Вспомним забытые технологии: набивные футеровки для сталеразливочных ковшей

     Обычная футе96ровка сталеразливочных ковшей выполняется онеупорным шамотным кирпичом. Стойкость такой футеровки весьма низкая – 10-12 плавок. Основными очагами разрушения футеровки являются швы между кирпичами. Одним из рациональных направлений увеличения стойкости футеровки и снижения ее стоимости является применение монолитной огнеупорной массы [1].

     Монолитная футеровка сталеразливочных ковшей применяется на ряде заводов бывшего СССР и зарубежных стран. Наиболее широкое применение монолитной футеровки имеет место в США.

     Чаще всего монолитным выполняют рабочий слой футеровки стен. Арматурный слой, как правило, выполняют кирпичным. Толщина набивного слоя зависит от емкости ковша и составляет 70-140 мм.

     На некоторых заводах набивную футеровку стен выполняют непосредственно по кожуху, т.е. без арматурного кирпичного слоя, или же между кожухом и набивкой прокладывают слой асбеста толщиной 3,5 мм. Дно ковшей с монолитными стенами, как правило, выполняют из двух рядов шамотного кирпича на плашку.

     На харьковском заводе «Электротяжмаш» хорошие результаты в 9-тонных ковшах с монолитными стенами показала следующая футеровка дна: слой лещадки на плашку и над ним слой шамотного кирпича на ребро. Такая футеровка дна не разрушается при срыве скрапин и по стойкости не уступает набивной футеровке стен.

     На некоторых заводах применяют и монолитную футеровку дна, иногда покрывая его огнеупорной лещадкой поверх набивного слоя.

     Для футеровки стопорных ковшей на некоторых заводах Бельгии, Франции, Японии и бывшего СССР используют природный кварцевый песок, содержащий SiO2 не менее 92%.

     Размеры зерен песка колеблются в пределах 0,1-2,0 мм, а содержание глины выбирают так, чтобы прочность на сжатие в сыром состоянии (далее σсж) была 0,35 кгс/см2, а газопроницаемость – не менее 100 ед.

     Спекшийся сросток набивной массы из часовоярского песка на заводе им. Петровского (г. Днепр) характеризовался пористостью 12%, огнеупорностью 1600°С и механической прочностью на сжатие 112 кгс/см2.

     На некоторых заводах в кремнеземистые массы вводят жидкое стекло, значительно упрочняющее футеровку. Например, на харьковском заводе «Электротяжмаш» в огнеупорную массу вводят 5-7% жидкого стекла модуля 2,6-2,9 плотностью 1,48-1,52 г/см3, 3,5-5,5% сухой порошковой огнеупорной глины марки Ч1ПК, 2% водного раствора NaOH плотностью 1,12-1,14 г/см3, остальное – сухой староверовский кварцевый песок. Смесь имела газопроницаемость 150-200 ед. Хорошие результаты дает упрочнение жидкостекольной футеровки СО2, в результате чего σр (на разрыв) достигает 2,0-3,5 кгс/см2. Такая σр предотвращает обвалы футеровки при транспортировании и кантовании ковшей. Продувка футеровки СО2 предотвращает также растрескивание футеровки при последующей тепловой сушке  облицованных ковшей.

     Для футеровки чайниковых ковшей применяют цирконовые, магнезитовые, высокоглиноземистые и реже кремнеземистые массы. На одном из американских заводов для футеровки сталеразливочных ковшей применяют самоспекающиеся массы на основе карборунда, магнезита, кварцевого и цирконового песков, в составы которых входит самоспекающаяся огнеупорная смесь из кристаллического кремния чистотой 95% с крупностью частиц не более 0,07 мм и Na2SiO4.

     Самоспекание достигается местным разогревом набивки газовой горелкой. После спекания масса на основе кварцевого песка имеет плотность 1,73 г/см3 и σcж 115 кгс/см2, смесь на основе карборунда имеет плотность 1,7-1,9 г/см3 и σcж 84 кгс/см2, смесь на основе магнезита имеет плотность 2,2 г/см3 и σcж 197 кгс/см2.

     В США и Англии значительное распространение получила футеровка чайниковый ковшей цирконовыми смесями. На английских заводах в качестве связующего, как правило, применяют фосфорную кислоту. На сталелитейном заводе в г. Лебанове (США) применяют набивную футеровку чайниковых 4-тонных ковшей, стойкую при температуре до 1760°С, состоящую из 80% цирконового порошка крупностью зерна 0,15 мм, 15,6% цирконового порошка крупностью 0,12 мм; 3,1% огнеупорной глины; 1,3% жидкого стекла плотностью (по Боме) 41° Ве при влажности 3,3-3,5%. На другом заводе США для футеровки ковшей емкостью 5,5-7,5 т применяют смесь из 1,5% огнеупорной глины, 2,5% жидкого стекла плотностью 52° Ве и цирконового порошка.

