Шихта для производства шамотных изделий и способ приготовления огнеупоров

 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при изготовлении шамотных (муллитокремнеземистых) огнеупоров различного назначения, в частности для футеровки элементов доменных печей, сталеразливочных ковшей и др. агрегатов методом полусухого прессования с использованием глин. Шихта для производства шамотных изделий включает шамотный порошок из малопластичных глин, например глины аркалыкского состава, при этом шихта дополнительно содержит каустическую соду при следующем соотношении компонентов, мас. %: глина огнеупорная 17 - 23; каустическая сода 0,2 - 0,5; лигносульфонат 0,1 - 0,4; шамот остальное. В вариантах осуществления изобретения шихта может дополнительно содержать глинозем. Кроме того, в шихту может быть дополнительно введена пыль из электрофильтров вращающихся печей обжига шамота в количестве 3 - 16% от массы шихты. Способ изготовления огнеупорных изделий включает приготовление указанной шихты с увлажнением смеси глиняным шликером, плотностью 1,4 - 1,6 г/см³ с последующим смещением с глиной-связкой, прессование изделий, их сушку и обжиг. Прессование массы ведут с задержкой (пауза) на 3 - 4 с хода пуансона пресса в положении максимального приложения усилия прессования к формовочной массе. Обжиг сырца осуществляют при 1400 - 1450^oC в течение 6 - 12 ч (в зависимости от скорости прохождения вагонов по печи) до образования в готовых изделиях не менее 55 мас. % муллита (3Al₂O₃ · 2SiO₂). Изобретение позволяет повысить стойкость огнеупорной футеровки с использованием малопластичных, например аркалакских, глин и расширить сырьевую базу алюмосиликатных огнеупоров. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при изготовлении шамотных (муллитокремнеземистых) огнеупоров различного назначения, в частности для футеровки элементов доменных печей, сталеразливочных ковшей и др. агрегатов, методом полусухого прессования с использованием глин.

В связи с общей интенсификацией процессов выплавки стали в конвертерах; увеличения в сортаменте выпускаемой стали, доли низколегированных и легированных сталей, переноса доводки металла из конвертеров в сталеразливочные ковши, требования к стойкости огнеупорных футеровок непрерывно повышаются. Например, конвертерный способ выплавки стали, "доводка" стали в ковше, применение машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) приводят к увеличению времени пребывания металла в ковше, повышает содержание закиси железа в конечном шлаке и, в конечном итоге, снижает срок службы огнеупоров на 30-40%. В среднем, стойкость футеровки шлаковых поясов сталеразливочных ковшей составляет до 13-14, а в отдельные периоды до 8-11 плавок при средней стойкости футеровки стен - 18-20 плавок. Это приводит к тому, что в течение кампании обычно производится полная замена кладки шлаковых поясов. Увеличение количества горячих ремонтов шлаковых поясов сталеразливочных ковшей приводит к снижению общей стойкости футеровки и увеличению расхода на футеровку огнеупорных изделий и материалов (на 0,3-0,5 кг на 1 т стали).

Для футеровки сталь ковшей, работающих на МНЛЗ, применяются высокоогнеупорные материалы, в том числе высокоглиноземистого состава. По сравнению с шамотными, высокоглиноземистые огнеупоры отличаются большим содержанием муллита, меньшим количеством стеклофазы, более высокой температурой размягчения. За счет этого высокоглиноземистые огнеупоры применяются в тех случаях, когда условия службы для шамотных огнеупоров становятся тяжелыми. Производство высокоглиноземистых огнеупоров основано на искусственном сырье (технический глинозем, электрокорунд) и естественном сырье - горных породах, содержащих высокий процент оксида алюминия. Главным условием применения естественного сырья является его существенно меньшая стоимость по сравнению с техническим глиноземом и электроплавленным корундом, получаемых по сложной и дорогой технологии.

С физико-химической точки зрения, преимущество естественных глиноземистых материалов как сырья для производства огнеупоров заключается в том, что содержащаяся в них окись алюминия более активна в процессе термической обработки, поскольку она (за исключением редко встречающегося природного корунда) входит в состав тех или иных соединений (силикатов, гидратов и д.р.), препятствующих изменению кристаллической решетки при нагревании.

