Исследование стойкости огнеупорного слоя при продувке металла в сталеразливочном ковше инертным газом

А.Н. Смирнов, С.Г. Жемеров, Е.В. Штепан

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами

Одной из основных задач, которые решаются в металлургической промышленности, является повышение эффективности эксплуатации сталеплавильного оборудования и снижение материальных и капитальных затрат при производстве металла. В связи с этим, исследование особенностей эксплуатации огнеупорных материалов установки «ковш-печь» является достаточно актуальной проблемой современного сталеплавильного производства.

Анализ исследований по проблеме и постановка задачи

В процессе выплавки стали огнеупорный слой в сталеразливочном ковше постепенно изнашивается. В большинстве случаев характер износа неравномерный – некоторые зоны футеровки изнашиваются быстрее, чем остальные[1]. Например, при наливе стали в ковш сильно изнашивается днище ковша, потому в месте удара струи обычно кладут огнеупорную плиту из более прочных материалов. Также большому износу подвержена футеровка в районе шлакового пояса. Это обуславливается тем, что шлак в силу своего химического состава активнее реагирует с оксидами футеровки, что приводит к более интенсивному ее износу[2]. Также немаловажным фактором при обработке металла на агрегате «ковш-печь» является нагрев стали электродами. А поскольку электроды греют непосредственно сам шлак, а не сталь, то шлак всегда находится в более нагретом состоянии, чем сталь, и футеровка в этом месте изнашивается значительно сильнее. Последствием разрушения футеровки может стать прогар кожуха, а как следствие потеря всего металла, находящегося в ковше[3]. Поэтому шлаковый пояс, как и «бойное место» следует выкладывать из более стойких огнеупоров. Как следствие футеровка перестает быть единым целым, и превращается в зонную [4].

Характер износа футеровки также очень сильно зависит от расположения продувочных узлов в днище ковша. К примеру, при расположении продувочной пробки близко к стенке ковша (приблизительно 0,9 радиуса ковша) огнеупорный слой будет довольно сильно изнашиваться. Поэтому при выборе расположения пробок в днище ковша следует учитывать не только такие факторы, как усреднение химического состава стали, подачу легирующих через «зеркало» металла, но и износ футеровки.

Изложение материала и результаты

Для моделирования износа футеровки на физической модели ковша в конкретном случае использовалась плоская модель с продувочными пробками в днище, объемная модель ковша в масштабе с продувочными узлами в днище с возможность менять положение пробок. В качестве заменителя огнеупоров использовался материал на основе желе, который выкладывались в ряд снизу вверх, в качестве заменителя жидкой стали – вода, а шлак заменялся силиконовым маслом. Физические свойства моделирующих жидкостей приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Физические свойства моделирующих жидкостей

Установка для моделирования износа футеровки представляет плоскую модель с выложенными двумя рядами «огнеупоров» и налитым силиконовым маслом (рис. 1). Для удобства экспериментов модель сделана разборной.

Рисунок 1 – Общий вид установки для моделирования процесса износа футеровки

Проводился ряд опытов с разным расположением пробок, их количеством (одна или две), а также с разной высотой налива. В одном случае отношение высоты к диаметру (H/D) составляло 1, во втором случае – 1,2.

Для первого случая с одной пробкой она располагалась: 1)по центру, 2)на 0,4 радиуса, 3)на 0,7 радиуса 4)и 0,9 радиуса. Для двух пробок расположение было следующим: 1) две пробки на 0,4 радиуса; 2) две пробки на 0,7 радиуса; 3) одна пробка по центру, вторая – на 0,4 радиуса; 4) одна пробка по центру, вторая – на 0,7 радиуса. Те же расположения пробок сохраняются и для второго случая с отношением H/D=1,2.

Результаты первых двух серий опытов (с отношением H/D = 1 и H/D=1,2) представлены в таблице 2, в которой описан характер износа футеровки.

Таблица 2 – Характер износа футеровки в зависимости от расположения пробок и высоты налива

Анализируя таблицу 2 можно сделать несколько выводов. При высоте налива 1,2 H/D износ футеровки практически во всех случаях несколько больше, чем при наливе 1H/D. При расположении двух пробок одна по центру, вторая на 0,4 радиуса наблюдается несколько больший износ футеровки на уровне шлакового пояса, чем при расположении одной пробки по центру, а второй на 0,7 радиуса. Из этого следует, что вариант с расположением второй пробки на 0,7 радиуса предпочтительней, поскольку износ равномерный и не носит локальный характер. При продувке одной пробкой по центру также наблюдается сильный износ со стороны шлакового пояса, в то же время при расположении пробки на 0,4 радиуса изнашивается шлаковый пояс и противоположная стенка от пробки. Это объясняется направлением потока, который создается при продувке. При расположении пробки на 0,7 радиуса наблюдается равномерный износ стенки, а при расположении пробки на 0,9 радиуса наблюдается уже сильный износ футеровки возле пробки. Следовательно, можно считать, что расположение пробки на 0,9 радиуса не слишком удачно, и предпочтительнее размещать пробку на 0,7 радиуса.

