CC BY
211
МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ
УДК 669.1
Метелкин А.А., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К.
ГОМОГЕНИЗАЦИЯ КОВШЕВЫХ ШЛАКОВ В УСЛОВИЯХ ОАО «ЕВРАЗ НТМК»
Аннотация. Проанализированы факторы, влияющие на стойкость футеровки металлургических агрегатов, представлены способы обработки шлаков, стали, методика определения количества нерастворённых кристаллов и состава жидкой фазы гетерогенного шлака.
Ключевые слова: футеровка, шлак, сталь, свойства шлаков, нерастворённые кристаллы, добавки.
Актуальность работ по повышению стойкости футеровки металлургических агрегатов очевидна [1]. Помимо совершенствования дизайна собственно огнеупоров одним из направлений решения сложной задачи повышения их стойкости является обеспечение более благоприятных условий эксплуатации [2], поскольку считается, что основной износ огнеупорных изделий (около 2/3) осуществляется химическим путем - растворением в шлаке [3] и, таким образом, связан с технологическими факторами.
В работах [4-6] обобщены многолетние исследования роли различных факторов, влияющих на износ футеровки металлургических агрегатов на участке вне-печной обработки стали (ВОС) конвертерного цеха ОАО «ЕВРАЗ НТМК». Масштаб проблемы ясен из следующего факта: в конвертерном цехе доля затрат на приобретение ковшевых огнеупоров составляет 32% от обшдх расходов на огнеупорные материалы [1], поэтому повышение стойкости футеровки рассматривается как резерв снижения себестоимости металла и повышения технико-экономической эффективности. Среди факторов, влияющих на износ огнеупоров, следует выделить время их контакта с расплавом и растворяющую (коррозионную) активность шлака.
Данные факторы напрямую связаны с технологией обработки стали, и подбор рациональных составов шлаков, обладающих низкой агрессивностью к футеровке, осложняется требованием к обеспечению достаточных рафинирующих свойств. При этом повышение рафинирующих свойств шлака, например десульфурирующей способности, должно приводить к снижению времени обработки металла и, соответственно, контакта огнеупора с расплавами. Таким образом, оптимизация шлакового режима агрегатов вне-печной обработки является комплексной задачей.
Для обеспечения хороших рафинирующих свойств шлак должен обладать низкой вязкостью. Таким требованиям отвечают гомогенные шлаки с низким содержанием твердой фазы [7-9]. Традиционно для гомогенизации ковшевого шлака используется плавиковый шпат. Однако его применение имеет ряд существенных недостатков: фторид кальция чрезвы-
чайно ускоряет разъедание футеровки сталеразливоч-ных ковшей и вакуум-камер, кроме того, в условиях высоких температур происходит частичное испарение CaF2, приводящее к ухудшению экологической обстановки. В том числе по данным причинам на современных предприятиях стараются ограничить применение фторида кальция другими разжижающими добавками.
Разжижить шлак понижением его основности (как зачастую делается на ОАО «ЕВРАЗ НТМК») нецелесообразно. Увеличение содержания SiO2 снизит количество свободных анионов кислорода, что негативно отразится на серопоглотительной способности шлака. Известен альтернативный опыт использования глиноземистых шлакообразующих при внепечной обработке, однако при их использовании не всегда удается избежать необходимости использования плавикового шпата: как правило, не на всех плавках ввод глинозема в шлак исключает необходимость использования шпата. Для определения причин в данном исследовании был определен характер изменения технологических свойств шлака: вязкости и степени гетерогенности (содержания в нем твердых частиц) в зависимости от массы вводимого в ковш глиноземсо-держащего материала.
Расчет свойств шлака проводили по полимерной модели (ПМ) шлаков [10]. Определение степени гетерогенности проводили по усовершенствованному алгоритму модели [9], позволяющему определять содержание в шлаке количество твердых частиц (рис. 1).
