Микрокремнезём для желобов доменной печи: выбор по рабочим зонам

I. Нельзя применять одинаковую логику проектирования материалов к разным участкам желоба для разлива чугуна

Система разливочных желобов доменной печи обычно включает зону приема расплава у выпускного отверстия, зону удара в главном желобе, среднюю и заднюю части главного желоба, скребок шлака, ответвленные желоба, шлакосборник, а также поворотный разливочный паз или наклонный желоб. Хотя все эти участки находятся в среде высокотемпературного расплава или шлака, характер контакта со средой, скорость потока, степень турбулентности, колебания температуры и способы технического обслуживания в них различаются.

В соответствующих обзорных работах отмечается, что разрушение огнеупорной футеровки желоба для разлива чугуна является не просто результатом механического износа, а следствием совместного воздействия сдвигающей силы потока. термических напряжений, окисления, эрозии расплавленным шлаком и переноса веществ. Вблизи металлической линии главного желоба обычно преобладают окисление и реакции на границе раздела «расплавленный чугун — шлак», тогда как в зоне шлаковой линии процесс в большей степени определяется растворением, проникновением и массопереносом шлака.

Поэтому роль микрокремнеземной пудры в заливочных материалах разливочных каналов нельзя просто свести к «повышению прочности». Она не только оптимизирует гранулометрический состав и снижает пористость матрицы. но и влияет на поведение в жидкой фазе при высоких температурах, образование молленсита, окислительную стойкость и стойкость к воздействию шлака. Для различных участков необходимо достичь различного баланса между уплотнением, термоударной стойкостью, окислительной стойкостью и контролем жидкой фазы при высоких температурах.

II. Основная роль микрокремнезёма в огнеупорных смесях для доменных желобов Al₂O₃–SiC–C

1. Оптимизация гранулометрического состава матрицы и технологических характеристик

Микрокремнезем состоит из частиц субмикронного размера, которые могут заполнять пустоты между частицами мелкого корунда, активного оксида алюминия и цемента. При рациональной дисперсии системы он способствует повышению насыпной плотности матрицы и позволяет уменьшить количество добавляемой воды при укладке, сохраняя при этом текучесть.

В ходе одного из исследований промышленных материалов для железных желобов путем оптимизации гранулометрического состава и системы диспергирования удалось снизить количество добавляемой воды в заливочной смеси с 5,2 % до 4,4 %, при этом показатель текучести практически не изменился. Меньшее количество добавляемой воды позволило получить материал с более низкой видимой пористостью и более плотной структурой. что привело к увеличению интервалов между ремонтами в ходе испытаний на промышленных магистральных желобах. Данное исследование показывает, что ценность систем с использованием микропорошков зависит не только от химической чистоты, но и от гранулометрического состава, диспергаторов и общей конструкции матрицы.

2. Участие в высокотемпературном связывании и антиокислительной защите

Исследования показывают, что введение оптимального количества микрокремнезёмной пудры в заливочные материалы Al₂O₃–SiC–SiO₂–C позволяет сформировать жидкую фазу с высоким содержанием SiO₂ и высокой вязкостью, которая в дальнейшем вступает в реакцию с Al₂O₃ с образованием моллеита. Жидкая фаза с высоким содержанием кремния способна закупоривать часть пор, замедляя диффузию кислорода внутрь материала. объемные изменения, сопровождающие образование моллеита, также могут в определенной степени компенсировать усадку при спекании, тем самым улучшая окислительную стойкость.

Однако это не означает, что чем больше микрокремнезем, тем лучше. Избыточное количество или плохая дисперсия микрокремнезема могут привести к увеличению количества добавляемой воды, образованию избыточной низкоплавкой жидкой фазы или чрезмерному спеканию материала при средних и высоких температурах, что в свою очередь негативно скажется на термошоковой стойкости.

3. Микрокремнезем нельзя выбирать исключительно по чистоте SiO₂

В исследовании чугуновых желобных бетонов, опубликованном в 2023 году, были сравнены три вида микрокремнезема с номинальным содержанием SiO₂ 93%, 96% и 99%. Результаты показали, что образец микрокремнезема с содержанием 99% в данном эксперименте имел наибольшее количество добавленной воды, наименьшую объемную плотность, наибольшую видимую пористость, а также наихудшую окислительную стойкость. образец микрокремнеземного порошка с содержанием SiO₂ 93 % имел самую низкую прочность на изгиб при высоких температурах. образец с содержанием SiO₂ 96 % демонстрировал наилучшую стойкость к воздействию шлака и лучшие комплексные характеристики.

