Массы для футеровки агрегатов производства и переработки алюминия и сплавов на его основе

Ежемесячный научно-технический и производственный журнал "Новые огнеупоры". 2002. № 1. С. 36-40.

Канд. техн. наук В.И. Сизов, В.Н. Тонков, Л.А. Карпец, канд.техн. наук И.А. Пихутин.

Приведены результаты разработки и внедрения масс для футеровки тигельных печей плавки алюминия, крупногабаритных лотков, желобов и других устройств для разливки.

Известно, что материалы с повышенным содержанием Al2O3 (муллит, обожженный боксит, корунд) и соответственно массы и бетоны на их основе оправдали себя на практике в течение десятилетий в футеровке различных узлов агрегатов плавки и разливки алюминия и алюминиевых сплавов.

Высококачественные огнеупорные футеровки для установок плавки и транспортировки алюминия изготавливаются из масс и огнеупорных бетонов, в которых одним из основных компонентов является корунд. Массы и бетоны такого типа выпускаются отечественными и зарубежными фирмами и, как показывает опыт, широко распространены.

Анализ технико-экономических показателей позволяет утверждать, что лучшие результаты получаются при применении, в частности, масс корундового и корундошпинельного составов (Al2O3-MgO•Al2O3), которые применяются для футеровки индукционных тигельных печей плавки алюминия и его сплавов (ИАТ), а также для изготовления крупногабаритных лотков, желобов. Самый экономичный вариант изготовления футеровок индукционных печей - виброуплотнение сухих масс с помощью вибрации шаблона многоразового использования. Спекание футеровки из сухих масс при низких температурах происходит за счет специальных добавок, в результате чего она достигает достаточной прочности уже при 400-450ºС, что позволяет извлечь шаблон и провести дальнейшее спекание футеровки до температуры эксплуатации без шаблона.

Широко известны массы, применяемые в бетонном варианте, т.е. затворяемые водой и содержащие гидравлически твердеющие или другие виды связок, обеспечивающих достаточно высокую прочность отформованного изделия при относительно низких температурах.

Далее рассматриваются результаты исследований по разработке и применению масс, предназначенных для футеровки различных элементов и узлов агрегатов производства алюминия и сплавов на его основе и являющихся альтернативными вариантами некоторым видам зарубежных и отечественных масс и бетонов.

ООО "РЕИН" совместно с ОАО "ДИНУР" освоено производство массы КСВШ, которая уже в течение нескольких лет успешно применяется в ИАТ-2,5 (вместимость 2,5 т.) на двух Красноярских предприятиях, а также в ИАТ-10 (вместимость 10 т.) на ОАО "КУМЗ" (массу используют в сухом виде без увлажнения). Эксплуатационные показатели печей, работающих на этой массе и массах других производителей, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты эксплуатации масс в футеровках ИАТ-2,5

Предприятие Масса Марка сплава Выплавка за кампанию, т Расход массы, кг/т Затраты, у.е./т
ООО "Красбилмет" КСВШ (РЕИН) Сплавы и лигатуры с tвыпл до 1200ºC включительно >1500 2,05 0,91
ОАО "АВТОВАЗ" Муллитовая ММК-65 (СОЗ) АК-6, АК-7, АК-12 >1500 2,67 1,07
Ирбитский мотозавод Шпинельная MgO•Al2O3 (БОЗ) АЛ-4 1000 3,3 1,32

Помимо использования в ИАТ, масса КСВШ прошла испытания в качестве футеровки крупногабаритных желобов в ОАО ОКСА. Испытания начались в марте 2001 г., когда на миксерах № 4 и № 5 литейной машины ПНГ-60 (№ 1) были установлены желоба, изготовленные из массы КСВШ по бетонному варианту, т.е. заливным способом. За период с 01.03.2001 г. по 31.08.2001 г. (6 мес) на литейной машине выпущено: миксер №4 - 23375 т слитков, миксер № 5 - 31 860 т слитков.

В процессе эксплуатации желобов периодически производился их визуальный осмотр для выявления износа футеровки, который не наблюдался более 9 месяцев. Желоба эксплуатировались в нормальном режиме.

