Магнезиальная масса для футеровки металлургических агрегатов
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления и ремонта футеровки высокотемпературных агрегатов черной и цветной металлургии с температурой службы до 1650°С. Технический результат изобретения - предложенная масса обладает повышенной стойкостью к расплавам металла и шлака, пониженной теплопроводностью, хорошей адгезией к арматурной футеровке как при нанесении, так и при разогреве и в службе. Масса включает, мас.%: магнезиальный заполнитель фракции менее 2 мм - основа, неорганическое связующее - 3-10, волокнистый материал, представленный органическим и неорганическим волокном, взятыми в соотношении 1:(1,5-2,5), - 1-5, смесь антиоксиданта, углеродсодержащего материала и огнеупорного пластификатора, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5) соответственно, - 4-20. 2 табл.
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления и ремонта футеровки высокотемпературных агрегатов черной и цветной металлургии с температурой службы до 1650°С, в частности для рабочей футеровки сталеразливочных ковшей, наружной футеровки патрубка вакууматора.
Масса для футеровки высокотемпературных металлургических агрегатов должна обладать стойкостью к расплавам металла и шлака при температурах до 1650°С и низкой теплопроводностью во избежание охлаждения этих расплавов. Кроме того, масса должна обладать адгезией, достаточной для ее сцепления с поверхностью арматурной футеровки, как в процессе ее нанесения, так и в процессе сушки, а также в течение всего срока службы и при этом легко отделяться по окончанию службы при охлаждении.
Известна магнезиальная масса для футеровки металлургических агрегатов, содержащая периклазосодержащий заполнитель (фракции 1-0,063 мм) - 57-75%, (фракции <0,063 мм) - 17-31%, полифосфат натрия - 0,2-0,8%, метасиликат натрия и/или сульфат магния - 1,7-4,8%, бентонит (фракции 0,5-0 мм) - 1,7-3,5, двуокись кремния (фракции <0,01 мм) - 1,5-3,4%, неорганическое волокно - 0,5-1,3% (патент RU №2159219, С 04 В 35/043, 2000 г.).
Недостатком этой массы является недостаточная стойкость к расплавам металла и шлака (металло- и шлакоустойчивость), высокая теплопроводность, а также приваривание массы к арматурной футеровке по окончанию срока службы.
Наиболее близкой по вещественному составу является огнеупорная торкрет-масса, содержащая не менее одного заполнителя магнезиального состава фракции менее 10 мм, в которой содержится более 5% фракции менее 0,074 мм; не менее одного неорганического волокнистого материала в количестве не более 5% и/или не менее одного органического волокнистого материала в количестве не более 5%; не менее двух неорганических связующих компонентов, составляющих суммарно от 1 до 10%; не менее одного углеродсодержащего материала в количестве не более 10%, а также от 5 до 25% воды. Причем в качестве неорганического связующего могут использоваться бентонит и глина. Российские стандарты относят бентонит к керамическим пластификаторам, глину - к огнеупорным пластификаторам (патент ЕР 0123755, С 04 В 35/043, 35/66, 1984 г.).
Недостатком этой массы является недостаточная стойкость футеровки к расплавам металла и шлака, обусловленная повышенным выгоранием углеродсодержащего материала в процессе предварительной термообработки на 1100°С. Так, при разогреве футеровки свыше 600°С происходит интенсивное окисление и выгорание углеродсодержащего материала, приводящее к образованию пористой структуры, что в дальнейшем в процессе службы проводит к проникновению расплава металла и шлака вглубь футеровочного слоя с последующим его размыванием. Кроме того, предложенная масса обладает недостаточной адгезией в процессе ее нанесения, а при использовании бентонита происходит приваривание массы к арматурной футеровке по окончанию службы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание массы для футеровки металлургических агрегатов, обладающей повышенной стойкостью к расплавам металла и шлака, пониженной теплопроводностью, хорошей адгезией к арматурной футеровке как при нанесении, так и при разогреве и в службе. Дополнительно решалась задача по ускорению процесса разогрева футеровки без образования трещин (сушки до 150°С и термообработки до 1100°С).
