Повышение стойкости периклазоуглеродистых футеровок сталеразливочных ковшей на основе применения ресурсосберегающих технологий разогрева Матвеев, Максим Валерьевич

Введение к работе

Актуальность работы. По данным ассоциации World Steel Association мировое производство стали в 2011 г. составило 1,527 млрд.т. и на ближайшее время тенденции к увеличению мирового производства стали сохраняются. Фактически вся выплавляемая сталь проходит через сталеразливочные ковши, которые являются одним из основных видов металлургического оборудования. В современных условиях интенсивного развития технологий внепечной обработки, повышения требований к качеству стали, функции сталеразливочных ковшей и спектр способов и видов металлургических процессов, осуществляемых в них расширились многократно. Это привело к повышению температуры расплава, выдаваемого из плавильного агрегата, времени нахождения жидкой стали в ковше, потребовало применения новых более стойких огнеупоров. Не менее важным обстоятельством являются высокие затраты на ковшевые огнеупоры, которые соответствующим образом сказываются на себестоимости и конкурентоспособности производимой стали.

В настоящее время для ковшевой металлургии наиболее перспективными являются безобжиговые, смолосвязанные периклазо- и алюмопериклазоуглеро- дистые огнеупоры, в которых углеродистым компонентом является чешуйчатый графит. Периклазоуглеродистые огнеупоры обладают высокой стойкостью, достигающей 100 и более плавок.

При всех достоинствах периклазоуглеродистых (далее ПУ) огнеупоров, они имеют существенный недостаток - окисляются (обезуглероживаются) при высоких температурах в контакте с кислородом и другими газами-окислителями. Обезуглероженный слой огнеупора, в котором выгорел (окислился) углерод (графит), характеризуется пониженной прочностью, повышенной пористостью и низкой сопротивляемостью против размыва расплавом. Обезуглероживание огнеупоров резко сокращает срок их службы, стойкость футеровки, увеличивает вероятность загрязнения стали неметаллическими включениями футеровоч- ного происхождения.

Важным обстоятельством является то, что обезуглероживание ПУ огнеупоров происходит уже при первом разогреве новой футеровки на стендах. Несовершенство и слабая научная проработка используемых в настоящее время технологий разогрева ПУ футеровок наносят непоправимый ущерб огнеупорам до ввода ковша в непосредственную эксплуатацию, т.е. еще до контакта с расплавленной сталью. В связи с этим разработка и реализация на научной основе ресурсосберегающих технологий разогрева ПУ футеровок сталеразливочных ковшей, обеспечивающих увеличение стойкости, срока службы огнеупоров, минимизацию загрязнения расплава неметаллическими включениями футеро- вочного происхождения, повышение качества и снижение себестоимости стали является актуальной научно-практической задачей, имеющей большое отраслевое значение.

Диссертационная работа выполнена: в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса (УМНИК)» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (государственный контракт от 19.04.2011 г. № 8981 р/14114); в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ); в соответствии с планами научно- исследовательских работ технического управления ОАО «Новокузнецкий металлургический комбинат» (в настоящее время ОАО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»), темы № 25 - 2010 г. и № 15 - 2011 г.

Цель работы. Разработка ресурсосберегающей технологии разогрева пе- риклазоуглеродистых футеровок сталеразливочных ковшей, обеспечивающей повышение стойкости огнеупоров и качества стали.

Задачи работы.

1. Сформулировать и научно обосновать основные требования к ресурсосберегающей технологии первого разогрева ПУ ковшевых футеровок.

2. Разработать многофакторную детерминированную математическую модель тепловой работы ПУ футеровки и стенда разогрева сталеразливочных ковшей.

3. Получить количественные данные и эмпирические зависимости по кинетике выгорания углерода и влиянию температурно-временного фактора, вида антиоксидантов и состава атмосферы на процесс обезуглероживания ПУ огнеупоров марок RI-MC11LC, DALCAR P8L20, DALCAR P15M7.

4. Разработать покрытие для предотвращения обезуглероживания ПУ футе- ровок сталеразливочных ковшей при первом разогреве.

5. Научно обосновать механизм разрушения обезуглероженного слоя ПУ огнеупоров при контакте с жидким металлом и установить его влияние на загрязненность стали неметаллическими включениями футеровочного происхождения.

6. Разработать на основе применения покрытия и малообезуглероживающих температурных режимов ресурсосберегающую технологию разогрева ПУ футе- ровок сталеразливочных ковшей.

