Огнеупорный материал для монтажа и ремонта футеровки тепловых агрегатов
Огнеупорный материал для монтажа и футеровки тепловых агрегатов может быть использован в качестве огнеупорного неформованного материала для монтажа и ремонта футеровки сталеплавильных конверторов, электродуговых, мартеновских, нагревательных и закалочных печей, ковшей, для монтажа и ремонта футеровки медеплавильных и цинковых конверторов, отражательных и ванных печей, вращающихся вельц-печей, а также для монтажа и ремонта вращающихся печей по обжигу цементного клинкера, и для футеровки вращающихся и туннельных печей. Материал имеет следующий состав мас.%: огнеупорный заполнитель 39.0-84.0; глина огнеупорная 0.5-7.0; природный щелочной алюмосиликат 0.01-5.0; гидравлически активный алюминат 0.05-1.0; органический тиксотропный компонент 0.1-1.0; органический структурообразующий компонент 0.1-1.0; неорганический структурообразующий компонент 0.1-1.0; сухое растворимое связующее 0.1-10.0; порошок алюминия 2.0-15.0; смесь оксидов двух- и трехвалентного железа 10.0-35.0. Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении прочности сцепления раствора с футеровкой, снижении пористости, повышении холодной прочности и сроков схватывания массы, а также повышении скорости спекания. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к металлургии и строительству и может быть использовано в черной металлургии в качестве огнеупорного неформованного материала для монтажа и ремонта футеровки сталеплавильных конверторов, электродуговых, мартеновских, нагревательных и закалочных печей, ковшей, в цветной металлургии - для монтажа и ремонта футеровки медеплавильных и цинковых конверторов, отражательных и ванных печей, вращающихся вельц-печей, а также в цементной промышленности - для монтажа и ремонта вращающихся печей по обжигу цементного клинкера, и огнеупорной - для футеровки вращающихся и туннельных печи.
Известен экзотермический огнеупорный мертель по (RU 2163579 C04B 35/65, публ. 27.02.2001 г.) [1]. Материал содержит, масс.%: оксид железа - 22-40, алюминий - 17-29, огнеупорную глину - 15-23, глинозем - 5-22, гипс - 4-15, триполифосфат натрия - 1-3.
Данный состав имеет низкие реологические свойства (текучесть, открытое время - время, в течение которого смесь технологична и может использоваться в работе), а так же при высокой термичности имеет низкую температуру плавления (1280-1500°C), что не позволяет использовать ее при футеровки тепловых агрегатов с температурами эксплуатации более 1500°C.
Известна огнеупорная масса для керамической наплавки (RU №94024878, публ. 20.08.1996 г.) [2]. Масса содержит, масс.%: огнеупорный наполнитель 65-88, горючие составляющие 10-26, ферросилиций 2-10.
Известен термитно-огнеупорная масса для керамической наплавки (RU №2158403, C04B 35/65, публ. 27.10.2000 г.) [3]. Известная огнеупорная масса содержит, масс.%: огнеупорный порошкообразный наполнитель (динас, шамот, диабазовая мука, муллитокорунд, корунд, магнезит, хромомагнезит, доломит и/или их смеси с размером частиц порошка не более 2 мм) - 30-60, металлический порошок (алюминий, кремний, магний, сплавы алюминия с кремнием или магнием, ферросилиций, силикокальций и/или их смеси) - 10-30, окислы железа - 10-30, твердофазный окислитель (селитра, и/или соединения четырех-шестивалентного марганца, и/или соединения шестивалентного хрома) - 15-25.
Вышеприведенные массы могут использоваться только для горячих ремонтов тепловых агрегатов и не могут применяться для их монтажа. Получаемый при горячем ремонте наплавляемый материал имеет высокую открытую пористость после термообработки (до 19%) и низкую температуру начала деформации под нагрузкой (до 1650°C), что отрицательно сказывается на стойкости футеровки теплового агрегата.
