Огнеупорные материалы

Огнеупорные материалы, используе­мые в сталеплавильном производстве, должны обладать высокой огнеупор­ностью, термостойкостью, устойчи­востью против воздействия шлака и плавильной пыли, высокой механи­ческой прочностью при высоких тем­пературах и т. п. Обычно огнеупорные материалы или изделия из них (кир­пичи, блоки и т. п.) классифицируют по ряду признаков.

5.5.1. Огнеупорность. Этот показа­тель определяют стандартным методом: образец (обычно в виде усеченной трех­гранной пирамидки) помещают в печь. По мере нагрева образец постепенно начинает деформироваться (без нагруз­ки, под действием собственной тяжес­ти) и при определенной температуре (названа температурой огнеупорности) склоненная вершина образца касается основания печи. В зависимости от тем­пературы огнеупорности изделия назы­вают огнеупорными (1580-1770 °С), вы­сокоогнеупорными (1770-2000 °С), выс­шей огнеупорности (>2000 °С).

В реальных условиях эксплуатации огнеупор находится под воздействием определенных нагрузок, поэтому по­мимо огнеупорности при оценке мате­риала всегда учитывают его способ­ность противостоять нагрузкам при высоких температурах; стандартное испытание проводят при нагрузке 20 Н/см² (табл. 5.1).

Таблица 5.1. Характеристика прочности огнеупорных материалов

Материал	асж, кН/см2	tнд (при 20 Н/см2), "С	tогн оС
Шамот	0,98-6,88
Динас	2,45-2,94
Магнезит	2,94-4,90
Хромомагнезит	2-5	1500-1630
Периклазошпинелидный	4-8	>1550

Примечание, а_сж — предел прочности на сжатие; t_нд — температура начала деформации под нагрузкой (указана в скобках); е_ога — температура огнеупорности.

В тех случаях, когда при эксплуата­ции данного огнеупора имеют место резкие колебания температуры (на­пример, в сталеразливочных ковшах, камерах, куда попадает металл при об­работке вакуумом, и т. д.), большое внимание уделяют такому показателю, как термостойкость, т. е. способность материала выдерживать без разруше­ния резкие колебания температуры. При испытании на термостойкость образец нагревают до 850 °С и охлаж­дают в воде, затем опять нагревают и охлаждают и т. д. Показатель термо­стойкости выражается числом водных теплосмен и колеблется в очень широ­ких пределах (например, термостой­кость обычного магнезита всего 1—3, магнезитохромита — до 40, а высоко-глиноземистых огнеупоров — более 150 теплосмен).

5 .5.2. Химико-минералогический со­став. В качестве исходного сырья для изготовления огнеупоров обычно ис­пользуют огнеупорные глины, каоли­ны, магнезит, доломит, кварцит и др. Предварительно подготовленное сы­рье обжигают (кроме кварцитов), из­мельчают, добавляют связующий ком­понент, формуют и обжигают при 1300—1750 ºС, а иногда и при более высокой температуре.

В зависимости от технологии про­изводства различают огнеупоры обжи­говые, безобжиговые, плавленые, спе­каемые.

Безобжиговые огнеупоры формуют из смесей обожженного при высокой температуре огнеупорного порошка (магнезита, хромита, доломита) с не­органической или органической связ­кой без последующего обжига и затем прессуют под высоким давлением. Безобжиговые огнеупоры дешевле анало­гичных обожженных и при использо­вании высокомощного прессового оборудования не уступают им по стой­кости.

Химический состав огнеупоров оп­ределяется составом исходного сырья. При изменении состава огнеупора из­меняется его способность к взаимо­действию со сталеплавильными шла­ками. Огнеупоры, состоящие в ос­новном из кремнезема (кислотный оксид), не должны контактировать с основными шлаками; соответственно недопустим контакт с кислым шлаком огнеупоров, состоящих из основных оксидов (MgO, CaO). Если такой кон­такт имеет место, то происходит энер­гичное ошлакование частиц футеров­ки и агрегат быстро выходит из строя.

В сталеплавильном производстве большое распространение получили алюмосиликатные огнеупоры, изго­тавливаемые из сырья, состоящего в основном из кремнезема и глинозема (рис. 5.3). Шамотные¹ и полукислые огнеупоры, изготавливаемые из огне­упорных глин, широко распростране­ны, так как они достаточно прочны, термостойки, недефицитны и дешевле других огнеупоров; однако их приме­нение ограничено вследствие недоста­точно высокой огнеупорности. Высо­кой термостойкостью и достаточно высокой огнеупорностью характери­зуются высокоглиноземистые огне­упоры (>45 % А1₂О₃). Плотные высо­коглиноземистые огнеупоры устойчи­вы против воздействия шлаков и широко используются в качестве фу­теровки агрегатов для внепечной об­работки металла.