7. Внедрить результаты теоретических и экспериментальных исследований в производство и учебный процесс при подготовке студентов специальности 150103 - Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей.

Научная новизна.

7. 1. Определены и научно обоснованы основные принципы разработки ресурсосберегающих, малообезуглероживающих технологий разогрева периклазоуг- леродистых футеровок сталеразливочных ковшей.

   2. Впервые установлены кинетические закономерности обезуглероживания ковшевых периклазоуглеродистых огнеупоров марок RI-MC11LC, DALCAR P8L20, DALCAR P15M7.

   3. Впервые разработано покрытие, состоящее из наполнителя - молотого силикатного стекла и связующего - жидкого натриевого стекла, предотвращающее обезуглероживание периклазоуглеродистых огнеупоров при высокотемпературном разогреве футеровки сталеразливочных ковшей.

   4. Научно обоснован механизм разрушения обезуглероженного слоя перикла- зоуглеродистых огнеупоров, при контакте с расплавами металла и шлака.

   5. Установлен интервал наливов ковша, которым соответствует максимальное поступление неметаллических включений футеровочного происхождения в сталь.

   Практическая значимость и реализация результатов.

   7. 4. 1. Разработанная математическая модель тепловой работы футеровки и стенда для разогрева ковшей предназначена для осуществления многовариантных прогнозных расчетов при проектировании в исследовательских и обучающих целях.

         2. Полученные количественные данные и эмпирические зависимости по влиянию температурно-временного фактора и состава атмосферы на кинетику обезуглероживания ПУ огнеупоров марок RI-MC11LC, DALCAR P8L20, DAL- CAR P15M7 являются основой для разработки малообезуглероживающих температурных режимов разогрева футеровок ковшей.

         3. Разработано эффективное защитное покрытие, предотвращающее обезуглероживание ПУ огнеупоров, повышающее их стойкость и снижающее загрязнение расплава стали неметаллическими включениями футеровочного происхождения.

         4. Установлены основные закономерности влияния разрушения обезуглеро- женного слоя огнеупоров, образовавшегося при первом разогреве футеровки, на загрязненность стали неметаллическими включениями футеровочного происхождения.

         5. Разработанные технология нанесения защитного покрытия и ресурсосберегающие температурные режимы разогрева ПУ футеровок 130-т сталеразли- вочных ковшей приняты к промышленному внедрению ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Прогнозируемый экономический эффект от экономии природного газа составляет 280 тыс. руб. в год.

         6. Разработанная математическая модель внедрена в учебный процесс в СибГИУ и используется при подготовке студентов специальности 150103 - Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей.

         Методы исследований. Кинетику обезуглероживания образцов огнеупоров исследовали с помощью гравиметрического метода (по потере массы) и газового анализа. Температуру образцов определяли с помощью метода термометри- рования. Исследование кинетики обезуглероживания ПУ огнеупоров проводили на дериватографе и термоанализаторе LABSYS по стандартным методикам. Химический и фазовый состав огнеупора определяли с помощью рентгенофа- зового анализа и спектрометра ARL 9800. Анализ дисперсного состава обезуг- лероженного слоя футеровки проводили с помощью лазерного гранулометра Malvern Mastersiser 2000. Загрязненность стали неметаллическим включениями определяли с помощью металлографического метода.

         Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждаются: совместным использованием воспроизводимого по точности физического и математического моделирования с опорой на современные достижения теорий теплопроводности, а также на качество измерений и статистическую обработку результатов; адекватностью разработанной математической модели; сопоставлением полученных результатов с данными других исследователей; сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований с результатами промышленных испытаний.

         Предмет защиты.

         На защиту выносятся:

         7. 4. 6. 1. Концепция покрытия с переменным агрегатным состоянием (ПсПАС).

                  2. Результаты математического моделирования малообезуглероживающих температурных режимов разогрева ПУ футеровок сталеразливочных ковшей.

                  3. Результаты экспериментальных исследований кинетики обезуглероживания ПУ огнеупоров марок RI-MC11LC, DALCAR P8L20, DALCAR P15M7.

                  4. Механизм разрушения обезуглероженного слоя ПУ огнеупоров при контакте с жидким металлом и результаты исследования его влияния на загрязненность стали неметаллическими включениями футеровочного происхождения.

                  5. Результаты промышленных экспериментов по внедрению ресурсосберегающей технологии разогрева футеровок сталеразливочных ковшей.

