МАГНЕЗИАЛЬНОСИЛИКАТНЫЙ ОГНЕУПОР Российский патент 2001 года по МПК C04B35/20 C04B35/04 C04B35/66 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления магнезиальносиликатных огнеупоров, предназначенных для футеровки тепловых агрегатов, в частности для осуществления промежуточных ремонтов футеровки зоны спекания вращающихся печей цементной промышленности.

Для футеровки зоны спекания широко применяются периклазошпинельные и периклазошпинелидные огнеупоры, которые наиболее устойчивы к цементному клинкеру. Однако при эксплуатации износ футеровки по длине зоны неравномерен, что вызывает необходимость проведения промежуточного ремонта на отдельных участках футеровки, который осуществляется обычно по истечении 40-60% общего срока кампании печи. В производстве промежуточных ремонтов заменяется от 20 до 50% от начального объема футеровки. При этом ресурс службы новых участков, выполненных из высокостойких периклазошпинельных и периклазошпинелидных огнеупоров, используется примерно наполовину, так как в дальнейшем, по окончании кампании, вся футеровка выламывается, включая не до конца изношенную. В связи с этим применять для промежуточных ремонтов дорогостоящие высокостойкие огнеупоры неэффективно. Наиболее перспективными для этой цели являются магнезиальносиликатные огнеупоры типа форстеритохромитовых.

Известен магнезиальносиликатный огнеупор, изготовленный из шихты, содержащей, мас.%: спеченный периклазовый порошок 15-20, хромшпинелид 10-20, обожженный дунит остальное. Фазовый состав огнеупора представлен форстеритом, периклазом и хромшпинелидом (авторское свидетельство СССР 245632, МКИ C 04 B 35/62, 1965).

Известный огнеупор имеет термостойкость в режиме 1300^oC - вода - 4 теплосмены и используется в насадках регенераторов мартеновских печей. Недостаточная химическая устойчивость огнеупора не позволяет применять его в футеровках вращающихся цементных печей.

Наиболее близким к изобретению является магнезиальносиликатный огнеупор, включающий, мас.%: форстерит 39-58, магнезиальнохромалюможелезистый шпинелид состава Mg(Cr,Al,Fe)₂·O₄ 30-40, периклаз 10-15, клиноэнстатит 2-6 (авторское свидетельство СССР N 1175922, МКИ C 04 B 35/04, 1984).

Известный огнеупор обладает повышенной устойчивостью к медеплавильным шлакам и высокой термостойкостью и предназначен для футеровки тепловых агрегатов черной и цветной металлургии. Однако использование известного огнеупора в футеровке зоны спекания вращающихся печей ограничивается его низкой клинкероустойчивостью.

Установлено, что разрушение огнеупора при взаимодействии с реагентами цементного клинкера происходит прежде всего по мелкокристаллической межзеренной составляющей, которая в указанном огнеупоре представлена в основном реакционноспособными по отношению к клинкерным минералам магнезиальнохромалюможелезистым шпинелидом и клиноэнстатитом при пониженном содержании периклаза. Это предопределяет низкую стойкость известного огнеупора в данных условиях эксплуатации, в связи с чем его применение для промежуточных ремонтов футеровки зоны спекания вращающихся цементных печей сократит в целом длительность кампании печи из-за опережающего износа отремонтированных участков.

Задачей изобретения является создание магнезиальносиликатного огнеупора, предназначенного для промежуточных ремонтов зоны спекания вращающихся цементных печей, обеспечивающего относительную равностойкость участков оставшейся футеровки с отремонтированными участками.

Технический результат, который может быть достигнут при использовании изобретения, заключается в повышении клинкероустойчивости магнезиальносиликатного огнеупора.