В качестве наиболее близкого аналога известен огнеупорный связующий материал для футеровки высокотемпературных тепловых агрегатов (RU №2116274, публ. 27.07.1998 г.) [4]. Материал содержит, масс.%: магнезиальный заполнитель в качестве основы, порошок алюминия - 7.5-11.5, феррофосфорный порошок - 18.5-28.5, раствор сульфата магния, плотностью 1.20 г/см3 - в качестве жидкой связки (сверх 100%) - 9-30.
Использование в составе известного огнеупорного материала компонентов, содержащих в заметных количествах фосфор (порошок феррофосфора) и серу (сульфат магния), исключает возможность его использования на контакте с расплавами черных металлов. Отсутствие в составе известного огнеупорного материала компонентов, регулирующих реологические свойства раствора, не позволяет получать устойчивые к коагуляции суспензии и резко сокращает время "живучести" готового раствора, ограничивая возможности нанесения готового раствора на вертикальные поверхности и свод. Двухкомпонентность состава известного материала подразумевает приготовление его на площадке потребителя, что не гарантирует оптимальное отношение твердая фаза / жидкость в готовом растворе и оставляет возможность для снижения стойкости огнеупорной футеровки. Невозможность достижения заявленных показателей качества при применении материала без жидкой составляющей не позволяет гарантировать качество материала при его приготовлении в условиях предприятия-потребителя и сокращает сроки хранения материала, а следовательно и его экономическую эффективность.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении прочности и плотности футеровки теплового агрегата, повышении сроков ее эксплуатации, а так же снижении затрат на монтаж и ремонт футеровки.
Для решения поставленной технической задачи огнеупорный материал для монтажа и ремонта футеровки тепловых агрегатов, содержит хромсодержащий огнеупорный заполнитель, экзотермические добавки - порошок алюминия и смесь оксидов двух- и трехвалентного железа, функциональные добавки - глину огнеупорную, природный щелочной алюмосиликат, гидравлически активный алюминат, органический тиксотропный компонент, органический структурообразующий компонент, неорганический структурообразующий компонент, сухое растворимое связующее, масс.%:
| огнеупорный заполнитель | 39.0-84.0 |
| глина огнеупорная | 0.5-7.0 |
| природный щелочной алюмосиликат | 0.01-5.0 |
| гидравлически активный алюминат | 0.05-1.0 |
| органический тиксотропный компонент | 0.1-1.0 |
| органический структурообразующий компонент | 0.01-1.0 |
| неорганический структурообразующий компонент | 0.1-1.0 |
| сухое растворимое связующее | 0.1-10.0 |
| порошок алюминия | 2.0-15.0 |
| смесь оксидов двух- и трехвалентного железа | 10.0-35.0 |
Хромсодержащий огнеупорный заполнитель может быть выбран из группы магнезиальных, магнезиальнохромитовых, хромитовых, корундохромитовых, шпинельных, магнезиальношпинельных огнеупорных материалов или их комбинаций.
Сущность изобретения заключается в следующем. В заявленном огнеупорном материале процесс первичной адгезии материала с поверхностью футеровки и схватывания "на холоду" происходит за счет взаимодействия природных и синтетических тиксотропных и структурообразующих компонентов и сухого растворимого связующего с тонкомолотыми компонентами. Соотношение синтетический тиксотропный материал/природный тиксотропный материал/органический структурообразующий компонент/неорганический структурообразующий компонент/вода позволяет регулировать реологические свойства огнеупорного материала в широких пределах - от текучего раствора до торкрет-массы с высокой адгезией к вертикальным поверхностям.
