытана футеровка 2-го типа с наличием антиоксиданта, позволившая в условиях сохранения среднего времени нахождения плавки в стальковше на уровне 130-135 минут и интенсивности обработки плавки аргоном в интервале 500-600 минут (см. рис. 6) увеличить среднюю стойкость с 70 плавок до 75 плавок. Внешний вид футеровки на 58 плавке представлен на рис. 8 б, топография данного ковша после кампании 81 плавка отображена на рис. 9 б. При этом антиоксидант Al окисляется до Al2O3, тем самым защищая углерод от окисления, но при значительном избытке растворенного кальция в стали (за счет высокого расхода кальцийсодержащей проволоки более 2 м/тонну) он взаимодействует с глиноземными включениями, образующихся в диффузионном слое огнеупора, формируя широкий спектр алюминатов кальция. Данные алюминаты кальция переходят в жидкую фазу и насыщают сталь неметаллическими включениями, приводя к разрушению контактного слоя огнеупора. Поэтому необходима оптимизация расхода кальцийсодержащей проволоки.

Следует отметить, что при увеличении интенсивности обработки плавки аргоном с 150-350 дм3/мин до 460-680 дм3/мин средняя стойкость рабочей футеровки из периклазоуглеродистого кирпича снижается с 80 до 70 плавок (см. рис. 7) по полиномильной зависимость с достаточно высокой степенью корреляции 0,95. Это позволяет выделить оптимальный режим продувки плавки аргоном на уровне 450-480 дм3/мин со снижением удельного расхода порошковой проволоки на 34 % с 3,2 м/тонну до 2,1 м/тонну и разработать сбалансированную равностойкую футеровку для данных условий без повышения удельных затрат.

Рис. 10 – Связь среднего времнеи нахождения одной плавки в стальковше и средней интенсивности обработки плавки на разных этапах испытаний

Рис. 11 – Влияние средней интенсивности обработки плавки аргоном на стойкость рабочей футеровки 

Выводы:

На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы:

• Во время эксплуатации рабочей футеровки стальковшей из периклазоуглеродистых материалов толщина обезуглероженного слоя меньше у изделий с более качественным графитом, так как с повышением качества графита от 94 % до 97 % толщина обезуглероженого слоя сокращается в 3,3-5,8 раза, а линейное изменение и потери массы снижаются с 3,69 % до 1,94 % и с 5,0 % до 3,48 % соответсвенно.
• Для достижения максимальной стойкости исходя из оценки термических напряжений на периклазоуглеродистую футеровку целесообразно поддерживать ее в стационарном тепловом режиме, достигается это оборотом стальковша и проведением горячих ремонтов [2] шиберного и продувочного узла, а также локальным горячим торкретированием наиболее изнашиваемых участков футеровки стальковша.
• При оценке топографии футеровки стальковшей следует обращать внимание на природу трещин, сколов, которые могут образовываться при разных тепловых режимах ее эксплуатации (нагрева, стационарный и охлаждения).
• Установлено, что с увеличением интенсивности обработки плавки аргоном с 150-350 дм3/мин до 460-680 дм3/мин средняя стойкость рабочей футеровки из периклазоуглеродистого кирпича на стальковшах ёмкостью 160 тонн снижается с 80 до 70 плавок.

Библиографический список

1. А. Г. Коваленко, Д. В. Рябый, А. Н. Смирнов, А. А. Кондрукевич, С. В. Семирягин. Влияние металлургических факторов на стойкость рабочей футеровки сталеразливочных ковшей. // Металл и литьё Украины. 2016. № 11-12 (282-283). С. 14-17.
2. Съёмщиков Н. С., Кондрукевич А. А., Бельмаз К.H., Минаев Я. А.Разработка футеровки сталеразливочных ковшей (обзор опыта работы). // Новые огнеупоры. 2013. № 7. С. 3-8.
3. Хорошавин Л. Б., Перепелицын В. А., Кононов В. А. – М.: Магнезиальные огнеупоры. Интермет Инжиниринг, 2001. – 576 с.
4. Michael Hampel. Beitrag zur Eigenschaftsbewertung von feuerfesten Magnesiakohlenstofferzeugnissen: Dissertation / Technische Universität Bergakademie Freiberg – Freiberg, 2010. - 226 s.
5. Рябый Д. В., Кондрукевич А. А., Семирягин С. В. Механизм образования локального (дырочного) износа периклазоуглеродистой футеровки сталеразливочного ковша. - Новые огнеупоры. М. – 2016. – № 9. – С. 3 – 6.
6. Wonjin Group Introduction. Презентация компании Wonjin Refractories, версия 45, 2009 г.
7. Кащеев И. Д. Оксидноуглеродистые огнеупоры. – М.: «Интермет Инжиниринг», 2000. – 265 с.
8. Очагова И. Г. Влияние антиоксидантов на свойства периклазоуглеродистых огнеупорных изделий. // Новости черной металлургии за рубежом. – М.: АО «ЦНИИ ЧМ». 1997. № 2. С. 146-152.
9. Стариков В. С., Темлянцев М. В., Стариков В. В. Огнеупоры и футеровки в ковшевой металлургии. – М. МИСиС, 2003. – 328 с.