СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ МАСС ДЛЯ МОНОЛИТНЫХ ФУТЕРОВОК Российский патент 2000 года по МПК C04B35/101 C04B35/66 C04B35/18 

Изобретение относится к огнеупорной и металлургической промышленности, в частности к изготовлению монолитных футеровок из неформованных огнеупоров на основе различных масс. Последние могут применяться для монолитной футеровки сталеразливочных и промежуточных ковшей, индукционных печей, желобов доменных печей и т.д.

В промышленности для указанных целей широко применяются неформованные огнеупоры типа кварцевых наливных (виброналивных) или кварцеглинистых набивных масс [1] . В указанных огнеупорных массах связующим является жидкое стекло или глина. Монолитные футеровки на основе этих масс характеризируются как пониженными термомеханическими свойствами, так и высокой пористостью, а также низкой прочностью. Все это и обуславливает относительно низкую стойкость футеровок из этих масс.

Определенное улучшение огнеупорных масс указанного класса достигнуто в заявке [2]. Для кремнеземистых масс на основе кварцитов или кварцевых песков при этом применена пластифицированная связка на основе вяжущих тех же материалов. Однако вследствие полиморфизма SiO монолитные футеровки из этих масс характеризуются недостаточной термостойкостью (например, при службе в желобах доменных печей), а также относительно низкой механической прочностью. Интервал значений показателей предела прочности при сжатии σ_сж после термообработки при 800 и 1300^oC для этих огнеупоров находится в пределах 6 - 12 и 15 - 30 МПа.

В этом отношении определенные преимущества имеют новые низкоцементные высокоглиноземистые огнеупорные бетоны, полученные с применением высокоглиноземистых цементов с высоким (до 80 - 85%) содержанием Al₂O₃. Подобные низкоцементные огнеупорные бетоны, называемые также тиксотропными огнеупорными массами, широко применяют для изготовления монолитных футеровок сталеразливочных ковшей, желобов доменных печей и т.д. [3]. Изготовление футеровок при этом осуществляется как методом вибролитья, так и литья из саморастекающихся масс [4]. Футеровки из этих масс и способ из изготовления характеризуются рядом недостатков, а именно быстрым твердением, что нетехнологично, а также их предрасположенностью к "взрывному" разрушению [4]. Последний эффект связан с дегидратацией ВГЦ в процессе разогрева футеровки, что требует замедленного и тщательно контролируемого режима.

Для монолитной футеровки желобов доменных печей широко применяют набивные огнеупорные массы в системе Al₂O₃-SiO₂-SiC - C [4]. Если заполнитель этих масс представлен бокситом или электрокорундом и карборундом, то связующая часть - каолином и углесодержащим компонентом (типа пека) с графитом. Содержание углерода C в этих массах составляет 8 - 17%, а SiC - 8 - 19%. Применяемые в этих массах пековые связи низкотемпературны, концерогенны, а их улетучевание при службе приводит к росту пористости футеровки и пониженной стойкости.

Таким образом, все рассмотренные аналоги характеризуются специфическими недостатками, определяемыми преимущественно поведением при нагреве из связки (вяжущей системы). Во всех отмеченных случаях термомеханические свойства вяжущей системы огнеупорных масс существенно ниже по сравнению с материалом огнеупорного заполнителя.

Показана [5] принципиальная возможность получения характеристик вяжущих на основе высококонцентрированных вяжущих суспензий и огнеупоров с их использованием.

Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления таких огнеупорных масс, термомеханические свойства вяжущей системы которых не уступали бы или превосходили таковые для огнеупорного заполнителя. Показатели σ_сж таких масс даже после низкотемпературной термообработки (1000^oC) должны быть выше 60 - 80 МПа.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве вяжущей системы огнеупорных масс применяют высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии - ВКВС [5] на основе соответствующих огнеупорных материалов влажностью 12 - 18% в количестве 25 - 50 мас.%. Наиболее перспективными в данном случае являются ВКВС алюмосиликатных материалов (шемот с различным содержанием Al₂O₃, муллит, боксит, кианит, силлиманит) и т.д. Для определенных целей могут применяться также ВКВС циркона, глинозема, карбида кремния, периклаза, шпинели, плавленого кварца и др.