     На Алтайском тракторном заводе чайниковые ковши емкостью 4-4,5 т футеруют монолитной бетонной смесью, выпускаемой заводом «Магнезит» из тонкомолотого спеченного магнезита, хромитовой руды, лома магнезитохромитовых изделий и 6-7% жидкого стекла с модулем 2,6-2,9 и плотностью 1,28-1,30 г/см3 или 4-5% раствора сернокислого магния плотностью 1,20-1,22 г/см3. На одном из зарубежных заводов для набивной футеровки ковшей применяют доломито-смоляную массу из стабилизированного доломита.

     Глиноземистые монолитные огнеупоры нашли применение для сталеразливочных ковшей в ряде стран. В Англии для этой цели употребляют смесь шамотного боя с глиной и смесь на основе глинозема с фосфорной кислотой. На некоторых заводах США ковши футеруют смесью графита с огнеупорной глиной и смесями на основе муллита. На заводе фирмы «Oklahoma Steel Castings» применена высокоглиноземистая набивная футеровка с 80% Al2O3 и 18% SiO2 с незначительной усадкой, высокой прочностью, плотностью и термостойкостью. На заводе фирмы «Texas Foundries Jnc» в Лафкине (США) футеровку 3,6-тонных  чайниковых ковшей выполняют из литого высокоглиноземистого огнеупорного бетона, уплотняемого с помощью вибратора. Бетон приготавливают из корунда фракции до 4,7 мм, содержащего 96,5% Al2O3, 2,7% СаО, 0,25% SiO2 и 0,12% щелочи; п.п.п. массы составляет 0,15%. После сухого смешивания в корунд добавляют 10% воды. При добавке воды менее 9% литейные и вибрационные свойства массы ухудшаются, а при её содержании  более 10% материал становится слишком жидким и время схватывания увеличивается, но свойства огнеупора ухудшаются.

     Для изготовления литой футеровки стен и дна ковш устанавливают так, чтобы его дно было параллельным полу. Форму стен обычно получают с помощью шаблона из листового железа, устанавливаемого внутрь ковша. Шаблон центрируют деревянными плашками или железными прутками. На одном из заводов США в набивную футеровку дна вдавливают пробку для образования гнезда, в которое затем входит хвостовик шаблона. В случае литой футеровки стен и дна ковша шаблон делают со сплошным дном, чтобы материал не выбивался через центр. Если шаблон деревянный, то его выжигают.

     Для предупреждения прилипания и разрушения футеровки при извлечении поверхность шаблона на некоторых заводах натирают графитом, керосином с графитом и пр. Стены обычно набивают пневматической трамбовкой слоями 50-250 мм, причем для лучшего сцепления перед засыпкой следующего слоя предыдущий разрыхляют. Плотность набивки кремнеземистых масс по твердомеру составляет не менее 70 ед.

     До 80-150°С кремнеземистую футеровку сушат медленно, а затем до 500-600°С - быстро. Цирконовую крупнозернистую футеровку обжигают 18 ч при максимальной температуре, а футеровку из циркона тонкого помола – 48 ч при низких температурах и 72 ч при максимальной. Высокоглиноземистую футеровку обычно сушат при высоких температурах. Исправляют футеровку той же массой.

     Ковшами с монолитными огнеупорами разливают самые разнообразные углеродистые и легированные стали и сплавы. При переходе с кирпичной на монолитную футеровку содержание неметаллических включений в стали на некоторых заводах не изменилось, на других – резко снизилось: на Ковровском экскаваторном заводе - в 2 раза, на заводе им. Петровского с 0,0716 до 0,0316%. Это же отмечается и на заводах США.

     На харьковском заводе «Электротяжмаш» замена кирпичной футеровки набивной в 9-тонных стопорных ковшах, обслуживающих две 5-тонные дуговые печи, позволила сэкономить в год около 200 т шамотного кирпича. Наиболее экономична футеровка сталеразливочных ковшей кремнеземистыми массами на основе песка. Стоимость материалов составляет 15-20% от стоимости кирпичной. Опыт ряда цехов показывает, что замена кирпичной футеровки ковшей монолитной снижает трудоемкость их ремонта в 2 раза, хотя продолжительность сушки увеличивается в 3-4 раза. Общая стоимость кремнеземистой и магнезитовой монолитной футеровки ковшей во всех случаях оказалась ниже стоимости кирпичной.

     Опыт США показывает, что применение в качестве монолитных огнеупоров для сталеразливочных ковшей цирконовых и высокоглиноземистых материалов экономично при повышении стойкости футеровки не менее чем в 2-3 раза.

     Экономическая эффективность от замены кирпичной футеровки ковшей на набивную на разных заводах разная и зависит от конкретных условий конкретного производства. Главные статьи экономии  такие:

- более низкая стоимость кремнеземистой и магнезитовой монолитных футеровок, чем кирпичной;

- снижение трудоемкости монолитной облицовки ковшей в сравнении с кирпичной;

- одним из главных факторов экономичности технологии при применении набивной футеровки является ее более высокая стойкость. Количество плавок при использовании монолитной футеровки в ряде случаев достигает 40-70, 120, 160-176, 600.

