ПЕРИКЛАЗОШПИНЕЛИДНЫЙ ОГНЕУПОР ИЗ ШИХТЫ

Изобретение относится к производству высокостойких огнеупоров для футеровки сводов мартеновских и электросталеплавильных металлургических агрегатов.
Огнеупоры - материалы и изделия, изготовляемые преимущественно из минерального сырья, которые обладают огнеупорностью (способностью противостоять высоким температурам не расплавляясь) и которые выдерживают при высокой температуре строительную нагрузку. Огнеупоры изготовляют в виде изделий, имеющих при выпуске определенную форму (кирпичи, фасонные изделия разной степени сложности, крупноблочные изделия), и неформованных огнеупоров (массы, смеси, мертели, порошки, кусковые материалы и др.). По химико-минеральному составу огнеупоры разделяют на типы: магнезиальные, магнезиально-шпинелидные, кремнеземистые, алюмосиликатные, глиноземистые, глиноземоизвестковые, магнезиальноизвестковые, известковые, магнезиальносиликатные, хромистые, цирконистые, оксидные, углеродные, карбидокремниевые и безкислородные. Внутри каждого типа выделены группы, которые различаются по содержимому определяющих компонентов. При проектировании тепловых агрегатов, их строительстве, ремонте, в эксплуатации возникают задачи, связанные с выбором огнеупоров. От правильного решения этих задач зависят нормальная работа агрегатов, срок их службы, величина межремонтных периодов, возможности интенсификации процессов, качество продукции и прочие показатели. Выбор огнеупоров определяется условиями службы и показателями качества огнеупоров.
Магнезиальные огнеупоры на основе периклаза и хромита играют ведущую роль в футеровке высокотемпературных тепловых агрегатов, прежде всего в сталеплавильных печах. Конкретно периклазошпинелидный тип огнеупоров входит в класс основных огнеупоров, где занимает особое место
2
3
благодаря своим специфическим свойствам. Тип огнеупора определяется его химическим составом, в частности содержимым оксидов магния и хрома. Периклазошпинелидные огнеупоры включают в свой состав MgO свыше 60% и CrO от 5 до 18%, то есть данные изделия содержат спеченный магнезит в преобладающем количестве, а также хромит. Также для этих изделий характерно использование хромита в тонких зернах. Однако при использовании существующих огнеупоров наиболее часто возникают проблемы, связанные с их недостаточной термостойкостью, что в свою очередь приводит к уменьшению срока эксплуатации футеровки, выполненной из указанных огнеупоров. Низкая термостойкость огнеупоров связана с недостаточным количеством прямых связей между магнезитовыми зернами и шпинелидной связкой, что в свою очередь связано как с составом шихты для изготовления огнеупоров, так и с размером фракции компонентов шихты для изготовления огнеупоров.
Одним из основных параметров шихты, которая используется для производства огнеупоров, в частности периклазошпинелидных огнеупоров, является пористость, которая имеет большое значение, в особенности при воздействии на огнеупоры жидких и газообразных агрессивных веществ. В настоящее время для производства периклазошпинелидных огнеупоров используются шихты, основными компонентами которых являются периклазные порошки с размером фракции компонентов от 3 до 1 мм. Однако применение такой шихты для производства периклазошпинелидных огнеупоров приводит к недостаточной их плотности, которая обусловлена увеличением их пористости. Следует стремиться к применению более плотных огнеупоров, что влияет на термостойкость периклазошпинелидных огнеупоров. Огнеупоры в службе часто выдерживают температурные колебания, нередко довольно резкие, поэтому термостойкости при выборе огнеупора необходимо уделять внимание. Также применение шихты с указанным фракционным составом приводит к снижению границы прочности при сжатии, которая является важным параметром, поскольку определяет не только строительную прочность огнеупоров, но и качество их структуры. Кроме того, при использовании существующих шихт для производства периклазошпинелидных огнеупоров не удается достичь
увеличения прямых связей между магнезитовыми зернами и шпинелидной связкой, что обуславливает ухудшение показателей вышеперечисленных параметров. Также недостатком шихт с описанным фракционным составом является то, что огнеупоры, полученные из указанных шихт, имеют структуру, которая характеризуется неразвитой прямой связью между кристаллами, разделенными прослойками низкоплавких шпинелей, поэтому изделия, выполненные из существующих шихт, имеют недостаточную механическую прочность при высоких температурах, в частности при температурах ≥ 650°С.
