Огнеупорные материалы черной металлургии

Огнеупоры классифицируют:

А) По огнеупорности: а) огнеупорные (1580-17700С); б) высокоогнеупорные (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 шпинель 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 бериллия, 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. Месторождения в Украине: Овручское и Антоновское.

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 течение 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.

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, Пятихатское. 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, силлиманит 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 лещади 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 течение 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

Горн выложен углеродистыми блоками до оси чугунной летки, а стены горна -- плотными каолиновыми изделиями [4].

Высоту «мертвого слоя» рекомендуется выбирать кратной половине высоты углеродистого блока в пределах 1--2 м. Принимаем ее кратной двум высотам блока; с учетом швов она составит

hм.с = 2с + 2d = 2 * 550 + 2 * 1 = 1102 мм.

Уровень чугунной летки над уровнем головки рельса (нулевой отметки доменного цеха) должен быть в пределах 8,9--9,1 м, чтобы обеспечить необходимый уклон желобов и постановку чугуновозных ковшей под носки. Принимаем уровень чугунной летки над уровнем головки рельса 9 м.

Тогда высота пня составит, мм:

hп = 9000 - (hлещ - hохл- hм.с ) = 9000 - 4907 - 420- 1102 = 2571 мм.

Толщина футеровки на стыке горн -- заплечики принята 460 мм. Тангенс угла наклона брони конического кожуха горна

tgв = (1380 - 460)/(3640 - 800) = 0,3217,

где 1380 - толщина футеровки в районе оси чугунной летки; 3640 - высота горна; 800 - конструктивный размер, учитывающий высоту плитового холодильника, мм.

Угол наклона в= 17°48'.

Каолиновые изделия выкладываются поясами, толщина кладки которых уменьшается с 1380 до 460 мм:

Пояс 1-й 2-й -й 4-й 5-й 6-й 7-й 8-й 9-й

hкл, мм 1380 1265 1150 1035 920 805 690 575 460

Количество рядов, которые можно уложить по высоте горна:

Nрядов = hг/(с+ d) = 3640/75,5 = 48,2 ряда.

Принимаем, что в первом - третьем поясах будет уложено по шесть рядов, в остальных - по пять.

Необходимое число клиновых кирпичей нормальных размеров в любом кольце любого пояса футеровки горна согласно (4) 81:

Yнорм = 2•3,14-230/(150-135) = 96,3.

Необходимое число клиновых кирпичей полуторных размеров для аналогичных условий

Yполут = 2 •3,14 •345 / (150 - 125) = 86,7.

Количество прямых изделий для разных колец разных поясов футеровки горна определяется по (4.80). В четных и нечетных рядах положение колец меняется, чтобы обеспечить перевязку швов.

3.2.4 Размеры футеровки заплечиков

Принимаем мараторную конструкцию печи [4]. Рассмотрим строение футеровки на двух уровнях: стыка горна и заплечиков (А); середины заплечиков (Б):

А Б

Футеровка 460 345

Компенсационный зазор 100 -

Плитовой холодильник 170 300

Зазор между холодильником и кожухом ... 20 20

Кожух горна 50 50

Итого 800 715

Количество рядов футеровки заплечиков

N = hзп/(c + d) = 3500/(75 + 1) = 46.

Аналогично определяется потребность в прямых кирпичах для вышележащих рядов футеровки заплечиков.

3.2.5 Размеры футеровки распара и шахты

Футеровка распара состоит из двух поясов: нижний пояс - продолжение конструкции футеровки заплечиков, что позволяет расположить над мараторным кольцом горизонтальные холодильники; верхний пояс - кладка толщиной 575 мм. Нижний пояс кладки распара охлаждается холодильниками толщиной 350 мм. Высота нижнего пояса позволяет разместить шесть рядов полуторных кирпичей: 75x6 = 450 мм. Футеровка толщиной 575 мм находится в охлаждаемой части шахты и распара. Толщина вертикальных плитовых холодильников 300 мм. [4]

Высота охлаждаемой части шахты и распара, где размещаются вертикальные плитовые холодильники, составит, мм:

Верхний пояс кладки распара

Нижняя часть шахты печи

Итого

hp - 450 = 2080 - 450 = 1630

hшн = 10380

12010

Количество рядов плитовых холодильников при их высоте 1480 мм и зазоре между ними в 20 мм N= (hp + hp" - 450) = 12010/1500 = 8,007.

Принимаем восемь рядов от маратора до точки перелома кожуха. Толщина футеровки в неохлаждаемой части шахты -- 805 мм.

4 Огнеупорная футеровка конвертеров

Огнеупорная футеровка конвертера подвергается разрушающему воздействию следующих факторов: механическому разрушению при завалке твердых материалов и движущихся жидких фаз металла и шлака; высоких температур, достигающих в реакционных зонах вдувания кислорода в металл >2500 °С; термосмен, обусловленных охлаждением во время вспомогательных операций и простоев и нагревом во время продувки; взаимодействию агрессивных сред - шлака, металла и окислительных газов. В целом износ футеровки определяется комплексным взаимодействием перечисленных факторов, проявляющихся в различной степени в разных местах внутренней поверхности футеровки. Топография износа (рис. 4.1) свидетельствует о наиболее быстром разрушении футеровки в цилиндрической части конвертера в районе шлакового пояса и реакционной зоны, у сталевыпускного отверстия и среза горловины.

