Воронов Г.В., Старцев, В.А. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения

Подождите немного. Документ загружается.

зеркала металла к поверхности огнеупорной кладки), позволяющей сократить энер-

гетические затраты на выплавку стали как благодаря оптимизации условий тепло-

обмена, так как количество теплоты, падающей на зеркало ванны, растет с умень-

шением степени развития кладки, так и за счет сокращения числа подвалок шихты

или их исключения. В конструкциях с переменной степенью развития кладки пло-

ский горизонтальный водоохлаждаемый свод имеет возможность по ходу плавки

перемещаться вниз вдоль водоохлаждаемых стен.

Использование элементов кладки сталеплавильных печей с искусственным

охлаждением снимает ограничения по величине тепловых нагрузок и температур

кладки и создает предпосылки интенсификации плавки. Несмотря на некоторое

увеличение расхода электроэнергии при применении водоохлаждаемых конструк-

ций ДСП общая экономическая эффективность обусловливается существенным

снижением простоев печей и увеличением производительности, сокращением рас-

хода огнеупоров, уменьшением (на 15%) удельного расхода электродов, сокраще-

нием тяжелого ручного труда каменщиков огнеупорной кладки.

Опыт эксплуатации печей с водоохлаждаемыми элементами кладки показы-

вает, что экономия энергоресурсов в смежных отраслях (производство огнеупоров,

транспорт, производство электродов) перекрывает дополнительные затраты элек-

троэнергии на выплавку стали в ДСП с водоохлаждаемым сводом.

Опыт применения огнеупорных бетонов показывает перспективы широкого

их использования в отдельных элементах в электродуговых печах. В крышках зава-

лочных окон и стенах электроплавильных печей периклазохромитовые бетоны по-

казали одинаковую стойкость с обожженными хромитопериклазовыми и перикла-

зовыми изделиями. В качестве футеровки околоэлектродных отверстий успешно

работает корундовый бетон на высокоглиноземистом цементе или фосфатной связ-

ке.

Применение блоков из огнеупорных изделий, склеенных периклазовым

мертелем на полифосфатной связке, позволило повысить стойкость футеровки стен

электропечей в 1,5 раза.

6.2.3. Футеровка кислородных конвертеров

По типу футеровки конвертеры разделяют на кислые и основные.

Мировая практика конвертерного производства располагает широким арсе-

налом технологических процессов, определяемым, во-первых, многообразием со-

ставов перерабатываемой шихты, разными составами чугунов (марганцевых, низ-

комарганцовистых, фосфористых, хромоникелевых, ванадиевых и др.) и долями ис-

пользования чугуна в шихте, во-вторых, множеством технологических режимов

конвертерной плавки и, в-третьих, широким сортаментом выплавляемых сталей,

включая высококачественные стали ответственного назначения. В последнее деся-

тилетие на этом переделе наиболее активно ведутся работы в следующих направле-

ниях:

- совершенствование конструкции конвертеров и технологических вариантов

продувки;

- совершенствование технологии производства "чистой" стали (с минималь-

ным содержанием примесей);

- увеличение производительности конвертеров;

- повышение стойкости футеровки.

Преимущества кислородно-конвертерного способа производства стали —

высокая производительность, простота управления, низкие удельные капиталовло-

жения, большая гибкость как в осуществлении технологических вариантов, так и в

выборе сырьевой базы, возможность производства высококачественной стали ши-

рокого сортамента из чугуна разных химических составов обеспечили его быстрое

распространение.

В мировой металлургии функционируют более 260 кислородно-

конвертерных цехов с 650 конвертерами, выплавляющими 70 % всей производимой

стали. Достигнутая емкость конвертеров (400 т) является, по-видимому, предель-

ной. Цех в составе трех 400-тонных конвертеров может производить около 10 млн. т

стали в год и дальнейший рост производства стали в одном цехе едва ли целесооб-

разен из-за организационных трудностей.

