Огнеупоры для разливки и внепечной обработки стали

Металл из плавильного агрегата выпускают в сталеразливочный ковш. При выпуске из мартеновской печи используют желоб. Это открытый прямоугольный или циркульный чугунный литой или сваренный из стальных листов канал. Обычно его футеруют шамотным кирпичом. Стойкость такой футеровки от 1-2 до 4-6 плавок. С целью снижения расхода огнеупоров, который составляет 2-7 кг/т стали, желоб футеруют бетонными блоками различного состава или шамотнографитовым кирпичом. Стойкость шамотнографитовой футеровки выше шамотной в 4-8 раз, а периклазохромитовые бетоны выдерживают до 200 выпусков, если рабочую поверхность покрывать шамотно-глинистой массой.

Вместимость сталеразливочных ковшей достигает 480 т. Обычно их футеруют шамотным кирпичом различных размеров и формы. Футеровка днища и стен состоит из нескольких слоев: выравнивающего слоя из огнеупорной массы, арматурного слоя и рабочей футеровки.

Выравнивающий и арматурный слои могут служить несколько месяцев, рабочий – несколько плавок. Обычно кампания ковша по футеровке (шамотной) исчисляется достигает 10-12 плавками и лишь в отдельных случаях 18-20 плавок. На стойкость футеровки влияют такие основные факторы: резкие колебания температуры, длительность контакта с металлом и шлаком (продолжительность разливки), качество огнеупоров, состав и температура разливаемой стали.

Находящийся в ковше жидкий шлак взаимодействует с футеровкой и насыщается кремнеземом, в результате чего основность его за время разливки понижается примерно в два раза. Продолжительность контакта футеровки с металлом и шлаком на различных горизонтах по высоте неодинакова и зависит от вместимости ковша и продолжительности разливки. Верхние кольца в течение всей выдержки до начала разливки контактируют со шлаком, нижние все время выпуска и разливки контактируют с металлом и лишь в конце разливки 1-2 мин – со шлаком. Поэтому скорость износа футеровки верхних рядов выше, чем нижних. Но с учетом длительности контакта нижние ряды изнашиваются за плавку больше верхних, причем, в 1,5-2,0 раза. При сокращении длительности разливки за счет повышения скорости разливки металла или использования двухстопорных ковшей стойкость футеровки возрастает. Например, за счет сокращения длительности разливки стали из 200-тонного ковша с 75 до 52 мин стойкость футеровки возросла с 10 до 12 плавок.

Учитывая неравномерный износ, футеровку выполняют ступенчатой, в 2-3 ступени по толщине. Для ковша вместимостью 200 т толщина футеровки такая:

• нижний пояс 300 мм на высоту 1500 мм;
• средний пояс 250 мм на высоту 1800 мм;
• верхний пояс 140 мм на высоту 900 мм;
• днище 410 мм.

Наиболее слабым местом любой футеровки являются швы. Поэтому кладку ведут с минимальной толщиной швов, используя кирпич с минимальной допустимой усадкой (или дающий дополнительный рост) и качественный мертель.

То обстоятельство, что разрушение футеровки начинается со швов, послужило причиной попыток выполнить футеровку без швов – набивную или наливную. Ее изготавливают по шаблону, установленному на вымощенное кирпичом дно, из формовой массы состава: 90-92 % SiO₂, 2,0-2,5 % Al₂O₃, до 1 % CaO, 1,5 % MgO, 2,0-2,5 % FeO, влажность 8-10 %. После сушки в ковш выпускают плавку. При быстром разогреве кремнезем переходит в аморфную форму – кварцевое стекло, за счет увеличения объема при плавлении зерен кремнезема на 20,17 % поры набивной футеровки (20-25 %) заполняются. Стойкость такой футеровки составляет 30-40 наливов. Как при набивной, так и при наливной футеровке днище и верхние ряды стен выполняют из формованных изделий.

В настоящее время для изготовления монолитной футеровки используют бетоны нового поколения. Основным компонентом этих бетонов является глинозем (корунд) в сочетании с другими огнеупорными материалами. Наибольшее распространение получили глиноземошпинельные (Al₂O₃ – MgO*Al₂O₃) и глиноземомагнезиальные (Al₂O₃ – MgO) бетоны. В составе этих бетонов используются синтетические спеченные и плавленные материалы.