Указанный технический результат достигается тем, что магнезиальносиликатный огнеупор, включающий форстерит, магнезиальнохромалюможелезистый шпинелид состава Mg(Cr,Al,Fe)₂·O₄ и периклаз, содержит минеральные фазы в следующем соотношении, мас.%:
форстерит - 49-57
магнезиальнохромалюможелезистый шпинелид - 21-26
периклаз - 20-25
Предлагаемая совокупность минеральных фаз в заявляемом соотношении обеспечивает плотную термостойкую структуру огнеупора, обладающую достаточно высокой клинкероустойчивостью. Это обусловлено тем, что межзеренная мелкокристаллическая структурная составляющая, которая в наибольшей степени подвергается коррозии со стороны клинкерных реагентов, насыщена относительно инертными к ним кристаллами периклаза при снижении содержания более реакционного шпинелида, а также за счет исключения клиноэнстатита. Формирование такой структуры замедляет процессы химической коррозии и, соответственно, разрыхления и разрушения футеровки.

Изменение предлагаемого соотношения минеральных фаз ухудшает свойства магнезиальносиликатного огнеупора применительно к условиям эксплуатации во вращающихся цементных печах. Так, при содержании периклаза менее 20 мас.% снижается клинкероустойчивость и уменьшается температура начала деформации под нагрузкой. Использование такого огнеупора для промежуточных ремонтов не даст ожидаемого результата. Увеличение доли периклаза более 25 мас.% не обеспечивает получение плотной структуры из-за возникновения перепрессовочных трещин при формовании и, следовательно, не позволит достичь требуемых показателей огнеупора, в том числе клинкероустойчивости. Повышение количества шпинелида более 26 мас.% также ведет к снижению клинкероустойчивости, а при содержании его менее 21 мас.% уменьшается термостойкость огнеупора, из-за чего не обеспечивается равностойкость участков футеровки.

Пределы содержания форстерита в огнеупоре по изобретению обусловлены тем, что увеличение его количества более 57 мас.% снизит клинкероустойчивость и температуру начала деформации под нагрузкой. Сокращение доли форстерита менее 49 мас. % и соответственное увеличение количества периклаза и магнезиальнохромалюможелезистого шпинелида позволит дополнительно повысить клинкероустойчивость магнезиальносиликатного огнеупора, но при этом превышается требуемый межремонтный срок, что экономически нецелесообразно.

Для изготовления магнезиальносиликатных огнеупоров использовали:
спеченный дунит с содержанием, мас.%: MgO 48,8; Fe₂O₃ 10,2; SiO₂ 39,9;
спеченный периклазовый порошок с содержанием, мас.%: MgO 92,2; CaO 2,6; SiO₂ 3,3; Fe₂O₃ 1,9;
хромалюможелезистый концентрат с содержанием, мас.%: Cr₂O₃ 36,4; Al₂O₃ 19,6; Fe₂O₃ + FeO 19,1; MgO 14,2; SiO₂ 6,8; CaO 2,2.

Исходные компоненты смешивали в соотношениях, указанных в таблице 1, и увлажняли раствором лигносульфоната технического плотностью 1,22 г/см³ в количестве 5-6 мас. % (сверх 100%). Из полученной шихты прессовали изделия под давлением 100 Н/мм², которые затем сушили до остаточной влажности менее 1% и обжигали в туннельной печи при 1540-1580^oC с выдержкой при максимальной температуре не менее 4 часов. В процессе обжига происходит синтез магнезиальнохромалюможелезистого шпинелида.

Фазовый состав полученных магнезиальносиликатных огнеупоров, определенный путем петрографического анализа, представлен в таблице 2, где также приведены свойства огнеупоров.

Открытую пористость, прочность при сжатии, термостойкость и температуру начала деформации под нагрузкой определяли стандартными методами.

Согласно данным таблицы 2 огнеупоры предлагаемого (примеры 1-3) и известного (пример 4) составов характеризуются значениями физико-керамических свойств приблизительно одного уровня. Принципиальное различие в фазовом составе огнеупоров определяет их клинкероустойчивость и срок службы.

