Выбор конструкции и вида огнеупоров - весьма ответственная задача, поскольку они должны отвечать требованиям, обеспечивающим устойчи­вую бесперебойную работу промковша в течение всего процесса разливки.

Наиболее важным элементом является футеровка его стен и днища. Особенность эксплуатации футеровки промковша заключается в ее дли­тельном контакте с металлом. В настоящее время длительность может со­ставлять 14-15 ч и более при разливке стали длинными сериями

В Украине и России футеровку промковша традиционно выполняют из сравнительно дешевого шамотного огнеупорного кирпича среднего (до 6 плавок) и высокого (8-10 плавок и более) качества. Для усиления футе­ровки зоны металлоприемника (в зоне падения струи заливаемого в пром- ковш металла) применяют высокоглиноземистый или периклазовый кир­пич, обладающий высокой огнеупорностью и устойчивостью против эро­зионного воздействия струи стали.

Характерной особенностью работы промковша по такой схеме явля­ется удаление рабочего слоя футеровки вместе с остатком металла и на­стылей после завершения каждой разливки. Соответственно для подготов­ки промковша к эксплуатации каждый раз требуется изготовление нового слоя футеровки. Это значительно увеличивает период оборота промковшей и их требуемое количество. В технологическом плане использование ша­мотной футеровки имеет также существенный недостаток: при ее разру­шении в ходе разливки сталь загрязняется оксидами алюминия и кремния, попадающими в нее непосредственно из футеровки.

Более современным способом подготовки промковшей к эксплуата­ции является нанесение специального торкрет-покрытия на рабочий слой футеровки. Обычно в качестве торкрет-массы использу­ется смесь на основе магнезита (MgO = 88,0 % Si0₂ < 5,0 %; Ре₂Оз < 1,5 %; АЬ0₃ < 1,5 %), в которой также имеются специальные добавки, повышаю­щие механические и теплоизоляционные свойства. Гранулометрический состав такой смеси колеблется в пределах 0,1-1,0 мм.

Торкрет-покрытие промежуточного ковша обеспечивает:

- защиту от изнашивания рабочего слоя футеровки и ее многократ­ное использование, что сокращает расход огнеупоров;

- заданную чистоту стали по неметаллическим включениям за счет исключения контакта металла с огнеупорами, содержащими оксиды алю­миния и кремния;

- уменьшение потерь тепла металлом в промковше в силу специфики структуры торкрет-материала (при прогреве промковша нанесенный слой приобретает пористую структуру благодаря выгоранию некоторых состав­ляющих);

- беспрепятственное удаление остатков защитного покрытия после окончания разливки и охлаждения промковша и, следовательно, возмож­ность быстрого оборота промковшей.

Эксплуатационная стойкость покрытия промежуточного промковша при разливке длинными сериями достигается посредством выбора толщи­ны покрытия и определенной технологии подготовки ковша к работе.

Торкрет-массы по своим свойствам должны удовлетворять специфи­ческим требованиям, определяемым условиями нанесения и эксплуатации покрытия. Это отсутствие сползания при нанесении покрытия нужной толщины, а также достаточная прочность, чтобы покрытие не осыпалось при транспортировке ковша, разогреве до 1100 °С, подготовке к разливке и в то же время не спекалось с этой футеровкой во время разливки стали..

До нанесения торкрет-покрытия промежуточный ковш проходит предварительную подготовку:

- в новых промковшах очищают днища от остатков мусора, цемента, бетона, кирпича и пыли;

- из ковшей, уже бывших под разливкой, удаляют остатки старой торкрет-массы со стенок и днищ, наплывы, затекший в щели футеровки металл и шлак; реставрируют выкрошенные участки бетонной футеровки при критических для безопасности размерах.

Покрытия обычно наносят с помощью специальной торкрет-маши- ны, принцип действия которой предполагает перемешивание сухой массы с водой в специальном бункере и подачу подготовленной массы в торкрет- форсунку. На практике иногда применяют торкрет-машины и материалы, технология нанесения которых предполагает смешивание с водой непо­средственно в торкрет-форсунке. Однако прочность такого покрытия не­сколько ниже, и использование его при разливке длинными сериями доста­точно проблематично.

Перед нанесением покрытия новые промежуточные ковши необхо­димо предварительно разогреть до 80-120 °С. Ковши, на которые покры­тия наносят повторно, предварительно охлаждают (после извлечения «коз­ла») до той же температуры.

