Способ ремонта футеровки конвертера

Изобретение относится к области металлургии, в частности к ремонту футеровки конвертера. Способ включает подачу кислорода в конвертер с интенсивностью 0,6-2,0 м³/мин на тонну стали с горизонтальным направлением струй совместно с магнезиальной экзотермической смесью в течение 0,2-15 мин после слива металла, затем на футеровку наносят шлаковое покрытие путем подачи азота сверху на шлак при соотношении расхода азота к расходу кислорода, равном 1,1-7,0, а перед/или в процессе подачи азота вводят флюсы, содержащие оксиды кальция и магния в количестве 0,3-95,0% от количества вдуваемой кислородом магнезиальной экзотермической смеси. Количество вдуваемой кислородом экзотермической смеси составляет 10-60 кг/т жидкой стали. Использование изобретения обеспечивает повышение стойкости футеровки конвертера. 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к выплавке стали в кислородных конвертерах.

Известен способ восстановления футеровки конвертера, предусматривающий оставление в конвертере конечного шлака после слива металла и нанесение шлакового гарнисажа на футеровку нейтральным газом с присадкой в шлак углеродсодержащего материала и известняка при определенном соотношении между ними [1].

Недостаток этого способа заключается в слабой защите футеровки конвертера от коррозии высокожелезистым шлаком в процессе проведения последующей плавки, особенно, в начальный период продувки. В этот период гарнисажный слой, состоящий из оксидов кальция "смывается" жидким металлом и переходит в формирующийся шлак, оголяя огнеупорные кирпичи, в результате чего увеличивается износ футеровки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ ремонта футеровки конвертера [2], предусматривающий после выпуска металла оставление в конвертере 90-98% шлака и нанесение шлакового гарнисажа на футеровку путем продувки шлака нейтральным газом в течение 0,5-30 мин. В процессе продувки шлака фурму возвратно-поступательно перемещают вдоль конвертера на расстояние 15-35 калибров сопел фурмы со скоростью 0,05-0,5 м/с, при этом минимальное расстояние фурмы до уровня шлака в спокойном состоянии устанавливают в пределах 5-20 калибров сопел фурмы. Перед продувкой шлака нейтральным газом в конвертер вводят доломит в количестве 1-15 кг/т расплава предыдущей плавки.

Недостаток использования вышеуказанного способа ремонта футеровки конвертера, путем раздува шлака нейтральным газом с присадкой доломита, является низкая прочность наносимого шлакового гарнисажа на футеровку и малая толщина слоя гарнисажа, особенно в верхней части футеровки конвертера.

Низкая прочность шлакового гарнисажа обусловлена тем, что в результате присадки доломита, содержащего порядка 45-55% СаО и 30-35% MgO и наличием в конечных шлаках значительного количества (до 35%) оксидов железа, особенно при низких содержаниях углерода в металле перед выпуском, образуются фазы ферритов кальция (2CaO·FeO; CaO·FeO) с температурой плавления 1200-1400°С. При охлаждении шлакового гарнисажа в период завалки лома последующей плавки, кристаллизация фаз в гарнисаже происходит в следующей последовательности: 2CaO·SiO₂ (первичная фаза) → 3CaO·SiO₂+3CaO·MgO₂·SiO₂, RO фаза → силикатно-ферритная эвтектика. Известно, что эвтектика в системе CaO-Fe₂O₃-SiO₂, описывающей в основном фазовый состав в последних порций остаточного расплава затвердевающих высокоосновных шлаков, имеют температуру 1192°С.

Таким образом, несмотря на наличие в шлаковом гарнисаже минералогических фаз, например мервинита (3CaO·MgO·2SiO₂) и периклаза (MgO), имеющих высокую температуру плавления (1550-2800°С) в гарнисаже присутствуют фазы с низкой температурой плавления 1190-1400°С, которые приводят к снижению прочности гарнисажа и растворению его в шлаковом расплаве последующей плавки. Стойкость гарнисажа в этом случае не превышает 1 плавку.

