СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРОВ Российский патент 2000 года по МПК C04B35/35 C04B35/622 C04B35/66 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам производства огнеупоров, используемых для футеровки высокотемпературных агрегатов, преимущественно конвертеров, работающих по технологии газокислородной и комбинированной продувки, а также электроплавильных печей и агрегатов внепечной обработки стали, в том числе сталеразливочных ковшей.

В указанных тепловых агрегатах широко применяют огнеупоры на основе периклаза, содержащие в своем составе твердый углеродистый компонент, преимущественно в виде чешуйчатого графита. Эти огнеупоры сочетают в себе высокую огнеупорность, термостойкость и устойчивость к металлошлаковой коррозии. Значительная теплопроводность графита обеспечивает высокую термостойкость таких огнеупоров, однако, одновременно она приводит к большим тепловым потерям в окружающую среду и может вызвать перегрев металлического кожуха агрегата.

Негативное влияние высокой теплопроводности периклазоулеродистых огнеупоров устраняют на практике за счет утолщения защитного (арматурного) слоя футеровки и применения дополнительной теплоизоляции. Однако, такой способ снижения тепловых потерь повышает расход материалов и одновременно уменьшает полезный объем металлургического агрегата и поэтому неэкономичен.

Известен принятый для производства огнеупоров полусухим методом способ приготовления массы в смесительных бегунах, в которых она в течение 4 минут обжимается 100 раз под давлением до 0,6 Н/мм² (Кащеев Н.Д. Производство огнеупоров. "Металлургия", М., 1993, с.65-66).

Периодическое обжатие массы в смесителе при указанном давлении обеспечивает предварительное ее уплотнение за счет частичного вытеснения воздуха и достижения более тесного контакта частиц материала. Однако, из-за весьма незначительной анизотропии теплопроводность сформованного из нее огнеупора практически одинаково высока во всех направлениях.

Известен способ изготовления огнеупоров, при котором скорость перемещения прессующего штемпеля на первой стадии, когда происходит свободное сближение зерен, достигает 100 мм/с, на второй стадии, при значительном трении и сближении зерен составляет 8-9 мм/с, а на третьей стадии, во время которой уплотнение сопровождается частичным разрушением зерна, не превышает 1-2 мм/с (Кащеев И.Д. Производство огнеупоров. "Металлургия", М., 1993, с.78-79).

Недостаток способа состоит в том, что при принятых скоростях формования невозможно обеспечить снижение теплопроводности огнеупора в одном из направлений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления огнеупоров, содержащих твердый углеродистый компонент, согласно которому приготовление массы производят в бегунах с катками в течение 20-22 мин, а формование - на гидравлических прессах в условиях одностороннего или двустороннего вертикального сжатия при удельном давлении на первой стадии (стадии предварительного уплотнения) 20-30 Н/мм² и конечном давлении, обеспечивающем достижение заданной кажущейся плотности сырца (раздел "Производство периклазоуглеродистых огнеупоров" ТИ 200-0-45-95 Комбината "Магнезит", 1995 г. и технологическая карта формования). При этом оценочным критерием качества подготовки массы служит ее кажущаяся (насыпная) плотность, которая составляет более 57% от заданной плотности сформованного огнеупора.

Такая масса обеспечивает при принятых параметрах формования получение изделий с высокой плотностью и прочностью при сжатии, однако, в них не образуется структура со значительной анизотропией теплопроводности.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, - снижение теплопроводности огнеупора, содержащего твердый углеродистый компонент, в направлении распространения теплового потока в футеровке.

Задача решается за счет приготовления массы с насыпкой плотностью перед засыпкой в пресс-форму 45-52% от заданной плотности сформованного огнеупора, формования изделий до удельного давления не более 10 Н/мм² со скоростью не выше 10 мм/с и направления усилия формования перпендикулярно граням изделия, которые в кладке агрегата располагаются поперек направления теплового потока.

Снижение теплопроводности огнеупора в одном из направлений связано, очевидно, с тем, что в массе с заявленными параметрами насыпной плотности при свободной засыпке пресс-формы происходит самопроизвольная направленная переориентация частиц твердого углеродистого компонента в одном из направлений.

При формовании из такой массы изделий до удельного давления не более 10 Н/мм² со скоростью не выше 10 мм/с этот процесс продолжается при условии одностороннего или двустороннего сжатия массы соответственно одним верхним или одновременно верхним и нижним штампами. В этом случае, очевидно, происходит уже принудительная переориентация углеродистых частиц в результате того, что возникающее в пресс-форме боковое давление из-за трения массы о стенки вертикальных пластин меньше приложенного со стороны прессующих штампов. Направленная переориентация частиц углеродистого компонента сопровождается образованием в огнеупоре анизотропной структуры, при которой теплопроводность в направлении формования значительно ниже, чем в поперечном. Анизотропия теплопроводности не приводит к снижению плотности и прочности огнеупора и полностью сохраняется при высоких температурах.

