Плюхін ПАВЛО ВАЛЕРІЙОВИЧ СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ВОГНЕСТІЙКІ Матеріали вогнетривкі для футеровки днища сталерозливних ковшів. PLYUKHIN PAVEL VALERIEVICH SPECIALIZED REFRACTORY MATERIALS FOR Lining the BOTTOM OF STEEL BUCKETS.
Тип:
Автореферат
Краткое содержание:
Во введении дано обоснование темы диссертационной работы, определены цели и задачи і исследования. В первой главе обсуждена информация по технологии производства, свойствам, эксплуатационным характеристикам и применению формованных и неформованных огнеупорных материалов системы MgO - MgAhCt - С. Рассмотрены факторы, оказывающие влияние на фильтрацию металлическою расплава в поры огнеупорного / материала. Приведены и проанализированы физико-технические свойства огнеупорных материалов, а также конструктивные решения архитектуры футеровки днища сталеразливочного ковша. Во второй главе дана характеристика исходных материалов, использованных при изготовлении объектов исследования состава и свойств периклазошпинельных карбонированных огнеупоров и периклазовой массы. Описаны методы исследования состава и свойств периклазошпинельных карбонированных огнеупоров и периклазовой массы. В третьей главе произведено компьютерное моделирование термонапряженного состояния днища сталеразливочного ковша. Для выполнения расчетов распределения температуры по сечению футеровки днища стальковша и теплового сопротивления огнеупорной футеровки днища стальковша использовалась компьютерная программа разностного метода решения задач теплопроводности. При расчетах тепловых режимов фуіеровок использованы теплофизические характеристики - коэффициент теплопроводности X и истинная удельная теплоемкость с, которые зависят от температуры материалов, представлены в виде: ЦТ) = аі + а2Т +а3Т2 -НмТ3 + as/ (Т+273); (1) с(Т) = в і + в 2 (Т+273) + вз/ (Т+273)2, (2) где Т- температура, °С; а„ в, - коэффициенты (некоторые из них, в зависимости от I механизма теплопроводности, могут принимать нулевые значения ). Для расчета полей температурных напряжений в днище стальковша использовалась компьютерная программа "COSMOS М". Рассмотрен трехслойный вариант футеровки, состоящей из рабочего, защитного и теплоизоляционного слоев рисунок 1. 6
/\ 61
* Ж
52 5з
Рисунок 1 - Схематичное изображение футеровки днища стальковша 8i - толщина рабочего слоя, мм §2 ■; толщина защитного слоя, мм 5з - толщина теплоизоляционного слоя, мм Температура расплава стали в стальковше 1600-1700 °С. В расчетах изменяли состав огнеупорных изделий футеровки и толщину слоев. Показано что температура на поверхности кожуха стальковша, от толщины рабочего слоя футеровки изменяется не значительно (при толщине рабочего слоя от 50 до 300 мм температура изменяется от 135 до 151 °С). Для обеспечения на металлическом кожухе температуры не выше 100 °С, необходимо увеличивать мощность теплоизоляционного слоя футеровки. Толщины рабочего и защитного слоев, существенного влияігая на температуру поверхности кожуха не оказывают. Мощность рабочего слоя влияет на ресурс футеровки, а арматурный повышает безопасность эксплуатации футеровки. Соотношение толщин (51+5 г)/ 8 з, оказывает существенное влияние на теплопроводность и термическое сопротивление футеровки. При изменении соотношения от 0.5 до 5.6, наблюдается увеличение интегрированной теплопроводности многослойной футеровки, от0.3до1.1Вт/(м-К). Температура на кожухе стальковша зависит главным образом от соотношения 5 г/ 5 з, поэтому при выбранной толщине рабочего слоя (по показателям металло- и шлакоустойчивости), толщины защитного и теплоизоляционного слоев подбирают исходя из требований к значениям, температуры на поверхности кожуха стальковша. Толщина рабочего должна определяться с учетом показателей металло- и шлакоустойчивости. Моделирование термонапряженного состояния днища стальковша осуществлено с использованием компьютерной программы конечноэлсментного анализа "Cosmos М" Необходимые геометрические построения выполнены с помощью программы "Geostar". Расчет термического удлинения днища стальковша был произведен на одном из примеров футеровки рабочего слоя 160т сталеразливочного ковша. Данные компьютерного расчета сведены в таблицу 1. 7