Следует подчеркнуть, что эти результаты нельзя интерпретировать как «все виды микрокремнезема с содержанием SiO₂ 99 % непригодны для чугунолитейных каналов». Три продукта различаются не только химическим составом, но и гранулометрическим составом, а также содержанием других примесей. Вывод, который действительно подтверждается в статье, заключается в том, что при выборе микрокремнезема для чугунолитейных каналов необходимо комплексно оценивать гранулометрический состав, дисперсность, количество добавляемой воды, состав примесей и поведение при высоких температурах, а не ограничиваться сравнением только значений SiO₂.

III. Условия эксплуатации в различных участках и приоритетные направления применения микрокремнезема

1. Зона приема расплава у выпускного отверстия и зона удара в главном желобе

Передняя часть главного желоба непосредственно подвергается удару струи расплавленной стали из выпускного отверстия и является одной из зон с наиболее суровыми условиями эксплуатации во всей системе желоба для разлива стали. В промышленном анализе после эксплуатации зона. расположенная на расстоянии примерно 3–6 метров от выпускного отверстия, обычно называется зоной турбулентности или критической зоной. Эта зона одновременно подвергается воздействию высокотемпературной расплавленной стали и шлака, сильной турбулентности, втягиванию газов, периодическим термическим ударам, а также повторяющейся эрозии, вызванной обратным потоком расплавленной стали.

Исследования методом CFD показывают, что сдвиговое напряжение на дне главного желоба обычно выше, чем на боковых стенках, а сдвиговое и тепловое напряжение вблизи точки падения чугуна значительно выше, чем в других зонах. в одной из моделей главного желоба максимальное тепловое напряжение наблюдалось примерно в 4 метрах от передней части желоба, что в основном совпадает с зоной с наименьшим сроком службы на производстве.

Основные цели использования микрокремнеземной пудры в этой зоне включают:

уменьшение количества добавляемой воды при строительстве, повышение плотности матрицы и её сопротивляемости проникновению расплавленного чугуна;
улучшение прочности сцепления заполнителя с матрицей и уменьшение отслоения частиц под воздействием ударов;
замедление окисления углерода и SiC за счет образования соответствующих кремниевых фаз и моллеита;
улучшение текучести бетона для обеспечения целостности конструкции в области дна канала, поворотов и боковых стенок.

Однако в зоне удара не следует односторонне стремиться к крайне низкой пористости и высокой прочности спекания. Чрезмерная плотность матрицы или избыток жидкой фазы могут увеличить риск дренажа при обжиге и вызвать высокие термические напряжения при повторяющихся термических циклах. Поэтому в этой зоне необходимо уделять больше внимания совокупности таких характеристик, как устойчивость к эрозии, окислению, термоударной стойкости и безопасности обжига, а не просто увеличивать долю микрокремнезема.

2. Средняя и задняя части основного желоба: необходимо отдельно учитывать линию металла и линию шлака

Интенсивность турбулентности в средней и задней частях главного желоба обычно ниже, чем в зоне удара, однако время контакта расплавленного железа и шлака с огнеупорной футеровкой здесь больше. Здесь необходимо дополнительно различать зоны металлического потока, шлакового потока и дна желоба.

Зона металлического потока

Металлический поток расположен вблизи границы раздела между расплавленным железом, шлаком и огнеупорным материалом, где одновременно могут происходить окисление углерода, окисление SiC, эрозия FeO и проникновение жидкой фазы. Анализ промышленных отходов показал, что в металлической линии может образовываться низкоплавкая фаза железооливина, содержащая FeO и SiO₂. когда шлак содержит большое количество щелочных компонентов, таких как K₂O, его вязкость и температура размягчения могут снижаться, что дополнительно способствует проникновению и переносу веществ, ускоряя износ SiC.