Проведенными исследованиями установлено, что аркалыкская глина, относящаяся к малопластичным глинам (число пластичности менее 15 единиц по Аттербергу), отличается сравнительно малым содержанием примесей и пригодна для производства высокоглиноземистых огнеупоров. По существу эта глина является полиминеральным сырьем, характеризуется низкой пластичностью и имеет в своем составе такие основные фазы, как каолинит, гидрагилит, галлиуазит, а также высокое - до 8% содержание флюсирующих оксидов.

Состав аркалыкской глины приводится в таблице 1.

Повышение стойкости футеровки может быть осуществлено также за счет выбора рациональных режимов приготовления массы, прессования и термообработки готовых изделий. В частности, режимы, способствующие воздухоудалению, а также режимы, способствующие растворению воздуха (в виде мельчайших пузырьков) при смешении и прессовании массы, снижают образование в готовых огнеупорах открытой пористости, уменьшающей их плотность и коррозионноустойчивость, см. статью B.С. Бакунина и др., "Перспективы повышения воспроизводимости структуры и свойств керамики", см. журнал "Огнеупоры и техническая керамика", Москва, "Интермет инжиниринг" N 2, 1998 г., с.16-21.

Известен огнеупорный материал (шихта) для изготовления огнеупорных изделий, применяющихся для изготовления огнеупорных футеровок тепловых агрегатов, работающих в условиях прямого воздействия расплавленных металла и шлака, элементов доменных печей, сталеразливочных ковшей и др. агрегатов. Известная шихта состоит на 70 - 95% минимум одного компонента из группы: глинозем, боксит и огнеупорная глина, а также 5-30% карбида кремния.

При изготовлении огнеупорных изделий из этой шихты, компоненты первой группы переходят в стекловидное состояние при нагреве до 1150^oC, см., Кайнарский И. С. и др. Карборундовые огнеупоры. Металлургиздат, Харьков, 1963, с.87.

Недостатком этой шихты является большая усадка компонентов первой группы на контакте с гладкими плоскостями зерен карбида кремния при обжиге, обуславливающая образование трещиноватой структуры и повышенной газопроницаемости (выше 10 мкм) с низким показателем шлако- и абразивоустойчивости.

Известна также шихта и способ приготовления огнеупоров, включающая, мас. %: шамот 68-74; карбид кремния 10-20; огнеупорную глину 12-16, см., А.С. СССР N 1794930, М. кл. 04 В 33/22, 1993 г.

Шихту для прессования изделий готовят в следующей последовательности: вначале перемешивают шамот фракции 0,01-3 мм и карбид кремния в виде зерен, фракции 0,01-0,5 мм. Затем смесь увлажняют глинистым шликером плотностью 1,2 г/см³ до влажности 4,5-5,5% и добавляют огнеупорную глину фракции 0,01-0,1 мм и после перемешивания до гомогенного состояния и прессования при давлении 70 Н/мм² производят обжиг полученных изделий при температуре 1350^oC в воздушной среде.

Однако, огнеупорные изделия из этой шихты имеют недостаточную шлако- и абразивоустойчивость.

В части, касающейся шихты, прототипом изобретения является огнеупорная композиция (шихта для огнеупоров), содержащая, мас.%: золу-унос тугоплавкую, ультракислую со сферической формой зерен с содержанием Fe₂O₃ не более 5% 10-80, огнеупорную глину 11-60; шамот остальное до 100. В качестве пластификатора используется лигносульфонат в количестве 0,1-1,0% от массы огнеупорной композиции (сверх 100%). Огнеупорные изделия из этой композиции изготавливают формированием изделий, с последующей сушкой и обжигом при температуре 1200-1380^oC, см. патент Р.Ф. N 2081089, М. кл. C 04 B 33/22, 1997 г.

