Футеровка конвертера

Для продления срока службы кислородного конвертера и его защиты от высоких температур необходима его предварительная футеровка. 

Последняя работает в тяжёлых условиях за счёт наличия сразу нескольких негативных факторов:

• термические напряжения из-за резких колебаний температуры;

• механические ударные нагрузки во время загрузки шихты и знакопеременные нагрузки при вращении конвертора;

• воздействие высоких температур;

• размывающее действие потока шлака и расплавленного металла;

• химическое разрушение из-за реакции со шлаком в условиях высоких температур.

Для предотвращения повреждения и продления срока службы футеровку конвертера обычно выполняют в два слоя. Арматурный слой, примыкающий непосредственно к корпусу и имеющий толщину 110–250 мм, выполняет следующие функции:

• уменьшает тепловые потери;

• защищает кожух при прогорании рабочего слоя.

Выполняют арматурный слой из магнезитохромитового кирпича, а заменяют его раз в несколько лет по мере износа. Внутренний или рабочий слой изнашивается значительно быстрее, поэтому его делают толщиной 500–800 мм.

Материалы для рабочего слоя конвертера 

Для формирования рабочего слоя в качестве огнеупорных материалов обычно используют смолосвязанные и пескосвязанные материалы на связке из пека либо каменноугольной смолы. Они показали значительно более высокую долговечность и стойкость по сравнению с традиционными обожженными огнеупорами (магнезитовые и магнезитохромовые кирпичи). Наиболее популярным остается смолодомит, состоящий примерно в равных долях из оксидов магния и кальция. Источником сырья здесь выступает недорогой долотомит, смолодоломитомагнезит с добавлением более дорогостоящего магнезита. Иногда подобные огнеупоры дополнительно подвергают термической обработки в нейтральной либо восстановительной среде при температуре в пределах 500 °C.

Смоло-доломито-магнезитовый и смолодоломитовый кирпич получают из магнезита и доломита, содержащих оксид кремния в пределах 5% по составу. При производстве сырьё после измельчения до фракции до 0-6 мм смешивают с пеком или смолой в объеме 5-7%. Готовую массу формуют и прессуют при давлении в диапазоне 12–15 Мпа. Готовые кирпичи можно использовать для укладки рабочего слоя с последующим обжигом. Последний предусматривает нагрев по специальному режиму до температуры в пределах 1100 °C с помощью сжигания кокса в кислородной среде (газ подается через фурму).

Во время обжига происходит полное коксование смолы, которое сопровождается удалением летучих компонентов, а вокруг зёрен огнеупорного материала формируется прочный коксовый остаток, имеющий вид тонкой пленки. 

Последняя обеспечивает сразу несколько единовременных эффектов:

• повышение прочности;

• рост термостойкости;

• защиту от физического контакта огнеупора и шлака.

В итоге стойкость рабочего слоя значительно повышается, и увеличивается количество плавок между ремонтами. Впрочем, подобные смоло-связанные огнеупорные материалы не используют в других типах печей, так как в конвертерах газовая среда представлена в основном из оксида углерода, не образующего окислительную атмосферу (последняя быстро окисляет углеродистую пленку вокруг зёрен огнеупорного материала).

При использовании огнеупоров с большим количеством доломита нужно помнить об их высокой склонности к гидратации. Причина в содержании оксида кальция, который реагирует с захватываемой из окружающей среды водой, что ведет к потере прочности кирпича и в конечном итоге к его рассыпанию. Для предотвращения проблем с гидратацией готовый кирпич после изготовления нельзя хранить более 5-6 дней.

Условия работы и специфика износа футеровки

На практике наибольший износ защитной поверхности происходит в районе образования шлакового пояса из-за протекающих в этой зоне активных химических реакций. Кроме этого, срок эксплуатации футеровки значительно сокращается в месте падения кусков шихты из-за механического воздействия во время загрузки, а также в горловине и летке, где наблюдаются резкие термические напряжения.

Основным негативным фактором, влияющим на долговечность остается шлак, который взаимодействует с огнеупорным материалом из-за наличия в своём составе агрессивных химических соединений. Первоначально окисляется углеродистая пленка, а потом постепенно в шлаке растворяются отдельные зерна огнеупорных материалов. Этот процесс интенсифицируется при повышении в шлаке концентрации оксидов железа, которые окисляют защитную углеродистую пленку с образованием легкоплавких соединений с оксидами огнеупора. Также разрушение рабочей поверхности футеровки конвертера резко возрастает при наличии следующих моментов:

• при увеличении объема шлака и его жидкотекучести;

• при повышении концентрации в шлаке оксида кремния, который взаимодействует с материалами, формирующими защитную поверхность;

• из-за роста температуры, который дополнительно размягчает огнеупоры и выступает в качестве катализатора химической реакции взаимодействия со шлаком.

