Пластичный огнеупорный материал

Изобретение относится к производству пластичного огнеупорного материала, который предназначен для применения в металлургической промышленности, в литейном производстве для уплотнения и герметизации металлоразливочного оборудования. Пластичный огнеупорный материал включает, мас.%: огнеупорный наполнитель с неорганическим связующим 50,0-95,0 (при соотношении огнеупорный наполнитель - 85,0-95,0, неорганическое связующее - 15,0-5,0), эластомер, в виде каучука 3,5-21,0, углеродсодержащий материал в виде битума - 0,50-15,0, пластификатор в виде индустриального масла - 0,5-10,0, антиадгезив в виде графита 0,5-4,0. Огнеупорный наполнитель, представлен корундом, периклазом, кремнеземом или их смесями. Неорганическое связующее представляет собой легкоплавкую смесь оксидов. Техническим результатом изобретения является получение состава пластичного огнеупорного материала с повышенной шлакоустойчивостью, нетоксичного, устойчивого к вибрации, сохраняющего герметичность на весь период эксплуатации и легко удаляющегося при демонтаже разъемов и соединений металлоразливочного оборудования. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к производству пластичного огнеупорного материала с программируемыми многоступенчатыми преобразованиями в процессе эксплуатации, который предназначен для применения в металлургической промышленности, в литейном производстве в качестве уплотнений металлоразливочного оборудования:

- на установках непрерывной разливки стали (УНРС): стакана-коллектора с защитной трубой, стакана-дозатора с погружным стаканом, стакана-коллектора с шиберным затвором;

- трубок для сифонной разливки стали;

- гнездового блока стальковша с ковшевым стаканом;

- ковшевого стакана с шиберным затвором;

- деталей литниковой системы и т.п.;

- изложницы - поддона, изложницы - прибыльной надставки;

- элементов сопряжения литейных форм;

- элементов кристаллизатора УНРС и т.п., а также в качестве материала заделки швов футеровки металлоплавильных и металлоразливочных агрегатов в зонах:

- шлаковых поясов сталеразливочных ковшей;

- фланцевых соединений циркуляционных вакууматоров;

- футеровок горловины и рабочей зоны циркуляционных и порционных вакууматоров;

- сводов сталеплавильных печей.

Применяемые в настоящее время для этой цели мертелевые массы, глиношамотные растворы, волокнистые материалы - асбест и другие не удовлетворяют потребителей по многим эксплуатационным свойствам, а именно, технологичности, стабильности, санитарно-гигиеническим показателям и др. Асбест и другие волокнистые материалы имеют низкие пластические свойства, в процессе эксплуатации швы теряют герметичность, происходит протекание металла.

Известен эластичный огнеупорный материал, предназначенный для соединения огнеупорных изделий с повышенными деформационными свойствами, разработанный на основе огнеупорного наполнителя и композиции каучуков (а.с. № 812783, С 04 В 35/00, С 04 В 35/66, опубл.15.03.81), который с целью повышения прочности дополнительно содержит бутилкаучук. Однако этот состав не обеспечивает герметичность уплотнений, т.к. в процессе эксплуатации при высоких температурах происходит выгорание каучуков и несвязанный огнеупорный материал высыпается из зоны уплотнения.

Наиболее близким по составу и достигаемым техническим параметрам является эластичный огнеупорный материал (патент РФ № 2171242 С1, С 04 В 35/035, опубл. 27.07.2001 по заявке 2000125592/03 от 12.10.2000), согласно которому изделия получают из шихты, содержащей 4,0-18,0 мас.% безводного эластомера, 1,5-15,0 мас.% углеродсодержащего материала, представленного битумом и/или техническим углеродом, 1,0-10,0 мас.% пластификатора в виде индустриального масла, вазелина, синтетических жирных кислот, 0,5-4,0 мас.% антиадгезива в виде парафиновых углеводородов, графитовой смазки, кремнеорганических соединений, 53,0-93,0 мас.% огнеупорного наполнителя, часть которого до 5 мас.% может быть заменена металлическим порошком. Разработанный материал обладает улучшенными пластическими свойствами по сравнению с ранее известными огнеупорными материалами.

Недостатком указанного материала является то, что в процессе эксплуатации при высоких температурах происходит выгорание органических компонентов, при этом огнеупорный наполнитель не образует спекшуюся однородную массу требуемой прочности и рассыпается в порошок. Следствием этого является нарушение герметичности уплотнений металлоразливочного оборудования, разрушается заделка швов футеровки металлоплавильных и металлоразливочных агрегатов. Порошок металлического алюминия, присутствующий в составе до 5 мас.%, выполняет роль как связующего, так и антиоксиданта, в результате чего материал не воспламеняется до температуры 600°С. Однако это не решает проблемы технологичности сборки, т.к. при повторной сборке элементов соединения температура горловины трубы составляет 800-1000°С. Кроме того, согласно описанию изобретения состав эластичного огнеупорного материала в качестве пластификатора может содержать токсичный компонент - фенолформальдегидную смолу (пример 6).

