Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ГАРНИСАЖА НА ФУТЕРОВКУ КОНВЕРТЕРА

Изобретение относится к области металлургии, в частности к процессу ошлакования огнеупорной футеровки конвертера.

Известен способ нанесения шлакового гарнисажа на футеровку конвертера с присадкой на оставленный шлак предыдущей плавки карбонатных и/или углеродсодержащих материалов в зависимости от содержания углерода в металле на повалке перед выпуском из конвертера предыдущей плавки [Патент РФ №2128714]. Недостатком использования способа, определяющего присадку модифицирующих шлак карбонатных и углеродсодержащих материалов в зависимости от содержания углерода в металле на повалке перед выпуском, является слабая характеристика шлака, оставленного для нанесения гарнисажа, так как содержание углерода в металле перед выпуском не характеризует показатель основности шлака и, следовательно, дает неверную информацию по вязкостным свойствам шлака, а также слабо характеризует агрессивность шлакового расплава к футеровке конвертера.

Наиболее близким по технической сущности и получаемым результатам к заявляемому способу является способ нанесения гарнисажа на футеровку конвертера, включающий оставление в конвертере конечного шлака, раздув конечного шлака азотом, присадку до раздува и/или в процессе раздува самораспадающихся магнезиальных гранул (СМГ), соотношение оксидов магния к оксидам кальция (MgO/CaO) в которых составляет величину от 10 до 65, а содержание потерь при прокаливании 20-50%, при этом расход гранул на операцию нанесения шлакового гарнисажа изменяется в количестве 0,2-30,0 кг/т стали. Самораспадающиеся магнезиальные гранулы содержат мас.%: оксид магния 40-65; оксид кальция 1,0-2,5; углерод 4-20 и/или оксид железа 7-15 [Патент РФ №2294379].

Недостатком известного способа является резкое увеличение вязкости шлака с момента присадки гранул, что приводит к преждевременному сворачиванию шлака и к неравномерному нанесению на поверхность футеровки конвертера защитного шлакового слоя, а также к зарастанию днища футеровки конвертера. Этот недостаток обусловлен следующими обстоятельствами.

Самораспадающиеся магнезиальные гранулы производят путем гранулирования тонкомолотой шихты, которая в зависимости от требований к химическому составу гранул имеет различный состав: каустический и сырой магнезит, и кокс; каустический и сырой магнезит, и сидерит; каустический и сырой магнезит, кокс и сидерит. Ввод СМГ на высокотемпературный окисленный шлак до раздува и/или в процессе раздува азотом приводит к разрыву гранул за счет значительного содержания Δm_прк (потери при прокаливании) в гранулах, состоящих на 70-85 мас.% из магнезита MgCO₃ и брусита Mg(OH)₂, которые при температурах 400-700°С диссоциируют с образованием высокодисперсной и химически активной магнезии при резком снижении температуры шлакового расплава. Присадка СМГ менее 0,2 кг/т стали не приводит к необходимому пересыщению шлакового гарнисажа оксидами магния, а присадка гранул более 30 кг/т стали способствует неравномерности толщины намороженного шлакового гарнисажа по высоте конвертера.

Шлаки к концу продувки металла кислородом в основном являются гетерогенными, так как добавочные шлакообразующие материалы часто продолжают растворяться до конца плавки, кроме этого в шлак непрерывно поступают твердые частицы периклаза из футеровки. Компонентами, резко повышающими вязкость конечного шлака, в основном являются оксиды кальция и магния. В случаях высокой основности и большой окисленности шлака необходимо дополнительно присадить MgO-содержащие материалы для повышения стойкости гарнисажного покрытия футеровки конвертера. При выплавке рядового сортамента, где требования к основности шлака не так строги, как при выплавке ответственных марок сталей, отмечено снижение основности шлака до 1,8-2,0 ввиду повышения доли лома в металлошихте и вынужденного снижения расхода основных добавочных материалов на плавку. Предел растворимости оксида магния в таких шлаках выше 12% и, следовательно, для нейтрализации шлаков с низкой основностью необходимо присадить значительное количество добавочных основных материалов, которые бы компенсировали недостаток основности. Избыточное внесение известных материалов приведет к сворачиванию шлака в начальный период раздува шлака азотом с получением гарнисажа недостаточной толщины в конусной части футеровки, а также наибольшей зашлакованности в зонах шлакового пояса, что может привести к отслоению большой массы шлака и его выпадению со стен.