                  Автору принадлежит: постановка задач теоретических и экспериментальных исследований; разработка структуры и алгоритма математической модели; проведение экспериментальных исследований по установлению кинетических закономерностей обезуглероживания ПУ ковшевых огнеупоров; проведение лабораторных экспериментов по подбору компонентного и дисперсного составов защитного покрытия; проведение промышленных экспериментов по применению защитных покрытий и малообезуглероживающих температурных режимов разогрева футеровок; обработка полученных результатов, анализ, обобщение, научное обоснование, формулировка выводов и рекомендаций.

                  Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов п.7 «Тепло- и массоперенос в низко- и высокотемпературных процессах», п.17 «Материало- и энергосбережение при получении металлов и сплавов», п.20 «Математические модели процессов производства черных, цветных и редких металлов».

                  Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 16 конференциях различного уровня: VII и VIII Международной научно-технической конференции молодых специалистов, НКМК, ЗСМК г. Новокузнецк, 2008, 2010; Всероссийской научно-технической конференции «Научное наследие И.П. Бардина», СибГИУ, г. Новокузнецк, 2008; VI и VIII Международной научно-технической конференции, «Современная металлургия начала нового тысячелетия», ЛГТУ, г. Липецк, 2009, 2011; Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество», СибГИУ, г. Новокузнецк, 2009; Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения», СибГИУ, г. Новокузнецк, 2009; 49-ой научно-технической конференции молодых специалистов, НКМК, г. Новокузнецк, 2010; X Международной научно-технической конференции молодых специалистов, ММК, г. Магнитогорск, 2010; Международной научно-технической конференции молодых работников, «Металл 2010», «Металл 2011», БМЗ, г. Минск, Жлобин 2010, 2011; Всероссийской научно-практической конференции ученых, аспирантов, специалистов и студентов, «Современные проблемы методологии и инновационной деятельности», филиал КузГТУ, г. Новокузнецк, 2010; II Всероссийской научно- практической конференции, «Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса», филиал КузГТУ, г. Новокузнецк, 2010; VI Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, «Интеллект молодых - производству 2010», НКМЗ, г. Краматорск, 2010; 44-ая (50-ая) научно-технической конференции молодых специалистов, ЗСМК (НКМК), г. Новокузнецк, 2011; IX Международной научно-технической конференции молодых специалистов, ЗСМК - НКМК, г. Новокузнецк, 2011.

                  Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 23 печатных работах: в журналах, сборниках научных трудов. Из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

                  Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и приложений. Изложена на 154 страницах, содержит 54 рисунка, 5 таблиц, список использованных источников из 129 наименований.

                  Похожие диссертации на Повышение стойкости периклазоуглеродистых футеровок сталеразливочных ковшей на основе применения ресурсосберегающих технологий разогрева

                  

                  Обеспечение заданного качества алюминия в послеплавочный период на основе применения рациональных футеровок ковшей и миксеров Темлянцева Елена Николаевна

                  

                  Повышение качества рельсов на основе применения малоокислительных и малообезуглероживающих технологий нагрева непрерывнолитых заготовокСюсюкин Андрей Юрьевич

                  

                  Повышение стойкости периклазоуглеродистой футеровки кислородного конвертера из изделий отечественного производстваВоронина Ольга Борисовна

                  

                  Разработка и исследование методов повышения стойкости доменных воздухонагревателей с внутренней камерой горенияСтрельников Дмитрий Александрович

                  

                  Разработка технологии непрерывной разливки стали на основе исследования гидродинамики потоков металла в промежуточном ковше для получения высококачественных слябовТиняков Владимир Викторович

                  

                  Исследование процессов и разработка технологических основ плавки стали с применением газоструйных систем над зоной продувки агрегатаМеркер Эдуард Эдгарович

                  Разработка технологий получения и применения сплава силикомарганецалюминий и его попутного шлака в производстве стали Майсурадзе Григорий Дмитриевич

                  

                  Разработка метода определения рациональных составов ферросплавов, технологии их получения и применения при обработке стали Шешуков Олег Юрьевич

                  Исследование и разработка параметров технологии выплавки стали с применением ДСП средней вместимости для повышения эффективности производства сортовой заготовкиБелковский, Александр Георгиевич

                  

                  Исследование и разработка технологии получения алюминия с применением глинозема из боксита Средне-Тиманского месторожденияЕршов Владимир Александрович