Массу на поверхность стенок и днища промковша наносят равно­мерным слоем, по боковым (малым) стенкам от днища к верху, а затем равномерным фронтом к центру. В последнюю очередь торкретируют днище. Особое внимание следует уделять углам ковша, стенкам и днищу, а также местам установки гнездовых блоков (стаканам-дозаторам).

Толщина слоя торкрет-покрытия, в зависимости от длительности се­рии разливки составляет от 30 до 80 мм. Минимальная толщина покрытия должна составлять 30 мм (это дает оптимальный эффект сцепления тор­крет-покрытия с рабочей футеровкой). При меньшей толщине могут воз­никать трудности с отделением остатков торкрет-покрытия после оконча­ния разливки. Толщина покрытия 30-35 мм обеспечивает разливку серия ми 6-8 плавок в случае использования защитной трубы для подвода метал­ла из сталеразливочного ковша. Масса толщиной в 30-40 мм наносится ровным слоем на стенки и днище за один проход. Если толщина покрытия превышает 40 мм, то торкрет-масса наносится в два этапа. В ходе работы необходимо постоянно контролировать толщину с помощью проволочного щупа. В зонах, работающих в наиболее тяжелых условиях (зона уровня шлакового пояса, место падения струи металла на днище промковша, стенки в зоне падения струи), толщина торкрет-покрытия составляет 15- 30 мм и больше (в зависимости от скорости изнашивания).

После нанесения торкрет-покрытия на всю поверхность промежу­точного ковша его отправляют на просушивание, которое проводится в та­кой последовательности: 1,5-2 ч ковш разогревается на малом огне до 350— 400 °С, затем 1,5-2 ч - на максимальном пламени до 1100-1200 °С. Если после этого разливка не производится, переходят в плавный режим разо­грева и снижают температуру футеровки промковша, но не ниже 400 °С. Промышленное применение описанных торкрет-покрытий совместно с кирпичной шамотной футеровкой рабочего слоя в промковшах ККЦ ме­таллургического комбината «Северсталь» позволило повысить качество непрерывнолитой заготовки по неметаллическим включениям. Стойкость рабочего слоя промковша составляет 120-160 плавок, что значительно снижает удельный расход огнеупоров на 1 т стали.

Основные преимущества технологии торкретирования промковшей:

- простота и надежность технологии нанесения торкрет-покрытия на рабочий слой;

- высокая стойкость торкрет-покрытия и снижение расхода штучных огнеупорных изделий;

- сокращение трудозатрат и времени на подготовку промковшей к разливке стали;

- уменьшение теплопотерь при разливке стали вследствие предвари­тельного высокотемпературного разогрева футеровки перед разливкой;

- облегчение условий удаления затвердевших остатков металла и шлака после разливки;

- повышение оборачиваемости ковшей, что дает возможность орга­низовать работу с меньшим ковшевым парком.

Альтернативой указанному способу является применение наливной бетонной огнеупорной футеровки рабочего слоя промковша многоразового использования. Основное препятствие при ее внедрении - выполнение тре­бования максимального уменьшения количества воды в массе, поскольку в дальнейшем эта влага может попасть в металл, и повысить содержание во­дорода и кислорода. Обычные наливные футеровки содержат 10-18 % воды, что необходимо для достижения определенной вязкости и текучести массы. Однако при таком количестве воды растрескивается огнеупорный слой в процессе сушки, что снижает его стойкость. В последнее десятилетие хими­ческая промышленность предложила новые продукты, уменьшающие со­держание воды в наливных футеровках до 4 ± 1 % . Они получили на­звание «тиксотропных». Их примерный состав следующий: А1₂0₃ - 91,0 %; СаО - 1,0 %; MgO - 6,0 %; Fe₂0₃ < 0,1 %. Заливка и уплотнение таких футе- ровок осуществляются по

вибрационным технологиям.

Поскольку тиксотропные материалы очень дорогие, промковш с та­кой футеровкой целесообразно использовать только для большого числа разливок (500-1000 плавок). Главным преимуществом тиксотропной футе­ровки, по мнению ее создателей, является повышение жесткости промков­ша в целом. Однако на практике в больших промковшах довольно быстро появляются длинные продольные трещины, нарушающие монолитность футеровки, что нивелирует указанное преимущество. Более того, в зависи­мости от количества и расположения трещин может происходить отрыв больших кусков футеровки при выбивании остатка металла. Если футеров­ка изнашивается на 40-60 %, она может быть долита новым материалом после предварительной очистки кислородным или газокислородным обду­вом, или методом механической обдирки.