В предлагаемом способе поставлена задача: получение равномерно ошлакованной футеровки конвертера с повышенной стойкостью гарнисажа и снижение зарастания днища конвертера шлаком.

Технический результат достигается тем, что в способе нанесения гарнисажа на футеровку конвертера, включающем оставление шлака после слива металла, раздув шлака азотом, присадку флюса, содержащего оксиды магния, кальция, железа и углерод, с обеспечением получения ожелезненного периклаза, в отличие от ближайшего аналога на оставленный в конвертере шлак присаживают флюс, дополнительно содержащий металлический алюминий, оксиды алюминия и кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

при этом основность оставленного в конвертере шлака составляет 1,5-4,5, при соотношении оксидов железа к оксидам магния в шлаке, равном 1,2-7,5, а массовая доля ожелезненного периклаза во флюсе составляет 2,0-75%.

Сущность способа заключается в том, что присадка в процессе раздува шлака азотом флюса, включающего ожелезненный периклаз, при дополнительном содержании металлического алюминия, оксидов алюминия и кремния на шлак с различной основностью и окисленностью при изменяющемся содержании оксидов магния в шлаке, приводит к повышению стойкости гарнисажного покрытия футеровки. Происходит это за счет принудительного внесения частиц периклаза с различной степенью ожелезнения MgO·Fe₂O₃, с температурой плавления более 1750°С. По результатам петрографических исследований минералогического состава флюса содержание Fe₂O₃ в зернах ожелезненного периклаза может составлять от 2% до 50%. Частички ожелезненного периклаза не успевают раствориться в насыщенном оксидами магния шлаке и оказывают торкретирующее действие за счет повышения свойств адгезии шлака. Однако ввод этих частиц приводит к резкому увеличению вязкости шлака. При этом оксиды алюминия действуют как разжижитель и участвуют в дорастворении оксидов кальция и оксидов магния, повышают основность шлака и позволяют получить шлак достаточной жидкоподвижности, исключающей сворачивание гетерогенного шлака, соответственно обеспечивают равномерное нанесение шлака на всю поверхность футеровки конвертера. Поскольку алюминий обладает большим сродством к кислороду, он легко окисляется оксидами железа шлака, тем самым снижает агрессивность шлака по отношению к периклазуглеродистым огнеупорам и предотвращает стекание жидкоподвижного шлака с футеровки.

Таким образом, основную роль в определении необходимости применения заявляемого способа играют основность шлака и соотношение оксидов железа к оксидам магния в шлаке, т.к. именно эти показатели определяют агрессивность шлака по отношению к огнеупорам и характеризуют его вязкость.

Если основность шлака составляет величину менее 1,5, то такой шлак содержит большое количество кремнекислородных комплексов, которые наиболее агрессивны к основной футеровке конвертера, и нанесение гарнисажа шлаком низкой основности приведет к снижению стойкости гарнисажного покрытия и к увеличению износа футеровки конвертера. Шлак с основностью более 4,5 является гетерогенным, пересыщенным основными оксидами и удовлетворяет требованиям к получению гарнисажа, поэтому избыточное внесение основных оксидов флюсом предлагаемого состава в шлак высокой основности приведет к ухудшению процесса нанесения равномерного шлакового гарнисажа на футеровку конвертера.

В случае, когда соотношение оксидов железа к оксидам магния составляет менее 1,2, вязкость шлака очень велика, кроме этого оксид железа связан с основными оксидами шлака и его активность по отношению к футеровке низкая, соответственно присадка флюса, в структуре которого присутствуют зерна ожелезненного периклаза, приведет к резкому сворачиванию шлака и не позволит получить равномерный гарнисаж на футеровке. Если величина соотношения оксидов железа к оксидам магния составляет более 7,5, то шлак данного состава очень трудно нейтрализовать ввиду большого количества оксидов железа. Кроме этого данные шлаки очень жидкоподвижные и имеют низкую вязкость даже при большой основности шлака. При данном варианте стойкость гарнисажа с использованием предлагаемого способа не соответствует требованиям, необходимым для защиты футеровки в начальный период плавки.

Поставленная задача не решается, если массовая доля ожелезненного периклаза в флюсе будет более 75%, так как тугоплавкий ожелезненный периклаз в большом количестве приведет к преждевременному сворачиванию шлака и исключит возможность получения равномерного гарнисажа по всей высоте конвертера. В свою очередь, малое количество ожелезненного периклаза менее 2% существенно ухудшит процесс получения гарнисажа требуемой стойкости.