Совокупность заявляемых признаков: изготовление массы с насыпной плотностью перед засыпкой в пресс-форму в пределах 45-52% от заданной плотности сформованного огнеупора и ограничение скорости формования (не выше 10 мм/с) до удельного давления не более 10 Н/мм обеспечивает оптимальное сочетание степени уплотнения массы и уменьшения теплопроводности огнеупора в направлении приложения усилия формования. При этом для снижения тепловых потерь через футеровку высокотемпературного агрегата усилие формования должно быть направлено перпендикулярно граням изделия, располагающимся в кладке агрегата поперек теплового потока. Условия образования анизотропии теплопроводности распространяются на весь диапазон задаваемых на практике значений кажущейся плотности огнеупора после формования.

Поскольку отклонение между заданными и фактическими значениями кажущейся плотности сформованных огнеупоров не превышает 0,03-0,0 г/см³ (т.е. составляет ~ 1%), анизотропия теплопроводности сохраняется во всем диапазоне плотностей изделий, изготавливаемых по заявляемому способу.

Выход за границы указанных выше значений заявляемых параметров либо не дает достаточного технического эффекта, очевидно, из-за ограничения возможности переориентации частиц твердого углеродистого компонента, либо приводит к снижению плотности и прочности сформованного огнеупора по причине недостаточного обжатия массы в смесителе.

Для изготовления огнеупора по предложенному способу используют традиционно применяемые огнеупорные компоненты (плавленый или спеченный периклазовый порошок, плавленую или спеченную алюмомагнезиальную шпинель и т.п.), углеродистые вещества (графит, пек, сажу, кокс и т.п.), связующие (связующее фенольное порошкообразное, синтетические фенолформальдегидные смолы, каменноугольную смолу, этиленгликоль и т.п.) и антиокислительные добавки (металлический алюминий, металлический кремний, сплавы Al-Si, Al-Mg, борсодержащие соединения и т.п.).

В таблице приведены примеры осуществления заявляемого способа изготовления огнеупора. Насыпную плотность массы регулировали давлением на нее катков смесительных бегунов, которое изменяли путем вертикального их перемещения над чашей с помощью системы шарнирной подвески. Формование изделий с односторонним сжатием производили на прессе К25001 усилием 2000 т, двусторонним - на прессе "Лайс" усилием 1600 т. Удельное давление, до которого изделия формовали со скоростью не более 10 мм/с, и условия сжатия (одностороннее или двустороннее) принимали с учетом технических характеристик и возможностей прессов вне зависимости от вида сырья и насыпной плотности массы. Во всех примерах, приведенных в таблице, конечное удельное давление формования изделий составляло 120 Н/мм².

Величины удельного давления формования и скорости их нарастания обеспечивали системами регулирования и поддержания заданного режима работы прессов.

Пример 1. Массу, содержащую 10 мас.% плавленого периклазового порошка фр. 5-3 мм, 37 мас.% плавленого периклазового порошка фр.3-1 мм, 11 мас.% плавленого периклазового порошка фр.1-0 мм, 32 мас.% тонкодисперсной (фр. мельче 0,063 ми) смеси плавленого периклазового порошка с металлическим алюминием и связующим фенольным порошкообразным, 10 мас.% чешуйчатого графита и 1,7 мас.% (сверх 100%) этиленгликоля готовили следующим образом. Первоначально в двухкамерной шаровой мельнице измельчали плавленый периклаз фр. 1-0 мм до крупности зерна мельче 0,063 мм. Взвешивали 80 мас.% полученного порошка, 11 мас. % связующего фенольного порошкообразного и 9 мас.% металлического алюминия и перемешивали 10 мин в лопастной мешалке периодического действия. Перемешивание всех компонентов шихты огнеупорного материала производили в смесительных бегунах, в которых катки были подняты над уровнем чаши на высоту 95 мм.

В бегуны в количествах, соответствующих составу шихты, загружали периклаз фр.5-3 и 3-1 мм, заливали 60% необходимого количества этиленгликоля, перемешивали 4 мин, вводили периклазовый порошок фр.1-0 мм и одновременно графит, перемешивали 5 мин, после чего подавали тонкодисперсную смесь периклазового порошка со связующим фенольным порошкообразным и алюминиевым порошком и окончательно перемешивали все компоненты в течение 11 минут. Из приготовленной массы с насыпной плотностью перед засыпкой в пресс-форму 1,33 г/см³ на прессе "Лайс" при двустороннем сжатии формовали изделия в форме трапецеидального клина (изделие N 18 по ГОСТ 5341-69). Скорость формования изделий до удельного давления 10 Н/мм² составляла 10 мм/с. Определение теплопроводности производили по методу пластин на образцах из изделия с кажущейся плотностью 2,96 г/см³.

Пример 2. Для изготовления огнеупоров приняты материалы и шихта примера 1. Перемешивание компонентов массы производили в смесительных бегунах при подъеме катков над уровнем чаши 80 мм, формование изделий из массы с насыпной плотностью 1,42 г/см³ осуществляли на прессе "Лайс" при двустороннем сжатии по режиму примера 1. Теплопроводность определяли на образцах из изделия с кажущейся плотностью 2,97 г/см³.