При раздуве шлака нейтральным газом высокого давления за счет кинетической энергии струй газа, вытекающих из сопел фурмы, создается направленный поток шлака на футеровку. Часть потока шлака, непосредственно соприкасающегося с футеровкой, прилипает к ней, а другая часть опадает в общую массу шлака. Адгезия слоя шлака к футеровке происходит за счет неровностей футеровки. Омывая поверхность футеровки, шлак, задерживаясь на неровностях, образует слой определенной толщины, который зависит от вязкости шлака. С увеличением вязкости шлака толщина слоя увеличивается, но до определенных пределов. Если шлак густой (высокая вязкость), то шлак в виде кусков под действием собственного веса не прилипает к неровностям футеровки и опадает в основную массу шлака. Если вязкость шлака низкая, то шлак омывает и стекает с поверхности кирпича, образуя тонкую "пленку" шлакового гарнисажа.

Нанесение шлакового гарнисажа при известном способе [2] способствует снижению вязкости шлака из-за наличия в нем легкоплавких соединений. Снижению вязкости шлака способствует и механическое воздействие на шлаковый гарнисаж возвратно-поступательное передвижение фурмы. Поэтому наносимый на футеровку гарнисаж имеет малую толщину и, тем самым, слабо защищает футеровку от агрессивного воздействия железосодержащих шлаков последующей плавки.

В предлагаемом способе поставлена задача - повысить стойкость футеровки конвертера за счет увеличения прочности и толщины наносимого на футеровку шлакового гарнисажа.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе ремонта футеровки конвертера, включающем слив металла из конвертера в сталеразливочный ковш, оставление в конвертере шлака, ввод на шлак флюса, содержащего оксиды кальция и магния, нанесение шлакового покрытия на футеровку путем подачи сверху на шлак азота из фурмы, согласно изобретению по окончании слива металла и оставления в конвертере шлака в конвертер на футерорку подают кислород горизонтально направленными струями с интенсивностью 0,6-2,0 м³/мин на тонну жидкой стали совместно с магнезиальной экзотермической смесью в течение 0,2-15 мин, нанесение шлакового покрытия осуществляют при соотношении расхода азота к расходу кислорода, равным 1,1-7,0, а ввод на шлак флюса, содержащего оксиды кальция и магния, осуществляют перед/или в процессе подачи азота в количестве 0,3-95,0% от количества вдуваемой кислородом экзотермической смеси. Экзотермическая смесь содержит 20-50% коксовой мелочи, остальное - пыль от обжига сырого доломита. Количество вдуваемой кислородом экзотермической смеси составляет 10-60 кг/т жидкой стали.

Сущность способа ремонта футеровки по изобретению заключается в формировании гарнисажа путем нанесения на футеровку сначала экзотермической смеси в потоке кислорода, которая формирует слой с поверхностной неоднородностью и высокой температурой порядка 1700-1800°С и затем нанесение на эту поверхность шлакового гарнисажа за счет кинетической энергии струй нейтрального газа.

Содержащаяся в экзотермической смеси коксовая мелочь под действием кислорода разогревается, вплоть до возгорания, нагревает доломитовую пыль и смесь в горячем состоянии под действием горизонтальной кислородной струи прочно "прилипает" к поверхности футеровки. В дальнейшем при раздуве шлака нейтральным газом всплески шлака хорошо удерживаются на неровностях поверхности ранее нанесенной на футеровку экзотермической смеси и за счет высокой температуры этой смеси, соприкасающиеся слои шлака, диффундируют в смесь, образуя толстый монолитный гарнисаж с высокой прочностью.

Прочность прилипания (адгезии) полученного гарнисажа зависит от интенсивности продолжительности подачи кислорода с экзотермической смесью на футеровку конвертера. Если интенсивность подачи кислорода составит величину менее 0,6 м³/мин на тонну жидкой стали, то адгезия смеси к футеровке будет слабой и в дальнейшем образующийся гарнисаж под собственным весом опадет и футеровочные кирпичи окажутся не защищенными, что приведет к снижению стойкости футеровки. В случае увеличения интенсивности подачи кислорода более 2,0 м³/мин на тонну жидкой стали высокая кинетическая энергия струи размывает кусочки смеси, достигает кирпичной кладки и кислород, взаимодействуя с периклазоуглеродистыми кирпичами, приводит к их разрушению.