Для того чтобы получить стойкий равномерный шлаковый гарнисаж на футеровке конвертера, в составе флюса содержание оксидов алюминия должно находиться в пределах 1,0-15,0% и металлического алюминия 1,0-10,0%, которые обеспечивают снижение агрессивности шлака и позволяют получить шлак требуемой вязкости в период всего процесса раздува шлака азотом.

Если содержание во флюсе металлического алюминия и оксида алюминия составляет менее 1%, такой флюс не сможет нейтрализовать шлак и повысить стойкость гарнисажа, так как металлический алюминий и оксид алюминия являются основными нейтрализаторами окисленности шлака. При содержании металлического алюминия более 10% происходит плавление металлического алюминия с поглощением тепла, что приведет к чрезмерному охлаждению шлака с резким повышением его вязкости, что способствует сворачиванию шлака и затрудняет его раздув.

Массовая доля во флюсе оксида алюминия более 15%, а оксида железа более 20% приведет к увеличению легкоплавкой составляющей в виде браунмиллерита (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃), что способствует быстрому оплавлению легкоплавких зон в гарнисаже и вымыванию тугоплавких частиц ожелезненного периклаза по ходу продувки последующей плавки.

Содержание оксидов железа менее 2% исключает возможность образования магнезиоферритов из свободного оксида магния и Fe₂O₃, соответственно снижает стойкость наносимого гарнисажа. Дополнительно образованные магнезиоферриты увеличивают количество тугоплавких составляющих в торкретслое.

Оксиды кремния снижают основность шлака, поэтому их количество не должно быть более 7%. Содержание оксида кремния во флюсе менее 0,5% не возможно ввиду отсутствия шихтовых материалов с содержанием SiO₂ менее 0,5%.

Присадка флюсов с содержанием оксидов магния менее 45,0% приведет к получению легкоплавких составляющих в гарнисаже, который расплавится в начальный период продувки плавки кислородом. Время растворения флюса, содержащего более 85% оксидов магния, превышает время проведения операции нанесения гарнисажа. Он не успевает распасться на составляющие и приваривается к днищу конвертера.

Углерод флюса позволяет снизить окисленность металла и способствует вспениванию шлака, однако его присутствие в составе флюса возможно в пределах 0,1-7,0%. Углерод может присутствовать в структуре флюса в виде отдельных включений, несоединенных с оксидом магния, поэтому при попадании данного флюса в окисленный шлак происходит разрыв флюса в первую очередь в местах присутствия углерода, что способствует быстрому растворению флюса. Поэтому при содержании углерода во флюсе менее 0,1% снижается эффективность действия флюса и поставленная задача не решается. Однако необходимо учесть, что чем больше количество углерода во флюсе, тем меньше механическая прочность флюса. Транспортировка флюсов с содержанием углерода более 7% и подача его по вертикальному тракту приводит к образованию большого количества пыли и мелочи, что ведет не только к потерям материала при перегрузках, но и к забиванию вертикального тракта пылью. Поставленная задача не будет решена, так как мелкая фракция флюса, содержащая более 7% углерода, выносится из конвертера в газоотводящий тракт и не участвует в процессах ошлакования футеровки.

Оксиды кальция необходимы для повышения основности шлака, особенно для снижения агрессивности шлаков с основностью менее 2,5. Содержание оксидов кальция во флюсе ограничивается содержанием остальных компонентов в составе флюса.

Присадка флюса, включающего тугоплавкие частицы ожелезненного периклаза, которые гетерогенизируют шлак и повышают его вязкость, может осуществляться в несколько приемов в различные периоды проведения операции нанесения шлакового гарнисажа. При этом шлак не сворачивается и не осаждается на дно конвертера за счет присутствующих во флюсе оксидов алюминия, кремния и металлического алюминия, разжижающих шлак, за счет этого зарастание днища шлаком не происходит, а шлак наносится равномерно по всей поверхности футеровки конвертера. Использование флюса, включающего тугоплавкие компоненты, одновременно обеспечивающего снижение зарастания днища конечным шлаком, определяет неочевидность заявляемого способа нанесения гарнисажа на футеровку конвертера.

Сопоставление заявляемого способа нанесения гарнисажа со способом, выбранным за прототип, показывает, что заявляемый способ нанесения гарнисажа на футеровку конвертера, при котором используют флюс, включающий ожелезненный периклаз, дополнительно содержащий металлический алюминий и оксиды алюминия и кремния, наряду с получением равномерно ошлакованной футеровки конвертера с повышенной стойкостью гарнисажа обеспечивает снижение зарастания днища конвертера шлаком, 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 способствует критерию «изобретательский уровень».