Клинкероустойчивость и, соответственно, износоустойчивость магнезиальносиликатных огнеупоров оценивали по результатам промышленных испытаний в футеровке зоны спекания вращающейся цементной печи диаметром 5 и длиной 185 м. Футеровка толщиной 230 мм была выполнена из периклазохромитовых огнеупоров марки ПХЦ по ГОСТ 21436-75. Состав портландцементного клинкера, мас.%: CaO 66,30; SiO₂ 22,45; Al₂O₃ 4,70; Fe₂O₃ 4,40; R₂O 0,75; MgO 0,80; SO₃ 0,70. После 117 суток эксплуатации печь была остановлена для промежуточного ремонта. При осмотре футеровки установлено, что остаточная толщина ПХЦ - огнеупоров составляла в среднем 134-175 мм, однако имелся участок протяженностью 12 м с остаточной толщиной 40-70 мм. Указанный участок был полностью заменен магнезиальносиликатными огнеупорами, при этом 1/2 участка по оси печи зафутеровали огнеупорами по изобретению (составы 1-3), а другую половину - известным магнезиальносиликатным огнеупором (состав 4). После 248 суток эксплуатации печь была остановлена в связи с появлением намечаемых прогаров в участках футеровки, соответствующей составу 4.

Остаточная толщина футеровки по окончании кампании печи составила для: ПХЦ - огнеупоров 75-83 мм; предлагаемых огнеупоров составы 1, 2, 3 соответственно - 100-106; 92-98 и 80-86 мм; известного огнеупора - 22-43 мм (рыхлая структура, аварийное состояние).

Износ определяли по формуле:

где: b_ср - средняя остаточная толщина футеровки, мм;
b_п - первоначальная толщина футеровки зоны спекания, равная 230 мм.

Значение коэффициентов износа представлены в таблице 2, из которой видно, что предлагаемые магнезиальносиликатные огнеупоры более устойчивы в футеровке зоны спекания, чем известный огнеупор.

Кроме того, был произведен петрографический анализ образцов огнеупоров после службы, в результате которого установлено следующее: толщина рабочей контактной зоны ПХЦ огнеупоров составляла 23-26 мм, открытая пористость 22-28%. Рабочая зона огнеупоров по изобретению составляет 30-36 мм, открытая пористость 26-37%. Рабочей зоной у известного огнеупора является практически вся остаточная толщина 22-43 мм с открытой пористостью до 50%.

Значительное повышение открытой пористости в рабочей зоне огнеупора по сравнению с исходной обусловлено химической коррозией силикатных фаз в результате взаимодействия с портландцементным клинкером. Наблюдается интенсивное замещение силикатов магния силикатами кальция в основном в виде рыхлого, слабо спеченного γ - C₂S с включениями алюминатов и алюмоферритов кальция, что приводит к повышению пористости и падению прочности рабочей зоны огнеупора и является основной причиной химической коррозии.

Сопоставление остаточных толщин участков, отремонтированных изделиями составов 1-3, и данных петрографического анализа по клинкероустойчивости позволяет констатировать, что указанные участки характеризуются относительной равностойкостью, а предлагаемый огнеупор обеспечивает рациональную службу футеровки с учетом промежуточных ремонтов.

Таким образом, магнезиальносиликатные огнеупоры по изобретению могут быть рекомендованы для промежуточных ремонтов футеровок зон спекания вращающихся цементных печей, что позволит снизить стоимость ремонтов без сокращения срока эксплуатации футеровки.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для магнезиальносиликатных огнеупоров (МСО), предназначенных для футеровки (Ф) тепловых агрегатов, в частности для осуществления промежуточных ремонтов зоны спекания вращающихся печей цементной промышленности. МСО содержит, мас.%: форстерит 49-57, магнезиальнохромалюможелезистый шпинелид состава Mg(Cr,Al,Fe)₂O₄ 21-26, периклаз 20-25. МСО указанного фазового состава характеризуется достаточной клинкероустойчивостью при применении его для промежуточных ремонтов Ф зоны спекания вращающихся цементных печей, при этом обеспечивается относительная равностойкость оставшейся Ф с отремонтированными участками. 2 табл.

Магнезиальносиликатный огнеупор, включающий форстерит, магнезиальнохромалюможелезистый шпинелид состава Mg(Cr,Al,Fe)₂·O₄ и периклаз, отличающийся тем, что он содержит указанные минеральные фазы в следующем соотношении, мас.%:
Форстерит - 49 - 57
Магнезиальнохромалюможелезистый шпинелид - 21 - 26
Периклаз - 20 - 25