СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФУТЕРОВКИ ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ
MANUFACTURING METHOD OF LINING OF THERMAL UNITS

Изобретение относится к строительным материалам и предназначено для футеровки тепловых агрегатов набивкой и их покрытие, например сталеразливочных ковшей и нагревательных колодцев.
Известен способ получения огнестойкого покрытия, где предусмотрено нанесение на поверхность до пяти слоев композиции, содержащей связующее и наполнитель, с промежуточной сушкой каждого слоя и окончательной термообработкой покрытия при 150°С. Недостаток - низкая прочность из за плохой связи между пятью слоями. (Аналог, АС №2039070).
2
Известен также способ изготовления футеровки тепловых агрегатов, содержащей в мас.%: кремнеземсодержащий наполнитель 67-79, огнеупорную глину 9-15, хромомагнезит 9-15, силикат-глыбу 2-10. На рабочую поверхность изделий перед сушкой наносят миксерный графит толщиной 1-15 мм. Известная огнеупорная композиция с указанными компонентами и связующим с тонкостью помола до удельной поверхности 2500-3000 см/г и в приведенных количествах, а также с покрытием рабочей поверхности только миксерным графитом не способствует повышению прочности, термической стойкости и шлакостойкости. (Прототип, АС №1828854).
Цель изобретения - повышение термической стойкости, прочности и шлакостойкости поверхности контакта с жидким металлом.
Поставленная цель достигается тем, что огнеупорная композиция для изготовления футеровки сталеразливочных ковшей, включающая кремнеземсодержащий наполнитель, огнеупорную глину, хромомагнезит-силикат-натриевое связующее, дополнительно содержит нанокристаллический диоксид кремния, смесь сажи и фуллеренов при следующем соотношении компонентов, мас.%
Кремнеземсодержащий наполнитель
54-76
Огнеупорная глина
9-15
Хромомагнезит
8-13
Силикат-глыба
2-10
Нанокристаллический диоксид кремния
1-6
Смесь сажи и фуллеренов
2-7
Полученную смесь затворяют водой и наносят на внутреннюю поверхность сталеразливочного ковша. Затем готовят смесь для покрытия, включающую в мас.%: нанокристаллический диоксид кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25, миксерный графит - остальное, наносят ее на рабочую поверхность набивной массы толщиной 1-1,5 мм любым приемлемым способом и сушат при температуре 200°С.
Существенным отличием предлагаемой огнеупорной композиции является то, что дополнительно в состав композиции вводят нанокристаллический диоксид кремния, смесь сажи и фуллеренов, а отдельно приготовленную смесь для покрытия из нанокристаллического диоксида кремния, смеси сажи и фуллеренов и миксерного графита наносят на рабочую поверхность перед сушкой для получения высокотемпературного, термически стойкого и прочного рабочего слоя, который получается за счет образования высокотемпературных карбидов и силикатов хрома, алюминия и железа с нанокристаллическими частицами диоксида кремния и смеси сажи и фуллеренов в процессе эксплуатации футеровки.
Увеличению термической стойкости способствует образование шлакоустойчивого слоя на рабочей поверхности футеровки, постепенное снижение плотности и связанную с этим прочность футеровки от горячего (рабочего слоя) до холодной поверхности. Следует отметить, что в основном слое формирование структуры в огнеупорной композиции на основе кремнеземсодержащего наполнителя и предлагаемого связующего достигается в процессе термообработки до 200°С, то есть сложившаяся структура при 200°С практически не изменяется в внутренних (холодных) слоях футеровки в процессе эксплуатации при температурах 1450-1500°С.
Повышение прочности на рабочей поверхности достигается за счет образования высокопрочных силикатов и карбидов железа, хрома, магнезита и алюминия из нанокристаллических частиц диоксида кремния и смеси сажи и фуллеренов с основными составляющими миксерного графита и огнеупорной композиции. В результате этого образуется металлонесмачиваемая высокотемпературная рабочая поверхность.
2
Хромомагнезит-силикат-натриевое композиционное вяжущее, включающее нанокристаллические частицы диоксида кремния и смесь сажи и фуллеренов, получают путем совместного сухого помола до удельной поверхности 2500-3000 см/г в мас.%: хромомагнезита 80%, силикат-глыбы 20%, затем смешиванием нанокристаллического диоксида кремния и смеси сажи и фуллеренов с ним.