Окончательные свойства огнеупорный материал приобретает в процессе нагрева за счет энергии экзотермической реакции между порошком алюминия и смесью оксидов железа, что обеспечивает полное спекание огнеупорного материала реакциями тонкомолотых компонентов с природным щелочным алюмосиликатом, гидравлически активным алюминатом и сухим растворимым связующим. Оксиды железа взаимодействуют с огнеупорным заполнителем и образуют высокотемпературные соединения - магнезиовюстит с температурой плавления 2100°С и магнезиоферрит с температурой плавления 1750°С, шпинельные и шпинелидные твердые растворы с температурой плавления более 1750°С. Все эти реакции сопровождаются увеличением объема, что также увеличивает прочность и плотность огнеупорной футеровки. Соотношение тонкомолотый огнеупорный материал/природный щелочной алюмосиликат/гидравлически активный алюминат/сухое растворимое связующее позволяет регулировать температуру эксплуатации огнеупорного материала в зависимости от решаемой материалом технической задачи. Отсутствие в составе огнеупорного материала компонентов, содержащих серу и фосфор, позволяет использовать его на контакте с расплавом металла и шлака в черной металлургии без угрозы понизить качество выплавляемого/обрабатываемого металла, а наличие заполнителя, обладающего повышенной химической стойкостью к расплавам на основе железа, как в окисленной форме - шлаки - так и в восстановленной форме - металл, позволяет повысить стойкость футеровки к коррелирующему воздействию и увеличить межремонтный период теплового агрегата.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении прочности сцепления раствора с футеровкой, снижении пористости, повышении холодной прочности и сроков схватывания массы, а также повышении скорости спекания.
В примерах 1-12 таблицы 1 приведены составы заявляемого огнеупорного материала. Состав 13 соответствует прототипу [4], а состав 14 - массе [1]. В качестве огнеупорного заполнителя в примерах 1, 2, 5, 6, 9, 10 использовали периклазохромит, хромитопериклаз, хромшпинделит, в остальных примерах - хромит, корундохромит, периклазшпинель. В качестве смеси оксидов двух- и трехвалентного железа - металлическую окалину или мартеновскую пыль. В качестве органического тиксотропного компонента, придающего системе способность разжижаться при перемешивании мгновенно загущяться без него, использовали эфир целлюлозы, редеспергирующие эфиры крахмала, винилацетатные сопополимеры. В качестве органического структурообразующего компонента были использованы полипропиленовое, полиэтиленовое, поливинилацетатное, графитовое или бумажное волокна, а также эковата. В качестве неорганического структурообразующего компонента - минеральное или алюмосиликатное волокно, стекловолоконо, базальтловое волокно. Органические компоненты работают мгновенно после нанесения состава на изделие или ремонтируемую поверхность, а неорганические - при повышенной температуре удерживают структуру до того момента, когда начнется спекание минеральной части, то есть когда загорится термитная смесь.
Изготовление материала происходит в четыре стадии:
1. Приготовление смеси совместного тонкого помола, состоящей из огнеупорного заполнителя, огнеупорной глины, природного щелочного алюмосиликата, сухого растворимого связующего и органического тиксотропного компонента в шаровой, вибрационной или трубной мельнице;
2. Приготовление экзотермической добавки путем смешения порошка алюминия и смеси оксидов двух- и трехвалентного железа в механическом смесителе;
3. Приготовление готовой сухой смеси путем смешения в механическом смесителе смеси совместного помола и экзотермической смеси;
4. Приготовление готового раствора путем смешения готовой сухой смеси с теплой водой в смесителе принудительного действия или в торкрет - машине.
Из материала составов, приведенных в таблице 1, были изготовлены образцы в виде цилиндров диаметром и высотой 50 мм. Результаты лабораторных испытаний свойств огнеупорного материала - склеивание плашек магнезиального, периклазохромитового, периклазошпинельного составов приведены в таблице 2 в сравнении с растворами известного состава 14 и состава 13. Из данных таблицы 2 следует, что заявленный огнеупорный материал обладает повышенной прочностью сцепления раствора с футеровкой, имеет сниженную пористость, повышенные холодную прочность и сроки схватывания массы (открытое время).
Составы огнеупорного материала 1-4 применялись качестве мертеля для связывания отдельных изделий в футеровке теплового агрегата; составы 5-8 - в качестве торкрет - массы для монтажа и ремонта футеровки теплового агрегата; составы 9-12 - в качестве обмазки для защиты футеровки теплового агрегата.
В качестве огнеупорного мертеля материал использовали при футеровке кладки передней стенки и вертикальных каналов футеровки мартеновских печей ФГУП "УралВагонзавод", сводов электросталеплавильных печей ОАО "ЧЭМК".