Рис. 4.1. Топография износа футеровки 1600 т кислородного конвертера перед остановкой на холодный ремонт

Механизм разрушающего действия шлака на основную футеровку связан с проникновением оксидов FeO, SiO2 и др. из шлака в поверхностные слои кирпича по порам, трещинам и границам зерен огнеупора. Исследование отработавшего кирпича показывает, что он подобно извлеченному из шлака куску извести имеет зональную структуру с увеличением концентрации шлаковых оксидов к рабочей поверхности. Оксиды шлака образуют с компонентами огнеупоров легкоплавкие растворы и химические соединения. Одновременно происходит перерождение поверхностных слоев и в огнеупоре появляются зоны с различными физическими свойствами (коэффициентом линейного расширения, плотностью, прочностью и т. д.). Это способствует возникновению напряжений и скалыванию кирпича в результате колебаний температуры.

Механизм износа огнеупора на смоляной связке включает звено взаимодействия кислорода газовой фазы и оксидов железа шлака с углеродом. Углеродистая составляющая огнеупора плохо смачивается шлаком и затрудняет его проникновение в поры кирпича. После выгорания углерода кирпич взаимодействует со шлаком по описанной выше схеме. Скорость износа, определяемая по массе футеровки, перешедшей в шлак, меняется по ходу продувки (рис. 4.2). Индикатором процесса может служить изменение количества (MgO) в шлаке с учетом поступления (MgO) из футеровки и других источников. Интенсивный износ наблюдается в начале плавки в связи с высокой концентрацией (SiO2) и (FeO) в шлаке. В середине плавки скорость износа снижается тем сильнее, чем ниже окисленность шлака и его жидко-подвижность. В заключительном периоде на увеличение скорости износа влияет повышение температуры и концентрации в шлаке оксидов железа.

Рис. 4.2. Нарастание массы (MgO), перешедшей в шлак из футеровки вследствие ее разрушения в ходе плавки

Скорость износа огнеупоров можно снизить путем улучшения их качества, особенно плотности. Наиболее важным из технологических факторов плавки является снижение содержания (SiCb) и (FeO) в шлаке и массы последнего, естественно, до оптимальных пределов. Необходимо ускорить растворение извести и формирование основного шлака. Это является главным направлением повышения стойкости футеровки. Насыщение шлака MgO путем ввода доломитизированной извести замедляет поступление данного оксида из футеровки, а следовательно, и скорость ее износа.

5 Огнеупорная футеровка дуговых электросталеплавильных печей

Дуговые электропечи являются сложными и крупными металлургическими агрегатами, включающими большое число частей и механизмов, электрические, воздушные, газокислородные коммуникации, водо- и газоочистительные сооружения, сложные приборы контроля и автоматического регулирования

Основное различие в устройстве дуговых печей состоит в способе завалки в печь шихтовых материалов. В устаревших электросталеплавильных цехах с печами вместимостью до 40 т шихтовые материалы заваливают через рабочие окна при помощи мульд. На современных дуговых печах средней и большой вместимости завалка шихтовых материалов осуществляется сверху специальными загрузочными приспособлениями при отведенном своде. Несмотря на существующие различия, дуговые электропечи имеют много общих узлов и механизмов. На рис. 5.1 показана схема дуговой электропечи.

На протяжении кампании футеровка дуговых печей работает в очень тяжелых условиях, так как длительное время контактирует с расплавленными металлом и шлаком. Футеровку подины, откосов и стен выполняют различными способами из магнезитохромитовых, магнезитовых, хромомагнезитовых огне упоров при работе дуговых печей основным процессом и динасовым огнеупором при работе печей кислым процессом. В качестве теплоизоляционных материалов используют шамотные огнеупоры, асбест и другие материалы.

Стойкость подин основных дуговых электропечей колеблется от 1500 до 5000 плавок. Подины основных печей обычно изготавливают в следующей последовательности (рис. 5.2). На металлическое днище 100-т электропечи укладывают слой молотого или листового асбеста 7 толщиной 10 - 25 мм, затем для выравнивания засыпают шамотный порошок 4. Первый слой кладки выполняется шамотным кирпичом 3 толщиной 65 мм, затем несколько слоев выполняются из магнезитового кирпича, который укладывается на плашку и на ребро. Толщина магнезитовой кладки зависит от размеров печей и находится в пределах 300 - 360 мм для печей вместимостью 10 - 20 т и 550 - 580 мм для 100-т печей. Направление кладки каждого слоя футеровки подины изменяется на 45 или 90° так, чтобы швы нижнего ряда перекрывались кирпичом следующего ряда. Швы каждого ряда засыпают мелким магнезитовым порошком 5.

Рис. 5.1 - Схема дуговой электропечи: 1 -- корпус печей; 2 -- огнеупорная футеровка стен; 3 -- огнеупорная футеровка откосов; 4 -- огнеупорная футеровка пода печи; 5 -- песочный затвор,; 6 -- рабочее окно; 7 -- заслонка рабочего окна; 8 -- ста-левыпускное отверстие; 9 -- желоб электропечи; 10 -- съемный купольный свод печи; Я -- патрубок дымо- и газоочистки; 12 -- электроды; 13 -- электрододержатели с рукавами; 14 -- уплотнители электродных отверстий; 15 -- люлька,; 16--полупортал; 17 -- механизм подъема печей; 18 -- механизм поворота свода; 19 -- механизм поворота корпуса; SO -- механизм наклона печи; 21 -- механизм перемещения электрода; 22 - силовая электрическая цепь; 23 -- печной трансформатор