Положительное воздействие микрокремнеземной пудры на металлическую проволоку заключается главным образом в уплотнении матрицы, блокировании каналов проникновения кислорода и расплава, а также в содействии образованию определённых защитных силикатных или моллеитовых соединений. Однако если общее содержание SiO₂ в системе слишком высокое и одновременно присутствует значительное количество FeO или оксидов щелочных металлов, это также может увеличить риск образования низкоплавких силикатных фаз.

Поэтому при производстве металлической проволоки необходимо одновременно контролировать:

общее содержание SiO₂, вносимое микрокремнеземным порошком и другими исходными материалами;
реакции, происходящие после проникновения FeO, MnO и оксидов щелочных металлов;
антиокислительную систему SiC и углерода;
пористость матрицы и вязкость жидкой фазы при высоких температурах.

Зона шлаковой линии

Линия шлака в основном подвергается эрозии доменным шлаком, содержащим CaO, MgO, Al₂O₃, SiO₂, а также небольшие количества FeO и оксидов щелочных металлов. Исследования, проведенные после промышленного применения, показали, что шлак может вступать в реакцию с Al₂O₃ и SiO₂ в облицовочном материале с образованием фаз, таких как кальциевый полевой шпат и кальциево-алюминиевый полевой шпат. некоторые продукты реакции имеют низкую температуру плавления, что может ослабить матрицу и способствовать отслоению заполнителя.

В зоне шлаковой линии микрокремнезём, с одной стороны, снижает проникновение шлака за счет уменьшения пористости. с другой стороны, он является одним из источников SiO₂ в системе реакций «шлак — огнеупорный материал». Поэтому при применении микрокремнезёма в зоне шлаковой линии необходимо соблюдать баланс между «преимуществами физического уплотнения» и «рисками химических реакций при высоких температурах».

В случае шлаков с высоким содержанием FeO, высоким содержанием щелочей или значительными колебаниями состава нельзя судить о применимости микрокремнезема исключительно по прочности при комнатной температуре. необходимо проводить испытания в статических тиглях с реальным шлаком, испытания на вращающуюся эрозию или испытания на динамическое размывание.

3. Шлакоотсекатель и переходные зоны перед и после него

Шлакоотделитель обеспечивает прохождение более плотного расплавленного железа в нижней части, одновременно направляя шлак в шлаковый желоб. Перед ним легко образуются скопления жидкости, обратный поток и турбулентность, а позади — ускорение потока расплавленного железа, изменение направления течения и локальная эрозия.

Соответствующие исследования поточного поля показывают, что вблизи скребка шлака возникает заметная турбулентность. угол наклона перегородки, высота отверстия, а также относительное положение скребка шлака по отношению к выпускному отверстию влияют на сдвиговое напряжение на стенках, эффективность отделения шлака от чугуна и срок службы скребка шлака.

Основные задачи применения микрокремнеземного порошка в этой зоне заключаются в следующем:

повышение текучести заливочного материала и целостности формования сложных конструкций;
уменьшение пористости в области отверстий, углов и стыков сборных элементов;
повышение комплексной устойчивости материала к проникновению шлака и эрозии расплавленным железом;
улучшение сцепления ремонтного материала с остатками футеровки.

В скребках для удаления шлака, как правило, нельзя использовать только «высокопрочный материал для основного желоба» вместо специальных материалов. Конструкция этой зоны, размеры сборных элементов, изгибная прочность и термоударная стойкость имеют такое же важное значение, как и система с микрокремнеземным наполнителем.

4. Ответвления для расплавленного чугуна

После прохождения через скребок расплавленная сталь поступает в боковые желоба, где содержание шлака, как правило, значительно снижается, и материал в основном контактирует с расплавленной сталью высокой температуры. Основными факторами износа являются постоянная эрозия расплавленной сталью, локальный износ в местах изгибов и разветвлений, циклические перепады температур, проникновение расплавленной стали, а также окисление после остановки желоба.