Конвертер с продувкой кислородом сверху представляет собой стальной,

футерованный огнеупорным кирпичом, поворачивающийся на цапфах глуходон-

ный корпус грушевидной формы (рис.6.15)

Рис. 6.15. Составная кладка рабочего слоя футеровки кислородного кон-

вертера:

1— магнезитовый кирпич; 2 - доломитовый кирпич на смоляной связке; 3—

периклазошпинелидный кирпич; 4 — смоломагнезитовая набойка; 5— ша-

мотный кирпич.

В качестве металлической шихты используют чугун разного химического

состава и стальной лом, 65—80 % которого амортизационный. Количество лома в

шихте составляет как правило 20—25 %, в отдельных случаях достигает 30 %. Од-

нако в связи с быстрым ростом металлофонда и количества образующегося лома

разрабатываются технологические режимы плавки с повышением доли лома в ших-

те.

В качестве шлакообразующих материалов и охладителей в основном ис-

пользуют известь, окатыши и плавиковый шпат (2—3 кг/т для разжижения шлака),

количество которого зависит от химического состава чугуна (содержания в нем

кремния, марганца, фосфора и серы) и может колебаться от нескольких десятков до

примерно 200 кг/т стали. Химический состав шлака, его основность и количество

оцениваются из расчета полного ошлаковывания всех переходящих в шлак приме-

сей из чугуна, а также с учетом конечного содержания углерода в стали, ее темпера-

туры и обеспечения высокой стойкости футеровки. Как правило основность конеч-

ного шлака составляет 3,0—3,5.

Длительность кислородной продувки составляет, как правило, 15—20 мин

(минимально 13 мин), а длительность плавки — около 30 мин. Плавка выпускается

через летку в конической или цилиндрической части конвертора ближе к их стыку,

футерованную огнеупорными материалами.

Со времени возникновения кислородно-конвертерный процесс непрерывно

совершенствуют и приспосабливают к конкретным условиям работы того или ино-

го завода. В настоящее время существует около 30 его разновидностей, причем на-

звания, которые присваивают процессам разработчики, часто не отражают их сути и

под разными названиями часто фигурируют одни и те же процессы. По способу

подвода кислорода процессы подразделяют на три группы: с подачей кислорода

сверху, снизу через донные фурмы, комбинированный снизу и сверху; кроме того, в

группу комбинированных процессов входят процессы с подачей кислорода сверху,

а нейтральных газов — снизу. Нейтральные газы, а также углеводороды используют

для создания оболочки вокруг кислородной струи при подаче кислорода снизу для

зашиты днища конвертера. Разные способы ввода дополнительного топлива в кон-

вертер используют для ускорения расплавления лома или увеличения его количест-

ва. Наибольшее распространение получила комбинированная продувка кислородом

сверху и нейтральным газом снизу. По такой технологии в мире работает около 80

% конвертеров. Комбинированная продувка обеспечивает:

- снижение окисленности конечного шлака на 10—20 % и повышение выхода

годного на 0,2—0,3 %;

- гомогенизацию металла в конвертере по составу, температуре и повышение

точности попадания в анализатор на выпуске (это позволяет сократить сред-

нюю продолжительность продувки на 0,1 — 1,5 мин);

- снижение содержания углерода в конце продувки;

- снижение расхода раскислителей.

Замена верхнего дутья на комбинированное является относительно неслож-

ной операцией. Через донные фурмы вдувают разные газы: помимо традиционной

продувки азотом и аргоном в последние годы внедряют продувки снизу СО

с ин-

тенсивностью до 0,1 м

/(т • мин) и даже СО. Оксиды углерода дешевле аргона, и

при этом улучшается тепловой баланс плавки.

Однако комбинированной продувке свойственны и некоторые недостатки.