2
3
3
2
3
Хромомагнезит ГОСТ 10380-74, химический состав, %: MgO - 55, СаО - 1,5, FeO - 13, GО - 20-30, АlО - 6.
Силикат-глыба (безводный силикат-натрия с силикатным модулем 2,7-3) соответствует ГОСТу 13079-81.
Смесь сажи и фуллеренов получают из природного шунгита (Патент №2232712. «Способ получения фуллеренового концентрата»).
Нанокристаллический диоксид кремния получают из паровой фазы или из рисовой шелухи (Патент №2191159 «Способ получения ультрадисперсного аморфного или нанокристаллического диоксида кремния». Патент №2067077 «Способ получения ультрадисперсного диоксида кремния и устройство для его осуществления»).
Без содержания в композиционном вяжущем нанокристаллического диоксида кремния и смеси сажи и фуллеренов не обеспечивается прочность основного слоя, а также прочность контакта рабочего слоя с основным. Причем совместно с огнеупорной глиной и хромомагнезит-силикат-натриевым вяжущим вышеуказанные новые компоненты в предлагаемом композиционном вяжущем способствуют увеличению термической стойкости и монтажной прочности основного слоя. Эти же компоненты совместно с миксерным графитом в рабочем слое (имеется контакт с железом) образуют металлонесмачиваемую высокотемпературную рабочую поверхность.
Введение кремнеземсодержащего компонента в количествах меньше предлагаемых не способствует образованию высокотемпературных силикатов, а введение ее в больших количествах приводит к увеличению объема основного слоя за счет образования низкотермостойкого кристобалита из свободной части кварцевого песка в условиях эксплуатации, особенно при температурах 1200-1300°С, и тем самым к уменьшению термической стойкости и прочности футеровки.
Введение силикат-глыбы в количествах меньше предлагаемых не обеспечивает достаточную прочность изделий после сушки при 200°С, а введение ее в количествах больше предлагаемых способствует увеличению плавнеобразующей компоненты, и тем самым снижается термическая стойкость и температура службы изделий и увеличивается металлосмачиваемость на границе с рабочим слоем.
Огнеупорная глина ТУ 14-8-90-74, использование ее в сочетании особенно с наноразмерными частицами диоксида кремния и смеси сажи и фуллеренов способствует образованию высокотемпературных и высокопрочных соединений силикатов, алюминатов, магнезитов и карбидов.
2
4
2
3
2
3
Миксерный графит является отходом металлургического производства, образующимся при охлаждении железоуглеродистых расплавов, в состав которых входят чешуйчатый графит (30-65%), окислы железа FeO и FeO(1-15%), карбиды железа: FeС - цементит и FeС - эксилон карбид (20-35%).
При нанесении на поверхность изделий смеси покрытия толщиной более 2 мм в нем образуются трещины, и тем самым снижается металлостойкость, нанесение же менее 1 мм приводит к неравномерному образованию высокотемпературной прослойки, что приводит также к снижению термической стойкости рабочей поверхности.
Кроме того, каждый из вышеуказанных компонентов в отдельности не обеспечивает достижения указанных отличий заявляемого состава, а в совокупности они дают положительный результат.
Пример 1
В смесь, содержащую, мас.%: кремнеземсодержащего наполнителя 76% (кварцевого песка Миллеревского месторождения), огнеупорной глины 9%, вводим композиционное вяжущее, получаемое путем совместного сухого помола, мас.% от обшей массы, хромомагнезита 8%, силикат-глыбы 4%, полученную смесь смешиваем в сухом виде в течение 2-3 мин, затем в нее вводим водный раствор нанокристаллического диоксида кремния в мас.% от общей массы 1% и смесь сажи и фуллеренов 2% (водотвердое отношение доводим до 0,11-0,12) и смешиваем в течение 2-3 мин. Затем футеруем сталеразливочный ковш. Далее перед сушкой на рабочую поверхность футеровки ковша наносим заранее отдельно подобранную оптимальную смесь для покрытия, включающую в мас.% от обшей массы наносимой смеси нанокристаллического диоксида кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25 и остальное миксерный графит. Эту смесь наносим на рабочую поверхность футеровки толщиной 1,5 мм любым приемлемым способом и далее ковш подвергаем сушке при 200°С в течение 4 ч.