Таблица 1 - Увеличение диаметра дпища ковша в зависимости от температуры металла
Температура металла в стальковше, ° С Суммарное увеличение диаметра днища стальковша, % * 1500 1.92 1520 1.94 1560 1.97 1600 2.02 1660 2.10 * Диаметр рабочего слоя футеровки днища стальковша D=2800MM При температуре эксплуатации стальковша (1560 - 1660 °С) суммарное удлинение (увеличение линейных размеров огнеупорной кладки днища ) составляет 1.97 - 2.1 %: суммарное удлинение размеров рабочего слоя футеровки составляет максимально 2.24 % при 1700 °С для футеровки с применением изделий на основе плавленого периклаза, 2.17 % - с применением изделий на основе спеченного периклаза и 1.95 %- с применением изделий шпинельного состава. Выполнен расчет термических напряжений днища стальковша, футерованного разными марками изделий. Проанализирована интенсивность, возникающих в кладке днища стальковша напряжений при температуре металла 1560 °С и 1700 °С. Рассчитаны линейные увеличения диаметра и периметра стальковша в периферийных и центральных его частях, показаны отличия в раскрытии швов по диаметру стальковша (большее увеличение в периферийной части, меньшее в центральной). Таблица 2 - Напряжения для разных размеров блока
Тип изделия Размер изделия, мм Напряжение, МПа
При 1560 °С При 1700 иС
В центре На периферии В центре На периферии Шпинель- ноперикла- зоуглеро- дистое на плавленых материалах 250x150x100 6.27 12.76 6.6 13.03
на Монолитная 19.4 19.8 20.3 20.9 плавленых материалах Размер блока 250x150x100 рассмотрен, как применяемый в данное время на практике Размер 250x250x100 рассмотрен, как вариант, приводящий к уменьшению швов в рабочем слое огнеупорной кладки днища стальковша на 25 %. В четвертой главе изучены металлургические шлаки и их взаимодействие с огнеупорпым материалом. Составы шлаков и температура появления расплава приведены в таблице 3. Таблица 3 - Составы шлаков и температура появления расплава.
№ шлака Химический состав Температура появление расплава, °С 1 СаО - 51.4 %,Si02-12.8%, А120з - 23.3 %, FeO -1.7 %, MnO -1.7 % 1105 2 СаО - 43.7 %, Si02 - 15.8 %, А1203 - 7.6 %, FeO -17.1 %, MnO - 5.5 %, MgO - 7.6 % 1085 3 СаО - 45-55 %, Si02 -12-20 %, FeO - 7-25 %, MnO - 2.5-3 %, MgO - 6-12 % 1100 4 CaO - 40.8 %, Si02 - 15.1 %, A1203 -10.7 %, FeO -16.7 %, MnO - 6.9 %, MgO - 7.7 % 1080 Фичико-химическое разрушение огнеупора интенсифицируется факторами внешнего нагружения: перепадом температуры, составом и количеством реагентов (шлака, металла), их физическими свойствами (вязкость, смачивающая способность), временем контакта, газовой средой. Проанализировано влияние оксида магния (MgO) на изменение фазового состава практического шлака металлургического производства, подтвердившее, что с увеличением оксида магния возрастает гетерогенность шлака. Произведено моделирование фильтрации расплава в поры огнеупорного материала. Составлена номограмма, показывающая влияние на глубину проникновения расплава в огнеупорный материал, вязкости шлака 0.05-0.2 Па с, угла смачивания 10-20 градусов, поверхностного натяжения 400-450 мДж/м2, радиуса пор 5-50 мкм, времени контакта расплава с отнеупором 1-120 минут. На рисунках 2, 3 приведена номограмма зависимости глубины пропитки от перечисленных факторов по уравнению:
І 2.8б-1.42-і7 где X -глубина проникновения расплава, см.
