книги из ГПНТБ / Пауков А.В. Радиоактивные изотопы - помощники металлургов об опыте применения радиоактивных изотопов в металлургии

ют только один источник, например, кобальт-60. Такой метод контроля целесообразно применять в конструкции водоохлаждаемой лещади. Вполне понятно, к каким серьезным последствиям может привести соприкоснове­ ние больших масс горячего чугуна с водой холодильни­ ков в случае внезапного прорыва металла. Использова­ ние радиоизотопных свидетелей-вставок устранило воз­ можности подобных аварий, так как позволило достаточ­ но точно установить время остановки печей на капиталь­ ный ремонт из-за предельного разгара футеровки.

Методы радиометрического контроля износа футеров­ ки доменных печей получили широкое распространение как в нашей стране, так и за рубежом, что обусловлено прежде всего их надежностью и большой практической ценностью получаемых результатов. Исследован износ лещадей из шамотных, углеродистых, комбинированных огнеупоров. Результаты послужили основой для разра­ ботки новых конструкций лещади (сферических, охлаж­ даемых) и конструктивных изменений в кладке лещади. Так, например, было показано, что огнеупорная футе­ ровка' в центре лещади до глубины 1—2 м не обязатель­ на. Поэтому стали строить лещади печей с искусственной «ямой» до 2 м глубиной с интенсивным наружным охла­ ждением, что позволило повысить прочность лещади и получить экономию дорогостоящих материалов.

В целом контроль за футеровкой доменных печей с помощью радиоактивных изотопов обеспечивает значи­ тельное повышение производительности труда и сниже­ ние затрат на ремонт и строительство печей.

Сталеплавильные агрегаты. Методом радиоактивных индикаторов проведено много исследований скорости из­ носа футеровки, изготовленных из различных огнеупор­ ных материалов, при различных условиях их эксплуата­ ции. В числе первых были работы по изучению износа наварного слоя подины мартеновской печи с помощью

60

радиоактивных изотопов на заводах «Азовсталь», Маке­ евском и Кузнецком металлургическом комбинате.

Подина мартеновской печи (толщина 1000 мм) вы­ полняется из огнеупорного кирпича; верхний (наварной) слой ее (100—250 мм) состоит из магнезитового порош­ ка. Горячий профилактический ремонт наварного слоя обычно проводится через 20—40 плавок. Для изучения износа радиоактивные изотопы (фосфор-32, кальций-45, железо-59, иридий-192, стронций-89 и др.) в магнезйтовых ампулах закладывают или в центре печи на опреде­ ленных уровнях, или в разных точках ванны у границы магнезита с огнеупорной кладкой. В зависимости от при­ роды индикатора для радиометрического анализа отби­ рают пробы металла или шлака.

Было обнаружено, что скорость износа до глубины 50—70 мм от поверхности нового наварного слоя сравни­ тельно мала и составляет менее 2 мм за плавку; глубже износ резко увеличивается и на глубине 150—200 мм от поверхности составляет около 10 мм за плавку. Боль­ шую стойкость верхнего слоя наварки по сравнению с нижним авторы объясняют более благоприятными усло­ виями наварки (лучшее ошлакование, более высокие температуры нагрева слоя, ускоряющие диффузионные процессы его формирования). По данным о скорости из­ носа подины и продолжительности отдельных периодов плавки В. А. Костюк (завод «Азовсталь») подсчитал, что износ за плавку распределяется между периодами сле­ дующим образом: плавление—25%, доводка—12%, чи­ стое кипение—23%, выпуск плавки—1% и заправка—

22%.

Закладка радиоактивных вставок в подину при раз­ личных технологических вариантах ее изготовления и по­ лученные данные о характере износа позволили отрабо­ тать новую технологию ремонта подины. Если по старой методике слой подины толщиной до 300 мм наваривался 10—12 слоями по 25—27 мм каждый, то по новой преду-

61

смотрена наварка подины в три слоя по 90—200 мм.. Ка­ чество ремонта и стойкость подины при этом не ухуд­ шаются, а время капитального (холодного) ремонта значительно сократилось.

