Шамотные и высокоглиноземистые огнеупоры

Муллитовые огнеупоры получают обычно в две стадии: сначала синтезируют муллит, а потом изделия из него. В качестве исходных материалов для синтеза муллита применяют в основном технический глинозем, чистые огнеупорные глины, каолины и кварц. При изготовлении синтетического муллита спеканием брикеты из исходных материалов с молярным отношением Al2О3: SiО2 = 1,4−1,6, обжигают в туннельных печах при 1700−1800 °С. Плавленый муллит получают в электропечах плавкой муллитовой смеси при 1900;2000 °С. Изделия из синтетического муллита с добавлением связки получают обычным способом. Технология высокоглиноземистых муллито-кремнеземистых изделий из минералов силлиманитовой группы основывается на связывании мелкоизмельченного обогащенного концентрата огнеупорной глиной. Близость химической природы силлиманита и каолинита позволяет широко использовать в качестве связки огнеупорные спекающиеся глины и каолины. Однако вводить глиняную связку надо в возможно меньших количествах, чтобы не снизить содержания Al2О3 и не повысить количества плавней в огнеупоре. Для связки пригодны только наиболее чистые и богатые глиноземом глины.

Плавленые муллитовые изделия изготовляют главным образом для нужд стекольной промышленности. Производство их основывается на получении весьма плотных огнеупорных изделий отливкой из расплавленных масс. Преимуществом этого метода для высокоглиноземистых изделий является возможность использования природного высокоглиноземистого сырья: боксита, диаспора и других минералов силлиманитовой группы. Засоренность бокситов окислами железа лишает возможности изготовлять из них огнеупорные изделия обычным путем, принятым в технологии керамики. Избыточное количество железа удаляется в процессе плавки [5, C.230].

Муллитокорундовые огнеупоры с содержанием Al2О3 77−85% получают из шамота на основе каолина и глинозема, предварительно молотого в трубной мельнице до получения 97% фракции < 0,063 мм, и смеси совместного помола шамота c техническим глиноземом. Шамот с водопоглощением 1−2% получают обжигом брикета во вращающейся печи (d= 3 и l=60 м), из которого последующим дроблением, измельчением и помолом готовят зернистый продукт. Шихта состоит из шамота фракции 3−0,5 и < 0,5 мм и смеси совместного помола каолина и шамота, которую затем увлажняют до влажности 4−5% и из которой прессуют изделия на прессах типа СМ-1085 или фирмы «Лайс» до кажущейся плотности 2,60−2,71 г/см3.

При изготовлении муллитокорундовых плит соотношение шамота фракции мельче 2 мм и тонкомолотой составляющей принимают равным 3:

2. Изделия обжигают в туннельной печи при 1630— 1640 °C. Изделия, полученные таким способом, имеют огнеупорность выше 1800 °C, дополнительную усадку при 1600 °C и выдержке 2 ч 0,21%, предел прочности при сжатии 43 МПа, термостойкость (1300 °С) 8 теплосмен, открытую пористость около 22,5%. [2, C.338].

Производство корундовых изделий с использованием электрокорунда (искусственно синтезированного синтетического корунд (88—99% Al2O3), получаемого плавкой в электрических печах боксита с восстановителем (железными опилками) [7]), осуществляют по схеме, показанной на рис. 8.

Рис. 8. Схема производства корундовых изделий из электрокорунда.

При изготовлении корундовых изделий, содержащих более 98% Al2О3, используют технический глинозем следующего состава, %: Al2О3 > 99,56, SiO2 0,03, ТiO2 < 0,01, СаО 0,03, Fe2O3 0,03, MgO < 0,004; Na2O 0,36. Сухой глинозем (влажность <0,6%) измельчают в вибромельнице в течение 6−8 ч до получения размера зерен 6−9 мкм. Порошок увлажняют глиной и из массы прессуют брикеты под давлением 30 МПа, которые затем обжигают в туннельной печи при 1700 °C до водопоглощения 0,7−2% и измельчают на фракции 2−0,5 и мельче 0,5 мм. Материал обеих фракций пропускают через электромагнитный сепаратор. Шихта состоит из 45% корундового шамота фракции 2−0,5 мм, 10% фракции мельче 0,5 мм и 45% тонкомолотой связки, включающей необожженный и обожженный при 1500 °C глинозем. Сырец прессуют на гидравлическом прессе (давление 120 МПа), обжигают при 1750 °C. Полученные изделия, имеют кажущуюся плотность 3,18 г/см3, открытую пористость 17,6% и предел прочности при сжатии 82 МПа [2, c.338−339].