Еще одним фактором разрушения рабочего слоя является большое содержание кремния в чугуне, что вызывает при окислении появление его оксида, а также увеличение объема самого шлака. Предварительное удаление кремнезема из сыпучих материалов помогает снизить влияние этого фактора.

Специфика футеровки летка конвертера

Учитывая быстрый износ огнеупорного слоя в летке, его приходится менять чаще, чем остальную футеровку. Для арматурного слоя здесь используют магнезитохромитовый или магнезитовый кирпич. Для рабочего слоя применяют кирпич из плавленого магнезита, который имеет сквозные отверстия (последние формируют канал для слива расплава). Зазоры между арматурной поверхностью и рабочими кирпичами заполняют специальной огнеупорной массой.

Во время ремонта удаляют изношенные кирпичи и огнеупорную массу. Затем устанавливают новые блоки с заливкой зазоров специальной массой, состоящей из водного раствора сернокислого магния и магнезитового порошка. Через 30 минут готовая масса застывает; при правильном ремонте стойкость подобного защитного слоя составляет до 120 плавок.

Способы продления срока службы футеровки конвектора

Для увеличения срока службы рабочего слоя футеровки и, соответственно, для сдвига срока очередного ремонта, кроме повышения качества шихты для плавки, следует соблюдать следующие правила:

• Необходимо максимально сократить интервалы между продувками: во время продувки в полости из-за контакта с кислородом повышается скорость окисления коксовой пленки, а дополнительные термические напряжения могут привести к откалыванию огнеупора. В идеальном случае нужно работать без додувок, с помощью которых можно скорректировать температуру и состав металла из-за появления дополнительных температурных колебаний, ускорения окисления шлака и подсасывания воздуха в сам конвертер.

• При подготовке шихты необходимо довести содержание в ней оксида магния, замедляющего растворение огнеупорного слоя,  до 6-8% от общего объема с помощью доломита или доломитизированной извести.

• Эффективным методом продления срока службы защитной поверхности и увеличения межремонтного периода является выкладывание в наиболее напряженных с точки зрения негативного воздействия местах огнеупоров повышенного уровня стойкости.

В общем случае хорошим результатом считается срок службы футеровки на протяжении 400-600 плавок. Если огнеупорные материалы были предварительно термически обработаны, то эти цифры могут быть еще немного увеличены. Сам же расход огнеупорных материалов составляет примерно 2-5 кг на тонну выплавляемой стали.

Горячий ремонт футеровки

В процессе эксплуатации конвертера доступен так называемый горячий ремонт, позволяющий продлить срок службы рабочего слоя. Речь идёт о торкретировании и ошлаковывании внутренней поверхности.

Особенности торкретирования

Процесс подразумевает нанесение на изношенные участки огнеупорной массы специальными машинами. Существует два метода подобного ремонта: факельный и полусухой. Торкретировать можно как всю поверхность футеровки, так и отдельные наиболее поврежденные части. Подобный горячий ремонт значительно сокращает количество холодных работ, при которых требуется большое количество формованных огнеупоров, времени и тяжелого физического труда. Одновременно при торкретировании и ошлаковывании растёт объём различных порошкообразных огнеупорных материалов в виде смесей на базе извести, магнезитового порошка и других составов.

Факельное торкретирование

Здесь в качестве основного рабочего органа выступает водоохлаждаемая торкрет-фурма, через которую подают кислород и ремонтную массу. Последняя представляет смесь коксовой пыли и магнезитового порошка. При сгорании кокса образуется факел с температурой около 1800-2000 °C, при которой огнеупор переходит в пластичное состояние. Это позволяет ремонтному защитному порошку прочно соединиться с поверхностью футеровки, образовав дополнительный слой и восстановив общую толщину.

Полусухое торкретирование

Огнеупорная масса наносится через сопло специальной машины с помощью струи сжатого воздуха. Проходя через сопло, она увлажняется, и при попадании на футеровку налипает с последующим привариванием к ней. Минусом этого метода ремонта является испарение влаги: она делает структуру слоя довольно рыхлой, что значительно уменьшает его стойкость и требует относительно скорого повторного ремонта. На этом фоне более эффективным является факельное торкретирование.

Ошлаковывание футеровки

Данный вид ремонта выполняют методом раздувания шлака. Для этого после слива металла в шлак добавляют обожженный доломит, который его загущает. Затем через специальную фурму вдувают большой объем азота. На этом фоне формируются брызги шлака, которые попадают на футеровку и образуют дополнительный шлаковый слой, разрушаемый при последующих плавок и защищающий основной огнеупорный состав. При этом последний остается неизменным, а долговечность нанесенной ремонтной поверхности выдерживает, как минимум, две плавки.

Проведение ремонта методом ошлаковывания повышает срок службы футеровки, выполненной из магнезитоуглеродистых огнеупоров, который может достигать 5 000-10 000 плавок. Если же выполнять горячий ремонт через каждые две плавки, то межремонтный период может достигать 10 000–12 000 плавок.