В связи с вышесказанным в настоящее время существуют тенденции, направленные на улучшение свойств периклазошпинелидных огнеупоров за счет использования при производстве указанных огнеупоров шихты, которая включает высококачественное, с минимальным количеством примесей исходное сырье. Кроме того, наиболее важным условием улучшения свойств периклазошпинелидных огнеупоров является поиск предпочтительного фракционного состава компонентов шихты.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является шихта для производства периклазошпинелидных огнеупоров, описанная в патенте Украины №65774, содержащая зернистый и тонкомолотый спеченый высокожелезистый периклазовый порошок и зернистый спеченый периклазовый порошок и тонкомолотый хромконцентрат. При этом зернистые периклазовые порошки имеют размер фракции от 3 до 1 мм.
Недостатком описанной шихты является довольно высокая пористость, которая обуславливает снижение плотности шихты, что в свою очередь отрицательно влияет на границу прочности при сжатии, а также низкая термостойкость шихты.
В основу полезной модели поставлена задача создать такую шихту для производства периклазошпинелидных огнеупоров, которая благодаря оптимально подобранному фракционному составу и применению высокочистого сырья обеспечит возможность повышения физико-механических характеристик
огнеупоров при температуре ≥ 1650°С, обеспечит уменьшение дополнительной усадки при температуре 1650°С, увеличение металлошлакостойкости и термостойкости, что в свою очередь увеличит срок службы периклазошпинелидных огнеупоров.
Поставленная задача решается тем, что разработана шихта для производства периклазошпинелидных огнеупоров, что содержит спеченый зернистый и тонкомолотый высокожелезистый периклазовый порошок, зернистый плавленный периклазовый порошок, зернистый и тонкомолотый хромконцентрат, при этом зернистый плавленный периклазовый порошок имеет размер фракции менее 1 мм.
2
3
2
3
2
3
2
2
4
2
4
2
4
Химический состав периклазошпинелидных огнеупоров с достаточной точностью характеризуется шестикомпонентной системой MgO-FeO-FeO-CrO-АlО-SiO, в которой основным носителем высокоогнеупорных свойств является окись магния и ее высокоогнеупорные соединения, такие как MgCrO, MgAlO и MgFeAl.
3
Целесообразным является введение в состав шихты зернистого плавленного периклазового порошка фракции менее 1 мм, зерна которого при высокотемпературном обжиге являются центрами рекристаллизации, то есть роста кристаллов с более совершенной структурой за счет увеличения количества прямых связей между магнезитовыми зернами и шпинелидной связкой. Наблюдается интенсивное сращивание кристаллов в точках их контактов. Увеличение количества образующихся прямых связей позволяет получать более плотные и крепкие огнеупоры, пористость которых составляет менее чем 15%, а плотность увеличивается к значению 3,2 г/см, при этом граница прочности при сжатии увеличивается к значениям 70-100 МПа. Улучшение указанных физико-механических характеристик огнеупоров обеспечивает в свою очередь повышение термостойкости огнеупоров до 10 теплосмен, а, следовательно, и срока их службы.
Экспериментально доказано, что при содержании в составе шихты только периклазового порошка с размером фракции более чем 1 мм, в частности с размером фракции от 3 до 1 мм, довольно резко снижается плотность и прочность огнеупоров, изготовленных из такой шихты, что в свою очередь приводит к ухудшению физико-механических характеристик огнеупоров и снижению срока их службы.
Предпочтительным является химический состав шихты для производства периклазошпинелидных огнеупоров, при котором зернистый плавленный периклазовый порошок содержит 97% MgO, зернистый и тонкомолотый спеченые высокожелезистые периклазовые порошки содержат 88% MgO, при этом соотношение спеченого высокожелезистого периклазового порошка с содержимым MgO 88% и плавленного периклазового порошка с содержимым MgO 97% составляет 3:1. Содержимое оксида магния MgO в шихте для производства периклазошпинелидных огнеупоров наиболее существенным образом влияет на повышение срока службы огнеупоров в футеровке тепловых агрегатов.
Предпочтительным является введение в состав шихты зернистого и тонкомолотого хромконцентрата в соотношении от 0,37 до 3. Соотношение тонкомолотого высокожелезистого периклазового порошка и тонкомолотого хромконцентрата составляет от 3:7 до 1:1. При этом тонкое измельчение хромконцентрата (хромита) выполняется вместе с периклазовым порошком с содержанием MgO 88% с целью обеспечения при обжиге огнеупоров максимального связывания легкоплавких примесей хромконцентрата в высокоогнеупорные соединения.