Корундовые плиты для шиберных затворов (Al2О3 > 95%) получают из корундового шамота, приготовленного обжигом смеси глинозема и каолина при 1620−1640 °С. Для этого смесь глинозема и каолина измельчают в трубной мельнице до содержания фракции > 0,06 мм не более 1% и увлажняют водным шликером до влажности 15−18%. Брикеты толщиной около 50 мм изготовляют на фрикционном прессе 4КФ-200, кажущаяся плотность брикета более 2,25 г/см3. Из обожженных в туннельной печи брикетов дроблением и измельчением готовят зернистый продукт фракций 2,0−0,5 и мельче 0,5 мм. Тонкомолотую смесь готовят помолом шамота, фракции мельче 0,5 мм и глинозема в вибромельнице до содержания фракции крупнее 0,06 мм не более 1%. Из массы после смешения на фрикционных прессах в пресс-форме плавающего типа при 6−8 ударах изготовляют изделия кажущейся плотностью 3,15 г/см3, затем обжигаемые в короткой туннельной печи при 1630−1640 °С. Готовые изделия пропитывают бакелитом, термообрабатывают в специальных камерах при 200−300 °С и шлифуют. Готовые плиты имеют соответственно до и после пропитки: открытую пористость 10−12 и 5−7%, кажущуюся плотность 3,27−3,29 и 3,30−3,40 г/см3, предел прочности при сжатии 180−200 и 230−250 МПа, температуру начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа 1720 °C [2, c.340].

Способ формования рекристаллизованных корундовых изделий определяется их формой и размером. Для этих целей используют все современные методы оформления тонкокерамических непластичных масс: литье тонкостенных изделий из водных суспензий в гипсовых формах; прессование простейших по форме изделий с добавкой клеящих веществ, прессование и отливка сложных по форме изделий или их заготовок для механической обработки из разогретых масс с органическими термопластификаторами (парафином). В производстве рекристаллизованных корундовых изделий не следует использовать огнеупорную глину в качестве связки. Примеси глины, не снижая температуры спекания изделия, уменьшают его плотность и ухудшают огнеупорные свойства материала.

3 Применение шамотовых и высокоглиноземистых огнеупоров Промышленность огнеупорных материалов является частью черной металлургии, использующей преимущественное количество огнеупоров. Удельный расход огнеупоров выражается в килограммах на 1 т. стали, выплавленной в слитках, и характеризует технический уровень черной металлургии, отражает ассортимент огнеупоров и их качество. Чем меньше расход огнеупоров, тем меньше их доля в себестоимости слитков, тем длительнее непрерывная служба огнеупоров в тепловом агрегате и выше эффективность использования оборудования без замены огнеупорной футеровки. Применение высокоогнеупорных теплоизоляционных заграждений, рекуперация теплоты отходящих газов высокоогнеупорными материалами позволяет экономить до 10—15% используемого топлива. Применение огнеупоров в промышленных печах называют службой огнеупоров. Срок службы огнеупоров в большой степени зависит от условий, эксплуатации, чем от свойств огнеупоров в исходном состоянии [9, C.121].

Огнеупорные материалы используются в атомной энергетике, в прямом преобразовании тепловой энергии в электрическую, в конструкционных элементах энергетического оборудования в условиях воздействия высоких температур и различных сред. В зависимости от условий эксплуатации срок службы огнеупоров колеблется от 3−10 лет в футеровке доменной печи до 40−1500 ч в агрегатах транспортировки стали, ковшах и миксерах и от 20 до 1500 мин при работе в продувочных фурмах и шиберных затворах [10, C.262].