Основные преимущества бетонных наливных футеровок:

- высокая оборачиваемость промковшей (в несколько раз больше, чем при кирпичной футеровке);

- сокращение времени подготовки и подогрева промковша перед эксплуатацией;

- увеличение количества разливаемых плавок из одного промковша;

- более равномерное распределение температурных профилей по се­чению футеровки;

- значительное уменьшение удельного расхода огнеупоров на 1 т стали;

- более равномерное изнашивание футеровки.

Главный недостаток тиксотропных футеровок - необходимость сложного ремонта отдельных наиболее изнашивающихся зон промковша при уменьшении толщины слоя до критически допустимого.

В настоящее время в Западной Европе, Японии и США широко при­меняются наливные тиксотропные футеровки промковшей, получаемые с использованием виброшаблонов или погруженных вибраторов.

Выбор оптимальной системы выполнения футеровки промежуточно­го ковша (включая изоляционный слой) зависит от условий сталеплавиль­ного цеха, заданного качества стали, экономических показателей, опыта организации работы участка подготовки ковшей. Перед подачей под раз­ливку промковш необходимо разогреть до температуры 1000-1100 °С не менее 45-50 мин. На основании технологических расчетов установлено, что повышение температуры поверхности футеровки на 300-350 °С увели­чивает температуру металла в контактном слое в момент заполнения на 20-25 °С. Эти данные хорошо согласуются с практическими, полученными при замерах перепадов температуры между струями из сталеразливочного и промежуточного ковшей. Однако следует избегать перегрева, чтобы пре­дотвратить размягчение частей футеровки, крышки промковша и стекания защитной глазури стопора-моноблока вниз.

Одним из наибольших недостатков при эксплуатации проме­жуточных ковшей являются значительные потери тепла. Поэтому в на­стоящее время все

большее распространение находит практика примене­ния новых керамических материалов. Согласно ей в промежуточных ков­шах используется холодная футеровка без предварительного подогрева, рабочий стол ее футеруется теплоизоляционными плитами. Такая футе­ровка широко применяется за рубежом. В выборе плит существует три ос­новных направления: 1 - с экзотермическим подогревом; 2 - с глобуляр­ной структурой и вспучивающимися или выгорающими добавками; 3 - с органическими и неорганическими волокнами. На практике плиты с вво­дом органических и неорганических волокон получили наибольшее рас­пространение вследствие высоких теплоизолирующих свойств, термостой­кости, прочности. Недостатком таких футеровок является необходимость подогрева участков вокруг сталеразливочного стакана или засыпка их «стартовым» экзотермическим порошком.

В последнее время разрабатываются новые керамические материалы (КМ). В атомной структуре КМ встречаются два типа химиче­ской связи между атомами: ионная и ковалентная. В случае ионной связи электронные заряды концентрируются около ионов и между ионами дей­ствуют электростатические силы. При ковалентной связи электронная плотность более или менее равномерно распределена между соседними атомами. В этом случае электростатическое воздействие слабее, но хими­ческая связь оказывается сильной из-за выраженной направленности кова­лентных связей.

Группы атомов, связанные ионными или ковалентными связями, представляют собой элементарную ячейку. Такие ячейки, в свою очередь, могут образовывать периодическую структуру со строго упорядоченным дальним порядком (кристалл), но они же могут объединяться и без дальне­го порядка (стекло).

Сегодня под керамикой понимают твердое вещество, харак­теризующееся неметаллической структурой связи и неполимерной (цепо­чечной) структурой, то есть все, что не полимер и не металл. Повышение прочности и снижение хрупкости привели к использованию таких КМ как конструкционного материала.

При создании композитов можно использовать следующие керами­ческие материалы: SiC, Si₃N₄, Si0₂, А1₂0₃. Но такие материалы без добавок обладают большой хрупкостью. Для устранения этого недостатка при из­готовлении композитов добавляют мелкие частицы или тонкие волокна, благодаря которым прочность КМ повышается.

