2. Выбор и обоснование футеровки сталеразливочного ковша

Сталеразливочный ковш представляет собой стальную сварную или клепаную емкость, выложенную изнутри огнеупорным кирпичом или огнеупорной массой, и предназначен для выпуска стали из сталеплавильного агрегата, проведения операций внепечной обработки и последующей разливки металла.

В последние годы технологические функции ковшей значительно расширились. Наряду с процессами раскисления и легирования в ковшах проводят обработку металла нейтральными газами и различными порошковыми материалами, твердыми шлакообразующими смесями и жидкими синтетическими шлаками, вакуумирование, модифицирование, а также при необходимости применяют подогрев или охлаждение расплава [5,6]. На рисунке 2 представлена схема 160-т сталеразливочного ковша.

Рисунок 2 – Сталеразливочный ковш 160 т.

Ковш имеет стальной цилиндрически-конический сварной кожух. В центральной части кожуха имеется кольцо с ребрами жесткости, в котором закреплены две цапфы, позволяющие перемещать ковш с помощью мостового крана и опрокидывать для слива остатков металла и шлака после окончания разливки. Внутри кожух имеет огнеупорную кладку, состоящую из теплоизоляционного, арматурного и рабочего слоев.

Геометрические размеры ковшей должны быть достаточными для того, чтобы вместить весь металл и рафинировочный шлак. В таблице 2 приведены номинальные емкости и размеры сталеразливочных ковшей.

Таблица 2 – Номинальные емкости и размеры сталеразливочных ковшей [2]

Номинальная емкость ковша, т	Количество шлака		Размеры
	т	% (масс.)	высота, мм	диаметр, мм
				верх	низ
10	0,75	7,70	1830	1650	
25	1,80	7,20	1900-2100	1700	1600
50	3,00	6,00	2500-2800	2000-2600	2000-2100
60	3,50	5,85	2500-2600	2000-2250	2000-2100
70	4.00	5,70	2900-3200	2700-2900	2300-2500
90	4,20	4,67	2900-3400	2700-3200	2300-2500
115	4,50	3,91	4180	3180	2758
130	4,80	3,69	4035	3600	3100
150	5,20	3,45	3600-4000	3200-3700	2700-3000
160	4,50	2,81	4035	3660	3372
175	5,50	3,15	3600-3900	3200-3600	2700-3000
220	6,00	2,72	4200-4900	3700-4200	3200-3300
250	6,50	2,60	4700-4800	4000-4300	3400-3500
300	8,50	2,83	4700-4800	4000-4300	3400-3500
350	10,00	2,85	4900-5300	4400-4800	3600-3700
400	11,00	2,95			

Количество рафинировочного шлака устанавливается расчетом для каждого ковша с учетом относительных потерь тепла и продолжительности разливки. Так для ковшей малой емкости (1 – 50 т) относительное количество шлака составляет 10,0 – 6,0 % от массы стали в ковше, для средней емкости (70 – 250 т) относительное количество шлака изменяется в пределах 5,7 – 2,6 %, а для ковшей большой емкости (250 – 480 т) – в пределах 2,6 – 3,0 %.

Для футеровки ковшей применяют различные огнеупоры, которые должны соответствовать технологии выплавки стали, быть устойчивы против коррозии, эрозии, иметь высокую шлакоустойчивость, плотность и невысокую стоимость [2,4].

Футеровка может быть двух видов: выложенная из формованных огнеупоров (кирпичей) или монолитная из огнеупорных масс. Оба способа футеровки ковша имеют преимущества и недостатки.

Процесс изготовления монолитной наливной футеровки в настоящее время полностью механизирован. Использование при наливке шаблона с вибратором позволяет получать плотную монолитную футеровку без швов. В процессе эксплуатации существует возможность быстрого ремонта износившейся части футеровки за счет подливки. С использованием промежуточных подливок достигается стойкость футеровки сталеразливочного ковша до 200 и более наливов. Изготовление монолитной футеровки осуществляется в течение 2 – 3 часов.

Однако для производства наливной футеровки необходимо оснащение участка подготовки ковшей специальным оборудованием: смесителями для приготовления наливной массы с выдачей материала и точным дозированием компонентов; шаблоном из тиксотропной смеси для формирования внутренней поверхности. Режим сушки наливного ковша, включая разогрев, достаточно продолжителен – до 4-х суток.

Характерной особенностью большой группы бетонов, используемых для наливки стенок и днища сталеразливочных ковшей, является значительное уменьшение (в 1,5 – 2 раза) прочностных свойств материала в диапазоне температур 950 – 1100°С. Это означает, что наливная футеровка склонна к разрушению: растрескиванию из-за недостаточной жесткости сталеразливочного ковша или его несимметричной нагрузки. В процессе эксплуатации часто происходит отслоение больших кусков футеровки, что можно считать подтверждением наличия внутренних трещин. В меньшей степени подвергаются растрескиванию бетоны с высоким (более 90 %) содержанием оксида алюминия.

Оптимальную толщину стен монолитной футеровки можно принять от 180 до 200 мм.

При изготовлении футеровки из формованных огнеупоров расширяется сортамент применяемых материалов, так как не из всех материалов можно изготовить наливную футеровку. Формованные огнеупоры имеют большую плотность и меньшую пористость. Режим сушки и разогрева ковшей из формованных огнеупоров производится за более короткое время, чем из огнеупорных масс (до 2-х суток). Нет необходимости в дополнительном оборудовании.

Недостатком изготовления футеровки ковшей из формованных огнеупоров является необходимость использования тяжелого ручного труда высоко­квалифицированных рабочих.

Выход из строя ковшей, как правило, происходит вследствие износа огнеупоров в шлаковом поясе, днище и сталевыпускных гнездах ковша.

Повышенный износ огнеупоров в зоне шлакового пояса обычно связывают со следующими факторами:

• использованием активного высокоосновного рафинировочного шлака;

• применением электродугового подогрева металла в ковше, повышающего температуру шлака и его эрозионное воздействие на огнеупоры;

• длительным нахождением футеровки в условиях контакта со шлаком (несколько часов) при каждом наливе и термоциклическим характером работы;

• интенсивным перемешиванием металла при продувке аргоном.

При рациональной эксплуатации ковша стойкость шлакового пояса может составить 50 – 70 плавок (на ковшах емкостью 100 – 150 т), а согласование стойкости стен ковша и шлакового пояса обычно достигается путем регламентации марки кирпича и толщины футеровки шлакового пояса.

Высокими служебными свойствами обладают формованные огнеупоры периклазоуглеродистого состава. Периклазоуглеродистые огнеупоры менее остальных смачиваются основным шлаком, что увеличивает стойкость шлакового пояса. Широкое распространение получили и высокоглиноземистые огнеупоры. Физико-химические свойства огнеупоров для сталеразливочных ковшей приведены в таблице 3

Таблица 3 – Физико-химические свойства огнеупоров.

Вид огнеупора	Химический состав, %						Кажущаяся плотность, г/см^3	Открытая пористость, %	Термическое расширение, %	Теплопроводность, Вт/м·К	Тепло-емкость, кДж/кг·К
	MgO	CaO	SiO2	Fe2O3	Al2O3	Cост
Переклазоуглеродистый	96,8	2	0,5	0,5	0,2	>12	2,97	<8	1,1	7	1,38
Высокоглино-земистый	2,6	2,2	0,15	0,05	95	-	3,06	<5	1,2	5	1,26