Огнеупорные материалы, используемые в металлургии, подвержены оплавлению, различного рода деформациям, трещинам, разрывам, истиранию. В реальных условиях службы огнеупоры подвергаются совместному воздействию всех перечисленных факторов, поэтому выбор огнеупорных материалов производят на основе тщательного анализа условий работы агрегата и наиболее вероятных повреждений футеровки.

Таблица 9. Составы огнеупоров для футеровки индукционых канальных печей при плавке различных металлов и сплавов [2, C.290].

Сплавы, металлы Огнеупорный материал Связка Число плавок.

среднее макс. Латуни, медь, мельхиор.

томпаки Кварцит 15% шамотной глины, 1,5% молотого стекла, 2% кислоты борной 1000 3500.

Цинк 70% каолинового шамота, 20% часов-ярской глины, 10% каолина ЛСТ (лигносульфонаты) — природные растворимые сульфопроизводные лигнина [7] 7000 12 000.

Алюминий 65% шамота,.

25% огнеупорной глины 10% бария с жидким стеклом 1000 2000.

50% шамота, 20% кварцита, 20% огнеупорной глины 10% бария 2600 5300.

Никель и нихром Плавленый периклаз 2−3% буры или борной кислоты 600 1000.

По условиям работы огнеупоров в доменной печи выделяют семь зон. Верхнюю часть называют колошником. Шахта состоит из двух частей: верхней, неохлаждаемой, и нижней, водоохлаждаемой. Затем идет распар — зона восстановления. В следующую зону — заплечики — подается дутье (зона горения). Ниже находится цилиндрическая часть — горн, в верхней части которого устроены шлаковые летки, а в нижней — чугунные. Дно печи — лещадь. Максимальная температура зон: в верхней части шахты и в газопроводах 300−400 °С, в нижней части шахты 1200−1500 °С, в заплечиках 1710−1750 °С, в горне 1550−1600 °С, в лещади 1300 °C, в желобе 1500 °C.

Сталь из мартеновской печи или конвертера поступает в ковш при 1550−1600 °С, поэтому все огнеупоры в ковше (футеровка, стопорные трубки, пробки, стаканы) в момент заливки подвергаются резкому термическому удару. Следовательно, они должны быть термостойкими, причем наибольшие требования в этом отношении предъявляют к пробкам и стопорным трубкам.

Конструктивные элементы наиболее ответственных участков (ковши, дно шахт) выполняются из корундовых высокоглиноземистых огнеупоров, имеющих большую термостойкость и химическую инертность. Шамотные огнеупоры применяют для футеровки доменных печей, нагревательных и обжиговых печей, котельных топок и др., а также для изготовления сифонных изделий для разливки стали [2, 6, 10].

Огнеупорные и теплоизоляционные материалы выполняют главную задачу в промышленной теплоэнергетике: сохранение тепла и поддержание температуры на требуемом технологическом уровне. Общая пористость теплоизоляционных материалов обычно составляет не менее 45%. Теплопроводность зависит не только от общей пористости материала, но и от размера пор, формы пор, характера структуры (распределения пор) и минерального состава. Применение огнеупорных легковесных изделий позволяет экономить время на разогреве и охлаждении печей в 5 раз [2, C.732].

Неформованные шамотные огнеупоры изготовляют из измельчения шамота и связующих материалов и применяют в виде мертелей, набивных масс, порошков, заполнителей бетонов и др. при выполнении и ремонте огнеупорных футеровок разных тепловых агрегатов [5, C.219−220].

Недорогие бокситовые изделия составляют значительную часть высокоглиноземистых огнеупоров. Область их применения, помимо черной металлургии, они применяются при производстве сводов дуговых печей, а также вращающиеся печей цементной промышленности. При надлежащем выборе бокситовых зерен, типа и количества связующей глины, температуры обжига можно добиться ограничения дополнительного роста бокситовых изделий при службе. Это так называемое дополнительное линейное расширение, вызванное образованием муллита, возникает в температурном диапазоне, в котором подвергается воздействию нагретая часть изделия. При этом обеспечивается уплотнение швов в кладке. Бокситовые изделия не обладают стойкостью к СО, что следует учитывать при их использовании в арматурном слое футеровки чугуновозных ковшей миксерного типа. Бокситовые изделия на фосфатной связке применяются в печах для плавки алюминия, в раздаточных печах и печах для сжигания отходов [2, 5].