Поставленная задача по повышению толщины футеровки не достигается, если вдувание экзотермической смеси составляет менее 0,2 мин. В этом случае на футеровке образуется тонкий слой нанесенной смеси и в дальнейшем, при раздуве шлака, особенно обладающий низкой вязкостью (однородный, жидкоподвижный) образуется тонкий шлаковый гарнисаж. Если продолжительность подачи кислорода со смесью составляет более 15 мин, то снижается производительность конвертера, вследствие того, что продолжительность кампании по стойкости футеровки не перекрывает времени, затраченного на ремонт футеровки.

Малая толщина шлакового гарнисажа будет образовываться, если количество вдуваемой кислородом экзотермической смеси составит менее 10 кг/т жидкой стали. Если количество вдуваемой смеси составит более 60 кг/т стали, то на футеровке образуется слишком толстый слой смеси, который при нанесении на него шлакового слоя при раздуве шлака инертным газом, снизится прочность гарнисажа под действием собственного веса и часть шлака может упасть в общую массу шлака в конвертер, повышая вязкость шлака. При дальнейшем раздуве вязкого шлака адгезия его к футеровке будет затруднительна, что приведет к оголению футеровки и снижению ее стойкости.

Состав экзотермической смеси определяется тем, чтобы с одной стороны при возгорании коксовой мелочи смесь быстро нагревалась и в момент соприкосновения с футеровкой имела высокую температуру (1700-1800°С), что способствует ее прочному сцеплению с футеровкой, а с другой стороны присутствие в ней доломитовой пыли, содержащей 30-35% MgO, защищала футеровку от разрушения за счет диффузионного равновесия между MgO смеси и футеровки. Если в экзотермической смеси содержание коксовой мелочи составит менее 20%, то разогрев смеси будет недостаточным, что скажется на ухудшение прилипаемости ее к футеровке и, тем самым, снижению прочности шлакового гарнисажа. В случае содержания в смеси коксовой мелочи более 50%, количество доломитной пыли будет недостаточно для защиты футеровки от коррозии, возникающей при ее окислении под действием СО образующегося между кислородом струи и коксовой мелочи.

При подаче кислорода горизонтальными струями совместно с экзотермической смесью на поверхность футеровки, несмотря на то, что смесь способствует защите футеровки, непосредственно кислород оказывает негативное влияние на футеровку за счет окисления как углерода, входящего в состав футеровки, так и корольков металла в шлаке, оставшегося на футеровке от предыдущей плавки с образованием оксидов железа. Оксиды железа, проникая в поры футеровки, восстанавливают оксиды магния, и тем самым разрушают футеровку конвертера. Причем влияние кислородных струй на коррозию футеровки за счет влияния оксидов железа может быть существенным. Устранению этого явления способствует образование в раздуваемом нейтральным газом, обычно это азот, шлаке нитридообразующих соединений. Наличие азотной атмосферы в объеме конвертера, при восстановлении оксидов железа коксом перед нанесением шлака азотом на поверхности футеровки образуются нитриды ряда элементов, из которых стабильными при температурах конвертерного процесса являются Mg₃N₂; Са₃N₂; Si₃N₄, в отличие от образования нитридов железа Fe₄N. Рабочий слой магнезитовой (периклазовой) футеровки всегда содержит оксиды железа, магния, кальция, из которых при раздуве шлака азотом синтезируются стабильные нитриды этих элементов. Систематическое восстановление на рабочей поверхности защитного слоя из нитридных соединений обеспечивает прочность гарнисажа и, тем самым, повышение показатели стойкости, а при целенаправленном формировании антикоррозийного покрытия из стабильных нитридообразующих элементов эффективность стойкости футеровки ощутимо возрастает.

Таким образом, между расходом подаваемого на раздув шлака азота и кислородом, подающим экзотермическую смесь, должно быть определенное соотношение, которое бы обеспечивало прочность и толщину наносимого гарнисажа с использованием смеси и раздуваемого шлака и, в то же время, способствовало снижению коррозии футеровки от кислорода образующимися нитридами магния, кальция, кремния.