Пример 2
В смесь, содержащую, мас.%: кремнеземсодержащего наполнителя 65% (кварцевого песка Миллеревского месторождения), огнеупорной глины 11%, вводим композиционное вяжущее, получаемое путем совместного сухого помола в мас.% от обшей массы хромомагнезита 14%, силикат-глыбы 2%, полученную смесь смешиваем в сухом виде в течение 2-3 мин, затем в нее вводим водный раствор нанокристаллического диоксида кремния в мас.% от общей массы 5% и смесь сажи и фуллеренов 3% (водотвердое отношение доводим до 0,11-0,12) и смешиваем в течение 2-3 мин. Затем этой смесью футеруем сталеразливочный ковш. Далее перед сушкой на рабочую поверхность футеровки ковша наносим заранее отдельно подобранную оптимальную смесь для покрытия, включающую в мас.% от обшей массы наносимой смеси нанокристаллического диоксида кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25 и остальное миксерный графит. Эту смесь наносим на рабочую поверхность футеровки толщиной 1,5 мм любым приемлемым способом и далее ковш подвергаем сушке при 200°С в течение 4 ч.
Пример 3
В смесь, содержащую, мас.%: кремнеземсодержащего наполнителя 56% (кварцевого песка Миллеревского месторождения), огнеупорной глины 15%, вводим композиционное вяжущее, получаемое путем совместного сухого помола, мас.% от обшей массы, хромомагнезита 13%, силикат-глыбы 8%, полученную смесь смешиваем в сухом виде в течение 2-3 мин, затем в нее вводим водный раствор нанокристаллического диоксида кремния в мас.% от общей массы 2% и смесь сажи и фуллеренов 6% (водотвердое отношение доводим до 0,11-0,12) и смешиваем в течение 2-3 мин. Затем футеруем сталеразливочный ковш. Далее перед сушкой на рабочую поверхность футеровки ковша наносим заранее отдельно подобранную оптимальную смесь для покрытия, включающую в мас.% от обшей массы смеси нанокристаллического диоксида кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25 и остальное миксерный графит. Эту смесь наносим на рабочую поверхность футеровки толщиной 1,5 мм любым приемлемым способом и далее ковш подвергаем сушке при 200°С в течение 4 часов.
Пример 4
В смесь, содержащую, мас.%: кремнеземсодержащего наполнителя 54% (кварцевого песка Миллеревского месторождения), огнеупорной глины 14%, вводим композиционное вяжущее, получаемое путем совместного сухого помола в мас.% от обшей массы, хромомагнезита 13%, силикат-глыбы 10%, полученную смесь смешиваем в сухом виде в течение 2-3 мин, затем в нее вводим водный раствор нанокристаллического диоксида кремния в мас.% от общей массы 4% и смесь сажи и фуллеренов 5% (водотвердое отношение доводим до 0,11-0,12) и смешиваем в течение 2-3 мин. Затем футеруем сталеразливочный ковш. Далее перед сушкой на рабочую поверхность футеровки ковша наносим заранее отдельно подобранную оптимальную смесь для покрытия, включающую в мас.% от обшей массы смеси нанокристаллического диоксида кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25 и остальное миксерный графит. Эту смесь наносим на рабочую поверхность футеровки толщиной 1,5 мм любым приемлемым способом и далее ковш подвергаем сушке при 200°С в течение 4 часов.
Пример 5
В смесь, содержащую, мас.%: кремнеземсодержащего наполнителя 54% (кварцевого песка Миллеревского месторождения), огнеупорной глины 11%, вводим композиционное вяжущее, получаемое путем совместного сухого помола в мас.% от обшей массы, хромомагнезита 12%, силикат-глыбы 10%, полученную смесь смешиваем в сухом виде в течение 2-3 мин, затем в нее вводим водный раствор нанокристаллического диоксида кремния в мас.% от общей массы 6% и смесь сажи и фуллеренов 7% (водотвердое отношение доводим до 0,11-0,12) и смешиваем в течение 2-3 мин. Затем футеруем сталеразливочный ковш. Далее перед сушкой на рабочую поверхность футеровки ковша наносим заранее отдельно подобранную оптимальную смесь для покрытия, включающую в мас.% от обшей массы смеси нанокристаллического диоксида кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25 и остальное миксерный графит. Эту смесь наносим на рабочую поверхность футеровки толщиной 1,5 мм любым приемлемым способом и далее ковш подвергаем сушке при 200°С в течение 4 часов.
