Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, Санкт-Петербург, Россия

М. В. Глазьев, ассистент кафедры металлургии, канд. техн. наук, эл. почта: glazev_mv@pers.spmi.ru
В. Ю. Бажин, заведующий кафедрой металлургии, докт. техн. наук, эл. почта: bazhin-alfoil@mail.ru
И. А. Глазьева, соискатель, эл. почта: ira_94_94@mail.ru

В настоящее время эксплуатация переливных устройств и ковшей в металлургической промышленности сопряжена с рядом проблем, связанных с наличием примесей в стали при значительном перепаде температур в ходе заливки и разливки металла. Данные факторы могут значительно ухудшить качество стали, снизить срок службы оборудования и увеличить затраты на его ремонт и замену. Резкие изменения температуры вызывают локальные термические напряжения в огнеупорных материалах, что приводит к образованию трещин в футеровке и металлических частях оборудования, а также к деформации из-за неравномерного нагрева и охлаждения, что нарушает геометрию оборудования и снижает его функциональность. Отходы кремневого производства в виде мелких частиц SiO₂ (микрокремнезема) благодаря своим уникальным свойствам являются перспективным материалом для модификации структуры огнеупорных материалов. Рассмотрены перспективы применения SiO₂ в огнеупорных материалах, используемых для сталеразливочных ковшей. Исследовано влияние микрокремнезема на физико-механические и термические характеристики огнеупоров, а также преимущества его использования в условиях высокотемпературных процессов сталеплавильного производства. Выявлено, что при добавлении в состав огнеупорных изделий до 4–6 % SiO₂ происходит увеличение прочности, снижение пористости, а также уменьшение доли обезуглероженного слоя и окисляемости. Испытания образцов показали, что применение SiO₂ в условиях сталеплавильного процесса способствует образованию более стабильных и плотных структур в огнеупорных материалах, что повышает их устойчивость к термическим и химическим воздействиям. Предположено, что эффект упрочнения достигается за счет полиморфного перехода SiO₂, при котором происходят увеличение площади развитой поверхности и обеспечивается контактное сцепление частиц между собой, а при взаимодействии с углеродом при температурах более 1500 ^оС образуются карбиды кремния, которые более устойчивы к окислению. Использование микрокремнезема в огнеупорных материалах для сталеразливочных ковшей позволит сократить частоту ремонтов, периоды замены футеровки и затраты за счет увеличения их срока эксплуатации, а также повысить производительность сталеплавильного производства.

1. Nemchinova N. V., Mineev G. G., Tyutrin A. A. Utilization of dust from silicon production // Steel in Translation. 2017. Vol. 47. P. 763–767. DOI: 10.3103/S0967091217120087
2. Глазьев М. В. Высокотемпературные фазовые взаимодействия при утилизации тонкодисперсных отходов производства металлургического кремния: дис. … канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2022. — 118 с.
3. Котова О. Б., Устюгов В. А., Сан Ш., Понарядов А. В. Получение муллита: фазовые трансформации каолинита, термодинамика процесса // Записки Горного института. 2022. Т. 254. С. 129–135. DOI: 10.31897/PMI.2022.43
4. Гембицкая И. М., Гвоздецкая М. В. Трансформация зерен технологического сырья при получении мелкодисперсных порошков // Записки Горного института. 2021. Т. 249. С. 401–407. DOI: 10.31897/PMI.2021.3.9
5. Литвиненко В. С., Петров Е. И., Василевская Д. В. и др. Оценка роли государства в управлении минеральными ресурсами // Записки Горного института. 2023. Т. 259. С. 95–111. DOI: 10.31897/PMI.2022.100
6. Вологин А. С., Тютрин А. А. Пыль газоочистки кремниевого производства: области применения // Молодежный вестник ИрГТУ. 2021. Т. 11. № 2. С. 19–22. DOI: 10.21285/1814-3520-2021-2-19-22
7. Сырков А. Г., Ячменова Л. А. Особенности получения металлургической продукции в условиях твердотельного гидридного синтеза // Записки Горного института. 2022. Т. 256. С. 651–662. DOI: 10.31897/PMI.2022.25
8. Бричкин В. Н., Куртенков Р. В., Максимова Р. И., Бормотов И. С. Регенерация и рециклинг известкового компонента при комплексной переработке каолинового сырья // Обогащение руд. 2024. № 4. С. 32–38.