В точке 1, расположенной выше линии ликвидус L, исходный расплав имеет соответствующие температуру и содержание оксида МеО. Степень приближения расплава к насыщению МеО в полимерной модели оценивается по соотношению двух параметров: термодинамической активности МеО в расплаве
®меО, являющейся функцией состава расплава, и активности насыщения МеО ®М1о , являющейся функцией температуры Т [10].
1т
100 % МеО
100% МеО
Рис. 1. Принципиальная схема расчёта количества твёрдых частиц в гетерогенном шлаке и состава
его жидкой фазы, иллюстрирующая аналогию с методикой расчётов по диаграммам состояния: а — участок гипотетической диаграммы состояния бинарного расплава в координатах «состав» -
и пТД аНАС
«температура»; Ь — соотношение аМеО и аМеО
в том же расплаве при изменениях температуры и состава расплава
В точке 1, с соответствующей температурой Ть справедливо неравенство, свидетельствующее о ненасыщенности расплава МеО (рис. 1, а и Ь):
аТД < аШС(Т1) МеО МеО ■
(1)
При понижении температуры от точки 1 до точки 2 (не включая саму точку 2, лежащую на линии
т \ пНАС
ликвидус Ь) происходит снижение аМеО , однако
аНАС аТД „ ,
аМеО все еще превышает аМеО . В точке 2 активность
насыщения МеО, определяемая температурой Т2, достигает термодинамической активности МеО в расплаве, что свидетельствует о насыщении расплава МеО [10]:
аТД = ПНАС<Т2)
ЫМеО МеО ■
НАС (Т3)
аМеО . Это говорит о том, что гомогенный расплав
с исходным содержанием МеО при температурах ниже ликвидуса существовать не может. Поэтому при температуре ниже ликвидуса начинается выделение МеО из гомогенного расплава в таких количествах, чтобы при каждой температуре соблюдалось равенст-
аТД аНАС
во иМеО и аМеО , т.е. при понижении температуры от
точки 2 до точки 3 изменение состава гомогенного расплава происходит по линии 2-4 (см. рис.1, а).
Таким образом, методика определения количества нерастворенных кристаллов и состава жидкой фазы гетерогенного шлака состоит в следующем:
- определение минимальной температуры, при которой для всех компонентов шлака термодинамические активности не превышают активностей насыщения (определяется температура ликвидус);
- уменьшение содержания тех компонентов в расплаве, для которых по мере снижения температуры
аНАС аТД
ниже ликвидуса аМеО сравнивается с аМеО; уменьшение содержания этих компонентов в расплаве производится таким образом, чтобы при каждой температуре ОМес/ была равна ОНью (рассчитывается состав жидкой фазы гетерогенного шлака);
- определение массовой доли нерастворенных кристаллов по балансу компонентов исходного расплава при температуре ликвидус и состава жидкой фазы при его гетерогенизации.
Известный состав жидкой фазы позволяет определить ее вязкость по по моделям для гомогенных систем [10]. Используя формулу Эйнштейна [3] (для определения вязкости суспензии) при имеющихся значениях вязкости жидкой фазы п0 и объемной доли нерастворенных кристаллов е, можно определять эффективную вязкость шлака п.
Были отобраны 11 проб шлака из ковша при вне-печной обработке стали и рассчитаны их свойства (рис. 2).
( 2 )
Если и при дальнейшем снижении температуры от точки 2 до точки 3 считать, что состав исходного расплава не изменяется (не снижается содержание
ТД
МеО), то аМеО становится выше, чем, например,
■ 3
I Е
■ С
ч
3
о
0.1 а
0,15 0.12 0.09 0,06 0.03
•
/ (
\ щ 1
* • ..я
ш
А
ом
Ч I
о Ой I 0.06 ;
002
3
г а > ш н
■ Сдаерщнне 1крддй фазы в штате —•— Вялить учи Рис. 2. Степень гетерогенности и вязкость исходных ковшевых шлаков (№ 1 — 11)
Раздел 3
Из данных, представленных на рис. 2, следует, что половина шлаков гетерогенна и имеет повышенную вязкость. Для определения возможностей гомогенизации шлаков путем добавки в них глинозема рассчитали эффект от ввода в исходные шлаки глиноземистых брикетов (рис. 3 и таблица).