Однако, эта шихта не обладает необходимой пластичностью, ухудшающей ее прессуемость, что приводит к необходимости повышения влажности массы при ее прессовании и увеличению энергозатрат на последующую сушку и обжиг изделий. Кроме того, природное сырье не стабильно по составу, в частности содержание Al₂O₃ в нем колеблется от 42 до 60 мас.%, что затрудняет получение гарантированных свойств готовых изделий. На качество изделий влияет также то, что при приготовлении формовочной массы в ней остается воздух, содержащийся в шамоте и дополнительно попадающий в массу со шликером и глиной-связкой. При прессовании часть воздуха, содержащаяся в прессовочной массе, в виде относительно крупных глобул запрессовывается и сжимается в порах прессовки (прессуемой массы), частично перераспределяясь по сырцу и растворяясь в жидкой связке. Коэффициент запрессовки воздуха в огнеупоры (отношение воздуха в сырце к объему воздуха в засыпанной массе) достигает 0,7. Давление воздуха в порах составляет до 10 МПа. При этом воздух, выходя из пор при термообработке, образует открытую пористость и перепрессовочные трещины, что резко снижает коррозионноустойчивость огнеупоров. (Подробнее об этом см. Попильский Р.Я. и др. "Прессование порошковых керамических масс". М., Металлургия, 1983 г., с. 176 и Кайнарский И.С. "Процессы технологии огнеупоров". М., Металлургия, 1969 г., с. 352).

Задачей, решаемой изобретением, является повышение стойкости огнеупорной футеровки с использованием малопластичных, например, аркалыкских глин. Дополнительно изобретением решается задача по расширению сырьевой базы алюмосиликатных огнеупоров.

В части, касающейся шихты, решение поставленной задачи осуществлено за счет того, что шихта для производства шамотных изделий, содержащая шамотный порошок, огнеупорную глину и лигносульфонат, согласно изобретению шамотный порошок готовят из малопластичных глин, например, глины аркалыкского состава, при этом шихта дополнительно содержит каустическую соду при следующем содержании компонентов мас.%: Глина огнеупорная - 17-23 Каустическая сода - 0,2-0,5 Лигносульфонат - 0,1-0,4 Шамот - Остальное В варианте изобретения шихта дополнительно содержит глинозем, при этом компоненты взяты в соотношении, мас.%: Глина огнеупорная - 17-23 Глинозем - 5-20 Каустическая сода - 0,2-0,5 Лигносульфонат - 0,1-0,4
Шамот - Остальное
Кроме того, в шихту дополнительно вводят пыль из системы газоочистки печей обжига шамота в количестве 3-16% от массы шихты.

В части, касающейся способа изготовления огнеупорных изделий, за прототип изобретения принят способ изготовления алюмосиликатных огнеупорных изделий методом полусухого прессования с использованием малопластичных и сухарных глин, см. описание изобретения к заявке N94012310, М.кл. C 04 B 33/22, 94 г.

Согласно прототипу при изготовлении алюмосиликатных огнеупорных изделий приготовление массы ведут путем увлажнения отощителя глиняным шликером с последующим смешением с глиной-связкой, прессование изделий ведут при удельном давлении 90 МПа, после сушки обжиг изделий ведут при температуре 1280^oС.

Недостатком прототипа является то, что при прессовании воздух, содержащийся в прессовочной массе, не успевает удаляться, что при обжиге изделий приводит к появлению перепрессовочных трещин.

Технической задачей, решаемой изобретением в части, касающейся способа изготовления огнеупорных изделий, является повышение качества огнеупоров, изготавливаемых из малопластичных глин.

Решение поставленной задачи осуществлено за счет того, что способ, включающий приготовление шихты по п.1, 2 или 3, увлажнением смеси глиняным шликером плотностью 1,4-1,6 г/см³, последующее смешение с глиной-связкой, прессование изделий, их сушку и обжиг, согласно изобретению, прессование изделий осуществляют с остановкой пресса в положении максимального приложения усилия прессования к формовочной массе с выдержкой в этом положении в течение 3-4 с, при этом обжиг кирпича сырца осуществляют при температуре 1380-1450^oC в течение 40-64 часов до образования в изделиях не менее 55 мас.% муллита (3 Al₂O₃ · 2 SiO₂).

Осуществление изобретения поясняется нижеприведенными примерами.

Производят обжиг малопластичных глин, например аркалыкской глины. Величина водопоглощения шамота после обжига должна составлять не более 4%, с кажущейся плотностью не менее 2,45 г/см³. Затем производят помол кускового шамота на шаровой мельнице. Зерновой состав шамота после помола должен составлять, массовая доля, %:
Остаток на сите с сеткой N2 - 6-12
Проход через сито с сеткой N05 - 35-39
Проход через сито с сеткой N0088 - Не менее 15
Фракционный состав шамота - 0,1-3 мм
Затворение порошка шамота производится глиняным шликером с добавкой каустической соды (в качестве разжижителя) и лигносульфоната при соотношении компонентов (на сухое вещество): каустическая сода 0,2 - 0,5%; лигносульфонат 0,1 - 0,4%.