Если соотношение расхода азота к расходу кислорода составит величину менее 1,1 то, во-первых, низкий расход азота не обеспечит хороший раздув шлака и, тем самым, не обеспечит гарнисаж достаточной толщины, а во-вторых, будет развита сильная коррозия футеровки и малое количество образующихся нитридов, что не защитит футеровку от разрушения. Если соотношение расхода азота к расходу кислорода составит величину более 7,0, то низкий расход кислорода не обеспечит хорошего сцепления экзотермической смеси с футеровкой, что повлияет на обеспечение низкой прочности гарнисажа, а высокий расход азота создаст высокую кинетическую энергию всплескам раздуваемого шлака, который не будет налипать на ранее нанесенную экзотермическую смесь. Получится рыхлый низкопрочный гарнисаж малой толщины.

В качестве присадок в конечный шлак флюсов, содержащих оксиды кальция и магния перед (или) в процессе раздува этого шлака азотом, могут применяться обожженный доломит, известково-магнезиальный флюс, доломитизированная известь и другие магнезиальные материалы, способствующие повышению оксидов магния в шлаке. Количество вводимого флюса зависит от количества вдуваемой кислородом экзотермической смеси, так как раздуваемый шлак наносится на эту смесь. Прочность сцепления между частицами раздуваемого шлака и смеси, а также толщина гарнисажа зависят от вязкости шлака.

Если количество флюса, содержащего оксиды кальция и магния, вводимого на раздуваемый шлак, составляет величину менее 0,3% от количества вдуваемой экзотермической смеси то, вследствие малого количества получаемого в шлаке оксидов магния, шлак будет жидкоподвижным и при нанесении его азотом на смесь, он будет стекать с поверхности смеси, образуя малую толщину гарнисажа. В случае, если количество вводимого в шлак флюса составит величину более 95% от количества вдуваемой кислородом экзотермической смеси, то вследствие получения в шлаке значительного количества оксидов магния, шлак становится вязким и при нанесении его на смесь силы сцепления будут слабыми, шлак будет опадать, толщина и прочность гарнисажа будут незначительными.

При раздуве шлака азотом высокого давления (12-20 атм) в объеме конвертера создается атмосфера насыщенная азотом, в результате чего в шлаке образуются стабильные нитриды магния, кальция и кремния, которые способствуют повышению прочности гарнисажа и снижению коррозии футеровки от оксидов железа и кислородных струй, что определяет неочевидность заявляемого способа ремонта футеровки конвертера.

Сопоставление заявляемого способа ремонта футеровки со способом, взятым за прототип, показывает, что предложенное техническое решение, заключающееся в том, что наносимый на футеровку гарнисаж путем подачи на нее экзотермической смеси в потоке горизонтальных кислородных струй с последующим нанесением на эту смесь конечного конвертерного шлака азотом высокого давления, при определенном соотношении интенсивностей подачи азота к кислороду, а также при определенном количестве вводимого в шлак флюса, зависящим от количества вдуваемой экзотермической смеси, соответствует критерию "новизна".

Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении по их функциональному назначению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Способ ремонта футеровки конвертера по изобретению осуществляется следующим образом.

После окончания продувки и слива металла в сталеразливочный ковш и установки конвертера со шлаком в вертикальном положении в конвертер вводится фурма с горизонтальным расположением сопел и через нее на футеровку конвертера подается кислород совместно с экзотермической смесью. После израсходования определенного количества смеси прекращают подачу кислорода и фурму поднимают вверх. В конвертер вводят другую фурму, через которую на шлак подается азот высокого давления. Производят раздув шлака на ранее нанесенную на футеровку экзотермическую смесь. Перед (или) в процессе подачи азота в конвертер вводят флюсы, содержащие оксиды кальция и магния.