Химический состав брикетов ОАО «СЕАЛ и К»
Материал Массовая доля, %
А1мет AI2O3 SiO2 CaO MgO Fe2O3 Na2O K2O п.п.п
Брикеты 3,2 55,7 6,04 1,91 12,6 2,74 4,3 3,7 11,9
Я -г
'¡I
im е s
ч
л
I
■и Я с
и
0.21 018 015 0,12 0 09 0:06 0,03
i
/
\ я
в" .M
M
0.14
0,12
0.08
0,06
0.0-1
0,02
1 î Î 4 S в 7 Î ï » 11
■-- Содержание твердой фазы вшггаке —*— Вязкость шпака а
Из расчетных данных следует, что при определенной добавке (около 250 кг) шлаки гомогенизируются и их вязкость стабилизируется, что исключает необходимость добавки плавикового шпата, т.к. случаев резкого повышения вязкости шлаков нет. Снижение гетерогенности шлака происходит за счет увеличения содержания Al2O3, который повышает растворимость СаО.
Снижение твердой фазы в шлаке уменьшает его кажущуюся вязкость, что также повышает рафинирующие свойства шлака и должно снизить время обработки стали в ковше.
0,21
0.1 »
s О
ч
о о
0,18 0,15
з1 ■ s
1 0,12 ч : •
" I 0,09 с Ч
0,06 0,03
л *
s Ж Л V / / *
à
,-ж:: •V
0,14
0,12
0,1
о,ов :
0,06
и
0,04 S
Б 0Q
0,02
1 3 3 Д S 6 7 8 9 1С И ■ Содержание твердой фазы в шпаке —t— Вязкость шпака
б
га -J
■5 5
О Ч
CJ 01
п
и.
03
Я
о О
0,21 0,18 0,15 0,12 0,0S 0,06 0,03
\ д
V Л V Л V ж Л V / 4 \
w
0,14 0,12 0,1
0,21 г
га -
С I
0,16 0,15
- л TS Ш -Д. ~
0,08 о* i 012 ¡11 0 06 3 & S 0 09
0,06 0,03
о
0,04 S S
a ï
0,02 0
S
о
\
V Л / А V Л V /
V
1 7 } i 5 6 J 8 9 10 11 ■ Содержание твердой фазы в шпаке —•— Вязкость шпака
г
1 2 3 л 5 6 7 8 9 10 И
—»- Содержание твердой фазы в шпаке —♦— Вязкость шлака
в
Рис. 3. Степень гетерогенности и вязкость исходных ковшевых шлаков при добавке в 160-т ковш глиноземсодержащих брикетов: а — 50 кг; б — 150 кг; в — 250 кг; г — 350 кг
0.14
0,12
0.1 га
С
m
О.ОИ s
я
0,06 л
004 Ï M
m
0,02
Таким образом, определен тип материала, необходимого для разжижения шлака, и с помощью полимерной модели рациональный расход глиноземсо-держащего материала.
Список литературы
Повышение стойкости футеровок металлургических агрегатов - эффективный путь снижения удельных затрат на огнеупорные материалы «ЕВРАЗ НТМК» / С.В. Филатов, Э.А. Вислогузова, М.С. Фомичев, А.В. Шкляев // Энергосберегающие технологии в промышленности.
1
Печные агрегаты. Экология: труды VI междунар. науч.-практ. конференции с элементами научной школы для молодежи, посвященной 80-летию ММК. Москва: МИСиС, 2012. 560 с.
2. Вислогузова Э.А., Метелкин А.А. Прогнозирование стойкости рабочей футеровки вакуум-камеры ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» // Новые огнеупоры. 2006. № 4. С. 64-65.
