Огнеупорные материалы черной металлургии

Современное металлургическое производство связано с протеканием физико-химических процессов при высоких температурах, поэтому требуется применение огнеупоров. Огнеупорными называются такие материалы, которые могут длительное время противостоять воздействию высоких температур, не разрушаясь.

От качества и стойкости огнеупоров зависит производительность и срок службы печей. Огнеупорные материалы должны обладать следующими свойствами:

огнеупорностью и механической прочностью при  температурах;

способностью выдерживать колебания температур;

химической стойкостью в условиях печей;

постоянством формы и объема при нагреве;

возможностью массового производства.

2.1 Классификация огнеупоров

Огнеупоры классифицируют:

А) По огнеупорности:

а) огнеупорные (1580-1770⁰С);

б) высоко огнеупорные (1770-2000⁰С);

в) высшей огнеупорности (>2000⁰C).

Б) По химико-минералогическому составу

а) кремнеземистые (о/у основа-SiO₂):

динасовые (>90%SiO₂); кварцевые стека (>99%SiO₂).

б) алюмосиликатные - огнеупорная основа (Al₂O₃+SiO₂)

полукислые ( примерно 70%SiO₂ и <30%Al₂O₃); шамотные (39-45%Al₂O₃); высокоглиноземистые (>45%Al₂O₃).

в) магнезиальные (о/у основа MgO):

магнезитовые (>85%MgO); доломитовые (но больше MgO);

форстеритовые (но больше MgO); шпинельные (содержат шпиналь MgO*Al₂O₃, а также Cr₂O₃).

г) хромистые - о/у основа Cr₂O₃ и MgO:

хромитовые (примерно 30%Cr₂O₃); хромомагнитовые (10-30%Cr₂O₃ и 30-70%MgO).

д) углеродистые: графитовые (30-60%С); коксовые (70-90%С).

е) цирконистые - о/у основа ZrO₂: цирконовые - из минерала циркона; циркониевые - из ZrO₂.

ж) карбидные и нитридные: карборундовые (30-90%SiC); изделия из нитридов, карбидов и боридов элементов 4, 5 и 6 групп периодической системы.

з) окисные: изделия из окиси берилия, тория и цезия.

В) По типу огнеупорной основы:

а) кислые (SiO₂); б) нейтральные (Al₂O₃); в) основные (CaO,MgO).

Г) По способу приготовления:

а) естественные (пиленые о/у);

б) искусственные: литые из жидких масс, пластичного формования, полусухого прессования из увлажненных порошков, сухого прессования из сухих и малоувлажненных порошков, трамбованные, изделия особых способов формования.

Д) По способу термообработки: безобжиговые, обжиговые, плавленые.

Е) По сложности формы: простые (нормальный кирпич), фасонные.

Ж) По назначению: доменные, ковшовые, сталеразливочный припас и т.д.

2.2 Производство и свойства главных огнеупоров, применяемых в металлургии

Кремнеземистые огнеупоры.

Основной вид - динас, сырьем для него служат кварциты, содержащие 97-98.5%SiO₂.

Переработка: кварцит из карьера  склад  промывка в барабанах  измельчение в три стадии  грохочение (сепарация) 50-60% фр.<0.5 мм  добавка боя динасового кирпича  шихта смешивается с добавкой известкового молока  прессование в формах  сушка (140-200⁰С в течении 8-18 часов)  обжиг в камерных или туннельных печах 6-25 суток (с целью образования тридимита температуру медленно увеличивают, с остановками.)

Динас применяют в коксовых, нагревательных, мартеновских печах, иногда в нижнем строении сводов электропечей и мартенов.

Качество (%SiO2)	Огнеупорность 0С	t0начала разл. под нагрузкой, 0С	Плотность, т/м3	Общая пористость, %
93-94.5	1690-1710	1620-1660	2.35-2.4	 21-23

Алюмосиликатные огнеупоры.

Наиболее массово применяют шамотные огнеупоры (70% всего количества применяемых огнеупоров). Сырьем служат огнеупорные глины и каолин, состоящие в основном из каолинита Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O, примесей - до 6% (окись Fe, щелочные элементы). Огнеупорность глин 1850⁰С, а температура спекания 1100-1500⁰С.

Месторождения: Часов-Ярское, Боровичское, Пятикатское. Огнеупорная глина представляет собой тонкодисперсные вещества с преобладанием частиц фр. < 1мкм. Каолины содержат более крупные частицы.

Высушенную глину измельчают, смешивают 40-50% глины с 50-60% шамота при общей влажности 16-21%, прессуют заготовку в виде бесконечного прямоугольного бруска, разрезают на брикеты, допрессовывают, сушат в туннельных сушилах при 120-200⁰С, 12-100 часов до W=1-2%, обжигают при 1300-1400⁰С в течение 70 часов.