Поставленная задача решается за счет того, что магнезиальная масса для изготовления футеровки металлургических агрегатов, включающая магнезиальный заполнитель, неорганическое связующее, огнеупорный пластификатор, волокнистый материал, представленный органическим и неорганическим волокном, углеродсодержащий материал дополнительно содержит антиоксидант в виде смеси с углеродсодержащим материалом и огнеупорным пластификатором, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5) соответственно, а соотношение органического и неорганического волокна в волокнистом материале составляет 1:(1,5-2,5) при следующем соотношении компонентов массы, мас.%:
| Магнезиальный заполнитель | |
| фракции менее 2 мм | основа |
| Неорганическое связующее | 3-10 |
| Волокнистый материал | 1-5 |
| Смесь антиоксиданта, углеродсодержащего | |
| материала и огнеупорного пластификатора | 4-20. |
Использование волокнистого материала в виде органического и неорганического волокна, взятых в указанном соотношении и количестве, обеспечивает качественное армирование слоя массы в процессе ее нанесения, сушки и термообработки, а также наиболее эффективно способствует формированию мелкопористой структуры за счет постепенного выгорания органического волокна в широком интервале температур (100-1000°С), а следовательно, уменьшению теплопроводности огнеупора без снижения метало- и шлако-устойчивости. Кроме того, образование мелкопористой структуры облегчает удаление паров воды и позволяет проводить быструю термообработку футеровки без образования трещин.
Использование в массе совокупности компонентов, включающей антиоксидант, огнеупорный пластификатор и углеродсодержащий материал:
- снижает теплопроводность футеровки и ускоряет процесс ее сушки вследствие формирования мелкопористой структуры, которая образуется при разогреве футеровки до 1100°С в результате частичного выгорания углеродсодержащего материала и увеличения в объеме частиц антиоксиданта;
- повышает стойкость футеровки к воздействию металлошлакового расплава за счет частичного сохранения углеродсодержащего материала от окисления и выгорания в процессе термообработки футеровки до 1100°С.
Защита от окисления и выгорания обусловлена наличием антиоксиданта, предотвращающего выгорание углеродсодержащего материала, и огнеупорного пластификатора, образующего малопроницаемый к проникновению кислорода воздуха, керамический слой, снижающий окисление углеродсодержащего материала. А частичную защиту от окисления и выгорания обеспечивает заявленное суммарное количество этих компонентов, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5).
Таким образом, заявленная масса для футеровки металлургических агрегатов обладает необходимым набором свойств, обеспечивающим стабильную эксплуатацию металлургических агрегатов при температурах до 1650°С.
Из научно-технической литературы неизвестно использование волокнистого материала в виде органического и неорганического волокна, а также антиоксиданта в смеси с огнеупорным пластификатором и углеродсодержащим материалом, в сочетании с магнезиальным заполнителем и неорганическим связующим, взятых в заявленных соотношениях и количестве.
Для изготовления образцов использовали следующие материалы:
- магнезиальный заполнитель: периклаз спеченный фракции 2-0 мм, 10-0 мм (в т.ч. фр. <0,074 мм - 90%), 1-0 мм (1-0,063 мм, <0,063 мм) с содержанием MgO - 92,5%, лом магнезиальных изделий фракции 2-0 мм: периклазохромитовых с содержанием MgO - 61,5%, периклазошпинельных с содержанием MgO - 65,4%; доломит спеченный с содержанием MgO - 51,6%;
- неорганическое связующее: натрий фосфорнокислый, сульфат магния, метасиликат натрия, борная кислота, диоксид кремния.
