4.2.5.3. Магнезиальные огнеупорные изделия

Магнезиальные огнеупорные изделия – это большая группа материалов, среди которых выделяют 4 основные группы: магнезитовые, доломитовые, форстеритовые и шпинельные.

Магнезитовые огнеупоры состоят в основном из MgO (80…85 %). Их изготовляют из магнезита, доломита, брусита Mg(OH)₂ и другого природного сырья. Производство магнезитовых огнеупоров достаточно дорогое, поэтому эти огнеупоры применяют для специальных целей.

Огнеупорность магнезитовых огнеупоров выше 2000 ⁰С, средняя плотность около 2,56 г/см³.

Из магнезиальных огнеупоров наибольшее распространение получили магнезитохромитовые, получаемые из хромита и спеченного магнезита. В зависимости от физико-химических свойств магнезитохромитовые изделия, используемые для сводов мартеновских и электросталеплавильных печей, подразделяют на периклазошпинелидные магнезитохромитовые, имеющие следующие условные обозначения:

ПШС – периклазошпинелидные плотные с тонкомолотой хромитовой рудой;

ПШСО – периклазошпинелидные обычные с тонкомолотой хромитовой рудой;

МХСП – магнезитохромитовые плотные с крупнозернистой хромитовой рудой в шихте;

МХСО – магнезитохромитовые обычные с крупнозернистой хромитовой рудой в шихте.

Периклазошпинелидные изделия изготавливают из шихты, содержащей 60 % крупнозернистого магнезита фракции 0,5…2 мм и 40 % мелкозернистой смеси с хромитом в соотношении 3:7. Из такой смеси прессуют изделия под удельным давлением прессования 160 МПа, которые затем обжигают при температуре 1700 ⁰С в течение 50 ч.

Область применения и размеры наиболее распространенных магнезитовых огнеупоров приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.6

Форма и размеры магнезитовых огнеупорных изделий

Изделия	Марка			Размеры, мм	Назначение
Магнезитовые
Кирпич прямой Клин торцовый		М – 91 – 1 М – 91 – 2 М – 91 – 8 М – 91 – 9	230×115×65 230×115×75 230×115×65×55 230×115×65×45		Для кладки подин мартеновских печей
Магнезитохромитовые
Кирпич прямой Клин торцовый	МХСП – 1 МХСП – 2 МХСП – 7 МХСП – 10			230×115×65 300×150×75 230×115×65×45 300×150×85×68	Для кладки сводов мартеновских печей

Доломитовыми огнеупорами называют материалы, полученные из минерала доломита CaCO₃·MgCO₃, предварительно обожженного до спекания.

Доломитовые изделия подразделяют на содержащие свободную окись кальция СаО и на не содержащие свободной окиси кальция. Первые могут храниться на воздухе только ограниченное время, так как в результате поглощения паров воды и углекислоты из воздуха происходит гидратация и карбонизация свободной окиси кальция, что приводит к разрушению изделий вследствие увеличения в объеме продуктов гидратации. Вторые, содержащие СаО только в виде соединений, могут не разрушаясь, храниться на воздухе.

Доломитовые огнеупорные материалы могут применяться в виде порошков, обожженных и безобжиговых кирпичей, блоков и трамбовочных масс.

Обжигают природный доломит при температуре 1550…1700 ⁰С во вращающихся печах по сухому способу. При этом получают грубоизмельченный плотный и прочный материал с размером зерен 5…25 мм. Особо трудно спекающиеся доломиты подвергают мокрому тонкому помолу в трубных мельницах и затем обжигают в печах с добавкой железной окалины. Эта добавка замедляет гидратацию доломита.

Доломитовые огнеупоры применяются для заправки стен и откосов мартеновских и электросталеплавильных печей. Для наварки верхнего слоя подин мартеновских печей доломит применяют в смеси с металлургическим магнезитовым порошком в соотношении 1:1. На практике для тех же целей применяют безобжиговые доломитовые изделия, выпиленные из естественных магнезито-силикатных пород. В электропечах для плавки анодного никеля и в медеплавильных печах используют смолодоломитовые кирпичи и блоки. Для изготовления блоков используют смеси, состоящие из 60…70 % металлургического магнезита с размерами зерен до 7 мм и 30…40 % обожженного доломита с размерами зерен до 5 мм. Связующим материалом служит каменноугольная смола в количестве 8…12 %. Смесь формуют методом трамбования или прессования, после чего отпрессованный полуфабрикат сушат в течении 3 ч при температуре 250…350 ⁰С и затем обжигают при 1600 ⁰С в течение 5 ч. Блок выдерживает хранение на воздухе в течение двух месяцев. Его можно использовать также для кладки стен сталеплавильных печей и конвертеров с кислородной продувкой.