В табл. 2 приведены нормативы технических условий, по которым выпускаются шпинельсодержащие массы. Корундовая, сухая, виброуплотняемая масса КСВШ-1 с добавкой шпинели применяется для монолитных футеровок печей выплавки чугуна и алюминиевых сплавов. Футеровки выполняются сухим, полусухим, и заливным способами, максимальная температура эксплуатации - 1500ºC. Бокситовая, сухая, виброуплотняемая масса БСВШ-1 с добавкой шпинели применяется для монолитных футеровок печей выплавки алюминиевых сплавов с температурой плавления 600-1200ºC. Максимальная температура эксплуатации 1300ºC.

Таблица 2. Нормативные показатели шпинельсодержащих масс по ТУ 1523-007-00187085-2001

Показатели Номы для марок
КСВШ-1 БСВШ-1

Массовая доля, %:

Al2O3

MgO

 

70

6-14

 

70

6-14

Массовая доля влаги, % не более 0,5 0,5

Остаток, %, на сетке номер:

5

2

05

025

 

 

5

24-32

16-24

12-19

 

 

5

22-30

19-25

8-14

Проход через сетку № 0063, % 19-25 20-26

Как отмечалось в статье {1}, во время разработки корундовых масс для чугуноплавильного производства было определено, что они универсальны для изготовления футеровок в сухом, полусухом и бетонном вариантах, что крайне интересно и выгодно для потребителей. Если ОАО "АВТОВАЗ" применяет массу КСВХ для футеровки индукционных печей плавки чугуна (ИЧТ) в сухом и полусухом вариантах, то в ОАО "Завод им. И.А. Лихачева" из этой массы была изготовлена заливная футеровка печи, и тем самым на практике подтверждена возможность использования разработанной серии масс по бетонной технологии.

Аналогичными свойствами, т.е. возможностями применения в сухом и заливном вариантах, обладает и масса КСВШ-1. Проведено исследование свойств этой и других масс. Образцы, изготовленные методами сухой набивки и заполнения металлической формы тиксотропной массой с последующим вибрированием после обжига при 800ºC и 1000ºC, не имели усадки. Помимо этого, проверялись и другие характеристики масс, которые позволяют более точно учитывать их эксплуатационные параметры, необходимые в последующем для конструкторских проработок, например теплоизоляции и расчета в случае необходимости компенсационных швов.

Немаловажным показателем является величина линейного расширения, результаты определения которого для массы КСВШ-1 приведены в табл.3.

Таблица 3. Термическое линейное расширение образцов из масс различных марок

Температура, ºC Расширение, %
КСВШ-1 ВГБСБ-3 КСВШ+барит БШ+барит
300 0,12 0,12 0,16 0,13
500 0,20 0,32 0,39 0,21
600 0,37 0,43 0,47 0,33
700 0,43 0,59 0,57 0,35
800 0,49 0,71 0,57 0,35
900 0,54 0,81 0,63 0,40
1000 0,63 0,95 0,71 0,44

Для решения вопросов снижения теплопотерь и соответственно расчета необходимой теплоизоляции одним из определяющих факторов является теплопроводность. Для определения ее, по стандартной методике изготовляли образец размерами 115х115х65 мм. по бетонной технологии. Результаты определения теплопроводности массы КСВШ-1 показали, что ее величина при 600ºC составляет 1,26 Вт/(м•К), при 800ºC - 1,47 Вт/(м•К), при 1000ºC - 1,6 Вт/(м•К). Такая теплопроводность относительно невелика и на уровне температур эксплуатации (800ºC) является средней между показателем теплопроводности шамотных (38-45 % Al2O3повышенно-плотных (пористость 6-10 %) и уплотненных (пористость 16-20 %) обожженных изделий и идентична величине теплопроводности муллитовых среднеплотных огнеупоров МЛС-62 пористостью 20-24 % {2}.