Андалузитовые и силлиманитовые изделия обладают высокими сопротивлением ползучести и термостойкостью. Они хорошо противостоят разъеданию шлаками с относительно невысоким содержанием извести или оксида железа. В этих изделиях часто сохраняется некоторое количество исходных материалов, которые в процессе службы превращаются в муллит с небольшим увеличением объема. Эти изделия широко используются в конструкции печей черной металлургии, в печах для сжигания отходов и стекловаренных печах.

Высокообожженные муллитовые изделия, в том числе с добавкой циркона, демонстрируют высокие результаты службы в печах с высокотемпературным обогревом при температурах до 1750 °C и в верхнем строении стекловаренных ванных печей (в особенности при производстве боросиликатного стекла Е).

Корундовые изделия на муллитовой связке, содержащие приблизительно 90% Al2О3, применяют в индукционных печах и в качестве плит скользящих затворов (с пековой пропиткой) при непрерывной разливке стали. Они имеют хорошую термостойкость, которая может быть дополнительно повышена введением добавки сырья, содержащего диоксид циркония. Корундовые огнеупоры на сиалоновой связке используются для плит скользящих затворов и в доменных печах. Корундовые изделия с 99% Al2О3 выдерживают очень высокие температуры в средах, содержащих СО и водород. Изделия применяют в специальных печах нефтехимического и химического производства (например, в сажевых реакторах).

Корундовые огнеупоры применяют в агрегатах с рабочей температурой до 1750−1800°С, они обеспечивают необходимую стойкость в условиях контакта со шлаком, жидким металлом, расплавом стекла, щелочами и кислотами. Из корундовых огнеупоров изготовляют корундовые плиты для шиберных затворов сталеразливочных ковшей, изделия для футеровки камер вакууматоров стали, насадки высокотемпературных воздухонагревателей, чехлы термопар, тигли для плавки стекол, металлов и др.

Корундохромоксидные изделия отличаются высокой стойкостью к шлакам состава CaO-FeO-SiО2 и расплавам стекла, в особенности к расплавам окрашенного стекла и стекломассы для производства стекловолокна. Поэтому эти изделия пригодны для зон интенсивного коррозионного и эрозионного воздействия в стекловаренных печах (а также для горячего ремонта), в печах для сжигания отходов и в доменных печах.

Высокоглиноземистые изделия в целом превосходят шамотные по стойкости к коррозии. При воздействии шлаков, характерных для черной металлургии, в ре-акционных зонах образуются анортит, вторичный корунд или муллит, шпинель типа герцинита (FeAl2O4), а иногда даже гексаалюминат кальция (CaO-6Al2О3) [3, C.64].

Неформовованные корундовые огнеупоры — мертели и бетоны с корундовым заполнителем применяют для футеровки патрубков вакууматоров стали, а массы и обмазки — для изгототовления и ремонта огнеупорных футеровок с рабочей температурой более 1700 °C. Неформованные высокоглиноземистые огнеупоры типа МЛ и МК применяют в виде набивных масс для сталеразливочных ковшей, мертелей и т. п.

Заключение

В данной работе рассматривались наиболее распространенные в промышленности шамотные и высокоглиноземистые огнеупоры. Указанные материалы относятся к алюмосиликатным огнеупорам, полученным на основе двухкомпонентной системы Al2O3-SiO2. В рамках данной работе рассматривались такие вопросы, как состав, технология производства и область применения шамотных и высокоглиноземистых огнеупорных материалов. В заключение, укажем основные выводы.

Шамотные изделия состоят главным образом из оксидных компонентов SiО2 и Al2О3. Содержание SiО2 составляет 50−80%, Al2О3 — 10−45%. Сырьем для производства шамотных изделий могут служить природные глинистые материалы, содержащие не менее 30% Al2О3, а также синтетическое сырье и продукты переработки керамических отходов.