Предлагаемый состав пластичного огнеупорного материала по своим техническим характеристикам решает задачу улучшения качества уплотнения металлоразливочного оборудования за счет улучшения газоплотности, надежности соединения, является более технологичным, нетоксичным, устойчивым к вибрации, обладает повышенной шлакоустойчивостью за счет образования химических соединений в процессе эксплуатации, таких как шпинель, муллит, обладающих очень высокой устойчивостью к воздействию металлургических шлаков.

Разработанный состав обеспечивает эффективное спекание материала в процессе эксплуатации в условиях высоких температур и образование однородного газоплотного спека, сохраняющего герметичность на весь период эксплуатации. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит увеличение объема материала (за счет наличия в составе огнеупорного наполнителя кристаллического кремнезема, который испытывает полиморфное превращение при 1470°С с увеличением объема), что позволяет заполнить полости соединений и разъемов и таким образом обеспечить наиболее качественную герметизацию металлоразливочного оборудования. Материал имеет остаточную пластичность во время всего периода эксплуатации, допускает повторный нагрев, устойчив к вибрации. Материал не возгорается при температуре до 1000°С и выдержке 50 сек (за счет наличия в составе неорганического связующего карбоната натрия, который при температуре 650°С разлагается с выделением пламягасящего компонента - углекислого газа), что дает возможность произвести повторную сборку узла в горячем виде. При демонтаже разъемов соединений металлоразливочного оборудования в ходе технологического цикла, предлагаемый материал легко удаляется, т.к. при охлаждении ниже 800°С является достаточно хрупким с требуемыми значениями пористости, которую можно варьировать путем изменения состава.

Сущность изобретения заключается в том, что в огнеупорный наполнитель представленный корундом, периклазом, шпинелью, кремнеземом или их смесями (смеси берутся в соотношениях, мас.%: корунд 70,0-75,0, периклаз 25,0-30,0 или корунд 70,0-75,0, кремнезем 25,0-30,0 с целью образования в процессе эксплуатации шпинели и муллита соответственно), дополнительно вводят неорганическое связующее при следующем соотношении, мас.%:

огнеупорный наполнитель	- 85,0-95,0
неорганическое связующее	- 15,0-5,0

Неорганическое связующее имеет следующий состав, мас.%: Na₂O - 1,0-5,0 или 26,0-28,0; В₂О₃ - 0 или 24,0-26,0; SiO₂ - 46,0-48,0 или 60,0-80,0; Al₂О₃ - 0 или 4,0-18,0; TiO₂ - 0 или 0,3-1,6; СаО - 0-25,0; Fe₂O₃ - 0 или 3,0-15,0; MgO - 0-3,0.

Снижение концентрации связующего компонента ниже 5 мас.% не обеспечивает образования спека с требуемыми параметрами пористости, твердости, огнеупорности, напротив, увеличение концентрации связки свыше 15 мас.% дает слишком прочный и твердый спек, на удаление которого требуется при демонтаже дополнительные затраты времени.

Таким образом, пластичный огнеупорный материал включает следующие компоненты, мас.%:

огнеупорный наполнитель с
неорганическим связующим	50,0-95,0
эластомер	3,50-21,0
углеродсодержащий материал	0,5-15,0
пластификатор	0,5-10,0
антиадгезив	0,5-4,0

Неорганическое легкоплавкое связующее придает высокую технологичность изготовленным с его использованием материалам, обеспечивает стабильный технологический процесс, является нетоксичным и недорогим. Температура плавления композиции: огнеупорный наполнитель - неорганическое связующее, может варьироваться в широких пределах (от 1650 до 2000°С) в зависимости от состава, что обеспечивает большой интервал размягчения материалов, а увеличение вязкости за счет обогащения состава кремнеземом дает длинный интервал спекания и низкую чувствительность к изменениям в составе. Таким образом, такие характеристики материала, как твердость, пористость, огнеупорность, приобретаемые им в процессе эксплуатации при высоких температурах, можно варьировать в широких пределах, меняя как составы огнеупорного наполнителя и неорганического связующего, так и их соотношения в указанных выше пределах.

Предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать изделия из пластичного огнеупорного материала с показателями физико-технических и технологических свойств, превосходящих прототип.

Получение пластичного огнеупорного материала осуществляется способом, существующим в резиновом производстве, а именно, компоненты взвешивают, смешивают и пластифицируют в вальцах. Затем в зависимости от назначения изделий прессуют фасонные изделия, получают шнуры и ленты на шприц-машине и каландрованием вырабатывают листы.

Ниже приведены примеры конкретных составов предлагаемого пластичного огнеупорного материала, а в табл.1, 2 представлены их физико-технические свойства (отформованных и прошедших высокотемпературную эксплуатацию).