Лабораторные исследования термостойкости, проведенные на образцах из массы КСВШ-1, показали интересный результат. В отличие от стандартной методики, предусматривающей нагрев до 1300ºC и охлаждение в воде, испытания проводились с нагревом образцов до 800ºC, что больше соответствует уровню температур эксплуатации, с последующим охлаждением в воде.

На образцах, из массы КСВШ-1, изготовленных сухой набивкой, первые микротрещины появились после 7 теплосмен. В промежутке между 7-й и 10-й теплосменами наблюдалось шелушение и к этому моменту потери массы образца составили 2%.

На образцах, изготовленных по бетонному варианту, было 47 теплосмен. При этом не отмечалось появления трещин, в том числе и микротрещин, а потери массы составили только 0,6 %. Таким образом, образцы, изготовленные по бетонному варианту, значительно превзошли по термостойкости образцы, изготовленные методом сухой набивки.

Причиной резкого увеличения термостойкости бетонных образцов, вероятно, является более равномерное распределение спекающих добавок в массиве, что приводит к созданию тонких пленок стекла между зернами корунда и шпинели, в отличие от мостиковой структуры стеклообразования между зернами, которая получается в случае применения добавок в сухом виде. Исходя из этого, можно сделать вывод, что если агрегат будет работать в непрерывном режиме, то для его нормальной эксплуатации экономичней применять сухой вариант изготовления футеровки, так как при этом снижаются энергозатраты на сушку и уменьшается время вывода агрегата на эксплуатационный режим. Если футеровку предполагается использовать в неравномерном режиме эксплуатации т.е. с частыми остановками и соответственно с резким охлаждением, то целесообразней использовать бетонный вариант.

Не менее интересной для эксплуатационников может быть масса БСВШ-1 (см. табл. 2), которая в своей основе содержит высококачественный обожженный боксит, а следовательно, имеет более низкую цену, чем корундовые массы. В частности, эта масса (в варианте бетона) была успешно применена для футеровки индукторов нагревательных печей ГУП "Серовский механический завод", во время работы с которым были оптимизированы зерновой состав массы, изготовленной из боксита, и параметры влажности, необходимые для достижения тиксотропии.

Уже в 70-80-х годах рядом исследований было установлено, что введение добавок BaO чаще всего в виде сульфата бария или баритового концетрата (барита), резко снижает адгезию алюминия к футеровке, содержащей эту добавку.

В патенте США* сообщается, в частности, о том, что в огнеупоры для футеровки печей и других емкостей, контактирующих с расплавами алюминия, целесообразно вводить от 0,5 до 30 % BaSO. При этом желательна связка из растворов фосфатов.

Патентом ФРГ** на химически связанную массу, содержащую в основе обожженный боксит с высоким содержанием Al2O3, применяемую для футеровки агрегатов плавки алюминия , предусматривается введение 13-30 % измельченного сульфата бария. К массе, состоящей из боксита фракций 4-1 и 1-0,5 мм., сульфата бария и глинозема, добавляют 6 % ортофосфорной кислоты и воду в количестве, обеспечивающем общее содержание ее в смеси примерно 5 %. Из массы прессуют кирпичи или фасонные блоки, которые обжигают при 650-750ºC.

Достаточно много информации о процессах взаимодействия футеровки с алюминием и об использовании различных огнеупоров для печей плавки алюминия приведено в книге {3}. Там же сообщается, например, о том, что если в массу, применяемую для футеровки тиглей, добавить 10 % тонкомолотого барита, то пропитки и взаимодействия с алюминием не будет происходить. Почему в результате введения в массы BaSO4 прекращается инфильтрация алюминия, пока однозначно не выяснено, но тем не менее в течение многих лет ряд инофирм выпускают серию Al2O3-содержащих масс с добавкой барита.

Фирма "Didier" (ныне объединяющая фирмы "Veitscher", "Radex", и "Didier") производит массы, характеристики которых приведены в табл. 4.