Для достижения максимально возможной прочности волокон их по­мещают в матрицу, которая играет адгезионную роль - соединяет волокна и к тому же придает материалу прочностные свойства.

Волокна-нити - самая оптимальная конфигурация арматуры компо­зита для керамических материалов.

Установлено, что критическое отношение длины волокна к его диаметру d должно быть примерно lid > 100.

Армирование некоторыми волокнами и частицами другой формы хуже, чем армирование длинными непрерывными волокнами.

При использовании длинных волокон возникают явления синергиз­ма. В случае композита - это влияние волокна на матрицу и матрицы на волокно. При

растяжении пучка волокон без матрицы разрыв волокна уменьшает их количество, и удельная нагрузка на оставшиеся волокна уве­личивается.

Основная цель построения конструкционного композита - сохране­ние прочности волокон в его матрице.

Важным видом матрицы, по существу относящейся к керамическим материалам, является углеродная. Она выдерживает высокую температуру, имеет высокую твердость и низкую пористость.

Выбор материала матрицы определяется, в первую очередь, рабочей

 температурой композиционного материала.

 Выбор волокна определяется условиями работы промежуточного ковша. Волокна прочны из любого материала: из металлов, керамики, по­лимеров и

 углерода, но по другим свойствам они сильно различаются. На­пример, по прочности (по сопротивлению разрушению на растяжение) стеклянные волокна равны или даже чуть выше углеродистых, но по жест­кости они существенно различаются: стекловолокно сильно растягивается (на 2-5 %), то есть Д₀ = 0,2-0,05; углеродное волокно почти не деформи­руется. Поэтому, когда требуется жесткость при больших нагрузках, стек­ловолокно неприемлемо.

Если матрица смачивает волокно, то связь между матрицей и волок­нами возникает либо за счет межмолекулярного сцепления, либо за счет химической реакции. Последняя как раз и нежелательна.

Улучшить смачивание удается нанесением специальных покрытий, которые взаимодействуют с волокнами и матрицей.

Таким образом, в выборе материала волокон руководствуются че­тырьмя критериями: видом прочности композита (постоянной или удар­ной), жесткостью (деформируемостью) композита, смачиванием волокна и его химической устойчивостью в расплаве матрицы.

При изготовлении композита волокна сматывают с бобин, подверга­ют поверхностной обработке (улучшают адгезию), протягивают через ван­ну, где их покрывают полимерной смолой. В результате смола скрепляет волокна в плоский жгут-ленту. Готовые ленты собирают в слоистый лис­товой материал (аналог фанеры) или же наматывают в сложную форму. Собранные в листы или намотанный материал отверждают (повышают твердость) металлообработкой.

На рисунке 13 показан двухосный тканый композиционный материал. Он имеет высокую прочность в направлениях основы и углов.

Рисунок 13 – Двухосный тканый композиционный материал

Энергия удара диссипируется (расслаивается), и материал выдержи­вает большие ударные нагрузки. Так, предел прочности на удар композита из АЬОз-матрицы с обычными параллельными волокнами из алюминия намного ниже ударной прочности чистого пластичного металлического алюминия. Но композит из той же А1₂0₃ - матрицы с плетеной трехмер­ной ортогональной алюминиевой арматурой имеет фактически ту же проч­ность, что и чистый алюминий.

Таким образом, применение КМ позволит значительно сократить ма­ териальные и энергетические затраты при производстве стали.

Испытания керамических фильтров (главным образом цирконовых: сотовых или губчатых) показали, что при вмонтировании их в перегородки примеси, находящиеся в стали, могут отфильтровываться.

Так, например, эксперименты по разливке коррозионностойкой стали с использованием фильтров из диоксида циркония на заводах фирм «Син ниппон сэйтэцу» и «Тайхэе киндзоку» в Хатиноэ (Япония) показали, что после фильтрования общее содержание кислорода уменьшается на 0,01 %, а загрязненность неметаллических включений в литых заготовках снижа­ется, в среднем, на 15 %.

В промежуточном ковше осуществляют точную регулировку темпе­ратуры металла, поступающего в кристаллизатор. Нормальная температура металла должна на 5-20 °С превышать температуру ликвидус. Эта разница зависит от марки стали. При кристаллизации в таких условиях сокращается зона столбчатых дендритов, а зона равноосных кристаллов увеличивается, уменьшается междендритная ликвация и осевая рыхлость.