Рис. 5.3. Диаграмма состояния 8Ю2-А1₂Оз

Кремнеземистые огнеупорные ма­териалы, изготавливаемые из кварци­тов² и состоящие в основном из крем­незема (>93 % SiO₂), в сталеплавиль­ном производстве используют для изготовления сводов печей. До недав­него времени динасовый кирпич яв­лялся основным материалом для изго­товления сводов печей. Однако боль­шое количество плавильной пыли и высокие температуры, характерные для работы печей в условиях интенси­фикации процесса кислородом, выну­дили почти повсеместно отказаться от динаса (плавильная пыль, состоящая главным образом из оксидов железа, активно взаимодействовала с кислой футеровкой динасового свода, приво­дя к быстрому выходу его из строя). В настоящее время почти все печи обо­рудованы сводами из основного маг-незитохромитового кирпича. Магнезитохромитовые изделия, изготавли­ваемые из смеси магнезитового по­рошка (65-80 %) и молотого хромита (20—35 %), получили широкое рас­пространение благодаря достаточно высоким температуре начала дефор­мации под нагрузкой (>1600°С), тер­мостойкости (>10 тешюсмен), а так­же высокой стойкости против воздей­ствия основных шлаков и плавильной пыли. В результате высокотемпера­турного обжига тонкоизмельченных чистых магнезита MgO и хромита СгО₃ получают изделия с прямыми связями, образовавшимися при обжи­ге периклаза⁴ и шпинелидов. Такие изделия, характеризующиеся высо­кой стойкостью, называют перикла-зошпинелидными. Материалы на осно­ве MgO и СгО₃ получили широкое распространение в сталеплавильном производстве для изготовления сводов мартеновских и двухванных печей, футеровки конвертеров и др. Для из­готовления насадок регенераторов мартеновских печей широко применяют форстерит⁴, характеризующийся слабым взаимодействием с плавиль­ной пылью при <1400º С.

¹ Обычо под словом шамот понимается обожженная огнеупорная глина Chamotte (франц.).

²Эти материалы называют динасовыми, что связано с названием скалы Динас («Craig-y-Dinas») в Уэльсе (Великобрита­ния).

³ Периклаз — природный минерал (оксид магния MgO, иногда с примесью FeO, MnO и др.).

⁴ Форстерит (по имени немецкого уче­ного И. Форстера) — минерал, магниевый оливин состава Mg₂[SiO₄].

Чистый магнезит (<10 % примесей, остальное MgO) используют в виде по­рошка для изготовления и ремонта по­дин электропечей, мартеновских и двух­ванных печей, а также для изготовления магнезитовых кирпичей. Магнезито­вые огнеупоры характеризуются высо­кой огнеупорностью и хорошей устой­чивостью против основных шлаков, однако имеют низкую термостойкость. Из магнезита обычно изготавливают стенки рабочего пространства печей. В тех случаях, когда от магнезитовых ог­неупоров требуются особо высокие свойства, магнезитовый порошок предварительно плавят в дуговых пе­чах, получая плавленый периклаз, кото­рый после измельчения используют в качестве сырья для изготовления высо­костойких огнеупорных материалов.

В конвертерном производстве широкое распространение получили также доло­митовые огнеупоры, изготавливаемые из обожженного до спекания дроблено­го доломита¹ на смоляной связке. В за­висимости от состава и технологии из­готовления доломитовые материалы имеют огнеупорность 1800—2000 °С и характеризуются высокой стойкостью против воздействия жидких основных шлаков. Дробленый доломит широко используют также для проведения ежеплавочных ремонтов подин марте­новских и двухванных печей.

Достаточно широкое распростра­нение получили огнеупоры, изготав­ливаемые из порошка магнезита с до­бавлением хромистой руды. Изделия (кирпичи) прессуют под высоким давлением и подвергают температур­ному отжигу при 1600—1650 °С. В ме­таллургической практике приняты сле­дующие обозначения высокоогнеупор­ных магнезитохромитовых изделий: ПШСП —периклазошпинелидные магнезитохромитовые плотные с тон­комолотой хромовой рудой в шихте; МХСП —магнезитохромитовые плотные с крупнозернистым хромитом в шихте; ПШСО — периклазошпине­лидные магнезитохромитовые обыч­ные с тонкомолотой хромовой рудой в шихте; МХСО — магнезитохромито­вые обычные с крупнозернистой хро­мовой рудой в шихте. Основной со­ставляющей этих изделий является MgO в виде периклаза.

Сталеплавильное производство по­требляет также некоторое количество относительно дорогих, но обладающих особыми свойствами огнеупорных ма­териалов на основе циркона ZrO₂, кар­борунда SiC, глинозема (корунда)², карбидов циркония, нитрита бора и др. Их используют в тех случаях, когда требуется особая стойкость (например, при изготовлении сталеразливочных стаканов, труб для транспортировки жидкого металла, при обработке ваку­умом и др.).

Особо высокие требования предъявляются к качеству огнеупоров, используемых для внепечной обработ­ки стали (например, типа ковш-печь). Российские заводы БКО (Боровичский комбинат огнеупоров) и «Магне­зит» освоили производство огнеупо­ров на базе MgO-C. Их обозначения: ПУСК (периклазоуглеродистый спе­ченный клинкер), ПУПК (периклазо­углеродистый плавленый клинкер). Такие огнеупоры могут выдерживать длительный контакт с металлом и шлаком при высоких температурах.