Физико-технические свойства некоторых доломитовых изделий приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7

Физико-технические свойства доломитовых огнеупоров

Вид огнеупорных изделий	Средняя плотность, г/см³	Предел прочности при сжатии, МПа	Дополнительная усадка при 1700 0С, %	Температура начала деформаций под нагрузкой	Огне-упорность, 0С
Водоустойчивый магнезитодоломитовый кирпич	2,9…2,95	109	1,3 – 1,6	1700	2000
Водоустойчивый доломитовый кирпич	2,8…2,9	108…134	1,37	1550…1610	1780
Обожженный доломитовый кирпич со свободным CaO	3,04…3,12	157…177	0,5…0,8	1670	-
Безобжиговые смолодоломитовые изделия	2,9…3,0	-	-	-	-
Металлургический доломит	-	-	-	-	-

При изготовлении водоустойчивого кирпича к исходной шихте иногда добавляют окись магния. Магнезитодоломитовые водоустойчивые кирпичи и блоки применяют для кладки стен мартеновских и электросталеплавильных печей, для футеровки зон спекания вращающихся цементных печей.

Форстеритовыми огнеупорами называют изделия, содержащие в основном ортосиликат магния 2MgO·SiO₂ – форстерит до 85 %. Прочие минералы обычно не оказывают существенного влияния на их свойства.

Для повышения шлакоустойчивости форстеритовых изделий в их состав вводят добавку периклаза, поэтому готовые изделия содержат 70…90 % форстерита и 30…10 % периклаза.

Сырьевой базой для производства форстеритовых огнеупоров являются магнезиально-силикатные породы. Однако эти породы не всегда содержат окись магния в количестве, необходимом для связывания всего кремнезема в форстерит. Поэтому при переработке к ним приходится добавлять определенное количество окиси мания. В некоторых же породах встречается примесь брусита Mg(OH)₂. В этом случае добавка окиси магния не требуется.

Для оценки качества сырья пользуются магнезиально-силикатным MgO/SiO₂, магнезиально-железистым MgO/(FeO + Fe₂O₃) модулями и потерями при прокаливании. Чем выше значение модулей, тем лучше качество сырья, так как в этом случае порода будет более огнеупорной. Потери при прокаливании характеризуют усадку породы при обжиге.

Исходная влажность форстеритовых масс для прессования изделий должна составлять 3…4 %. Прессование изделий осуществляется на механических, фрикционных (пресс-трамбование) и гидравлических прессах с удельным усилием прессования 80…100 МПа.

Отпрессованный сырец сушат в туннельных сушилках в течение 20…24 ч до остаточной влажности 0,5 %. Высушенные изделия обжигают в туннельных печах при температуре до 1650 ⁰С.

Разновидностью форстеритовых огнеупоров являются периклазофорстеритовые изделия, которые помимо основного минерала форстерита в значительном количестве содержат магнезиоферрит и периклаз. Сырьем для производства этих изделий служат магнезиты с высоким содержанием кремнезема и металлургический доломит с добавкой оливинита, дунита. Технология периклазофорстеритовых изделий не отличается от технологии обычных форстеритовых огнеупоров.

Форстеритовые огнеупоры применяют в тех же условиях, что и магнезитовые, но там, где есть воздействие окислов железа, форстеритовые огнеупоры предпочтительнее. Они успешно служат в подинах нагревательных печей, а также в обжигательных высокотемпературных печах, но не могут быть использованы для кладки сводов и стен электросталеплавильных печей. Эти материалы успешно применяют для кладки насадок воздушных регенераторов мартеновских печей взамен динасовых и шамотных огнеупоров. Высокая устойчивость форстеритовых изделий против разъедания оседающей на них плавильной пыли и высокая огнеупорность позволяют использовать их для футеровки регенераторов, предназначенных для нагревания воздуха до высоких (1350…1400 ⁰С) температур, что необходимо для повышения температуры плавильного процесса.

Огнеупорные изделия этой группы обладают следующими свойствами: температурный коэффициент линейного расширения в интервале температур 20…800 ⁰С составляет 11,5·10^-6 1/⁰С, теплопроводность в интервале 500…1000 ⁰С – 0,6 Вт/(м·⁰С).

Шпинельными называют огнеупоры, в которых основной составной частью являются шпинели. Шпинели – группа соединений, в состав которых входят Mg, Zn, Fe, Mn, реже Co и Ni, а также Al, Cr. Типичными представителями шпинелей являются магнезиальная шпинель MgO·Al₂O₃, магнезиоферрит MgO·Fe₂O₃, магнезиохромит MgO·Cr₂O₃, магнетит FeO·Fe₂O₃·Fe₃O₄, ганит ZnO·Al₂O₃, феррохромит FeO·Cr₂O₃ и др. [19, 20].

Шпинельные огнеупоры применяют для изготовления сводов мартеновских печей, набивной футеровки.