93

КУРС ЛЕКЦИЙ

«Огнеупоры и их эксплуатация» для студентов специальности 7.090401

Металлургия черных металлов

(учебное пособие)

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 КЛАССИФИКАЦИЯ И СВОЙСТВА ОГНЕУПОРОВ 7

1.1 Классификация огнеупоров 7

1.2 Свойства огнеупоров 10

2 ОБЩАЯ технологическая СХЕМА производства огнеупоров 16

3 ПРОИЗВОДСТВО ОГНЕУПОРОВ В УКРАИНЕ 21

3.1 Кварцевое сырье 22

3.2 Глиноземистое и высокоглиноземистое сырье 23

3.3 Магнезиальное сырье 25

3.4 Жаростойкие металлы и неметаллы 27

4 ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ ОГНЕУПОРОВ 32

4.1 Кремнеземистые огнеупоры 32

4.2 Аюмосиликатные огнеупоры 36

4.3 Магнезиальные огнеупоры 40

4.3.1 Магнезиально‑известковые огнеупоры 43

4.3.2 Магнезиальношпинелидные огнеупоры (периклазохромитовые и хромопериклазовые) 45

4.3.3 Магнезиально-силикатные (форстеритовые) огнеупоры 47

4.4 Углеродистые огнеупоры 48

4.5 Цирконистые и другие типы огнеупоров 53

5 ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 55

6 ОГНЕУПОРНЫЕ БЕТОНЫ И МЕРТЕЛИ 57

7 ОГНЕУПОРЫ ДЛЯ ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА 63

7.1 Предназначение огнеупорной футеровки в доменной печи 63

7.2 Предназначение огнеупорной футеровки в доменной печи 69

8 ОГНЕУПОРЫ ДЛЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА 79

8.1 Огнеупоры для футеровки кислородных конвертеров 79

8.2 Служба огнеупорных изделий в различных элементах конструкции мартеновских печей 86

8.3 Огнеупоры для разливки и внепечной обработки стали 88

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 93

ВВЕДЕНИЕ

Огнеупоры – это особый вид конструкционных материалов, которые благодаря ряду специфических свойств находят применение при сооружении нагревательных и плавильных печей и агрегатов, в футеровках различных устройств, работающих как собственно в промышленности строительных материалов, так и в химической, стекловаренной и металлургической промышленности.

Огнеупоры эксплуатируются в различных температурных условиях и в разнообразных средах. Одни служат в контакте с расплавленным металлом и шлаком, другие испытывают воздействие лишь газовой атмосферы, т.е. в менее агрессивной среде, третьи дополнительно испытывают знакопеременные тепловые нагрузки. Огнеупоров, которые могли бы использоваться во всех этих случаях и обладающих необходимым для этого комплексом физико-химических свойств, нет. Поэтому для конкретных условий создаются огнеупоры с набором необходимых свойств, и сортамент этой продукции непрерывно расширяется.

От степени соответствия свойств огнеупоров условиям их службы зависят технико-экономические показатели работы агрегатов и возможность реализации технологического процесса.

Применение более качественных и новых видов огнеупоров позволяет достичь значительных успехов в производстве и использовать новые технологии. С огнеупорами связан практически весь прогресс в сталеплавильном производстве. Достаточно напомнить, что замена кислой футеровки конвертеров, мартеновских и электропечей на основную позволили решить вопросы как роста производства, так и качества металла.

Использование в конструкции верхнего строения мартеновской печи основных огнеупоров позволило применить кислород для интенсификации горения топлива и поднять температуру факела до 1800‑1900С (при кислом своде температура факела не должна была превышать 1700С). Применение основных огнеупоров в элементах нижнего строения дало возможность интенсифицировать плавку путем вдувания кислорода в металлическую ванну.

Замена смолодоломитной футеровки кислородных конвертеров периклазоуглеродистой (периклазографитовой) позволила увеличить компанию конвертера по футеровке с 350‑400 плавок до нескольких тысяч плавок.