Время приготовления шликера не менее 30 мин, температура шликера до 70^oC.

Составление и перемешивание массы осуществляют в центробежных смесительных бегунах, при подаче на них сначала шамота, а затем шликера (продолжительность смешивания - не менее 1 мин). После этого, на бегун с увлажненным шамотом подают молотую глину-связку с глиноземом (глинозем и глину предварительно подвергают совместному помолу на дезинтеграторе) и производят перемешивание массы в течение не менее 5 мин. Массовая доля влаги в массе составляет 5,5-7,0%. В варианте изобретения производят подачу только глины с той же влажностью.

Установлено, что увлажнение отощителя шликером плотностью 1,4-1,6 г/см³ приводит к быстрой (в течение 1.5-2 мин) грануляции отощителя в смесителе. При подаче в смеситель глины-связки и их перемешивании, образовавшиеся гранулы отощителя взаимодействуют с частицами глины-связки, при этом создаются условия, облегчающие разрушение гранулами отощителя структуры частиц глины-связки и высвобождение содержащегося в ее частицах воздуха. Перемешивание массы в течение не менее 4-6 мин способствует обволакиванию гранул шамота частицами глины-связки, а также миграции высвобождающегося воздуха к поверхности и его удалению из перемешиваемой массы. Это снижает образование перепрессовочных трещин в полуфабрикатах.

Использование шликера с плотностью менее 1,4 и более 1,6 г/см³ не позволяет получить гомогенную массу, так как смесь не обладает необходимой пластичностью, что приводит к резкому ухудшению условий растворения в массе воздуха. При прессовании такой массы (плотность шликера менее 1,4 г/см³ и более 1,6 г/см³) образуются перепрессовочные трещины.

После смешения готовую массу подают в питатель пресса. Прессование массы осуществляют с остановкой хода пуансона в положении максимального приложения усилия прессования к формовочной массе и выдержкой в этом положении в течение 3-4 сек. Этим достигается растворение воздуха в виде мельчайших пузырьков в прессуемой массе и снижение за счет этого возможности образования перепрессовочных трещин, поскольку при обжиге выход воздуха из массы затруднен. Экспериментально установлено, что данная технология изготовки формовочной массы и режим прессования снижает брак изделий по трещинам на 5-8%.

В варианте изобретения, в шихту дополнительно вводят пыль из электрофильтров вращающихся печей обжига шамота в количестве 3-16% от массы шихты. При приготовлении полуфабрикатов из указанной шихты, приготовление массы производят аналогично вышеописанному, путем увлажнения отощителя глиняным шликером с последующим смешением с глиной-связкой. Увлажнение отощителя производят шликером плотностью 1,4-1,6 г/см³.

Получаемая шихта имеет однородный состав и не растрескивается при прессовании.

В процессе высокотемпературного обжига, введенная в шихту пыль из системы газоочистки вращающихся печей, вследствие частичной ее дегидратации, спекается менее интенсивно, за счет чего достигается стабилизация пористости и повышение термостойкости изделий. Готовые изделия имеют стабильные пределы заданной пористости и термостойкости. Использование пыли позволяет утилизировать отходы производства.

Пример. Пыль из системы газоочистки вращающихся печей для обжига шамота включает следующие компоненты, мас.%: Al₂O₃ - 37-49; TiO₂ - 1,4-5,5; Fe₂O₃ - 1,6-3,7; SiO₂ остальное; влажность - менее 1%.

Зерновой состав: проход через сито 4900 отв/см² - 59-91%;
проход через сито 0,5 мм - 100%;
остаток на сите 4900 отв/см² - 9,50-41,0%.

В качестве отощителя использовали шамот из глины аркалыкской состава (см. выше). В качестве связки использовали берлинскую глину. В составе берлинской глины содержится, мас.%: Al₂O₃ 35-37; Fe₂O₃ 1,5-3,0; TiO₂ 1-2,0.

Шамот, пыль из системы газоочистки печей для обжига шамота, глинозем и глину-связку в заданном соотношении смешивали в смесителе и прессовали полуфабрикаты с удельным давлением 115 Н/мм².