В настоящее время в открытых публикациях мало исследований, в которых проводилось бы прямое промышленное сравнение «различных вариантов использования микрокремнеземного порошка в отводных каналах». Поэтому нижеприведенное содержимое представляет собой инженерный анализ, основанный на механизмах действия материалов основного канала и условиях эксплуатации отводных каналов:

микрокремнезем должен в первую очередь улучшать плотность матрицы, равномерность укладки и сопротивление проникновению расплавленного железа;
не следует стремиться к чрезмерно высокой прочности спекания за счет избыточного содержания жидкой фазы, чтобы не снизить термоударную стойкость в условиях многократного запуска и остановки;
в местах поворотов, перепадов высоты и разветвлений следует усилить гранулометрический состав заполнителя и повысить устойчивость матрицы к размыванию;
в зонах, подвергающихся воздействию воздуха после остановки канала, следует уделять особое внимание антиокислительной защите углерода и SiC.

При выборе микрокремнезема для желоба поддержки металла обычно следует отдавать предпочтение материалам с низким содержанием воды, стабильной дисперсией и объемной стабильностью, не обязательно полностью копируя конструкцию с высокой стойкостью к шлаку, применяемую в шлаковом желобе основного канала.

5. Шлаковые каналы

Шлаковые каналы в основном предназначены для транспортировки доменного шлака, температура которого обычно ниже, чем у чугуна, только что вытекшего из чугунолитейного горловины, однако степень контакта шлака с огнеупорными материалами выше, а химическая эрозия более выражена. Материалы на основе Al₂O₃–SiC–C широко используются как в главных, так и в шлаковых каналах, поскольку SiC и углерод обладают низкой смачиваемостью шлаком, а также хорошими термоударной стойкостью и эрозионной стойкостью.

Основная задача применения микрокремнеземного порошка в шлаководках заключается в следующем:

формирование плотной матрицы, замедляющей проникновение шлака через поры и микротрещины;
улучшение текучести смеси при укладке и целостности поверхности желоба;
способствовать образованию необходимого количества моллеита или керамического связующего, повышая стабильность структуры в нагретом состоянии;
контроль образования низкоплавких фаз, вызванных CaO, MgO, FeO и оксидами щелочных металлов.

В упомянутом выше исследовании 2023 года конкретный образец микрокремнезёмной пудры с содержанием 96 % продемонстрировал лучшие противошлаковые свойства среди трёх групп материалов, что ещё раз подтверждает: при выборе микрокремнезёмной пудры для шлаковых каналов следует уделять внимание комплексному качеству, а не просто стремиться к максимальной чистоте.

6. Качающийся или наклонный желоб

Качающийся сопло расположен перед входом расплавленного железа в торпедный бачок или ковш. помимо воздействия расплавленного железа, оно подвергается наклонам, вибрации, прерывистому разливанию, ударам от локальных перепадов высоты и частым изменениям температуры. Области вблизи оси вращения, у выхода сопла и в точке падения расплавленного железа обычно являются зонами концентрации механических и термических напряжений.

В настоящее время имеется ограниченное количество независимых научных работ, посвящённых роли микрокремнеземного порошка в качающихся литниковых муфтах, поэтому не следует утверждать, что какой-либо конкретный вид микрокремнеземного порошка или определённая фиксированная доза добавки были доказаны в научных работах как оптимальные. С инженерной точки зрения микрокремнеземный порошок в основном используется для:

уменьшение содержания воды в бетоне и повышение ранней прочности конструкции;
повышению однородности матрицы, снижению проникновения расплавленного чугуна и локальной эрозии;
улучшению целостности заливки в местах изгиба сопла и в уязвимых участках;
в сочетании с гранулометрическим составом заполнителя и антиокислителями — для обеспечения как устойчивости к эрозии, так и термоударной стойкости.

В этой области особенно важно избежать чрезмерного спекания и охрупчивания матрицы; при оценке материалов следует включить испытания на остаточную прочность после термошока, а также на целостность конструкции в условиях динамической эрозии и вибрации.

IV. Принципы выбора микрокремнезёмного порошка для материалов, используемых в желобах для расплава

Во-первых, чистота SiO₂ не должна быть единственным критерием

Высокая чистота не означает низкое потребление воды, а также не обязательно означает высокую объемную плотность и высокую стойкость к воздействию шлака. Необходимо одновременно проверять гранулометрический состав, удельную поверхность, степень агломерации, убыток при прокаливании, содержание углерода и примеси щелочных металлов.