Основным потребителем огнеупоров является металлургическая промышленность. На ее долю приходится потребление более 60 % производимых огнеупоров. Потребление других отраслей оценивается такими цифрами: цветная металлургия – 4; химия – 4,7; строительные материалы – 8,1; машиностроение – 10,3.

Удельный расход огнеупоров в черной металлургии, оцениваемый по стране в целом как отношение общего расхода к объему выплавляемой стали существенно не изменялся до 2000 года и составлял 26,9‑27,6 кг/т. Такие высокие значения обусловлены недостаточным объемом производства многих современных видов огнеупоров и не рациональным их использованием. В связи с этим на рынках огнеупоров Украины и России появились известные иностранные фирмы: «Veitsch‑Radex», «Vesuvius», «Plibrico» и др.

Задача повышения эффективности использования огнеупоров решается за счет повышения качества обычных огнеупоров и создания новых видов огнеупоров (периклазоуглеродистые, огнеупоры на основе волокнистых материалов, композитов на основе систем Si – Al – O – N, R_nO_m – C и др.). Большое значение имеют качественные изменения в металлургии: сокращение доли мартеновской стали, увеличение объема непрерывной разливки стали, а также использование рациональных схем футеровок конвертеров, основных и промежуточных сталеразливочных ковшей.

1 Классификация и свойства огнеупоров

1.1 Классификация огнеупоров

Огнеупорами называют материалы из естественного и искусственного сырья и изделия из этих материалов, предназначенные для использования в условиях высоких температур в различных тепловых агрегатах, и способные выдерживать без нагрузки, не разрушаясь, воздействие высоких температур.

Основу большинства видов огнеупорных материалов составляют тугоплавкие оксиды (С):

MgO	CaO	Cr2O3	Al2O3	SiO2	ZrO2
2800	2614	2299	2050	1730	2700

Изготовленные с использованием этих оксидов изделия по огнеупорности, т.е. способности противостоять воздействию высоких температур не разрушаясь, подразделяются на:

огнеупорные 1580‑1770С;

высокоогнеупорные 1770‑2000С;

высшей огнеупорности более 2000С.

По химическому составу огнеупоры бывают:

кислые на основе SiO₂;

основные на основе MgO и CaO;

нейтральные на основе Al₂O₃ и Cr₂O₃.

По химико-минералогическому составу они подразделяются на 15 типов, 37 групп (табл. 1.1).

Таблица 1.1 – Классификация огнеупоров

Тип огнеупоров	Группа	Доля определяющих химических компонентов на прокаленное вещество, %
Кремнеземистые	Из кварцевого стекла	SiO2  97
	Динасовые	SiO2  93
	Динасовые с добавками	80  SiO2 < 93
	Кварцевые	SiO2  85
Алюмосиликатные	Полукислые	SiO2 < 95, Al2O3 < 28
	Шамотные	28  Al2O3  45
	Муллитокремнеземистые	45 < Al2O3  62
	Муллитовые	62 < Al2O3  72
	Муллитокорундовые	72 < Al2O3  90
	Из глинокремнеземистого стекла	40  Al2O3  90
Глиноземистые	Корундовые	Al2O3 > 90
Глиноземизвестковые	Алюминаткальциевые	Al2O3 > 65, 10 < CaO < 35
Магнезиальные	Периклазовые	MgO  85
Магнезиально-известковые	Периклазоизвестковые	50 < MgO < 85, 10  CaO < 45
	Периклазоизвестковые стабилизированные	35 < MgO < 75, 15 < CaO  40, CaO : SiO2 > 2
	Известковопериклазовые	50 < MgO  50, 45  CaO  85
Известковые	Известковые	CaO  85
Магнезиально-шпинелидные	Периклазохромитовые	MgO  60, 5  Cr2O3  20
	Хромитопериклазовые	40  MgO < 60, 15  Cr2O3  35
	Хромитовые	MgO < 40, Cr2O3 > 30
	Периклазошпинелидные	50  MgO < 85, 5  Cr2O3  20, Al2O3  25
	Периклазошпинельные	MgO > 40, 5  Al2O3  55
	Шпинельные	25  MgO  40, 55 < Al2O3  70
Магнезиально-силикатные	Периклазофорстеритовые	65  MgO < 85, SiO2  7
	Форстеритовые	50  MgO < 65, 25  SiO2  40
	Форстеритохромитовые	45  MgO < 60, 20  SiO2  30, 5  Cr2O3  15
Хромистые	Хромоксидные	Cr2O3  90
Цирконистые	Бадделеитовые	ZrO2 > 90
	Бадделеитокорундовые	20  ZrO2  90, Al2O3  65
	Цирконовые	ZrO2 > 50, SiO2 > 25
Окисные	Специальные из огнеупорных оксидов: BeO, MgO, СаО, А12О3, Сг2О3, SiO2, V2O3, Sc2O3, ZnO2, ZrO2 и др.	Максимально достижимое содержание перечисленных оксидов, соединений и твердых растворов на основе этих оксидов
Углеродистые	Графитированные	С > 98
	Угольные	С > 85
	Углеродсодержащие	8  C  85
Карбидкремниевые	Карбидкремниевые	SiC > 70
	Карбидкремнийсодержащие	15  SiC  70
Бескислородные	Из нитридов, боридов, карбидов, силицидов и других бескислородных соединений (кроме углеродистых)	Максимально достижимое содержание бескислородных соединений