Пример 1. Взятые в количестве, мас.%: периклаз с неорганическим связующим (состава, мас.%: Na₂O - 28,0; В₂O₃ - 26,0; SiO₂ - 46,0) - 81,0 (93,8% которых составляет периклаз, 6,2% - неорганическое связующее), эластомер - 14,0, углеводород - 1,0, пластификатор - 2,0, антиадгезив - 2,0 смешивают и пластифицируют в вальцах до образования гомогенного материала. Для получения листов толщиной 1-3 мм производится каландрование листов, полученных с вальцов.

Свойства пластичных огнеупорных изделий представлены в табл.1, а прошедших высокотемпературную эксплуатацию - в табл.2

Пример 2.

Взятые в количестве, мас.%: периклаз, корунд (28,5% которых составляет периклаз, 71,5% - корунд) с неорганическим связующим (состава, мас.%: SiO₂ - 70,5; Al₂О₃ - 5,1; TiO₂ - 1,3; CaO - 10,3; Fe₂O₃ - 7,7; MgO - 1,3; Na₂О - 3,8) - 77,5 (90% из которых составляет периклаз и корунд, 10% - неорганическое связующее), эластомер - 13,5, пластификатор - 8,0; антиадгезив - 0,5, углеводород - 0,5 смешивают и пластифицируют в вальцах до образования гомогенного материала. Затем материал подается с вальцов полоской толщиной 4-5 мм и шириной 5-10 см в шприц-машину для получения шнура диаметром от 2 до 20 мм

Свойства пластичных огнеупорных изделий представлены в табл.1, а прошедших высокотемпературную эксплуатацию - в табл.2

Пример 3.

Взятые в количестве, мас.%: кремнезем с неорганическим связующим (состава, мас.%: SiO₂ - 63,0; Al₂О₃ - 15,6; TiO₂ - 1,5; CaO - 4,4; Fe₂O₃ - 10,4; MgO - 2,9; Na₂O - 2,2) - 90,5 (85% которых составляет кремнезем, 15% - неорганическое связующее), эластомер - 6,0, углеводород - 0,5; пластификатор - 1,0, антиадгезив - 2,0 смешивают и пластифицируют в вальцах до образования гомогенной смеси. Затем для окончательного формования изделие прессуют на гидраливлическом прессе при температуре 100°С и давлении 150-200 кг/см², время прессования - 1-2 сек.

Свойства пластичных огнеупорных изделий представлены в табл.1, а прошедших высокотемпературную эксплуатацию - в табл.2

Таблица 1 Физико-технические свойства отформованных пластичных огнеупорных материалов
Свойство	Пример 1	Пример 2	Пример 3
Относительное удлинение, %	20	20	20
Предел прочности при растяжении, МПа	0,8		0,6
Жесткость, г/с,		800

Таблица 2 Физико-технические свойства пластичных огнеупорных материалов, прошедших высокотемпературную эксплуатацию
Свойства	Пример 1	Пример 2	Пример 3
Твердость по Моосу	9,0	9,0	8,0
Температура (°С) плавления	1800	1850	1650
Пористость,%	10	10	15

Из приведенных таблиц видно, что заявленный пластичный огнеупорный материал имеет большой интервал температур плавления (1650-1850°С), является достаточно хрупким с требуемыми значениями пористости (10-15%) и твердости (8,0-9,0), которыми можно варьировать путем изменения состава, что позволяет легко удалить материал при демонтаже разъемов, соединений металлоразливочного оборудования в ходе технологического цикла.

1. Пластичный огнеупорный материал, включающий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Огнеупорный наполнитель
с неорганическим связующим	50,0-95,0
Эластомер	3,5-21,0
Углеродсодержащий материал	0,5-15,0
Пластификатор	0,5-10,0
Антиадгезив	0,5-4,0

причем огнеупорный наполнитель представлен корундом, периклазом, кремнеземом или их смесями, а неорганическое связующее состава, мас.%:

Na2O	1,0-5,0
SiO2	60,0-80,0
Al2О3	4,0-18,0
CaO	0-25,0
TiO2	0,3-1,6
Fe2О3	3,0-15,0
MgO	0-3,0
или
Na2O	26,0-28,0
В2О3	24,0-26,0
SiO2	46,0-48,0

вводят в огнеупорный наполнитель в соотношении, мас.%: огнеупорный наполнитель 85,0-95,0, неорганическое связующее 15,0-5,0.

2. Пластичный огнеупорный материал по п.1, отличающийся тем, что смеси огнеупорного наполнителя содержат корунд, периклаз и кремнезем в следующем соотношении, мас.%:

Корунд	70,0-75,0
Периклаз	25,0-30,0 или
Корунд	70,0-75,0
Кремнезем	25,0-30