Огнеупорные материалы черной металлургии

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.

Рекомендуемые материалы

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 Þ склад Þ промывка в барабанах Þ измельчение в три стадии Þ грохочение (сепарация) 50-60% фр.<0.5 мм Þ добавка боя динасового кирпича Þ шихта смешивается с добавкой известкового молока Þ прессование в формах Þ сушка (140-200⁰С в течении 8-18 часов) Þ 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.

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 вата получается 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.

2.4 Другие виды огнеупоров

а)циркониевые - из чистой ZrO₂ - природный минерал циркон, температура плавления = 2950⁰С с примесями СаО и т.д. Огнеупорность циркония о/у - до 2500⁰С, высокая шлакоустойчивость(особенно против кислых шлаков) и термостойкость. Применяют для плавки цветных металлов и кварцевого стекла.

б)цирконовые изделия - тоже ZrO₂(56-57%) 32-35% SiO₂, Al₂O₃, TiO₂, Fe₂O₃ и др. Огнеупорность до 2000⁰С, применяют при футеровке ванн для закалки сталей, вкладыши в стаканы МНЛЗ (непрерывная разливка стали).

в)огнеупоры из чистых оксидов, карбидов, нитридов характаризуются сложностью изготовления, но имеют высокую термостойкость и температуру плавления.

Они прочны при ­ температуре, устойчивы в окисл. среде, но их производство затруднено трудностями получения самих этих в-в в чистом виде, а также процессом их спекания. Применяют ограниченно для лабораторных и специальных нужд.

2.5 Огнеупорные бетоны, растворы, обмазки

Бетон - это смесь цемента, воды и заполнителя, которая при нормальной температуре затвердевает, а после обжига получает о/у свойства.

По пластичности различают:

- жесткие бетоны

 - пластичные бетоны                                                                                       

  - литые бетоны  

Цемент: портландцемент, глиноземистый, высокоглиноземистый.

Заполнители: шамот, полукислые материалы, хромит (для теплоизоляторов - пористый шамот)

Огнеупорность бетона 900-1300⁰С-1700⁰С в зависимости от цемента. Обычный (портландцемент) бетон разрушается при около 600⁰С.

Применяют в различных нагревательных и термических печах.

Растворы - огнеупорные растворы твердеют только при разогреве печей, по составу близки к о/у. Для их приготовления используют сухие смеси для каждого вида кладки (так называемые мертели) при добавлении воды. Мертель - порошок о/у, + о/у глина, +каменно угольная смола, + глиноземистый и т.д. Для получения воздушно-твердеющих растворов в них добавляют цемент и жидкое стекло.

Напр. кладка шахты ДП, рекуператоров нагревательных колодцев и т.д. Иногда кладку ведут без раствора, заполняя швы сухим порошком того же о/у.

Обмазки:  - защитные  

       - теплоизоляционные

          - уплотнители

Служат для защиты рабочей поверхности о/у футеровки и в целях ¯ газопроницаемости кладки.

Состав:  - тонкоизмельченные порошки

      - о/у глина

      - клеющие добавки

      - до 40% асбеста в изоляционные

      - жидкое стекло, щелок в уплотнении

Стоимость о/у :

Люди также интересуются этой лекцией: 1. Строение скелета человека.

динасовые 1.0

шамотные 0.8

магнезитовые 1.4

хромомагнезитовые 1.2

высокоглиноземистые 2.2-8.5

карборундовые 1.4-2.8