Результаты исследований позволили изменить и тех­ нологию горячего ремонта мартеновской печи. Время прогрева магнезита, засыпавшегося на подину в смеси с окалиной, сократилось с 1 ч 30 мин до 50—60 мин. Ре­ зультатом только этой одной работы, проведенной на Макеевском металлургическом заводе, явилось получе­ ние дополнительно 12 816 т стали в год на 873 тыс., руб. Затраты на проведение работы составили 6,5 тыс. руб., а годовая экономия по переделу—41 тыс. руб., т. е. на каждый рубль дополнительных затрат получено около 135 руб. дополнительной продукции.

Очень часто мартеновские печи останавливают на ре­ монт из-за износа свода печи. Поэтому результаты ис­ следования износа свода представляют также немалый практический интерес.

По одной из методик радиоактивные вставки (60Со, 59Fe или ”°Ag) закладывают в сводовые кирпичи на раз­ личном расстоянии от внутренней поверхности. Актив­ ность источников подбирается так, чтобы каждый после­ дующий источник скачкообразно увеличивал интенсив­ ность излучения, регистрируемую детектором снаружи печи. В результате, если при износе свода одна ампула с изотопом из кирпича выпадет в рабочее пространство печи, то интенсивность излучения кирпича заметно уменьшится.

При таком способе закладки изотопа, несмотря' на заметную диффузию его в массу кирпича, удается четко различить этапы износа кирпича. Так, результаты одного из опытов показали, что износ свода (хромомагнезито­ вого) практически равномерен на протяжении всей кам­ пании и составлял в среднем 1,3 мм за плавку. Эта вели­ чина хорошо согласуется с данными прямых измерений

62

износа с помощью стального крючка через специальные отверстия в своде.

Опытные данные, полученные в других работах по изучению скорости износа сводов с применением радио­ активных вставок, показали, что динасовые и магнези­ товые своды имеют почти в два раза (примерно 2,33 мм за плавку) большую скорость износа, чем хромомагнези­

товые.

Радиоактивные изотопы помогли более полно пред­ ставить механизм износа сводовых огнеупоров. В опытах такого рода торец стержней, вырезанных из сводового кирпича, метили изотопами 45Са или 59Fe в соединениях СаО и Fe2O3. Меченые стержни помещали в отверстия в своде печи и выдерживали в течение нескольких плавок. После опыта из стержней вырезали образцы, которые радиографировали. Результаты опыта показали, что ме­ ханизм проникновения окислов железа и кальция внутрь кирпичаразличный. Окись кальция перемещается внутрь огнеупора по границам зерен периклаза или хромита, а перемещение, окислов железа связано с объемной диф­ фузией их в материал. Поэтому для уменьшения скоро­ сти износа сводового кирпича следует искать пути сни­ жения диффузии в них посторонних окислов (железа, кальция, марганца и т. д.).

В последние годы рост производства стали в значи­ тельной мере происходит за счет дальнейшего развития кислородно-конвертерного передела, отличающегося эко­ номичностью, гибкостью в управлении и большими по­ тенциальными возможностями, которые используются еще далеко не полностью.

Большое влияние на экономические показатели рабо­ ты конвертерных цехов оказывают все факторы, связан­ ные с повышением стойкости футеровки.

Разрушение футеровки сказывается не только на ве­ личине прямых затрат на передел, но вызывает наруше­ ние ритмичности работы цеха, колебание состава шлака,

63

что, в свою очередь, сказывается на стабильности соста­ ва металла.

Известно несколько методов определения износа фу­ теровки конвертера за плавку. Самый распространенный из них — материальный баланс окиси магния, перешед­ шей в шлак, так как считается, что футеровка является единственным источником окиси магния. Однако он об­ ладает целым рядом недостатков: не позволяет исследо­ вать локальный износ мест, представляющий наиболь­ ший практический интерес, определять износ в первый период плавки, когда шлак неполностью расплавлен и неоднороден. По содержанию окиси магния трудно судить о химическом взаимодействии шлака и огнеупора (про­ цессе чистого, растворения), потому что немалая часть общего износа футеровки приходится на долю прямого разрушения ее загружаемым ломом. Ошибка метода достаточно велика — до 60%.