С целью регулирования реологических и технологических свойств ВКВС, а также свойств монолитных футеровок на их основе, последние могут иметь сложный состав. Например, с целью придания пластичных свойств смесям, формуемым методом набивки, вводятся добавки огнеупорной глины в ВКВС кремнеземного и алюминисиликатного состава. С целью повышения механической прочности бетонов после низкотемпературной обработки в ВКВС высокоглиноземистого состава вводят добавки высокодисперсного плавленого кварца. Благодаря последним в процессе нагрева в вяжущей системе отмечается низкотемпературное муллитообразование, способствующее резкому упрочнению бетона.

Заполнитель огнеупорных масс, получаемых по данному способу, может быть представлен теми же огнеупорными материалами, что и вяжущая система. Он может иметь и сложный состав, например шамот или боксит с добавками карборунда, корундо-муллитовый и т.д.

Состав огнеупорных масс при этом может быть однородным (например, ВКВС боксита и бокситовый заполнитель), так и разнородным (ВКВС боксита и шамотный заполнитель и т.д.).

Ниже на примере получения и применения желобных масс для доменных печей проиллюстрированы особенности предлагаемого способа получения огнеупорных масс для монолитных футеровок.

В качестве материала для ВКВС применяют боксит, содержащий 85 - 92% Al₂O₃ и 3 - 8% SiO₂. Мокрый помол осуществляют в шаровой мельнице с постоянной загрузкой материала, соблюдая основные принципы получения ВКВС [4]. С целью ускорения процесса измельчения, улучшения реологических свойств полученных суспензий при мокром помоле вводят добавки высокодисперсного плавленого кварца в виде слива - отхода производства кварцевых огнеупоров, формуемых центробежным методом [4]. Добавка SiO₂ при этом составляет 2 - 6% (по сухому веществу). После окончания мокрого помола ВКВС характеризуется влажностью 12 - 18%, содержанием частиц менее 5 мкм в пределах 20 - 40% и крупнее 63 мкм - 5 - 15%. Полученная суспензия подвергается гравитационному смешиванию с предварительно полученной суспензией огнеупорной глины, содержание которой в ВКВС варьирует в пределах 1 - 4%. Для определенных составов масс, формуемых литьем, добавки глины могут не вводиться. С целью понижения вязкости смешанной суспензии в процессе перемешивания могут вводиться добавки, регулирующие показатель pH системы. Заполнитель из боксита для получения огнеупорных масс готовят посредством дробления, помола и рассева с выделением различных групп фракций: 37 мм; 1 - 3 мм; 0 - 1 мм. В состав масс может вводиться полидисперсный карборундовый заполнитель. Огнеупорную массу готовят в специальных бегунах при следующем соотношении компонентов (по сухому):
ВКВС (вяжущая система) - 33 - 40%
Бокситовый заполнитель полифракционный - 48 - 67%
Карборундовый заполнитель полидисперсный - 0 - 18%
При смешении возможного введения упрочняющих добавок типа лигносульфоната, вводимого в количестве 0,5 - 1% (сверх 100% по влажному). Влажность смеси варьируют в пределах 4,6 - 5,6%. Массу упаковывают в герметичные контейнеры и отправляют потребителю.

Массы описанного состава применяют при монолитной футеровке желобов доменных печей, выполняемой как методом набивки (пневмотрамбование), так и виброналивным методом. Если набивка из описанных масс выполняется при значении их влажности 4,7 - 5,3%, то для изготовления виброналивных футеровок требуется их предварительное дополнительное увлажнение на 0,3 - 0,5% с последующим перемешиванием и виброукладкой. Монолитные футеровки первоначально подвергают естественной сушке с последующим разогревом до 600 - 900^oC. Требуемые эксплуатационные характеристики огнеупорных масс формируются непосредственно в службе.