В качестве защитного покрытия - при ремонте футеровки методических нагревательных печей ОАО "Чусовской металлургический завод", ОАО "ПНТЗ", защиты футеровки нагревательных методических печей ОАО "Чусовской металлургический завод". Материал по изобретению дает в кладке ровный, плотный шов без трещин, не выкрашивается из швов кладки, а в виде спека сохраняется до конца кампании печи. Покрытие из заявленного материала обладает высокой адгезией к поверхности огнеупорной футеровки и высокой химической и абразивной стойкостью.
Материал в виде огнеупорного мертеля использовался для монтажа сводов дуговых электросталеплавильных печей ОАО "ЧЭМК". В результате применения материала стойкость сводов увеличилась в 2-2.5 раза и достигла 210-250 плавок.
Таким образом, заявленный материал может быть использован в качестве огнеупорного раствора для кладки огнеупорных изделий при монтаже, в качестве ремонтной и/или подварочной массы при ремонте, а также в качестве торкрет - массы и/или защитного покрытия. Например, для монтажа огнеупорных изделий и/или бетонных блоков в кладке футеровки в виде водного раствора с влажностью 20-30%; для нанесения защитного или ремонтного торкрет - покрытия на огнеупорную футеровку в виде массы, влажностью 3-7% и для монтажа огнеупорных изделий и/или бетонных блоков в кладке футеровки и ремонта горизонтальных поверхностей в виде сухого порошка.
| Таблица 1 | ||||||||||||||
| Компоненты состава материала | Содержание, масс.%, в составе № | |||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | |
| Огнеупорный заполнитель: | ||||||||||||||
| периклазохромит, хромитопериклаз, хромшпинелид | 68.0 | 63.0 | - | - | 84.0 | 71.0 | - | - | 47.19 | 55.2 | - | - | 68 | - |
| хромит, корундохромит, периклазошпинель | - | - | 47.8 | 41.8 | - | - | 57.0 | 39.0 | - | - | 55.5 | 66.1 | - | - |
| Глина огнеупорная | 3.0 | 5.0 | 4.0 | 7.0 | 1.2 | 0.5 | 1.0 | 3.0 | 0.5 | 1.5 | 5.0 | 7.0 | - | 20.0 |
| Глинозем | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 17.0 |
| Металлический порошок алюминия, кремния, магния, сплава алюминия с кремнием или магнием, феррокремний, силикокальций и/или их смеси | 2.3 | 5.0 | 11.0 | 15.0 | 2.0 | 6.0 | 9.0 | 13.0 | 15.0 | 11.0 | 8.0 | 3.0 | 10.0 | 22.0 |
| Окалина металлическая сухая или пыль мартеновская | 10.0 | 15.0 | 33.0 | 35.0 | 10.0 | 18.0 | 26.0 | 34.0 | 35.0 | 28.0 | 24.0 | 11.0 | - | 35.0 |
| Порошок феррофосфорный | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 22.0 | - |
| Гидравлически активный алюминат (шлак доменный высокоглиноземистый, шлак ферросплавный, клинкер высокоглиноземистый) | 0.05 | 1.0 | 0.3 | 0.05 | 0.1 | 0.5 | 1.0 | 0.39 | 0.3 | 0.8 | 1.0 | 1.5 | - | - |
| Природный щелочной алюмосиликат (нефелин, гранит, полевой шпат, гранодиорит) | 5.00 | 3.0 | 1.0 | 0.04 | 1.0 | 0.5 | 0.3 | 0.01 | 0.01 | 0.1 | 0.5 | 1.0 | - | - |
| Сухое растворимое связующее (фосфат натрия, сухое растворимое стекло, смесь фосфата натрия и борной кислоты в соотношении 1/1 по массе) | 10.0 | 7.0 | 2.0 | 0.3 | 0.2 | 2.0 | 4.5 | 9.0 | 0.1 | 2.0 | 5.0 | 9.0 | - | 2.0 |
| Раствор сульфата магния плотностью 1.2 г/см3 | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 11.0* | - |
| Гипс | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 4.0 |