Широко известно применение масс типа Rapidoblock производства фирмы "Basalt-Feuerfest". Эта фирма поставляет для ОАО "АВТОВАЗ", в частности, массу Rapidoblock LC 1752. Показатели, приводимые фирмой в проспекте, приведены ниже:

Массовая доля, %:

Al2O3..................................................60,3

SiO2....................................................27,2

CaO.....................................................3,0

BaO.....................................................6,0

Предел прочности при сжатии, МПа, после термообработки при температуре, ºC:

110........................................................................100

800.........................................................................80

1100.......................................................................30

Кажущаяся плотность, г/см. куб, после обжига при температуре, ºC:

800.........................................................................2,53

1100.......................................................................2,53

Объемные изменения, %, после обжига при температуре, ºC:

800..........................................................................0

1100......................................................................+0,2

Остаток, %, на сетке номер***

6...............................................................................2,0

3...............................................................................28,0

1...............................................................................15,5

0,5............................................................................11,2

Проход через сетку № 0063, %........................32,2

Пористость после обжига

при 800ºC***,%.....................................................15,2

__________________________________

* Пат. 4126474, США.

** Пат. 2842176, ФРГ.

*** Показатель не нормируется, приведены фактически полученные величины

Таблица 4. Характеристики некоторых видов масс, применяемых в производстве алюминия

Марка Массовая доля,

 

Линейная усадка (-),

рост (+), %, при

температуре, ºC

 

 

Предел прочности

при сжатии, МПа,

после термообработки

при температуре, ºC

 

Зернистость, мм

 

Al2O3 SiO2 Fe2O3 BaO 100 1000 110 1000
Didolit-20 25 61 0,9 6,5 -0,2

 

+0,2

(800ºC)

12 35 6-0
Legrit 105-1,7 Al 38 36 2,6 7,0 -0,05 -0,1 55 20 10-0
Comprit 105M 52 36 1,0 5,0 -0,05 +0,2 80 15 6-0
Didurit 105 Al 71 15 1?1 6,5 -0,05 -0,1 70 85 6-0

Масса готовится на основе корунда с добавкой шамота. Вяжущим является высококачественный высокоглиноземистый цемент. В связи с отсутствием в стране производства высококачественного цемента производство отечественного аналога в малых объемах с импортным цементом экономически невыгодно.

После проработки различных вариантов и проведения комплекса лабораторных исследований был сделан вывод о том, что можно пойти по пути использования технологии с применением ВКВС (высококонцентрированная вяжущая суспензия), основы которой были разработаны доктором техн. наук Ю.Е. Пивинским и освоены ОАО "ДИНУР". Технология, на наш взгляд, весьма перспективна, поскольку позволяет выпускать бетоны в тиксотропном варианте, нашедшем в последнее время наиболее широкое распространение за рубежом и все более широко применяемом в России.

Достаточные для уровня температур эксплуатации алюминия и его сплавов прочностные показатели огнеупорной футеровки можно получить не за счет цемента, а за счет комплексных связующих. При этом комбинация с баритом, как уже отмечалось, наиболее эффективна для этого металла и группы сплавов на его основе.

Исходя из вышеизложенного, были разработаны составы масс, которые, как показали результаты исследований, очень хорошо противостоят расплавам алюминия и позволяют легко снимать настыли металла с футеровки, т.е. футеровка приобретает свойство несмачиваемости.

Масса ВГБСБ-3, выпускаемая по ТУ 14-202-64-99, прошла промышленные испытания на алюминиевом заводе ОАО "ОКСА", в ОАО "КУМЗ" (в крупногабаритных желобах, лотках) и ОАО "АВТОВАЗ" (в печах для плавки, в частности на ИАТ-2,5, и в установках для разливки алюминия).

В ходе тестовых (в ОАО "КУМЗ" отработана методика таких испытаний) и промышленных испытаний на вышеуказанных предприятиях отмечено, что футеровка из массы ВГБСБ-3 легко очищается от настылей. Это резко отличает ее от масс других типов, таких как ММК-65, МК-90, периклазошамотного бетона.

В табл. 5 приведены нормативы технических условий, по которым выпускается масса ВГБСБ-3, и фактические данные по результатам контроля выпуска промышленных партий.