После прессования кирпич-сырец подают на сушку и обжиг. Сушка и обжиг производится в туннельных печах. Сушку кирпича-сырца ведут в течение 16-22 часов при температуре 70-90^oC. Обжиг кирпича производят в течение 40-64 часов при температуре в зоне обжига 1380-1450^oC. Режим обжига определяется скоростью подачи вагонов в печь, которая колеблется от 15 до 24 в сутки. При снижении скорости подачи снижают температуру в зоне обжига. Высокая степень муллитизации достигается за счет продолжительности нахождения кирпича в зоне обжига.

Состав шихты и свойства изделий (в сопоставлении с ранее применяющимися на ММК изделиями) приведены в таблице 2.

Состав шихты и свойства изделий приведены в таблице 3.

В таблице 4 приведены сведения о составе шихты и свойствах образцов.

Сведения о составе предлагаемой композиции приведены в таблице 5.

Из таблицы 5 следует, что использование предлагаемой композиции с указанным соотношением компонентов для изготовления огнеупоров позволяет получать муллитокремнеземистые изделия с высокими механическими и термическими свойствами при низкой пористости. Достижению высокой плотности изделий способствуют пластифицирующие свойства добавок к формовочной массе, а также прессование изделий с остановкой пресса при максимальном приложении усилия и задержкой в этом положении в течение 3-4 сек. При обжиге достигается высокая степень (до 55-60% содержания 3Al₂O₃ · 2SiO₂) муллитизации. Полученные свойства огнеупоров определяют их высокую стойкость в сталеразливочных ковшах кислородно-конвертерного цеха, стойкость которых составляет 20-25 плавок.

Из приведенных примеров ясно, что предложенное изобретение за счет режимов обработки, учитывающих особенности поведения воздуха в смеси на стадиях ее подготовки для прессования и при прессовании полуфабрикатов изделий, обеспечивает получение качественных полуфабрикатов. При этом предложенные режимы сушки и обжига изделий также способствуют получению качественных алюмосиликатных огнеупоров из малопластичных глин.

Наряду с расширением сырьевой базы (в том числе и утилизации отходов производства), предложенное изобретение позволяет уменьшить энергопотребление за счет меньшего потребления энергии при подготовке глины, предназначенной для приготовления шликера.

Формула изобретения

1. Шихта для производства шамотных изделий, содержащая шамотный порошок, огнеупорную глину и лигносульфонат, отличающаяся тем, что, шамотный порошок готовят из малопластичных глин, например глины аркалыкского состава, при этом шихта дополнительно содержит каустическую соду при следующем содержании компонентов, мас.%:
Огнеупорная глина - 17 - 23
Каустическая сода - 0,2 - 0,5
Лигносульфонат - 0,1 - 0,4
Шамот - Остальное
2. Шихта по п. 1, отличающаяся тем, что шихта дополнительно содержит глинозем, при этом компоненты взяты в соотношении, мас.%:
Огнеупорная глина - 17 - 23
Глинозем - 5 - 20
Каустическая сода - 0,2 - 0,5
Лигносульфонат - 0,1 - 0,4
Шамот - Остальное
3. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в шихту дополнительно вводят пыль из системы газоочистки печей обжига шамота в количестве 3 - 16% от массы шихты.

4. Способ изготовления огнеупорных изделий, включающий приготовление шихты по п.1, 2 или 3, увлажнение смеси глиняным шликером плотностью 1,4 - 1,6 г/см³, последующее смешение с глиной-связкой, прессование изделий, их сушку и обжиг, отличающийся тем, что прессование осуществляют с остановкой пресса в положении максимального приложения усилия прессования к формовочной массе с выдержкой в этом положении в течение 3 - 4 с.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что обжиг кирпича-сырца осуществляют при 1380 - 1450^oC в течение 40 - 64 ч до образования в изделиях не менее 55 мас.% муллита 3 Al₂O₃ · 2 SiO₂.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

QB4A Регистрация лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Шатохин Игорь Михайлович

Вид лицензии*: НИЛ

Лицензиат(ы): Общество с ограниченной ответственностью "Огнеупор"

Договор № РД0026070 зарегистрирован 04.09.2007

Извещение опубликовано: 20.10.2007        БИ: 29/2007

* ИЛ - исключительная лицензия        НИЛ - неисключительная лицензия

---