Прежде всего это относится к стойкости донных фурм. На заводах используют

дон-

ные фурмы разных конструкций в зависимости от типа применяемых огнеупоров,

вида и расхода вдуваемых газов и т. п. Особое внимание обращают на ремонт дон-

ных фурм и днища конвертера. В ходе ремонта днища конвертера важно сохранить

"пути" прохождения газа через ремонтируемый слой. С этой целью, в частности,

используют "сверление" отверстий газовым потоком высокой скорости (до 100 м/с).

Другой массовой разновидностью процесса является группа способов с по-

дачей кислорода сверху в той или иной защитной оболочке снизу. Этими процесса-

ми производят около 60 млн. т углеродистой и 20 млн. т коррозионно-стойкой стали

в год.

Широко эту технологию использует на японских заводах. Срок службы фу-

теровки днища такого конвертера большой емкости часто составляет 800—1500

плавок. Однако по некоторым данным срок службы футеровки днища 250-тонного

конвертера может достичь 2500 плавок.

Устройство фурм и регулирование постоянства состава шлака позволяют

увеличить скорость продувки кислородом вплоть до 5 м

/(т • мин) и таким образом

добиться очень высокой производительности. При этом обеспечивается высокая

скорость рафинирования металла без образования выбросов и за время интенсивно-

го перемещения системы металл—шлак быстро достигается практически полное

состояние равновесия в реакциях рафинирования. В то же время предотвращается

высокое содержание железа в шлаке и кислорода в жидком металле. Поэтому в кон-

вертерах этого типа отмечены высокий выход стали и низкий расход раскислителей,

к которым относят ферромарганец, ферросилиций и алюминий. Возможность ис-

пользования кислорода как газа-носителя для флюсов, включающих, например, по-

рошкообразную известь, помогает раннему образованию высокоосновного шлака,

который значительно улучшает десульфурацию и дефосфорацию.

Значительно уменьшается вынос пыли. Если при донной продувке кислоро-

дом образуется ~3,5 кг пыли на 1 т углеродистой стали, а при комбинированной

продувке до 9—12, то полностью верхней продувке —до 16—19 кг/т стали.

Фирма "British Steel" разработала систему дожигания, применение которой

позволило увеличить долю лома в шихте конвертера до 26 %. Дожигание СО на за-

водах фирмы "Bethlehem Steel" и "US Steel" осуществляют используя двухъярусные

фурмы (расстояние от основания среза сопла фурмы до вторичных сопел 1,8 м). Это

позволило повысить долю лома в шихте и сократить настылеобразование в горло-

вине конвертера. Фирмой "US Steel" в результате применения двухъярусной фурмы

время между удалениями настыли увеличено с 25 до 50 плавок. При этом разруше-

ния футеровки конвертера не наблюдали.

Дожигание газов в объеме конвертера неизбежно повышает температуру в

верхней части конвертера. Обнаружено отрицательное воздействие процесса дожи-

гания на футеровку барабана и верхнего конуса конвертера, поэтому преимущества

следует оценивать с учетом снижения стойкости футеровки и повышения вероятно-

сти повреждения кожуха и опорной системы конвертера. Ожидают, что применение

общего охлаждения корпуса водяным туманом и регулируемого зонного охлажде-

ния, а также раздува шлака смягчит отрицательное воздействие дожигания и позво-

лит полностью реализовать его положительный потенциал. Процессы с комбиниро-

ванной продувкой, за относительно короткий период, стали более предпочтительны,

чем процессы с верхней продувкой как в технологическом, так и в экономическом

отношении. С каждым годом все больше конвертеров с верхней продувкой пере-

оборудуют на комбинированную. Во вновь сооружаемых цехах, а также при замене

конвертеров устанавливают агрегаты, оборудованные системами подачи техноло-

гических газов снизу и сверху.