9. Пиирайнен В. Ю., Баринкова А. А. Разработка композиционных материалов на основе красного шлама // Обогащение руд. 2023. № 3. С. 35–41.
10. Pashkevich M. A., Patokin D. A. Nitrocellulose containing chemical industry waste for mineral resources complex facilities: directions of use. Mining Informational and Analytical Bulletin. 2023. Vol. 9. Р. 215–230. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_91_0_215

11. Еланский Г. Н., Кудрин В. А. Свойства и строение расплавов на основе железа // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15, № 3. С. 11–19. DOI: 10.17580/vestnik.susu.ru/metallurgy/article/view/3920
12. Вислогузова Э. А., Кащеев И. Д., Земляной К. Г. Анализ влияния качества периклазоуглеродистых огнеупоров на свойства футеровки конверторов // Новые огнеупоры. 2013. № 3. С. 127–133. DOI: 10.17073/1683-4518-2013-3-127-133
13. Харламов Д. А., Масягина Н. И. Математическое моделирование теплового состояния сталеразливочного ковша и его влияние на технико-экономические показатели производства // Современные наукоемкие технологии. 2023. № 4. С. 100–105. DOI: 10.21518/snt.2023.04.10
14. Pyagay I. N., Shaidulina A. A., Konoplin R. R. et al. Production of amorphous silicon dioxide derived from aluminum fluoride industrial waste and consideration of the possibility of Its use as Al2O3–SiO2 catalyst supports
// Catalysts. 2022. Vol. 12. 162. DOI: 10.3390/catal12020162
15. Кащеев И. Д. Коррозионноустойчивые огнеупорные материалы для металлургических производств: автореф. дис…. докт. техн. наук. — Екатеринбург, 1996. — 52 с.
16. Zhang J., Wang L., Li Yu. Optimization of lining of steelmaking ladles using fireclay bricks and magnesia materials // Journal of Materials Science and Technology. 2020. Vol. 36, Iss. 5. Р. 789–796. DOI: 10.1016/j.jmst.2020.05.012
17. Кульчицкий A. A., Мансурова O. K., Николаев M. Ю. Распознавание дефектов грузоподъемных канатов металлургического оборудования оптическим методом с помощью нейронных сетей // Черные металлы. 2023. № 3. С. 81–88.
18. Зайцев С. В., Дороганов В. А., Дороганов Е. А., Вареникова Т. А. Коррозионная стойкость муллитокарбидкремниевых огнеупорных композитов // Новые огнеупоры. 2017. № 10. С. 38–41.
19. Аксельрод Л. М., Ярушина Т. В., Заболотский А. В., Ефимов С. В. и др. Способы увеличения продолжительности срока службы периклазо-углеродистых изделий в футеровке сталеразливочных ковшей ОМЗ-спецсталь // Новые огнеупоры. 2016. № 3. С. 90–94. DOI: 10.17073/1683-4518-2016-3-90-94
20. Белковский А. Г. Улучшение показателей работы футеровки за счет оптимизации ее предварительного подогрева и технологии перемешивания стали // Новости черной металлургии за рубежом. 2010. № 6. С. 36–38.
21. Очагова И. Г. Влияние рабочего режима на срок службы футеровки сталеразливочных ковшей // Новости черной металлургии за рубежом. 2014. № 1. С. 90–93.