Во-вторых, необходимо регулировать общее содержание SiO₂ и состав жидкой фазы при высоких температурах в зависимости от участка конструкции

Зона удара требует плотности, устойчивости к эрозии и окислению. в зоне шлаковой линии необходимо строго контролировать содержание низкоплавких фаз. в боковых желобах и качающихся соплах большее внимание уделяется устойчивости к проникновению расплавленного железа, термоударной стабильности и объемной стабильности. Не следует механически применять одну и ту же рецептуру матрицы для разных участков.

В-третьих, микрокремнезем следует оценивать в контексте всей системы матрицы

Эффективность микрокремнезема зависит от совместного воздействия активного оксида алюминия, цемента, SiC, источника углерода, металлического кремния, B₄C, диспергатора и количества воды, добавляемой при укладке. Обсуждение «оптимального микрокремнезема» в отрыве от общей рецептуры не имеет научного смысла.

В-четвертых, дозировку необходимо определять на основе испытаний реальных материалов

Рекомендуется оценивать как минимум следующие показатели: текучесть в зависимости от количества добавленной воды, объемную плотность, кажущуюся пористость, прочность при комнатной температуре, прочность на изгиб при высокой температуре. индекс окислительной стойкости, остаточную прочность после термошокового испытания, фактическую коррозионную стойкость к шлаку и безопасность при обжиге. Фиксированную дозировку нельзя напрямую переносить из одной научной статьи на все металлургические предприятия и все участки производства.

Заключение

Ценность микрокремнеземного порошка в заливочных материалах желоба для разлива чугуна из доменной печи заключается, по сути, в комплексном регулировании структуры матрицы и процессов реакций при высоких температурах. Он позволяет оптимизировать гранулометрический состав, уменьшить количество воды при укладке, повысить плотность, а также улучшить керамическую связку и окислительную стойкость за счет образования жидкой фазы с высоким содержанием кремния и молленсита.

Однако микрокремнезем одновременно изменяет общее содержание SiO₂ в системе и состав жидкой фазы при высоких температурах. В условиях проникновения FeO, CaO, MgO или оксидов щелочных металлов избыточное или неподходящее количество SiO₂ может участвовать в образовании низкоплавкой фазы. Поэтому для зоны удара главного желоба. металлической линии, линии шлака, скребка шлака, боковых желобов, шлаковых желобов и качающихся сопел следует применять зонированный подход, а не использовать один и тот же «высокочистый микрокремнезем» для всех условий эксплуатации.

По-настоящему надежным критерием выбора является не максимальная чистота или максимальная прочность при комнатной температуре, а способность материала в конкретных условиях — при определенных типах шлака, температуре расплава, режиме разливки и цикле технического обслуживания — в течение длительного времени сохранять низкую проницаемость, низкую окисляемость, стабильную прочность в нагретом состоянии и контролируемую скорость износа.

Основные источники

Darban S. и др., «Механизмы коррозии огнеупорных бетонов на основе Al₂O₃-SiC-C под воздействием чугуна и шлака на основе ретроспективного анализа промышленных образцов», Open Ceramics, 2023, номер статьи 100453.
Cao Z. и др., «Влияние различных видов кремнеземного дыма на свойства огнеупорных бетонов Al₂O₃-SiC-C для чугуновых желобов», China’s Refractories, 2023, 32(2): 31–36.
Лю Г. и др., «Влияние микрокремнезема на окислительную стойкость огнеупорных бетонов Al₂O₃-SiC-SiO₂-C с добавками Si и B₄C», Ceramics International, 2016.
Яо Х. и др., «Численный анализ эрозии и оптимизация главного желоба доменной печи», «Materials», 2021, 14: 4851.
Ранджан С. и др., «Обзор и анализ металлургических процессов в главном желобе доменной печи и характеристик желоба», «Труды Индийского института металлов», 2022, 75: 589–611.
Домичано В. Г. и др., «Проблемы литейного цеха доменной печи: анализ разрушений огнеупорного бетона главного желоба», доклад на конференции UNITECR.
Чанг С. М. и др., «Численный анализ износа огнеупорного покрытия главного желоба доменной печи», «Достижения в науке и технике», 2014, 92: 294–300.