Выбор вариантов комбинированного процесса зависит от многих факторов и

определяется главным образом сортаментом стали, наличием чугуна, а также разра-

ботанными в мировой практике технологическими вариантами конвертерного пере-

дела на основе комбинированной продувки с подачей через днище нейтрального га-

за позволяют перерабатывать 30—32 % лома. При необходимости переработки

большого количества лома (> 40 %) следует отметить варианты технологии, осно-

ванные на подаче через донные фурмы кислородного дутья (< 25—30 % общего

расхода) и порошкообразных флюсов. В обоих случаях предусматривают ввод в

конвертер топлива.

Каждый конвертерный цех должен быть оснащен оборудованием для пере-

дела по разным технологическим вариантам, обеспечивающим изменение расхода

лома в широких пределах в зависимости от внутризаводской ситуации (например,

при остановке доменной печи на длительный ремонт) и экономической конъюнкту-

ры. При выборе варианта технологии в зависимости от сортамента нужно исходить

из следующего: в тех случаях, когда выплавляют особо низкоуглеродистую сталь,

следует применять комбинированную продувку с подачей через днище кислорода, а

при производстве низко-, средне- и высокоуглеродистой стали — нейтральных газов

с возможностью изменения в процессе продувки их расхода в широких пределах.

Согласно одному из радикальных подходов резкое повышение стойкости футеровки

и сокращение длительности плавки позволяют осуществить концепцию "постоянно

действующего конвертера", которая должна привести к отказу от резервного кон-

вертера.

Повышение стойкости футеровки и совершенствование конструкций кон-

вертеров.

Наиболее напряженные зоны конвертеров футеруют в основном периклазо-

углеродистыми огнеупорами, значительно более стойкими по сравнению со смоло-

доломитовыми. Например, средняя продолжительность кампании на заводе "Scan-

forpe Works" фирмы "British Steel" возросла с 1000 плавок в 1983 г. до 2500 плавок в

1993 г. Рекордная длительность стойкости футеровки на заводе фирмы "LTB Steel"

достигла 10 300 плавок в результате увеличения чистоты сырья для производства

периклазоуглеродистых материалов (за последние пять лет содержание примесей в

магнезите снизилось вдвое, в графите — в пять-шесть раз) и насыщения шлака маг-

незией за счет добавок доломита. Это позволило вдвое сократить затраты на футе-

ровку, снизить стоимость кладки в 1,7 и торкретирования в три раза. Повышению

стойкости футеровки способствует сокращение времени ее прямого контакта с ки-

слородной струей. С этой целью ускоряют шлакообразование в начале продувки,

добавляют доломитизированную известь для вспенивания шлака в конце продувки,

сокращают количество повалок в результате использования вспомогательных фурм

и автоматизации процесса, управляют тепловым режимом для предотвращения за-

метного роста температуры в конце процесса.

Зоны футеровки конвертера испытывают механические, тепловые и физико-

химические воздействия, что обусловило футерование разных зон конвертеров ог-

неупорами, различающимися составом и технологией изготовления. На 250—300-

тонных конвертерах Фукуяма при увеличении производства особо низкоуглероди-

стых сталей и соответственно повышении температуры выпуска в верхнем конусе

конвертера отмечалось выпадение кирпичей вследствие концентрации напряжений

на стыке цилиндрической и конической частей. Проблема была решена путем рас-

положения между рядами кирпичей, а также в цапфенной зоне футеровки 1,5-

миллиметровых алюминиевых прокладок. В результате поверхность конуса конвер-

тера приобрела более плавный профиль, повысилась его стойкость.

Для повышения стойкости футеровки применяют разные виды торкретиро-

вания. Особенно эффективно факельное торкретирование, при котором огнеупор-

ный порошок (известь, доломит, магнезит) подают на футеровку в смеси с топливом

(коксиком, пропаном, сжиженным нефтяным газом) и кислородом. Огнеупорные

частицы в горящем факеле размягчаются и хорошо прилипают к горячей футеровке.

При расходе массы < 2 кг/т стали стойкость футеровки возрастает практически

вдвое.