Пример 3. Для изготовления огнеупоров приняты материалы и шихта примера 1. Перемешивание компонентов массы производили в смесительных бегунах при подъеме катков над уровнем чаши 50 мм, формование изделий, из массы с насыпной плотностью 1,54 г/см³ осуществляли на прессе "Лайс" при двустороннем сжатии по режиму примера 1. Теплопроводность определяли на образцах из изделий с кажущейся плотностью 2,98 г/см³.

Пример 4. Для изготовления огнеупоров приняты материалы и шихта примера 1. Перемешивание компонентов в смесительных бегунах производили по режиму примера 1 при подъеме катков над уровнем чаши 80 мм. Изделия формовали на прессе "Лайс" при двустороннем сжатии из массы с насыпной плотностью 1,45 г/см³, скорость перемещения верхнего прессующего штемпеля до удельного давления 10 Н/мм² составляла 5 мм/с. Тепловодность определяли на образцах из изделия с кажущейся плотностью 3,00 г/см³.

Пример 5. Для изготовления огнеупоров приняты материалы и шихта примера 1. Перемешивание компонентов в смесительных бегунах производили по режиму примера 1 при подъеме катков над уровнем чаши 50 мм. Изделия формовали на прессе К25001 при одностороннем сжатии из массы с насыпной плотностью 1,55 г/см³, скорость перемещения штемпеля до удельного давления 5 Н/мм² составляла 10 мм/с. Теплопроводность определяли на образцах из изделия с кажущейся плотностью 3,00 г/см³.

Пример 6. Для изготовления огнеупоров приняты материалы и шихта примера 1. Перемешивание компонентов в смесительных бегунах производили по режиму примера 1 при подъеме катков над уровнем чаши 95 мм. Изделия формовали на прессе К25001 при одностороннем сжатии из массы с насыпной плотностью 1,35 г/см³, скорость перемещения штемпеля до удельного давления 5 Н/мм² составляла 5 мм/с. Теплопроводность определяли на образцах из изделия с кажущейся плотностью 3,01 г/см³.

Пример 7. Для изготовления огнеупора использовали спеченный периклазовый порошок фр. 5-3, 3-1, 1-0 и мельче 0,063 мм, сажу, сплав AI-Mg, связующее фенольное порошкообразное и бакелитовый лак. Состав шихты и режим перемешивания компонентов в смесительных бегунах при подъеме катков над уровнем чаши 80 мм соответствовали примеру 1. Изделия формовали на прессе К25001 при одностороннем сжатии из массы с насыпной плотностью 1,38 г/см³, скорость перемещения штемпеля до удельного давления 5 Н/мм² составляла 10 мм/с. Теплопроводность определяли на образцах с кажущейся плотностью 2,38 г/см³.

Пример 8. Для изготовления огнеупоров приняты материалы примера 7. Состав шихты и режим перемешивания компонентов в смесительных бегунах при подъеме катков над уровнем чаши 80 мм соответствовали примеру 1. Изделия формовали на прессе "Лайс" при двустороннем сжатии из массы с насыпной плотностью 1,37 г/см³, скорость перемещения верхнего прессующего штемпеля до удельного давления 10 Н/мм² составляла 10 мм/с. Теплопроводность определяли на образцах из изделия с кажущейся плотностью 2,88 г/см³.

Пример 9 (прототип). Для изготовления огнеупоров приняты материалы и шихта примера 1. Перемешивание компонентов в смесительных бегунах производили по режиму примера 1 при подъеме катков над уровнем чаши 35 мм. Изделия формовали на прессе "Лайс" при двустороннем сжатии из массы с насыпной плотностью 1/69 г/см³, скорость перемещения верхнего прессующего штемпеля до удельного давления 10 Н/мм² составляла 15 мм/с. Теплопроводность определяли на образцах с кажущейся плотностью 2,87 г/см³.

Из данных таблицы следует, что огнеупоры, изготовленные по предложенному способу, не уступают изготовленным по прототипу по кажущейся плотности и прочности при сжатии, однако имеют значительно более низкую теплопроводность в направлении приложения усилия формования.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам производства огнеупоров, используемых для футеровки высокотемпературных агрегатов. Изобретение позволяет снизить теплопроводность огнеупора, содержащего твердый углеродистый компонент, в направлении распространения теплового потока в футеровке за счет того, что на формование поступает масса с насыпной плотностью 45 - 52% от заданной плотности сформованного огнеупора, формование на стадии предварительного сжатия до удельного давления не более 10 Н/мм² производят со скоростью не выше 10 мм/с, а усилие формования на всех стадиях направлено перпендикулярно граням изделия, располагающимся в кладке агрегата поперек направления теплового потока. 1 табл.

Способ изготовления огнеупоров, содержащих твердый углеродистый компонент, включающий приготовление массы в смесителе и многостадийное формование в условиях одностороннего или двустороннего сжатия, отличающийся тем, что насыпная плотность массы перед засыпкой в пресс-форму составляет 45 - 52% от заданной плотности сформованного огнеупора, формование на стадии предварительного сжатия до удельного давления не более 10 н/мм² производят со скоростью не более 10 мм/с, а усилие формования направлено перпендикулярно граням изделия, располагающимся в кладке агрегата поперек направления теплового потока.