Технология изготовления футеровки выглядит следующим образом. В подготовленный сталеразливочный ковш с теплоизоляционной и арматурной футеровкой устанавливают стальной шаблон. Огнеупорную бетону смесь заливают в зазор между шаблоном и арматурным слоем футеровки. В процессе заливки смесь уплотняют вибраторами. После твердения смеси в течение 12 часов шаблон удаляют и футеровку дополнительно выдерживают 8 часов. Затем ковш ставят на сушку, а после удаления влаги выкладывают шлаковую зону из периклазоуглеродистых изделий. Перед введением ковша в работу его разогревают до 1200^oС.

После определенного срока работы остаточный слой футеровки не удаляется, а после его очистки в ковш устанавливается шаблон и изготавливается 2-я, затем 3-я и последующие футеровки.

Кроме футеровки ковш оснащается гнездовым кирпичом и дозирующим устройством – шиберным затвором и сталеразливочным стаканом или стопором и сталеразливочным стаканом.

В большинстве случаев используют магнезитовые сталеразливочные стаканы, т.к. они в меньшей степени подвергаются размыванию в процессе разливки. Хотя применяют и шамотные, графито-шамотные , форстеритовые, графитопериклазовые стаканы.

Плиты и коллекторы шиберных затворов изготавливают мулитовыми, муллитокорундовыми, коруновыми и периклазовыми. Редко цирконовыми с содержанием ZrO₂ 60 %. Их размеры 300x150 – 450x250, толщина 30-50 мм, MgO более 98 %, Fe₂O₃ < 0,2-0,3 %.

Вопрос о выборе плит решается в учетом марки разливаемой стали и технологии разливки: периклазовые плиты используют при разливке марок стали с небольшим содержанием Mn и перегретых плавок; при разливке, например, рельсовой стали с температурой 1520-1540^oС из-за высокой теплопроводности периклаза возможны затруднения, при непрерывной разливке не должно возникать затруднений ни из-за температуры, ни из-за состава стали.

При разливке высоколегированных (нержавеющих, шарикоподшипниковых и др.) марок стали хорошие результаты показали корундомуллитовые плиты, они хорошо стоят при многократных перекрытиях струи из-за более высокой, чем у магнезита термостойкости.

Стойкость магнезитовых плит повышают введением в шихту добавок ZrO₂, Cr₂O₃, TiO₂ и пропиткой бакелитом с последующей темообработкой при 200-250^oС.

Муллитокорундовые и корундовые плиты не пропитывают из-за отсутствия эффекта.

При разливке стали сифонным способом используется так называемый сифонный припас – воронки, сифонные или литниковые трубки, звездочки, пролетные и концевые кирпичи. Все эти изделия одноразового использования, т.к. работают они всего 5-10 мин. К ним предъявляются относительно невысокие требования по огнеупорности и термостойкости.

При непрерывной разливке футеровку промежуточного ковша выполняют из шамота или высокоглиноземистого кирпича, или делают наливной из муллитокремнеземистого бетона или кремнеземистой массы со связкой из жидкого стекла. Вкладыши-дозаторы (сталеразливочный стакан) выполняют из шамота, высокоглиноземистого огнеупора, магнезита, циркона и др. Выбор материала диктуется конкретными условиями производства и преследует одну цель – обеспечить постоянный расход металла на протяжении разливки нескольких плавок.

Для перекрытия струи и регулирования скорости разливки используют обычно моноблоки – это устройство типа известных стопоров, но выполненных заодно с пробкой из графитошамота или корундографита.

Струю на участке промежуточный ковш – кристаллизатор защищают от окисления и охлаждения погружными стаканами (разливка под уровень) Одновременно с их помощью управляют гидродинамикой в кристаллизаторе. Изготавливают их из плавленного кварца или корундографита.

Кварцевые стаканы термо- и шлакоустойчивы, но разъедаются марганцовистыми сталями; графитокорундовые не размываются, но разъедаются шлаком. Поэтому применяют двухслойные – бадделитографитокорундовые.