В целом разная высота налива приводит к тому, что чем выше высота налива, тем быстрее изнашивается футеровка, характер износа в целом не слишком отличается.

Следующая серия опытов проводилась на той же плоской модели, но с силиконовым маслом, имитирующим шлак. Причем масло подогревалось до более высокой температуры, чем вода. Это делалось для более полной имитации процесса внепечной обработки на агрегате «ковш – печь», поскольку в процессе нагрева стали шлак нагревается сильнее, чем сталь. Небольшое отличие заключалось также в том, что в этой серии опытов использовалась только одна пробка в двух расположениях: 0,5 радиуса и 0,8 радиуса. Анализируя опыты, можно сказать, что при положении пробки на 0,5 радиуса размыв стенки, ближней к пробке происходит неравномерно. Размытие начинается в середине и увеличивается к шлаковому поясу. На противоположной стенке от пробки также очень быстро образуется характерная промоина в верхней части стенки (от центра и к шлаковому поясу). При положении пробки на 0,8 радиуса характер износа другой. Стенка со стороны пробки размывается незначительно по всей поверхности, нет ха-рактерных промоин, что характерно видно на рис. 2.

Рисунок 2 – Размыв стенки при положении пробки 0,5 радиуса и 0,8 радиуса

Точно такой же характер размыва наблюдается и на противоположной стенке.

Проведение опытов с подогревом показало, что при подогреве силиконового масла происходит больший отрыв его частиц от основной массы шлака и миграция их по всему объему модели. Также при подогреве наблюдается ускоренный износ стенки в месте контакта с силиконовым маслом.

При проведении опытов на объемной модели использовался акриловый резервуар объемом 150 литров. С высотой 750 мм и верхним диаметром 550 мм и нижним 500 мм соответственно. Конструкция установки позволяла менять положение продувочных узлов в днище ковша и их количество. Ковш во время экспериментов продувался двумя пробками, расположенными на 0,5 и 0,8 радиуса, с целью подтверждения критериальной зависимости между плоской и объемной моделью, так как места размыва огнеупорного слоя на плоской и объемной модели находились в одних и тех же местах, процентное отношение износа футеровки с учетом одного и того же временного отрезка были аналогичными (рис. 3).

Рисунок 3 – Зоны размыва на плоской и объемной моделях

В ходе опытов подтвердилась закономерность, наблюдаемая на плоской модели: при положении пробок на 0,5 радиуса сильный размыв стенки под пробками от центра и к шлаковому поясу с очень сильным размывом самого шлакового пояса. Противоположная стенка при этом размывается не сильно. Это вызвано тем, что поток в основном идет выше, и размываются верхние слои футеровки, тогда как ближе к днищу наблюдается некоторой застой.

При положении пробок на 0,8 радиуса закономерность та же, что и для плоской модели: равномерное размытие стенки под пробками, шлаковый пояс размывается не так значительно, как при положении пробок на 0,5 радиуса. Однако при этом противоположная стенка размывается сильнее в районе от центра к днищу.

В результате выполненных экспериментов установлено, что данные износа огнеупорного слоя на металлургических заводах Украины и данные полученные на плоской и объемной моделях идентичны и можно сделать вывод, что результаты, полученные при экспериментах, достоверны и можно учитывать их значение при производственных задачах (рис. 4).

Рисунок 4 – Износ футеровки в объемной модели и в сталеразливочном ковше

Выводы и перспективы дальнейших исследований

В дальнейшем планируется проведение исследований с подогревом моделирующей жидкости и с применением силиконового масла в качестве аналога шлака, так как отношение вязкость силиконового масла и воды при 40^oС аналогично отношению вязкости металла и шлака при 1560^oС.

Список литературы

1. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. - М.: Металлургия, 1996. - 608 с.
2. Стариков В.С., Темлянцев М.В., Стариков В.В. Огнеупоры и футеровка в ковшевой металлургии. Учебное пособие.- М.: «МИСИС», 2003.-328
3. Попель СИ. Смачивание огнеупорных материалов расплавленным металлом и шлаком // Теория и практика литейного производства. – Свердловск: Машгиз, 1959. - 162-172.
4. Смирнов А.Н., Сафонов В.М., Дорохова Л.В., Цупрун А.Ю. - Металлургические мини-заводы. –Донецк: Норд-пресс, 2005. – 469с.

Рецензент д.т.н., проф. Н.А. Маняк

© А.Н. Смирнов, С.Г. Жемеров, Е.В. Штепан