3. Стрелов К.К., Кащеев И.Д. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов: учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Металлургия, 1996. 608 с.
4. Касьян Г.И., Минц А.Я. Возможность повышения стойкости футеровки сталеразливочных ковшей при использовании магнезиальных добавок // Металл и литье Украины. 2009. № 1-2. С. 23-26.
5. Оценка влияния агрессивности технологических факторов на износ алюмопериклазоуглеродистых изделий, применяемых в футеровке сталеразливочного ковша / А.А. Метелкин, О.Ю. Шешуков, В.В. Левчук, С.П. Ма-линин, И.В. Некрасов // Сталь. 2013. № 5. С. 29-31.
6. Рациональное наведение шлака для повышения стойкости футеровки сталеразливочных ковшей в условиях конвертерного цеха ЕВРАЗ НТМК / О.Ю. Шешуков,
B.В. Левчук, С.П. Малинин, А.А. Метелкин, И.В. Некрасов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 70-й межрегион. на-уч.-техн. конференции. Магнитогорск: Изд-во МГТУ им. Г.И. Носова, 2012. Т.1. С. 186-189.
7. Бигеев А.М., Бигеев В.А. Металлургия стали. Теория и технология плавки стали: учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. Магнитогорск: МГТУ, 2000. 544 с.
8. Некрасов И. В. Оценка вязкости гетерогенных оксидных расплавов // Молодой ученый. 2012. № 12. С. 95-98.
9. Методика оценки вязкости промышленных шлаков / И.В. Некрасов, О.Ю. Шешуков, В.Н. Невидимов, С.А. Истомин // Изв. вузов. Черная металлургия. 2012. № 4.
C. 21-24.
10. Новиков В.К., Невидимов В.Н. Полимерная природа расплавленных шлаков. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 62 с.
Сведения об авторах
Метелкин Анатолий Алексеевич - ассистент ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина», г. Екатеринбург. E-mail: [email protected].
Шешуков Олег Юрьевич - заведующий лабораторией ФГБУН «Институт металлургии» Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected].
Некрасов Илья Владимирович - старший научный сотрудник ФГБУН «Институт металлургии» Уральского отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected].
Егиазарьян Денис Константинович - аспирант, инженер-исследователь ФГБУН «Институт металлургии» Уральского
отделения Российской академии наук, г. Екатеринбург. E-mail: [email protected].
♦ ♦ ♦
УДК 621.74.047
Байкин А.А., Столяров А.М., Мошкунов В.В., Казаков А.С.
РАЗЛИВКА СТАЛИ НА ОДНОРУЧЬЕВОЙ СЛЯБОВОЙ МНЛЗ ЧЕРЕЗ ПОГРУЖНЫЕ СТАКАНЫ РАЗЛИЧНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Аннотация. В работе сравнивается тепловое состояние стенок кристаллизатора при заливке металла через погружные стаканы разной конструкции. Применение опытного стакана с четырьмя отверстиями позволяет получить более равномерное распределение тепла в верхнем слое металла под покровным шлаком при отливке слябов шириной не более 2050 мм. Это положительно сказывается на качестве отливаемой слябовой заготовки
Ключевые слова: слябовая МНЛЗ, погружной стакан, конструкция, кристаллизатор, тепловое состояние, оценка.
В кислородно-конвертерном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» эксплуатируется одноручьевая МНЛЗ криволинейного типа с вертикальным участком производства фирмы «SMS Siemag» [1-3]. Сталь из 385-тонного сталеразливоч-ного ковша подается сначала в 50-тонный промежуточный ковш, а затем в вертикальный кристаллизатор высотой 900 мм. Для разливки стали закрытой струей применяются серийные погружные стаканы с двумя
боковыми выходными отверстиями (рис. 1) разных типов:
Размеры (мм): головки выходного отверстия Первый тип стакана 185x125 130x69
Второй тип стакана 185x115 110x69