Качество шамотных огнеупоров: огнеупорность 1610-1700⁰С, температура начала деформации под нагрузкой 1150-1400⁰С, усадка при 1200-1400⁰С до 1% (много), высокая пористость и газопроницаемость. Но они дешевые, их применяют для кадки печей и элементов, где t < 1400⁰C и нет контакта с жидкими шлаками.

Шамотные огнеупоры применяют для: доменных, мартеновских, нагревательных, термических печей, сталеразливочных ковшей, дымовых труб, паровых котлов, газоотводов, воздухонагревателей, муфелей, трубок, сталеразливочного припаса.

Полукислые огнеупоры получают по такой же технологии, как и шамотные, но полукислые огнеупоры имеют меньшую огнеупорность, но большую плотность. Применяют как заменители шамота в неответственных частях.

Высокоглиноземистые огнеупоры.

Для производства высокоглиноземистых огнеупоров применяют в качестве сырья: корунд Al₂O₃, диаспор Al₂O₃·H₂O, боксит Al₂O₃·nH₂O, андалузит Al₂O₃·SiO₂, силиманит Al₂O₃·SiO₂ и т.д. Они бывают обожженные и плавленые.

Технология получения обжиговых огнеупоров не отличается от технологии получения шамотных. В качестве связующих используют каолины и органические добавки, обжигают при 1700-1750⁰С. Применяют при кладке горна и лещадки ДП, в насадках регенераторов.

Плавленые высокоглиноземистые огнеупоры, например муллитовые, получают плавкой в электрических печах и разливают в формы при 1900⁰С, где изделие медленно охлаждается в течении 4-10 суток, извлекают и шлифуют до необходимых размеров. Они имеют высокую огнеупорность (1850⁰С), температуру начала деформации (примерно 1700⁰С), малую пористость 1-2% и большую твердость.

Магнезиальные огнеупоры.

Магнезитовые огнеупоры наиболее распространены. Сырьем служит магнезит MgCO₃ (Саткинское месторождение). Его дробят, обжигают, отделяют зерна < 5мм, вылеживают 3-4 суток, (происходит частичная гидратация MgO - образование Mg(OH)₂ с увеличением объема). Затем добавляют сульфитно-спиртовую барду, доводят до влажности 3-5%, формуют в две стадии, сушат при 75⁰С в течение 1-1,5 суток, затем обжигают при 1600⁰С в течение 6-7 суток. При этом происходит дегидратация с уменьшением объема.

Качество магнезитовых огнеупоров: огнеупорность > 1200 ⁰С, температура начала деформации под нагрузкой 1550-1600 ⁰С, устойчивость к основным и железистым шлакам. Но магнезитовые огнеупоры имеют значительное расширение при нагреве, а при попадании влаги происходит снижение их качества. Применяют для кладки высокотемпературных металлических печей, например мартеновских.

Доломитовые огнеупоры.

Сырье - доломит CaCO₃·MgCO₃, который имеет до 5% примесей: SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, MgO, CaO.… Огнеупорность 1770⁰С, хорошо противостоят действию основных шлаков.

Шихта из смеси доломита и магнезита обжигается, измельчается, добавляется связующее, из полученной массы прессуют изделия, сушат при 100-180⁰С в течение 10-15 часов, обжигают до 6 часов при 1450-1580⁰С в туннельных печах.

В ряде случаев применяют безобжиговые доломитовые массы, и процесс обжига переносится в металлургическую печь (конвертер).

Форстеритовые огнеупоры.

Основная составляющая - форстерит (2MgO*SiO₂) + 15% MgO*Fe₂O₃ при общем содержании MgO 35-5%, . Форстеритовые огнеупоры бывают безобжиговые и обожженные. Огнеупорность 1830-1900⁰С, хорошо противостоят воздействию железистых шлаков. Применяют для кладки мартеновских и электрометаллургических печей в цветной металлургии.

Хромитовые и хромомагнезитовые огнеупоры.

В их состав входит хромит - минерал FeO*Cr₂O₅ - хорошо противостоит действию кислых и основных шлаков. Типы:

а) хромитовые Cr₂O₃  30%, MgO  24%, имеют  температуру деформации под нагрузкой, применяют мало, в виде набивных масс;

б) хромагнезитовые Cr₂O₃  15-30%, MgO  45-60%, шихта из 80% хромита и обожженного магнезита;

в) магнезитохромитовые Cr₂O₃  8-15%, MgO  65-70%

Технология производства аналогична магнезитовым огнеупорам, но обжиг ведут в слабо окислительной атмосфере. Огнеупорность  2000⁰С и более. Термостойкость 3-10 теплосмен.