Радиоактивные изотопы для исследования износа фу­ теровки кислородных конвертеров до последнего времени в отечественной практике не применялись. Это, видимо, можно объяснить определенной специфичностью кисло­ родно-конвертерного процесса, его быстротечностью и другими причинами.

таллургическом заводе, применили два метода активирования смолодоломитовых огнеупоров для футеровки кислородных конвертеров. Первый из них, дискретный, заключался в следующем. Радиоактивный кобальт-60 в виде отрезков проволочки запаивали в квар­ цевые ампулы диаметром 2—4 мм с расплавлением в пла­ мени кислородной горелки. Активность отдельных источ­ ников составляла 1,5—2 мк. При изготовлении огнеупор­ ного кирпича на его боковой поверхности с помощью специальной «гребенки» отпрессовывались отверстия диаметром 4 мм, высотой 12 мм. В отверстия вставляли

64

кварцевые ампулы и заделывали огнеупорной массой. Минимальное расстояние между отверстиями, т. е. раз­ решающая способность метода, составляло 10 мм. Ак­ тивированный кирпич укладывали в соответствующие места футеровки, износ которых контролировался (боль­ шей частью в район цапф). Для радиометрического ана­ лиза специальные пробы не отбирали, а использовали обычные пробы металла для химанализа. Кварцевая ам­ пула предохраняла «расплывание» радиоактивности по массе огнеупора. Как только фронт износа достигал от­ мечаемого уровня, радиоактивность переходила в металл одной плавки и фиксировался ее порядковый номер. При известном расстоянии между метками рассчитывали ли­ нейную скорость износа футеровки за одну плавку. Этот метод использовали для контроля износа футеровки по ходу кампании.

По второму методу активирование производилось протяженным источником излучения (иридий-192) в ви­ де проволоки диаметром 1,0 мм, запрессовываемой в кир­ пич при его изготовлении перпендикулярно плоскости из­ носа. Использованный в работе радиоактивный изотоп иридия-192 обладает высокой температурой плавления и большим атомным номером, это сводило к минимуму диффузию элемента по массе огнеупора. Сущность ме­ тода основана на том, что проволока из радиоактивного материала, находясь в футеровке, непрерывно растворя­ ется в соответствии с износом футеровки. Путем изме­ рения радиоактивности проб стали определяется количе­ ство растворившейся-футеровки (вспомним закон изотоп­ ного разведения).

Метод протяженного источника, предложенный и опробованный в промышленных условиях работниками ДонНИИчермета, дает возможность прямого измерения линейной скорости износа футеровки за каждую плавку (рис. 18) и за отдельные ее периоды, т. е. в динамике.

Статистической обработкой опытных данных установ-

Рис. 18. Изменение скорости износа футеровки за каждую плавку

лено влияние различных технологических факторов (хим­ состав чугуна и шлака, расход извести и известняка, доля лома в металлошихте, продолжительность и интен­ сивность продувки, додувки и многое другое, а также параметры качества огнеупора) на стойкость футеровки.

Получены количественные (наряду с качественными) соотношения между линейной скоростью износа футе­ ровки и комплексом параметров конвертерной плавки.

В частности, установлено, что основное влияние на износ смолодоломитовой футеровки оказывают факторы, прямо связанные с растворением извести. Насыщение шлака окисью кальция (использование мягкообожжен­ ной извести, выплавка среднеуглеродистых сталей) прак­ тически наступает при основности 3,5. При такой основ­ ности наблюдается минимальный износ футеровки, рав­ ный 1,6 мм за плавку. Повышение основности выше 3,5 не приводит к существенному уменьшению износа (рис. 19, а). Увеличение расхода извести сверх 80 кг иа 1 т чугуна также не вызывает заметного снижения из­ носа, а расход менее 70—75 кг/т достаточно резко увели­ чивает скорость износа (рис. 19, б).