Преимущество рассмотренных масс по сравнению с аналогом очевидно из следующих данных. Если известные массы в системе Al₂O₃ - SiO₂ - SiC - C - характеризуются пористостью 28 - 35%, то предлагаемая 16 - 18%. Показатели предела прочности при сжатии σ_сж после термообработки при 1000 - 1300^oC в первом случае колеблются в пределах 8 - 20, во втором - 80 - 160 МПа. После обжига (или службы) при 1500^oC показатели повышаются до 200 - 250 МПа. Кроме того, предлагаемые массы характеризуются высоким объемопостоянством и температурой начала деформации под нагрузкой - более 1650^oC.

Огнеупорные массы, полученные по предлагаемому способу, сохраняют свои свойства во времени и допускают замораживание. После последнего перед применением требуется размораживание.

Из масс аналогичного состава может выполняться монолитная футеровка промежуточных и сталеразливочных ковшей. Последняя может быть арматурной (для промковшей) и рабочей (сталеразливочный ковш). В последнем случае весьма эффективными являются шпинельсодержащие монолитные футеровки. Для этого в состав зернистого заполнителя вводят среднезернистые (0,1 - 0,5 мм) фракции алюмомагнезиальной шпинели или MgO, являющийся шпинелеобразующей добавкой в огнеупорных массах данного состава. Содержание MgO в массах варьирует в пределах 4 - 8%.

Для арматурной футеровки может применяться огнеупорная масса в системе ВКВС боксита - шамотный заполнитель, для стальковшей - ВКВС боксита - плотный бокситовый заполнитель или электрокорунд.

С учетом того, что плотность боксита и шамота существенно различаются, то при примерно равном объемном содержании вяжущего (35 - 40%) его содержание при применении в массе компонента различной плотности существенно различается. Так, для массы в системе ВКВС боксита - шамотный заполнитель оптимальное содержание вяжущего - 45 - 50%, а для системы с бокситовым вяжущим и заполнителем - 30 - 40%. В случае применения способа формования из саморастекающихся (литейных) масс содержание вяжущего в них при прочих равных условиях должно быть на 3 - 5% выше, чем у набивных или виброналивных.

В определенных случаях в огнеупорные массы рассмотренных составов непосредственно перед применением (укладкой) могут вводиться структурирующие добавки высокоглиноземистого цемента в количестве 0,5 - 3%.

Огнеупорные массы, полученные по предлагаемому способу, могут эффективно заменить выпускаемые огнеупорной промышленностью алюмосиликатные набивные массы общего назначения. Последние, как правило производят с использованием в виде связки ортофосфорной кислоты.

Из рассмотренных масс при необходимости могут изготавливаться крупногабаритные фасонные огнеупорные изделия типа гнездовых блоков, горелок и др. Методы формования - прессование, набивка (трамбовка), вибролитье и др.

Футеровки или изделия из предлагаемых масс характеризуются не только повышенной стойкостью в службе, но и пониженной заводской себестоимостью, а экологически безвредны.

Пример осуществления предлагаемого способа (на примере массы для виброналивной монолитной футеровки желобов доменной печи)
В промышленной шаровой мельнице емкостью 3,2 м³ методом мокрого помола с использованием принципа постадийной загрузки измельченного материала [5] получают вяжущую высокоцентрированную суспензию боксита. Исходный предварительно термооботанный (1400 - 160^oC) китайский боксит характеризуется содержанием Al₂O₃ = 85 - 88%, SiO₂ = 5 - 8% и пористостью 10 - 20%. При этом исходный кусковой материал подвергается дроблению и рассеву на фракции с последующим отмагничиванием. Для мокрого помола применяют фракции 0 - 1 и 1 - 3 мм.

Получение суспензии боксита осуществляют с использованием 5 - 10%-ной добавки высокодисперсного плавленого кварца, вводимого в виде слива-отхода производства центробежноформованных кварцевых огнеупоров. При этом слив вводят вместе с водой, рассчитываемой на конечную влажность суспензии 11,5 - 13%. Вместе с загрузкой материала вводятся разжижающие добавки, например раствор жидкого стекла, для поддерживания значения pH в пределах 8,5 - 10,0. Температура процесса достигает 60 - 80^oC. Помол осуществляют с 2 - 5-кратными догрузками материала, что сопровождается постепенным ростом плотности суспензии до 2,65 - 2,75 г/см³. Помол осуществляют до достижения этой плотности и дисперсности, соответствующей содержанию 3 - 10% частиц крупнее 63 мкм (20 - 40% частиц менее 5 мкм). После помола суспензию сливают в накопительный барабан - стабилизатор и подвергают механическому перемешиванию при окружной скорости 1,2 - 1,8 м/с на протяжении не менее 6 - 10 ч. Одновременно корректируется значение pH суспензии для достижения максимального разжижения.