Применяют для кладки сводов мартеновских и электросталеплавильных печей, подин нагревательных колодцев и футеровки обжиговых печей, конверторов.

Углеродосодержащие огнеупоры.

Основа огнеупоров - углерод. Свойства: не плавятся при повышенных температурах, противостоит воздействию продуктов плавки и агрессивных сред. %С = 30-90%

Типы: графитовые, коксовые, карборундовые

Шихта содержит: а) графит 20-60%, б) шамот или кварц 01-40%, в) огнеупорная глина 30-04%, г) иногда SiC 10-20%

Компоненты прокаливают, тонко мелют, смешивают сухими, увлажняют, еще смешивают, вылеживают 15-20 суток во влажном помещении, формуют, сушат 8-20 суток при 30-50⁰С, обжигают при 800 - 1350⁰ С.

Графитовые огнеупоры (свойства):

огнеупорность, шлакоустойчивость

теплопроводность (хорошо охлаждается)

гигроскопичность (надо прокаливать)

но: окисляются кислородом

Коксовые огнеупоры

- содержат до 90% углерода, изготавливаются из:

а) кокса

б) термоантрацита

в) каменноугольной смолы

Смешивают а)+ б), добавляют 20-25% в), перемешивают при нагреве, трамбуют, в виде большемерных блоков, плит, кирпичей и электродов, выдерживают 5-10 дней и обжигают в муфельных печах при температуре примерно 1400-14500С с коксовой подсыпкой.

Свойства:

огнеупорность (> 25000C)

термостойкость

шлакоустойчивость

постоянство объема

Но: разрушаются в окислительной атмосфере и под действием щелочей (Na2CO3 и т.д.)

Применяют углеродистые огнеупоры: лещадь и горн ДП (внутри - коксовые, снаружи, к холодильникам - графитовые), в цветной металлургии - ванны.

Основа этих огнеупоров - углерод. Свойства: не плавятся при повышенных температурах, противостоят воздействию продуктов плавки и агрессивных сред, %С = 30-90%

Типы: графитовые, коксовые, карборундовые. Шихта содержит: а) графит 20-60%, б) шамот или кварц 10-40%, в) о/у глина 30-40%, г) иногда Si 10-20%.

2.3 Теплоизоляционные материалы

Высокая температура при металлургических процессах, нужно снижение потерь тепла, для чего используют теплоизоляционные материалы (Т.и.М.), что применяют в виде: кирпичей, плит, фасонных изделий, засыпания шлаковой ваты, разных масс.

Т. и.М. бывают:

- естественными (природными)

- искусственными

Теплоизолирующие свойства Т. и.М основаны на высокой пористости.

Природные Т.и.М.:

асбест (засыпка, картон, вата, шнур)

диатомит и трепел в виде кирпича, засыпок и обмазок.

Искусственные Т.и.М.:

• легковесные огнеупоры

• шлаковая вата

Способы получения легковесных огнеупоров.

1)Способ выгорающих добавок - в шихту огнеупора добавляют 25-30% опилок, древесный уголь и т.п. Сушат и обжигают по аналогии с обычными огнеупорами; получая легковесные: шамотные, высокоглиноземистые, динасовые о/у.

2)Пенокерамический способ: используется в основном при производстве шамотных легковесных о/у:

а) из шамота (90%) и глины делают массу - шликер (до 30% - вода);

б) из эмульсии канифольного мыла и столярного клея получают пену в пеновзбивателях барабанного типа.

Смешивают а) и б) шнеками, сушат в формах в два этапа, обжигают при температуре 1350⁰С, шлифуют.

3)Химический способ - основан на получении пенистой массы при выделении газов в результате химической реакции. В шликер, состоящий из 86% шамота, 5% огнеупорной глины, 3% доломита и 6% гипса, добавляют раствор Н₂SO₄

MgCO₃*CaCO₃+2H₂SO₄=MgSO₄+CaSO₄+2H₂O+CO₂

Объем массы увеличивается в два раза, гипс, смешанный с водой, затвердевает. Потом - сушат и обжигают при температуре примерно 1300⁰С, шлифуют.

Аналогично производят изделия из других материалов - корунда, магнезита, хромомагнезита и т.д.

Свойства Т.и.М.:  прочность,  термостойкость,  шлакоустойчивость,  усадка,  газопроницаемость,  истираемость. Но  огнеупорность,  теплопроводность.

Применяют для теплоизоляции печей, шамотные при температуре менее 1200-1250⁰С; динасовые при температуре менее 1550⁰С.

Шлаковая ватаполучается путем раздува или распыления воздухом ( паром) жидких отвальных шлаков - при этом образуются тончайшие нити, масса которых обладает теплоизолирующими свойствами. Используют в виде войлока, плит, блоков и т.д.