     В чугунолитейном цехе литейного КАМАЗа для выдержки расплава при производстве чугунного литья применяют 75-тонные электродуговые печи, в которых расплав нагревается от 1420-1460 до 1560-1580°С [2]. Печи работают в непрерывном режиме с 25-тонным жидким остатком. Высокие температуры перегрева чугуна и кислые шлаки обусловливают весьма жесткие условия службы набивной футеровки подины и откосов.

     Для увеличения срока службы футеровки применяется набивная муллито-корундовая масса на основе высокоглиноземистого шамота (далее ВШ)  с Al2O3 ≥ 85%.

     Специальными исследованиями установлено, что лучшими показателями, содержащая 58% ВШ фракции 3,0 - 0,09 мм, 42% тонко молотой смеси, состоящей из 70% электрокорунда и огнеупорной глины, и 4,5% ортофосфорной кислоты, (сверх огнеупорных материалов). Футеровка откосов производится в виде покрытий на кирпичной кладке. При футеровании толщина рыхлого слоя составляет 50 – 60, набивного – 25 – 30 мм. Общая толщина набивного покрытия на подине печи составляет примерно 400 мм. Толщина откосов – 200 – 250 мм. Футеровка сушится при постепенном повышении температуры от 20 до 1100°С. Общая продолжительность сушки футеровки составляет 80-100 ч, после чего в печь заливают металл.

     Стойкость подины и откосов без промежуточных ремонтов при выплавке СЧ 4 при выплавке КЧ  2 недели.

     Авторы [2] параллельно с эксплуатацией набивной футеровки провели капитальные петрографические исследования (далее ПИ) футеровки. Результаты ПИ свидетельствуют о том, что в процессе эксплуатации футеровки подины под воздействием восстановительной атмосферы муллит в рабочих зонах разлагается с выделением корунда и образованием стеклофазы, которая испаряется после восстановления SiO2 до SiO и вымывается расплавом, т.е. наблюдается постепенное уменьшение содержания муллита в направлении от буферной к рабочей зоне. Подина, постоянно контактирующая с расплавом, изнашивается медленнее, чем в месте контакта со шлаком, так как образующиеся сростки зерен корунда препятствуют размыванию футеровки металлом.

     Набивка футеровки – трудоемкое дело. Поэтому ее успешное применение предполагает механизацию процесса образования набивной футеровки. Этому вопросу посвящены три капитальные публикации [3, 4, 6], в которых детально описана механизация этой уникальной технологии. Вопрос механизации этой технологии приобретает особую актуальность при футеровке сталеразливочных ковшей большой емкости – от 50 до 300 т [3]. Набор средств механизации зависит от емкости ковшей: чем больше емкость, тем сложнее и разнообразнее набор средств механизации.

     Первые опыты по эксплуатации ковшей с монолитной футеровкой показали ее значительную эффективность: снижение доли ручного труда, увеличение в 1,5 – 2,0 раза стойкости рабочего слоя, уменьшение трудоемкости при удалении прежней футеровки перед ремонтом. Имеет место значительный эффект за счет применения более дешевых огнеупорных материалов; экономия труда и денежных затрат благодаря механизации набивки рабочего слоя; повышение стойкости ковша; некоторое снижение себестоимости стали

     По данным авторов [4], внедрение установки для набивки футеровки на одном из заводов снизило трудоемкость ремонта сталеразливочных ковшей и повысило производительность труда на участке, штат которого уменьшился на 2 человека. Плотность слоя, набитого машинным способом, возросла на 20% и составила 90 ед. по стандартному твердомеру для сырых формовочных смесей, а средняя стойкость набивной футеровки увеличилась на 2-3 налива.

     Мы не останавливаемся подробно на огнеупорных массах для футеровки индукционных сталеплавильных печей, так в бывшем СССР они имели ограниченное распространение. Для заинтересованных литейщиков рекомендуем ознакомиться с зарубежным опытом в данном вопросе [5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Сойфр В.М. Монолитная футеровка сталеразливочных ковшей. «Литейное производство», 1967, № 2.
2. Пирогов Ю.А. и др. Набивная футеровка для электродуговых печей. «Литейное производство», 1981, № 1.
3. Ярошенко Н.И. и др. Изготовление монолитной футеровки сталеразливочных ковшей. «Литейное производство», 1988, № 2.
4. Шевчук М.А. и др. Установка для набивки футеровки ковшей. «Литейное производство», 1981, № 4.
5. Сойфр В.М., Точигина М.Ю. Огнеупорные массы для футеровки индукционных сталеплавильных печей. «Литейное производство», 1981, № 7.
6. Гамов Е. С. и др. Монолитные самотвердеющие футеровки. «Литейное производство», 1979, № 3.

Авторы: Канд.техн.наук, почетный литейщик Украины Белобров Е. А., инженеры Карпенкова О.Л., Белобров Л.Е., Белобров К.Е., Белобров Е. Л.

КНПП «Формовочные материалы Украины», г. Краматорск

Опубликовано:  Литьё Украины, 2019, №6, с.7-10