Чтобы закончить рассмотрение службы огнеупоров при разливке стали остановимся на взаимодействии сталеразливочного стакана со сталью. Этот вопрос имеет важное значение для технологии, особенно для технологии непрерывной разливки стали. Например, на ДМЗ диаметр стакана 25-27 мм и затягивается он или размывается.

Не касаясь тепловой стороны вопроса, естественно полагать, что эти процессы зависят от состава стали и состава неметаллических включений. При разливке кипящей стали содержащаяся закись железа FeO будет взаимодействовать с материалом стакана, образуя легкоплавкие составы, которые затем смываются струей металла. Расчеты показывают, что скорость размыва стаканов на основе Al₂O₃, Al₂O₃ – SiO₂ в 4-5 раз выше, чем магнезитовых.

При разливке спокойных углеродистых сталей в зависимости от расхода Al на раскисление в широких пределах изменяется состав неметаллических включений с увеличением [Al] c 0,005 % до 0,01 % содержание Al₂O₃ во включениях увеличивается с 30 до 60 %, а SiO₂ уменьшается с 61 до 37 %. FeO и MnO в сумме 5-7 %. Эти включения могут оседать на поверхности канала стакана, при этом в зависимости от их состава и состава огнеупора могут образовываться смеси оксидов с различной температурой плавления и различным соотношением жидкой и твердой фаз.

Стали с [Al] < 0,01 % можно разливать через цирконовые, с [Al] > 0,01 % – через шамотные, кипящую – через магнезитовые стаканы.

Огнеупоры для вакуумных установок

Эти огнеупоры должны быть устойчивы по отношению к вакууму, т.е. из оксидов металлов с высоким сродством к кислороду, обладать высокой термостойкостью, сохранять постоянство объема при изменении температуры, обладать химической устойчивостью по отношению к металлу, шлаку. Температура при вакуумном обезуглероживании может достигать 1700-1800^oС. Оксиды могут разлагаться под действием вакуума, но более эффективно они восстанавливаются углеродом, а SiO₂ может восстанавливаться марганцем и алюминием.

По скорости испарения при 1630^oС и давлении 0,5 КПа, т.е. по устойчивости к вакууму, огнеупоры располагаются в такой последовательности в порядке убывания: цирконовые стабилизированные CaO, корундовые (99 % Al₂O₃), известковопериклазовые (99 % CaO+MgO), корундовые на муллитовой связке, известковые (96 % CaO), корундовые электроплавленные (96 % Al₂O₃), муллитовые (72 % Al₂O₃), шпинельные электроплавленные, высокоглиноземистые, периклазовые на шпинелоьной связке, периклазохромитовые, периклазовые, хромитопериклазовые электроплавленные.

При взаимодействии с железоуглеродистым расплавом в процессе вакуумирования оксиды Si, Cr, Mg восстанавливаются, поэтому SiO₂ связывают в муллит 3Al₂O₃*2SiO₂, а Cr₂O₃ – в магнезитохромистую шпинель.

Наибольшее распространение получили установки порционного и циркуляционного вакуумирования. Для их футеровки используют периклазсодержащие огнеупоры на основе плавленных материалов повышенной чистоты. Эти огнеупоры отличаются высокой термостойкостью, достигающей 10-12 водяных теплосмен. Всасывающий патрубок часто выполняют из высокоглиноземистых материалов.

Говоря о других видах внепечной обработки, следует иметь в виду, что огнеупоры должны обладать высокой шлакоустойчивостью, поэтому используют часто магнезит, добавки Al₂O₃ и Cr₂O₃ повышают его шлакоустойчивость.

Высокой химической устойчивостью обладают смолодоломитовые огнеупоры. Стойкость футеровки ковшей повышается до 50-60 плавок. Но при разливке низкоуглеродистых сталей есть опасность их науглероживания. Надо менять связку, а это приводит к уменьшению стойкости.

При обработке стали силикокальцием шамотная футеровка не годится из-за восстановления Si из SiO₂, поэтому используют смолодоломитовую, периклазодоломитовую футеровки. При этом следует учитывать увеличение ее массы и увеличение теплопотерь из-за большей теплопроводности этих материалов.