Конкретный пример осуществления способа. По окончании продувки плавки в конвертере и слива металла в сталеразливочный ковш, в конвертере оставили конечный шлак. Сверху в полость конвертера опустили фурму с горизонтальным расположением сопел на расстоянии 3 м от поверхности шлака. Через фурму подавали кислород с интенсивностью 1,2 м³/мин на 1 т слитой в ковш жидкой стали, совместно с экзотермической смесью состава: 35% коксовой мелочи и 65% доломитной пыли. Фурму в процессе подачи смеси перемещали возвратно-поступательным движением вдоль всей футеровки конвертера. Продолжительность подачи смеси составила 4 мин. Количество смеси - 35 кг/т жидкой стали. По окончании вдувания смеси фурму подняли вверх и ввели в полость конвертера другую фурму, через которую начали подавать азот под давлением 18 атм, причем фурму возвратно-поступательно перемещали в полости конвертера с интенсивностью подачи азота 2,6 м³/мин на 1 т слитой жидкой стали. Перед подачей азота в шлак присадили известково-магнезиальный флюс в количестве 5,4 кг/т жидкой стали. После 3 мин раздува шлака прекратили подачу азота, фурму вынули из конвертера и оставшийся шлак слили в шлаковую чашу. Результаты ремонта футеровки по изобретению представлены в таблице.

Как видно из таблицы нанесение начального гарнисажа экзотермической смесью в потоке кислорода с последующим нанесением гарнисажа конечным конвертерным шлаком путем его раздува азотом позволило повысить замеренную методом сканирования толщину гарнисажа с 20-30 мм при использовании известного способа до 80-90 мм при использовании предложенного способа ремонта футеровки. Определение прочности образцов гарнисажа, изъятых от кирпичей футеровки при ремонте конвертера, показало, что прочность гарнисажа при использовании предложенного способа ремонта футеровки увеличилась в 1,5-2,3 раза в сравнении с известным способом.

Источники информации

1. Патент РФ №2131467, МПК⁶ С 21 С 5/44, опубликованный 10.06.99 г. "Способ восстановления футеровки конвертера".

2. Патент РФ №2132392, МПК⁶ С 21 С 5/44, опубликованный 27.06.99 г. "Способ ремонта футеровки конвертера".

Таблица
Результаты ремонта футеровки конвертера по предлагаемому техническому решению и способу, взятому за прототип.
Вариант осуществления способа	Нанесение гарнисажа экзотермической смесью	Нанесение гарнисажа раздувом шлака	Средняя толщина гарнисажа (мм)	Прочность гарнисажа (Н/образец)
Интенсивность подачи кислорода со смесью (м3/мин на тонну стали)	Количество вдуваемой смеси (кг/т стали)	Продолжительность подачи смеси (мин)	Интенсивность подачи азота (м3/мин на тонну стали)	Продолжительность подачи азота (мин)	Количество** флюса, введенного на раздуваемый шлак (кг/т стали)
Предложенный способ	1,2	35	4	2,6 (2,16)*	3	5,4 (15,4%)***	80-90	60-70
Известный способ [2]	-	-	-	3,5	3	11,3	20-30	30-40
* - отношение интенсивности подачи азота к интенсивности подачи кислорода со смесью. ** - в предложенном способе в качестве флюса использовался известково-магнезиальный флюс, в известном способе - обожженный доломит. *** - в зависимости от количества поданной экзотермической смеси.

1. Способ ремонта футеровки конвертера, включающий слив металла из конвертера в сталеразливочный ковш, оставление в конвертере шлака, ввод на шлак флюса, содержащего оксиды кальция и магния, нанесение шлакового покрытия на футеровку путем подачи сверху на шлак азота из фурмы, отличающийся тем, что по окончании слива металла и оставления в конвертере шлака, в конвертер на футеровку подают кислород горизонтально направленными струями с интенсивностью 0,6-2,0 м³/мин на тонну жидкой стали совместно с магнезиальной экзотермической смесью в течение 0,2-15 мин, нанесение шлакового покрытия осуществляют при соотношении расхода азота к расходу кислорода, равном 1,1-7,0, а ввод на шлак флюса, содержащего оксиды кальция и магния, осуществляют перед/или в процессе подачи азота в количестве 0,3-95,0% от количества вдуваемой кислородом экзотермической смеси.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнезиальная экзотермическая смесь содержит 20-50% коксовой мелочи, остальное - пыль от обжига сырого доломита.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество вдуваемой кислородом магнезиальной экзотермической смеси составляет 10-60 кг/т жидкой стали.