С использованием полученной суспензии боксита в бегунковом смесителе готовится формовочная смесь, содержащая (по сухому):
32% тонкомолотого (из суспензии) боксита;
55% огнеупорного заполнителя на основе электрокорунда фракции 0,1 - 8 мм;
13% заполнителя из карбида кремния зернистстью 0,02 - 0,2 мм.

Сверх 100% вводятся добавки огнеупорной глины (0,5 - 1,5%) и 1,5 - 3% измельченного (ниже 0,2 мм) каменноугольного пека.

Если добавка глины в сочетании с добавкой SiO₂ определяет повышенную температуру деформации под нагрузкой, то добавка пека способствует повышению шлакоустойчивости футеровки при службе.

Массы приведенного состава после смешивания характеризуются влажностью 4 - 4,5%. Загрузка масс осуществляется в герметичные емкости - мешки. На заводе - потребителе массы подвергаются перемешиванию и дополнительному увлажнению до влажности 5,3 - 5,8%. Из этой массы с применением вибрационных устройств осуществляется процесс изготовления монолитной футеровки желобов доменных печей.

Источники информации
1. Великин Б.А., Карклит А.К., Кузнецов Ю.Д. и др. Футеровка сталеразливочных ковшей. - М.: Металлургия, 1990. - 246 с.

2. Пивинский Ю.Е., Рожков Е.В., Череватова А.В. Кремнеземистая огнеупорная масса. Заявка о выдаче патента N 97117135/03 (018385) от 23.10.1997.

3. Пивинский Ю.Е. Новые огнеупорные бетоны. - Белгород: Бел ГТАСМ, 1996.

4. Пивинский Ю.Е. Новые огнеупорные бетоны и вяжущие системы - основополагающее направление в разработке, производстве и применении огнеупоров в XXI веке. Часть IV. Низкоцементные бетоны и бесцементные неформованные огнеупоры.// Огнеупоры и техническая керамика, 1998, N 5, с. 2 - 10.

5. Пивинский Ю.Е. Керамические вяжущие и керамобетоны. - М.: Металлургия, 1990. - 272 с.

Способ предусматривает получение огнеупорных масс для монолитных футеровок тепловых агрегатов методом набивки, вибролитья или литья. Масса состоит из керамического вяжущего - керамической вяжущей высококонцентрированной суспензии (ВКВС) и огнеупорного заполнителя при содержании компонентов смеси по сухому веществу, мас.%: вяжущее 25 - 50, заполнитель 50 - 75. Используют керамические вяжущие суспензии боксита влажностью 12 - 18% при содержании частиц до 5 мкм 20 - 40%. В качестве заполнителя используют боксит или электрокорунд, дополнительно содержащие до 18 мас.% карбида кремния. С целью улучшения реологических и технологических свойств огнеупорных масс и материалов на их основе в исходные ВКВС вводят пластифицирующие и спекающие добавки. Способ позволяет получить огнеупорные массы, термомеханические свойства вяжущей системы которых не уступали бы или превосходили бы таковые для огнеупорного заполнителя. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления огнеупорных масс для монолитных футеровок, включающий подготовку крупнозернистой составляющей и вяжущего в виде предварительно полученной высококонцентрированной суспензии огнеупорного компонента, их смешение, формование методом набивки, вибролитья или литья, отличающийся тем, что используют высококонцентрированную суспензию на основе боксита с влажностью 12 - 18% при содержании частиц до 5 мкм 20 - 40 мас.%, а в качестве заполнителя используют боксит или электрокорунд, дополнительно содержащий карбид кремния до 18 мас.% при следующем содержании компонентов по сухому веществу, мас.%:
Вяжущее - 25 - 50
Заполнитель - 50 - 75
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в вяжущую суспензию вводят пластифицирующие и спекающие добавки.