Таблица 5. Нормативные показатели массы ВГБСБ-3

Показатели Норматив по техническим условиям Фактические данные

Массовая доля, %:

Al2O3, не менее

SiO2, не более

CaO

BaO (BaSO4)

 

60

12

-

5-7 (7-10)

 

74-83

3,6-8,3

-

(9-10)

Остаток, %, на сетке номер:

6, не более

3

1

05

0063

 

10

15-25

15-25

5-12

30-39

 

2,8-4,6

21-23,5

18,9-22,1

8,5-11,3

33,5-35,9

Предел прочности при сжатии, МПа, не менее, после 

обжига при температуре, ºC, и выдержки 5 ч:

800

1100

 

 

15

20

 

 

16,8-20,2

22,4-29,0

Массовая доля влаги, %, не более 4,5 3,5-4,0

Показатель термического линейного расширения массы ВГБСБ-3 больше, чем массы КСВШ (см. табл. 3), но на уровне температур эксплуатации и у той, и у другой массы он невелик (0,7 и 0,5 % соответственно).

Дополнительно в табл. 3 приведены данные о показателе термического линейного расширения двух других опытных масс, в одной из которых (БШ) основой является боксит с содержанием Al2O3>83 % и, следовательно, она должна быть несколько дешевле массы ВГБСБ-3, основой которой служит корунд. Вторая опытная масса является версией КСВШ, в которую для снижения адгезии расплавленного алюминия к футеровке введена добавка барита.

По химическому и зерновому составам, а также физико-химическим характеристикам массы близки к зарубежным аналогам. Причем если масса Rapidoblock LC 1752 в основе своей состоит из корунда и шамота, масса Pliram 27 S (фирма "Плибрико") - из спеченного корунда и боксита, то масса ВГБСБ-3 готовится на основе плавленого корунда.

По данным проспекта фирмы "Плибрико", масса Pliram 27 S (с добавкой барита) рекомендуется для применения в футеровке ИАТ. Исходя из этого, а также учитывая результаты эксплуатации ИАТ-2,5 на ОАО "АВТОВАЗ", мы рекомендуем массу ВГБСБ-3 для футеровки тиглей ИАТ, причем при необходимости содержание BaO в массе может быть увеличено до 9%,, т.е. до величины, указанной в проспекте для массы Pliram 27 S. 

Анализ состояния отечественного производства масс на основе корунда и высококачественного обожженного боксита, предназначенных для футеровки агрегатов производства и переработки алюминия и сплавов на его основе, показал, что принципиально нерешаемых вопросов их выпуска нет, и только одна - две составляющие из-за необходимости закупки их за рубежом и соответственно высокой цены не позволяют выпускать полные аналоги импортных масс, поскольку они станут неконкурентоспособными.

Результаты промышленных испытаний и внедрения разработанных масс подтверждают, что наряду с ранее известными и достаточно широко распространенными материалами для футеровки печей и элементов установок транспортировки алюминия новые массы в ряде случаев предпочтительнее, поскольку универсальны в способе применения, а также дешевле импортных, т.е. являются альтернативным отечественным решением для потребителей этих видов огнеупорной продукции.

Необходимо отметить, что выпуск масс ведется под наблюдением разработчиков. Тщательно контролируются зерновой состав масс и введение необходимых дополнительных компонентов. В зависимости от конкретных условий, в которых предполагается эксплуатировать массы, с заказчиком согласуются количество спекающих добавок и выдаются рекомендации по способу применения поставляемых масс, т.е. осуществляется инжиниринг.

Библиографический список 

1. Сизов В.И., Тонков В.Н., Копейкина Л.Я., и др. Корундовые массы для футеровки печей чугуноплавильного производства // Огнеупоры и техническая керамика. 2001. № 9. С. 51-53.
2. Литовский Е.Я., Пучкелевич Н.А. Теплофизические свойства огнеупоров. - М.: Металлургия, 1982. - 150 с.
3. Сасса В.С. Футеровка индукционных электропечей. - М.: Металлургия, 1989. - 232 с.