- органическое волокно длиной 3-8 мм: полипропиленовое волокно, полиэфирное волокно, отходы хлопка;
- неорганическое волокно длиной 10-12 мм: каолиновое волокно, асбест, каменная вата (базальтовое волокно);
- антиоксидант: алюминиевый порошок вторичный пассивированный АПВ-П фракции менее 0,2 мм, кремний кристаллический марки КР-1 фракции менее 0,088 мм, карбид кремния фракции менее 0,1 мм;
- огнеупорный пластификатор фракции менее 0,5 мм: глина Латненского месторождения с содержанием Al2O3 - 34,1%, каолин с содержанием Al2O3 - 38,1%;
- бентонит фракции менее 0,5 с содержанием Al2O3 - 13,8%;
- углеродсодержащий материал: графит марки ГТ-1 фракции менее 0,5 мм, нефтяной кокс фракции менее 0,063 мм, коксовое масло.
Все материалы промышленного производства.
Для изготовления образцов исходные компоненты перемешивали в планетарном смесителе, а затем увлажняли водой в количестве 10-20% сверх 100%. Образцы формовали на гидравлическом прессе при давлении 10 МПа. Далее образцы сушили при 150°С, затем термообрабатывали при 1100°С, 1600°С. Теплопроводность определяли по ГОСТ 12170-85 при 1200°С. Окисляемость оценивали по потере массы после нагревания до 1300°С со скоростью 300°С в час и в выдержкой 2 часа в окислительной атмосфере. Для определения окисляемости использовали предварительно термообработанные при 450°С образцы из массы №4 и массы-прототипа с равным содержанием углеродсодержащего материала (5% коксового масла). Для остальных составов определение окисляемости не проводилось в виду того, что сравнение значений окисляемости корректно только при равных количествах углеродсодержащих материалов. Адгезию определяли визуально при нанесении массы на поверхность шамотного кирпича, установленного вертикально, и при последующих термообработках при 150°С, 1100°С, 1600°С. Стойкость массы к металло-шлаковому расплаву оценивали по шлакоустойчивости тигельным методом. Для этого в тигли из масс, обожженные на 1600°С, помещали таблетки со шлаком и нагревали до 1550°С с выдержкой 3 часа. После этого тигли разрезали пополам и замеряли площадь разъедания шлаком. Составы и свойства заявляемых масс, а также масс аналога и прототипа представлены в таблицах 1 и 2.
Из полученных данных видно, что заявляемая масса для футеровки металлургических агрегатов обладает более высокой шлакоустойчивостью и более низкой теплопроводностью по сравнению с массами аналога и прототипа. Кроме того, она обладает более низкой окисляемостью по сравнению с массой прототипом. Также необходимо отметить, масса обладала хорошей адгезией при нанесении и не осыпалась по сравнению с массой-прототипом, а после обжига на 1600°С масса легко удалялась при механическом воздействии в отличие от массы аналога, где наблюдалось приваривание к поверхности кирпича.
Таким образом, использование заявляемой магнезиальной массы позволит повысить стойкость футеровки в службе, обеспечить хорошую адгезию и при этом исключить ее приваривание к арматурной футеровке, снизить время ее сушки и термообработки на 30%, предотвратить охлаждение металлургических расплавов за счет снижения теплопроводности.