Введение в состав шихты периклазового порошка разного химического состава с содержанием MgO от 88 до 97% и разного фракционного состава в соединении с зернистым и тонкомолотым хромконцентратом обеспечивает создание прямых связей «периклаз-шпинелид-периклаз», что улучшает физико-механические характеристики шихты при значении температуры ≥1650°С,
увеличивает металлошлакостойкость и уменьшает дополнительную усадку при температуре 1650°С, увеличивает термостойкость и высокотемпературную прочность, что в свою очередь повышает стойкость огнеупоров при эксплуатации.
Предпочтительным является выполнение шихты для производства периклазошпинелидных огнеупоров со следующим составом компонентов, взятых в следующем соотношении:
зернистый и тонкомолотый высокожелезистые периклазовые порошки
40-50%
зернистый плавленный периклазовый порошок
10-20%
зернистый и тонкомолотый хромконцентрат
20-33%
связующее
остальное.
Содержание в шихте зернистого и тонкомолотого периклазовых порошков разного химического и фракционного составов, а также зернистого и тонкомолотого хромконцентрата оказывает содействие достижению максимальной плотности заключения частиц.
Выбор зернового состава шихты обусловлен необходимостью наиболее плотной упаковки зерен, получения плотно спеченого черепка необходимого фазового состава, что в свою очередь обеспечивает высокие физико-механические характеристики огнеупоров, а также увеличивает срок их службы в футеровке тепловых агрегатов.
Для приготовления огнеупорных шихт берут зернистый и тонкомолотый хромконцентрат, зернистые и тонкомолотые периклазовые порошки. Зернистый хромконцентрат смешивают с зернистыми периклазовыми порошками в смесительных бегунах, увлажняют (временное связывание) и прибавляют тонкомолотую составную хромконцентрата и периклазового порошка. Перемешивают, после чего из массы прессуют огнеупоры и опаливают в туннельных печах.
Химический и зерновой состав исходных периклазовых порошков и хромконцентрата, из которых изготовляют исходные шихты приведены в таблицах 1-2.
Таблица 1
Химический состав исходных материалов
Вещество
Состав
SiO<sub>2</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
потери на прокаливание
плавленный периклазовый порошок
0,7
0,9
0,3
1,5
97,0
-
-
высокожелез истый периклазовый порошок
0,75
7,9
0,8
2,55
88,0
-
-
Хромконцент рат
1,2
21,8
11,1
0,6
14,4
47,5
3,4
Таблица 2
Зерновой состав исходных компонентов
Компоненты
Состав фракций в процентах, мм
4-3
3-2
2-1
1-0,5
0,5-0,063
менее 0,063
Зернистый высокожелезистый периклазовый порошок, фр.3-1 мм
5,0
16,5
28,0
27,5
23,0
-
Зернистый плавленный периклазовый порошок, фр.1-0,001 мм
-
-
1,0
35,0
64,0
-
Зернистый хромитовый концентрат, фр.1-0,001 мм
-
-
-
20,0
80,0
-
Тонкомолотая смесь периклаза и хромитового концентрата
-
-
-
-
-
93-98
Превышение или занижение предлагаемых соотношений разного фракционного состава зернистых периклазовых порошков разного химического состава, соотношений зернистого и тонкомолотого хромконцентрата, а также соотношение тонкомолотого периклазового порошка и хромконцентрата в предлагаемых границах также приводит к ухудшению высокотемпературных механических характеристик при ≥1650°С.
Таблица 3
Сравнительный анализ стойкости исследованных огнеупоров из заявляемой шихты и традиционной огнеупорной продукции
Предприятие
Место службы, агрегат
Стойкость огнеупоров ОАО "Запорожогнеупор", плавок
Фирма поставщик / стойкость огнеупоров, плавок
Коэффициент стойкости
ММК им. Ильича(г.Мариуполь)
Мартеновская печь, главный свод
356
"Славмаг" (Словакия)/ 316
1,13
ММК им. Ильича(г.Мариуполь)
Мартеновская печь, главный свод
318
"Славмаг" (Словакия)/ 290
1,10
ММК им. Ильича(г.Мариуполь)
Мартеновская печь, главный свод
321
"Славмаг" (Словакия)/ 304
1,06
В сравнении с прототипом наблюдается значительное увеличение физико-керамических показателей образцов шихт предлагаемого состава.
Таким образом, анализ физико-керамических свойств разрешает сделать вывод о целесообразности изготовления периклазошпинелидных огнеупоров из шихты предлагаемого состава.
Шихта предлагаемого состава была испытана в промышленных условиях при изготовлении периклазошпинелидных огнеупоров на ОАО "Запорожогнеупор". С августа 2005 г. по январь 2007 г.было изготовлено около 3 тыс. тон огнеупоров из шихты предлагаемого фракционного состава.