Огнеупоры бывают формованные и неформованные. К формованным относятся кирпичи, боки и др. изделия. К неформованным относят мертели, заправочные материалы, различные порошки, бетоны, массы.

Имеется еще целый ряд классификаций: по способу формования, по назначению, по форме и размерам, по пористости, характеру термической обработки, пропитки, обожженные, необожженные. Например, в зависимости от формы изделия подразделяются на прямые нормальных размеров 230(114; 115)(65; 75) мм; клиновые нормальные 230(114; 115)(6555; 6545; 7565) мм; мелкоштучные разного назначения с массой преимущественного менее 1 кг; фасонные, блочные массой от 10 до 1000 кг; крупноблочные массой более 1000 кг.

Таблица 1.2 – Классификация неформованных материалов

Группа	Характеристика	Назначение
Огнеупорные порошки и заполнители	Огнеупорные материалы определенного зернового состава	Для изготовления огнеупорных изделий, масс, смесей, мертелей, изготовления и ремонта тепловых агрегатов, теплоизоляции и др.
Огнеупорные цементы	Микрозернистые, тонкодисперсные и ультрадисперсные огнеупорные материалы, твердеющие после смешивания со связкой	Для изготовления бетонных изделий, смесей, масс, покрытий и мертелей
Огнеупорные массы и смеси, в т.ч. бетонные	Массы – огнеупорные материалы, состоящие из огнеупорных порошков и заполнителей, связки (бетонные массы - вяжущего) и в необходимых случаях добавок (пластифицирующих, структурообразующих и др.), готовые к применению. Смеси – огнеупорные материалы, состоящие из огнеупорных порошков и заполнителей (бетонные смеси – также огнеупорного цемента), требующие введения связки	Для изготовления изделий, в т.ч. бетонных монолитных футеровок и их элементов, а также ремонтов огнеупорной кладки
Огнеупорные материалы для покрытий	Смесь тонкодисперсных огнеупорных материалов со связкой или без нее	Для нанесения в виде слоя, не несущего строительной нагрузки на рабочую поверхность огнеупорной или металлической конструкции с целью защиты ее от износа
Огнеупорные мертели	Смесь мелкозернистых огнеупорных материалов с пластифицирующими добавками или без них	Для заполнения швов и связывания огнеупорных изделий в кладке
Огнеупорные порошковые и кусковые полуфабрикаты	Огнеупорные материалов, нуждающиеся в дополнительной технологической обработке (плавлении, дроблении, измельчении, смешивании, формовании, рассеве и др.)	Для изготовления огнеупоров
Волокнистые теплоизоляционные материалы	Огнеупорные материалы, состоящие преимущественно из частиц, имеющих форму волокна	Для изготовления теплоизоляционных изделий и футеровок, уплотнения огнеупорной кладки и заполнения компенсационных швов