Высокоглиноземистыми называются огнеупорные изделия, содержащие более 45% А12О3. Для их производства используют различные виды как природного, так и искусственного высокоглиноземистого сырья: минералы силлиманитовой группы — кианит, андалузит, силлиманит; природные гидраты глинозема — гидрагиллит, бемит, диаспор, входящие в боксит, искусственный прокаленный гидрат глинозема, природный и электроплавленый корунд.

Кроме того, при производстве огнеупоров в реакционную массу добавляются связующие и различные специальные добавки, улучшающие эксплуатационные характеристики материала.

Технологические схемы производства шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров несколько различаются, однако все они включают в себя операции подготовки исходных компонентов, измельчения, классификации и хранения порошков, дозирования и смешения компонентов шихты, получения масс, формования изделий, термообработки (сушка и обжиг) и классификации, упаковки, хранения, транспортирования.

Получение готовых изделий из шамота возможно двумя способами: полусухим и пластичным прессованием. Первый способ заключается в увлажнении связующей глины до 8−9-процентной влажности и последующем прессовании с шамотом под высоким давлением. Второй способ заключается в замачивании реакционной массы до получения пластичного теста, для чего используют пластичные тонкодисперсные и хорошо размокающие в воде глины, образующие пластичное тесто при 30% относительной влажности и последующем введении 60% отощителя — шамота и фильтрования полученной смеси на ленточном прессе. В промышленности практически повсеместно распространен первый из указанных способов, так как с его помощью получают продукт с более высокими эксплуатационными характеристиками.

Способы получения высокоглиноземистых огнеупоров достаточно разнообразны и различаются между собой по количеству оксида алюминия в исходном сырье.

Преимущественно шамотовые и высокоглиноземистые огнеупорные материалы используются черной и цветной металлургии. Из указанных материалов изготавливаются конструктивные элементы доменных печей, ковши для транспортировки расплавленного металла и другое оборудование, работающее в зоне высоких термических воздействий и подверженное резким перепадам температуры при эксплуатации.

Огнеупорные и теплоизоляционные материалы выполняют главную задачу в промышленной теплоэнергетике: сохранение тепла и поддержание температуры на требуемом технологическом уровне. Кроме того, огнеупорные материалы используются в атомной энергетике, в конструкционных элементах энергетического оборудования в условиях воздействия высоких температур и различных агрессивных сред.

Список использованной литературы Гузман И. Я. Химическая технология керамики. Учеб. пособие для вузов — М.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2003. — 496 с.

Кащеев И.Д. и др. Химическая технология огнеупоров. Учебное пособие. М.: Интермет Инжиниринг, 2007 г. 752 с.

Алленштейн Й. Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания. Справочник. Пер. с нем. — М.: Интермет Инжиниринг, 2010 г. — 392 с.

Сулименко Л. М. Общая технология силикатов. — М.: Инфра-М, 2004. — 335 с.

Будников П.П., Бережной А. С., Булавин И. А. и др. Технология керамики и огнеупоров. — М.: Государственное издательство по строительству, архитектуре и строительным материалам, 1962. — 708 с.

Кащеев И.Д. и др. Огнеупоры для промышленных агрегатов и топок. Кн. 1. Производство огнеупоров. Справочное издание: В двух книгах. — М.: Интермет Инжиниринг, 2000. — 663 с.

Патлах В. В. Глиняный шликер. Энциклопедия Технологий и Методик // Автор и составитель Патлах В. В. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.patlah.ru., 1993;2007 гг.

Огнеупорные материалы в металлургии. [Электронный ресурс]. Режим доступа:

http://www.markmet.ru/content/ogneupornye-materialy-v-metallurgii, 2007;2012 гг.

Воронов Г. В., Старцев, В. А. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения. -Екатиринбург: УГТУ-УПИ, 2006. — 303 с.

Крупа А.А., Городов В. С. Химическая технология керамических материалов. Учебное пособие — Киев: Выща шк., 1990. — 399 с.