| Таблица 1 | ||||||
| Компоненты шихты | Составы масс, мас.% | аналог | прототип | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| Магнезиальный заполнитель, фракции 2-0 мм, % | 88 | 71 | 78,5 | 77 | ||
| Периклаз спеченный | 60 | 40 | 77 | |||
| Лом магнезиальных изделий | ||||||
| Периклазохромитовые | 28 | 50,5 | ||||
| Периклазошпинельные | 31 | 18 | ||||
| Доломит спеченный | 10 | |||||
| Периклаз спеченный фракции 1-0 мм | 90,5 | |||||
| Периклаз спеченный фракции 10-0 мм (в т.ч. фр. <0,074 мм - 90%) | 79 | |||||
| Нерганическое связующее, % | 3 | 8 | 6 | 10 | 5,5 | 10 |
| Фосфорнокислый натрий | 1 | 3 | 2 | 0,5 | 2 | |
| Сульфат магния | 3 | 5 | 6 | 6 | ||
| Метасиликат натрия | 2 | 2 | 2,5 | 2 | ||
| Борная кислота | 2 | 1 | ||||
| Диоксид кремния | 2,5 | |||||
| Волокнистый материал, % | 5 | 1 | 3,5 | 5 | 1 | 6 |
| Органическое волокно: | ||||||
| Полипропиленовое волокно | 1 | 1 | 0,5 | |||
| Полиэфирное волокно | 0,37 | 1 | ||||
| Отходы хлопка | 1 | 0,5 | 3 | |||
| Неорганическое волокно: | ||||||
| Каолиновое волокно | 3 | 1 | 2 | 1 | ||
| Асбест | 0,63 | 1 | ||||
| Базальтовое волокно | 0,5 | 1 | 3 | |||
| Соотношение волокна органическое: неорганическое | 1:1,5 | 1:1,7 | 1:2,5 | 1:1,5 | - | 1:1 |
| Смесь, % | 4 | 20 | 12 | 8 | ||
| Антиоксидант, % | ||||||
| Алюминий | 1 | 0,5 | ||||
| Кремний кристаллический | 2 | 0,5 | 0,5 | |||
| Карбид кремния | 1 | |||||
| Огнеупорный пластификатор, фракции 0,5-0 мм, % | ||||||
| Глина | 2 | 2 | ||||
| Каолин | 8 | 2,5 | 2 | |||
| Бентонит | 3 | |||||
| Углеродсодержащий материал, % | ||||||
| Графит | 1 | 3 | ||||
| Нефтяной кокс | 10 | 3 | ||||
| Коксовое масло | 5 | 5 | ||||
| Соотношение антиоксидант: огнеупорный пластификатор: углеродсодержащий материал | 1:2:1 | 2:4:5 | 1,5:3:4 | 1:2:5 |
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства образцов | Номера масс | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | аналог | прототип | |
| Площадь разъедания, % | 9,8 | 8,0 | 9,4 | 10,3 | 16,5 | 13,4 |
| Коэффициент теплопроводности при 1200°С, Вт/м·К | 1,07 | 1,13 | 1,04 | 1,10 | 1,22 | 1,08 |
| Окисляемость при 1300°С, % | - | - | - | 2 | - | 3,8 |
| Адгезия | происходит частичное осыпание массы | |||||
| при нанесении | осыпание и отслаивание массы не происходит | |||||
| При сушке до 150°С и термообработке до 1100°С | осыпание и отслаивание массы не происходит | |||||
| В службе после 1600°С | осыпание и отслаивание не происходит, масса легко удаляется при механическом воздействии | масса приваривается и трудно удаляется при механическом воздействии | осыпание и отслаивание не происходит, масса легко удаляется при механическом воздействии |
Магнезиальная масса для изготовления футеровки металлургических агрегатов, включающая магнезиальный заполнитель, неорганическое связующее, огнеупорный пластификатор, волокнистый материал, представленный органическим и неорганическим волокном, углеродсодержащий материал, отличающаяся тем, что дополнительно содержит антиоксидант в виде смеси с углеродсодержащим материалом и огнеупорным пластификатором, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5) соответственно, а соотношение органического и неорганического волокна в волокнистом материале составляет 1:(1,5-2,5) при следующем соотношении компонентов массы, мас.%:
| Магнезиальный заполнитель | |
| фракции менее 2 мм | Основа |
| Неорганическое связующее | 3-10 |
| Волокнистый материал | 1-5 |
| Смесь антиоксиданта, углеродсодержащего | |
| материала и огнеупорного пластификатора | 4-20 |