| Органический тиксотропный компонент (эфир целлюлозы, редеспергирующиеся эфиры крахмала, винилацетатные сополимеры) | 1.0 | 0.5 | 0.1 | 0.01 | 0.4 | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.8 | 0.6 | 0.3 | 0.1 | - | - |
| Органический структурообразующий компонент (полипропиленовое, полиэтиленовое, поливинилацетатное, графитовое или бумажное - эковата - волокно) | 0.25 | 0.1 | 0.3 | 0.3 | 1.0 | 0.6 | 0.1 | 0.3 | 1.0 | 0.6 | 0.1 | 0.3 | - | - |
| Неорганический структурообразующий компонент (минеральное или алюмосиликатное волокно, стекловолокно, базальтовое волокно) | 0.4 | 0.4 | 0.5 | 0.5 | 0.1 | 0.4 | 0.6 | 1.0 | 0.1 | 0.2 | 0.6 | 1.0 | - | - |
| *сверх 100% |
| Таблица 2 | ||||||||||||||
| Огнеупорный материал для монтажа и ремонта футеровки тепловых агрегатов | ||||||||||||||
| Свойства материала | Содержание, масс.%. в составе № | |||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | |
| Вязкость, с, по ВЗ-4 | 12 | 11 | 12 | 12 | - | - | - | - | 24 | 21 | 22 | 22 | 27 | 45 |
| Открытое время, час | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | - | - | - | - | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 0.5 | 0.3 |
| Гарантийный срок хранения, мес | 3 | 3 | 3 | 3 | 9 | 9 | 9 | 9 | 3 | 3 | 3 | - | - | |
| Огнеупорность, °С | >1770 | 1770 | 1750 | 1770 | >1770 | 1770 | 1760 | 1760 | >1770 | 1770 | 1750 | 1770 | 1700 | 1610 |
| Прочность сцепления с огнеупорным изделием, Н/мм2 | 8.5 | 10 | 10 | 11 | 7.5 | 8 | 8 | 7 | 7.0 | 11.0 | 11.0 | 9.0 | 5.0 | 2.0 |
| Прочность при сжатии, Н/мм2 через 1 сутки | 5.0 | 7.0 | 7.0 | 7.0 | 14.0 | 18.0 | 18.0 | 17.0 | 7.0 | 10.0 | 10.0 | 9.0 | 3.0 | 4.0 |
| Пористость открытая, %, после сушки при 110°С | 18 | 19 | 18 | 18 | 20 | 19 | 17 | 17 | 17 | 19 | 17 | 17 | 24.0 | 25.0 |
| После термообработки при 1100°С | 12 | 10 | 8 | 8 | 14 | 11 | 6 | 6 | 14 | 11 | 10 | 10 | 15.0 | 20.0 |
1. Огнеупорный материал для монтажа и ремонта футеровки тепловых агрегатов, содержащий огнеупорный заполнитель в качестве основы, порошок алюминия - в качестве экзотермической добавки, глину огнеупорную - в качестве функциональной добавки, отличающийся тем, что материал содержит хромсодержащий огнеупорный заполнитель, экзотермические добавки - порошок алюминия и смесь оксидов двух- и трехвалентного железа, функциональные добавки - глину огнеупорную, природный щелочной алюмосиликат, гидравлически активный алюминат, органический тиксотропный компонент, органический структурообразующий компонент, неорганический структурообразующий компонент, сухое растворимое связующее, мас.%:
| огнеупорный заполнитель | 39,0-84,0 |
| глина огнеупорная | 0,5-7,0 |
| природный щелочной алюмосиликат | 0,01-5,0 |
| гидравлически активный алюминат | 0,05-1,0 |
| органический тиксотропный компонент | 0,1-1,0 |
| органический структурообразующий компонент | 0,1-1,0 |
| неорганический структурообразующий компонент | 0,1-1,0 |
| сухое растворимое связующее | 0,1-10,0 |
| порошок алюминия | 2,0-15,0 |
| смесь оксидов двух- и трехвалентного железа | 10,0-35,0 |
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что содержит хромсодержащий огнеупорный заполнитель, выбранный из группы магнезиальных, магнезиальнохромитовых, хромитовых, корундохромитовых, шпинельных, магнезиальношпинельных огнеупорных материалов или их комбинаций.