9
ст- поверхностное натяжение на границе расплав-газ, мДж/м2 (эрг/см2) 8- краевой угол смачивания огнеупора расплавом, град г- радиус пор, см, т|- вязкость распава, г/(см с) т- время контакта огнеупора с расплавом, мин. 2.86- коэффициент учитьгеающий соотношение радиусов капилляра наиболее широкой и узкой части в четочной модели капилляра. Ь- коэффициент извилистости, для изделий зернистого состава (Ь=1 2-1.6) XI (к, ч): = Х(к, 10, rj); Х2 (к, ij): = Х(к, 15, ij); ХЗ(М): = Х(к,20,т?) Ч.Пас
О 0.001 0.002 0.003 0.004 Х1,Х2,ХЗ 9=20градусов, 6= 15 градусов, 0=1Оградусов к (г, а, т):= г -а т к1(г, (Т):= к (г- Ю-6, а, 1)- 103; к2(г, а):= к (г Ю-6, а, 60) 103 кЗ^.а^кСгЮ^а, 120) 103 Рисунок 2 - Номограмма зависимости глубины пропитки от показателей вязкости, поверхностного натяжения, радиуса пор, угла смачивания и времени контакта 10
т =1мин., т =60мин., т =120мин. Рисунок 3 - Номограмма зависимости глубины пропитки от показателей вязкости, поверхностного натяжения, радиуса пор, угла смачивания и времени контакта Рассмотрение контактной зоны огнеупора со шлаком показало, что фильтрация расплавов металла и шлака происходит в пористой матричной структуре. В пятой главе разработан состав и технология изготовления магнезиальных набивных масс. При разработке набивной массы принято во внимапие требования к пластификатору, который не должен содержать токсичных вредных веществ, упростить технологию изготовления и применения набивных масс. Анализ данных свидетельствует о положительной роли сульфата магния как вещества, способствующего твердению набивных масс при комнатных температурах и способствующего созданию прочной структуры до температур термолиза сульфата магния. Исследования были направлены на определение и подбор добавок к сернокислому магнию, снижающих эффект деградации материала в интервале 600-1000°С Выявлено, что незначительные добавки глинозема способны заметно влиять на свойства магнезиальных масс, что наряду с огнеупорной добавкой периклазохромита обеспечивает таким массам повышенные физико-технические свойства. Исследовано реологическое поведение тонкодисперсной составляющей масс магнезиального состава в зависимости от количества и состава модифицирующих 11
ингредиентов: комплексная добавка поверхностно-активных веществ (С-3, ЛСТ, акронал, перамин и др.), ультрадисперсный электрокорунд с размером частиц не более 1 мкм, тонкодисперсный порошок диоксида циркония, тигельный графит. Установлены технологические параметры регулирования вязкости: на 25 - 30 % снижается вязкость при одновременном введении комплексной добавки ПАВ в количестве не более 2 % и ультрадисперсного электрокорунда в количестве не б олее 2 %, на 10 - 15 % снижается вязкость при одновременном введении в массу комплексной добавки ПАВ в количестве не более 2 % и тонкодисперсного диоксида циркония в количестве не более 3 %. Введение тигельного графита приводит к нарастанию упруго-пластических свойств магнезиальной массы. Так, при введении в состав массы графита в количестве до 3 % происходит возрастание вязкости на 35 + 40 %. Однако, введение совместно с графитом в магнезиальную массу комплексной добавки ПАВ в количестве не более 2 % приводит к уменьшению вязкости на 25+ 30 % С помощью планов Шеффе проведена оптимизация состава и количества комплексных добавок, содержащих С-3, ЛСТ, Rhoximat PAV 31 и PERAMIN SMF10, Acronal S63, Rhoximat PAV 31 обеспечивающих высокие значения прочности образцов после сушки (20-24 МПа). Изучена растекаемость масс при использовании различных комплексных добавок, установлено, что наибольшей растекаемостью и отсутствием трещин обладают составы с содержанием добавок: С-3, ЛСТ, Rhoximat PAV 31 и PERAMIN SMF10, Acronal S631, Rhoximat 31. Применение данных комплексных добавок позволяет увеличить растекаемость композиций более чем в два раза, по сравнению с составом без добавок. Сравнительно высокая растекаемость дает возможность снизить влажность (до 16-18 мас.%), что положительно сказывается на прочностных свойствах материала. При применении данных добавок композиции сохраняют свои технологические свойства в течение 90 минут.