22. Поморцев С. А., Кащеев И. Д., Земляной К. Г., Ряплова А. А. и др. Армирование углеродистыми волокнами периклазоуглеродистых огнеупоров // Новые огнеупоры. 2015. № 12. С. 18–20. DOI: 10.17073/1683-4518-2015-12-18-20
23. Каблов Е. Н., Гращенков Д. В., Исаева Н. В., Солнцев С. С. Перспективные высокотемпературные керамические композиционные материалы // Российский химический журнал. 2010. Т. LIV. № 1. С. 20–24. DOI: 10.1134/S0036021X10010024
24. Martinez J., Lopez F., Rodriguez P. Optimization of ladle refractory design using computational modeling // Materials and Design. 2020. 108901. DOI: 10.1016/j.matdes.2020.108901
25. Braulio M. A. L., Rigaud M., Buhr A., Parr C., Pandolfelli V. C. Spinel-containing alumina-based refractory castables // Ceramics International. 2011. Vol. 37, Iss. 6. P. 1705–1724. DOI: 10.1016/j.ceramint.2011.03.049
26. Nikiforov A. S., Prikhod’ko E. V. Thermal stresses generated in the lining of a steel ladle // Refract. Ind. Ceram. 2005. Vol. 46. P. 360–363. DOI: 10.1007/s11148-006-0012-2
27. Lee S., Kim K., Park J. The influence of mechanical elements on ceramic production // Journal of the European Ceramic Society. 2022. Vol. 42, No. 4. P. 1234–1242. DOI: 10.1016/J. jeurceramsoc.2022.03.012
28. Kumar R., Singh S., Gupta A. Development and performance evaluation of printed mixtures for lining steelmaking ladles // Refractories and Industrial Ceramics. 2020. Vol. 61, No. 2. P. 123–130. DOI: 10.1007/s11148-020-00438-8
29. Kochubeev Y. N., Kungurtsev V. N., Mironova L. V. A technology for production of composite refractory materials for the lining of steel ladles // Refract. Ind. Ceram. 2005. Vol. 46. P. 81–84. DOI: 10.1007/s11148-005-0055-9
30. Benavidez E., Brandaleze E., Lagorio Y., Gass S. et al. Thermal and mechanical properties of commercial MgO-C bricks // Matéria (Rio De Janeiro). 2015. Vol. 20. P. 571–579. DOI: 10.1590/S1517-707620150003.0058
31. Поморцев С. А., Кащеев И. Д., Земляной К. Г., Устьянцев В. М. Исследование структуры и свойств графитов для производства огнеупоров. Часть 2. Свойства периклазо- и корундоуглеродистых огнеупоров при введении в их состав графитов различных производителей // Новые огнеупоры. 2016. № 1. С. 8–13. DOI: 10.17073/1683-4518-2016-1-8-13
32. Кащеев И. Д., Земляной К. Г., Чевычелов А. В., Валуев А. Г. и др. Периклазоуглеродистые огнеупоры, сформованные новым способом // Новые огнеупоры. 2017. № 4. С. 17–19. DOI: 10.17073/1683-4518-2017-4-17-19
33. Lee S., Kim K., Park J. Evaluation of the erosion resistance of refractory materials in steel ladles. // Journal of the European Ceramic Society. 2022. Vol. 42, Iss. 4. P. 1234–1242. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.03.012
34. Grigoriev A. S., Danilchenko S. V., Dmitriev A. I. Computer simulation of the effect of steel ladle secondary lining layers on localization and direction of thermal crack propagation // Refract. Ind. Ceram. 2023. Vol. 63. P. 460–471. DOI: 10.1007/s11148-023-00751-y
35. Pagliosa C., de Ávila H., Santos M. Development of unburned zero carbon alumina-magnesia brick for steel ladle lining //Anais do Seminário de Aciaria, Fundição e Metalurgia de Não-ferrosos. São Paulo: Editora Blucher, 2022. P. 971–983. DOI: 10.5151/2594-5300-34507
36. Junyi Lv, Haijun Zhang, Haohui Gu, Feng Liang. A review on the application of nanomaterials to boost the service performances of carbon-containing refractories // High-Temperature Materials. 2024. Vol. 1, Iss. 1. 10005. DOI: 10.26599/JAC.2025.9221089
37. Horckmans L., Nielsen P., Dierckx P., Ducastel A. Recycling of refractory bricks used in basic steelmaking: A review // Resources, Conservation and Recycling. 2019. Vol. 140. P. 297–304. DOI: 10.1016/j.resconrec.2018.09.025
38. Hou A., Jin S., Harmuth H. et al. A method for steel ladle lining optimization applying thermomechanical modeling and Taguchi approaches // JOM. 2018. Vol. 70, Iss. 11. P. 2449–2456. DOI: 10.1007/s11837-018-3063-1
39. Fang L., Fuyong Su et al. Thermal stress analysis of multi-layer lining ladle in production process. DOI: 10.2139/ssrn.4441736
40. Александрова Т. Н., Ромашев А. О., Кузнецов В. В. Развитие методического подхода к определению флотационной способности тонковкрапленных сульфидов // Обогащение руд. 2020. № 2. С. 9–14.
41. Каланов М. У., Хугаев А. В. Фазовый переход α–β в примесной фазе монокристалла кремния SiO2 // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47, Вып. 7. С. 22–26. DOI: 10.21883/PJTF.2021.07.50794.18623