Пример 6
В смесь, содержащую, мас.%: кремнеземсодержащего наполнителя 73% (кварцевого песка Миллеревского месторождения), огнеупорной глины 9% вводим композиционное вяжущее, получаемое путем совместного сухого помола в мас.% от обшей массы, хромомагнезита 9%, силикат-глыбы 2%, полученную смесь смешиваем в сухом виде в течение 2-3 мин, затем в нее вводим водный раствор нанокристаллического диоксида кремния в мас.% от общей массы 3% и смесь сажи и фуллеренов 4% (водотвердое отношение доводим до 0,11-0,12) и смешиваем в течение 2-3 мин. Затем футеруем сталеразливочный ковш. Далее перед сушкой на рабочую поверхность футеровки ковша наносим заранее отдельно подобранную оптимальную смесь для покрытия, включающую в мас.% от обшей массы смеси нанокристаллического диоксида кремния 10-15, смесь сажи и фуллеренов 15-25 и остальное миксерный графит. Эту смесь наносим на рабочую поверхность футеровки толщиной 1,5 мм любым приемлемым способом и далее ковш подвергаем сушке при 200°С в течение 4 часов.
После футеровки сталеразливочного ковша оптимальным составом №6 на рабочую поверхность наносим различные толщины заранее полученного оптимального состава покрытия.
Зависимость свойств состава №6 от толщины нанесенного слоя оптимального состава покрытия приведены в таблице 3.
Изделия, изготовленные из предлагаемой композиции, обладают высокими показателями теплофизических свойств, позволяющих увеличить срок службы сталеразливочного ковша по сравнению с прототипом в 7-8 раз. Результаты испытаний приведены в табл.1 и 2.
Литература
1. Способ получения огнестойкого покрытия. Епифановский И.С., Дмитриенко Ю.И., Полежаев Ю.В., Медведев Ю.В., Михатулий Д.С. Аналог. RU, Патент №2039070, С09D 183/04, С09D 5/18, В05D 1/38. 1995 г. 2000 г.
2. Способ изготовления футеровки тепловых агрегатов. Тотурбиев Б.Д., Батырмурзаев Ш.Д., Даитбеков А.М. Прототип RU, Патент №1828854 А1, С04В 35/14, 28/26. 1993 г. Бюл. №24.
Таблица 1
Наименование компонентов
Состав мас.%
Прототип
Предельные
Запредельные
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Кремнеземсодержащий компонент
76
68
56
54
54
73
42
83
66
Огнеупорная глина
9
11
15
14
11
9
16
8
15
Хромомагнезит
8
11
13
13
12
9
15
6
9
Силикат-глыба
4
2
8
10
10
2
12
1
10
Нанокристалпический диоксид кремния
1
5
2
4
6
3
7
0,5
-
Смесь сажи и фуллеренов
2
3
6
5
7
4
8
1,5
-
Таблица 2
Свойство огнеупорной композиции
Показатели
Прототип
Предельные
Запредельные
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Прочность при сжатии, МПа, после сушки при 200°С
42
30
37
44
47
52
25
15
45
Термостойкость, теплообмены (800°С - воздух)
40
36
44
39
41
49
20
18
44
Прочность при сжатии после нагрева до 1500°С на рабочей поверхности
46
48
50
42
52
57
27
20
46
Прочность при сжатии после нагрева до 1500°С на холодной поверхности
39
40
42
38
44
45
14
10
38
Таблица 3
Свойства
Толщина слоя покрытия, мм
Прототип
Предельные
Запредельные
1
1,25
1,5
2
0,5
Металлостойкость, мм<sup>2</sup>
7,3
4,6
5,2
15,2
13,1
5,2
Термическая стойкость, число теплосмен (800°С - воздух)
37
50
45
37
30
44