На основании радиометрических измерений линейной скорости износа футеровки была сделана оценка потен­ циально возможной стойкости футеровки. Показано, что на 'существующей футеровке при оптимальных техноло­ гических режимах конвертерного передела чугуна в сталь

66

Рис. 19. Влияние основности шлака (а) и расхода извести на 1 т чугуна (б) на износ фу­ теровки. Цифры у точек — чи­ сло измерений

стойкость футеровки может быть повышена до 1000 и

более плавок.

Внедрение ряда мероприятий позволило сократить удельный расход огнеупоров и только за счет этого полу­ чить экономию по себестоимости в сумме 366 тыс. руб.

Рассмотрим еще один пример применения метода радиоактивных меток. Радиоактивные изотопы дают принципиальную возможность «метить» одновременно несколько различных огнеупорных изделий (путем соот­ ветствующего подбора изотопов), испытывать их в од­ ной футеровке, т. е. в строго сопоставимых условиях их службы в конвертере. Поэтому, чтобы испытать новый огнеупор, нет необходимости изготавливать несколько футеровок (много сот тонн огнеупоров). Достаточно вы­ ложить участок с одним-двумя мечеными кирпичами. Параллельно контролируется износ остальной футеров­ ки, меченной другим изотопом, имеющим отличные от первого физические характеристики (например Со-60 и Іг-192). Различие в скорости износа футеровки (если оно имеет место) будет наиболее достоверным, так как

наблюдение ведется при общих технологических пара­ метрах плавок в течение всей кампании.

На Енакиевском металлургическом заводе этим спо­ собом был испытан огнеупор из рапной окиси магния. Установили, что рапной и обычный смолодоломитомаг­ незитовый кирпичи имеют практически одинаковые ско­ рости износа— 1,32 и 1,36 мм за плавку соответственно.

Подготовка аглошихты

Агломерационное производство металлургического за­ вода во многом определяет показатели работы доменных печей и завода в целом. Ряд работ, проведенных на Ма­ кеевском металлургическом заводе, ДонНИИчерметом на заводе им. Ильича и др., показали целесообразность и эффективность применения радиоактивных индикато­ ров при изучении некоторых вопросов агломерационно­ го производства.

К настоящему времени все большее применение нахо­ дит двухстадийное смешивание — окомкование аглоших­ ты, которое положительно влияет на качество агломера­ та и производительность агломашин. Для выбора опти­ мального режима работы барабанов-смесителей необхо­ димо было исследовать качество смешивания. Примени­ ли радиоактивный изотоп 55Fe+59Fe (Д. С. Герчиков, ДонНИИчермет). Одну из составляющих аглошихты — коксик в количестве 10 кг — пометили, пропитав его радиоактивным раствором. Расход активности на один опыт—около 3 мК. Коксик-индикатор постепенно (в те­ чение 2—3 мин) подавали на транспортер, загружающий шихту в барабан. После фиксирования появления радиоактивмой шихты на разгрузочном конце барабана смеси­ тель останавливали. Из барабана по определенной схеме отбирали пробы для радиометрического анализа, радио­ активность которых служила мерой степени перемеши­ вания. При этом считали, что полному перемешиванию

68

соответствует одинаковая удельная активность проб из любого участка бара­ бана.

Поэтому качество пе­ ремешивания шихты (ее однородность) определя­ ли по 'относительной сред­ неквадратичной погреш­ ности измерения радиоак­ тивности проб, названной коэффициентом изменчи­ вости V. Изменение коэф­ фициента V по длине ба­

дительности 1200 т/ч для улучшения качества смешивания скорость вращения

барабана должна быть уменьшена до 5 об/мин (при про­ изводительности 735 т/ч оптимальное время смешивания составляет 2,5—3,0 мин). По данным исследования вы­ брана оптимальная влажность шихты — 4,5—5,0%. В противном случае качество перемешивания ухуд­ шается.

Внедрение оптимального режима работы барабановсмесителей дало экономический эффект в сумме около 500 тыс. руб. как в агломерационном, так и в доменном производствах.

69