Способ нанесения гарнисажа на футеровку конвертера по изобретению осуществляется следующим образом.

После окончания продувки плавки и слива металла в сталеразливочный ковш и установки конвертера со шлаком в вертикальном положении в конвертер вводится фурма, через которую на шлак подается азот высокого давления, в процессе подачи азота в конвертер вводят флюс. Производят раздув шлака с нанесением на всю поверхность футеровки гарнисажного покрытия, содержащего ожелезненный периклаз.

Конкретный пример осуществления способа.

Проведено 5 вариантов осуществления способа нанесения гарнисажа на футеровку конвертера с использованием различных составов флюсов, содержащих:

Вариант 1 - 45,0% MgO, 15,0% CaO, 7,0% SiO₂, 10,0% Fe₂O₃, 15,0 % Al₂O₃, 1,0% Аl_мет, 7,0% С; массовая доля ожелезенного периклаза в структуре флюса - 33%.

Вариант 2 - 72,5% MgO, 4,7% CaO, 3,6% SiO₂, 8,5% Fe₂O₃, 4,3% Al₂O₃, 6,3% Аl_мет, 0,1% С, массовая доля ожелезенного периклаза в структуре флюса - 59%.

Вариант 3 - 67,3% MgO, 10,2% CaO, 4,1% SiO₂, 5,8% Fe₂O₃, 7,3% Al₂O₃, 2,1% Аl_мет, 3,2% С, массовая доля ожелезенного периклаза в структуре флюса - 25%.

Вариант 4 - 75,0% MgO, 0,1% CaO, 1,5% SiO₂, 20,0% Fe₂O₃, 1,5% Al₂O₃, 1,5% Аl_мет, 0,5% С, массовая доля ожелезенного периклаза в структуре флюса - 75%.

Вариант 5 - 85,0% MgO, 0,5% CaO, 0,5% SiO₂, 2,0% Fe₂O₃, 1,0% Al₂O₃, 10,0% Аl_мет, 1,0% С, массовая доля ожелезенного периклаза в структуре флюса - 2%.

При всех вариантах по окончании продувки плавки в конвертере емкостью 370 т и слива металла в сталеразливочный ковш в конвертере оставили конечный шлак. После установки конвертера в вертикальном положении в полость конвертера опустили кислородную фурму и начали подавать азот с интенсивностью 1120 м³/мин. Общий расход флюса на операцию при различных вариантах состава и структуры флюса изменяли в пределах от 0,3 кг/т стали до 15 кг/т стали. Присадку первой порции флюса начинали через 10 секунд от начала подачи азота, а присадку последней порции проводили за 30 секунд до конца подачи азота. Фурму в процессе подачи азота перемещали возвратно-поступательным движением, снижая положение фурмы в начале раздува, с последующим изменением положения фурмы в период нанесения гарнисажа на футеровку. После прекращения подачи азота фурму вынули из конвертера, и оставшийся шлак слили в шлаковую чашу.

Перед проведением следующей плавки футеровку конвертера сканировали.

По окончании продувки следующей плавки кислородом проведены визуальные наблюдения за состоянием гарнисажа на футеровке конвертера.

Полученные данные представлены в таблице, из которой видно, что применение предложенного способа при всех вариантах предложенного способа позволило получить гарнисаж с повышенным содержанием количества тугоплавкой составляющей в виде ожелезненного периклаза. Основность конечного шлака по предлагаемому способу повышена на 0,2-0,9 ед. против 0,1 ед. при проведении известного способа. Кроме этого при всех вариантах состава флюса, используемого по предлагаемого способу, отмечено снижение соотношения оксидов железа к оксидам магния в конечном шлаке. Толщина гарнисажа на футеровке конвертера по предлагаемому способу составила величину, в 2-2,5 раза большую, чем при известном способе. При использовании предлагаемых составов флюса отмечена меньшая ошлакованность дна приваренным свернутым шлаком.

Визуальный контроль состояния ошлакованности огнеупоров после проведения следующей плавки после раздува, проведенного по предлагаемому способу, показал наличие остаточного гарнисажа на всей поверхности футеровки конвертера после продувки плавки кислородом. При известном способе гарнисаж по окончании продувки плавки кислородом отсутствовал в местах локального износа футеровки (не ошлакованы конусная часть и повалочные карманы).