Для производства огнеупорной фу­теровки в конце 70-х годов минувшего века химическая промышленность разработала ряд добавок — материа­лов, называемых тиксотропными³. Ис­пользование тиксотропных добавок позволяет широко применять метод вибролитья. Вибролитье тиксотроп­ных бетонов получило широкое рас­пространение на металлургических предприятиях. Одно из названий про­цесса, используемое обычно в зару­бежной литературе, CL-L (Cast Lining Process of Ladie). В качестве огнепорного наполнителя используют высоко­глиноземистый шамот, циркон ZrO₂, магнезиальный клинкер, периклазохромит, электрокорунд и др.

Установка для вибролитья состоит обычно из смесителя, ленточного кон­вейера, устройства для заливки массы, шаблона и вибраторов.

¹ Доломит (по имени французского гео­лога Д. Доломье) имеет состав CaMg [CO₃h-

² Корунд — минерал, природный безвод­ный глинозем А1₂О₃; корундовые огнеупор­ные изделия содержат >90 % А1₂О₃.

³ От греч. thixis — прикосновение и trope — поворот, изменение. Тиксотропия проявляет­ся в разжижении при интенсивном встряхи­вании или перемешивании гелей, паст, сус­пензий и других систем с коагуляционной дисперсной структурой и их загущении (зат­вердевании) после прекращения механичес­кого воздействия. Тиксотропными свойства­ми обладают, например, плывуны.

Продолжи­тельность затвердевания несколько часов летом и до 8 ч зимой (для уско­рения применяют подогрев горячим воздухом). Продолжительность после­дующей сушки 1,5-2 сут.

Чаще всего вибролитье используют для футеровки ковшей. Способ вибро­литья позволяет также ремонтировать изношенные участки (для так называ­емой «вечной» футеровки).

5.5.3. Расход огнеупоров. При вып­лавке и разливке стали требуются ог­ромные количества огнеупорных ма­териалов. Общий расход огнеупоров в мировом сталеплавильном производ­стве составляет ~20 млн. т в год. От стойкости огнеупорных материалов зависит не только их расход, но и про­изводительность сталеплавильных аг­регатов (частота ремонтов, их трудо­емкость), а также качество металла. В частности, для современных методов внепечной обработки металла (про­дувка инертным газом, обработка ва­куумом и т. п.), связанных с интенсив­ным перемешиванием металла, требу­ются огнеупоры особо высокого качества (в противном случае переме­шивание приведет к загрязнению ме­талла, а не к очищению). Низкая по­ристость и высокая плотность огне­упорного материала, зависящие в значительной мере от технологии из­готовления, должны обеспечить в этих случаях почти полное отсутствие его разрушения и исключить взаимодей­ствие огнеупора с перемешиваемым металлом и шлаком.

Снижения расхода огнеупорных ма­териалов добиваются следующими способами: 1) повышением качества огнеупорных материалов; 2) тщатель­ным хранением отходов огнеупоров, образующихся при периодических ре­монтах и вторичном их использовании; 3) организацией процесса плавки с уче­том условий эксплуатации огнеупорных материалов; 4) полной или частич­ной заменой огнеупорной футеровки деталями с искусственным (например, водяным) охлаждением;

¹ Доломит (по имени французского гео­лога Д. Доломье) имеет состав CaMg [CO₃h-

² Корунд — минерал, природный безвод­ный глинозем А1₂О₃; корундовые огнеупор­ные изделия содержат >90 % А1₂О₃.

³ От греч. thixis — прикосновение и trope — поворот, изменение. Тиксотропия проявляет­ся в разжижении при интенсивном встряхи­вании или перемешивании гелей, паст, сус­пензий и других систем с коагуляционной дисперсной структурой и их загущении (зат­вердевании) после прекращения механичес­кого воздействия. Тиксотропными свойства­ми обладают, например, плывуны.

Рис. 5.4. Установка для торкрети­рования футеровки сталеразливоч-ных ковшей (а) и установка для торкретирования ковшей неболь­шой вместимости (б)

5) периоди­ческим торкретированием рабочей по­верхности огнеупоров. Существует не­сколько методов торкретирования (на­несения газовой струей покрытия) рабочих поверхностей сталеплавиль­ных агрегатов: с увлажнением смеси, без увлажнения и т. п. (рис. 5.4); 6) по­средством нанесения на футеровку оп­ределенного количества высокооснов­ного жидкого шлака (так называемый «раздув или разбрызгивание шлака»). Под воздействием специально направ­ляемых газовых струй капли жидкого шлака (оставляемого в агрегате после выпуска металла) попадают на поверх­ность футеровки и постепенно покры­вают ее тонким слоем. При этом шлак должен иметь определенное (высокое) содержание СаО и MgO.

Существуют и другие, менее рас­пространенные способы.