Повышение стойкости футеровки получают за счет раздува шлака в кисло-

родном конвертере азотом высокого давления, подаваемого через верхнюю кисло-

родную или вспомогательную фурму с целью разбрызгивания шлака по футеровке.

Шлак покрывает поверхность кладки, охлаждается, затвердевает и создает прочный

защитный слой, способствующий снижению скорости износа огнеупоров и экс-

плуатационных затрат. Процесс реализуют при полном выпуске стали, когда в кон-

вертере остается только шлак, а также при наличии в конвертере стали и шлака. Ре-

жимы продувки в обоих случаях не одинаковы и различны зоны футеровки, на ко-

торых образуется гарнисаж. Технология раздува разработана фирмой Trader"(США)

и "Grate Lakes Division" корпорации "National Steel". На заводе в Индиана Хар-бор

фирмы "LTB" в результате применения технологии раздува и ряда других меро-

приятий достигнуты рекордный срок службы футеровки, равный 15 658 плавкам,

повышен коэффициент использования конвертера с 78 % до 97 %, снижены затраты

на торкретирование на 66 % при уменьшении удельного расхода огнеупоров на 0,38

кг/т.

Технология раздува шлака предусматривает следующие этапы:

- визуальный контроль состояния шлака с целью оценки необходимости вво-

да добавок (угля, известняка, доломита);

- визуальный контроль состояния футеровки конвертера с целью выявления

зон, требующих особого внимания при проведении раздува;

- качение конвертера для нанесения покрытия на загрузочный и выпускной

участки футеровки;

- опускание кислородной фурмы в заданную позицию и начало продувки азо-

том (расход азота аналогичен расчетному для данной фурмы расходу кисло-

рода).

Нанесение шлакового гарнисажа имеет и тот положительный эффект, что

при заливке в конвертер чугуна с температурой 1350°С частично оплавляется шлак,

намороженный на стенке конвертера. Это приводит к образованию слоя жидкого

шлака еще до начала продувки.

Способ раздува шлака открыл возможность для значительного увеличения

срока службы футеровки конвертера и снижения расхода огнеупоров. Это увеличе-

ние кампании конвертера выявило несоответствие других элементов оборудования

конвертерного цеха новым условиям эксплуатации. Продолжительность кампании,

износ футеровки и устойчивость кожуха конвертера — эти три фундаментальных

фактора тесно взаимосвязаны, хотя до недавнего времени новые технологические

разработки далеко не всегда учитывали все три критерия.

Использование периклазоуглеродистых огнеупоров с большей теплопро-

водностью повышает стойкость футеровки, но, как правило, подвергает кожух кон-

вертера, особенно его верхний конус и барабан, воздействию интенсивных тепло-

вых потоков и следовательно, высоких температур. Там, где кожух конвертера изго-

товлен из обычной углеродистой стали, при столь высоких температурах оказывал-

ся превышенным предел ползучести стали, и это приводило к короблению кожуха.

В связи с применением периклазоуглеродистой футеровки приходилось чаше ме-

нять коническую часть кожуха конвертера. Менее распространенной, но потенци-

ально более проблематичной оказалась склонность к короблению цилиндрической

части кожуха конвертера. Небольшая деформация опорной системы становилась

серьезной проблемой, в некоторых случаях кожух конвертера расширялся до опор-

ного кольца.

Считают, что в конвертерах с комбинированным применением раздува шла-

ка и охлаждения кожуха водяным туманом при использовании периклазоуглероди-

стых огнеупоров в футеровке конической и цилиндрической частей конвертера

можно достичь наибольшей продолжительности кампании и общего срока службы

агрегата. Огнеупоры в кислородных конвертерах подвергаются воздействию основ-

ных шлаков, окислительно-восстановительных газов, металла при температуре

~1700°С и интенсивному механическому воздействию в результате турбулентной