Пути совершенствования технологии плавки и разливки цветных металлов за счет применения в футеровках новых огнеупоров

 

Ежемесячный научно-технический и производственный журнал "Новые огнеупоры". 2003. № 9. С. 16-18.

Канд. техн. наук В. И. Сизов, Н. А. Коэмец, В. Н. Тонков, канд. техн. наук И. А. Пихутин, Л. А. Карпец.
ООО "РЕИН", ОАО "ВОСТИО", ООО "ИТЦ", ОАО "ДИНУР".
 
Приведены результаты разработки и применения изделий из ВКМ в трактах разливки алюминия и его сплавов, масс на основе корунда для футеровки печей, крупногабаритных лотков и желобов, а также характеристики новых огнеупорных изделий для кладки футеровки печей плавки и переработки алюминия.
 

До настоящего времени на многих предприятиях окончательно не решен вопрос выбора керамических материалов, оптимально отвечающих условиям литья алюминиевых сплавов. В большинстве случаев в России для футеровки малогабаритных лотков, разливочных коробок и других устройств для разливки металла применяют асбест и его композиции с керамическими материалами. Срок службы таких изделий составляет 1-5 суток, к тому же асбест в последние годы причислен к канцерогенным веществам. В зарубежной практике в последние годы достаточно активно внедряются изделия и массы (обмазки) на основе кварцевого стекла.

Существует отечественный материал, основу которого составляет стеклосетка из кварцевого стекла - армированная керамика, хорошо зарекомендовавшая себя при работе в контакте со сплавами алюминия {1}. К настоящему времени, ООО "РЕИН" разработано и внедрено в производстве ОАО "ДИНУР" несколько модификаций армированной керамики, которые объединены общим названием - изделия из ВКМ (волокнистых композиционных материалов). Все они имеют одну общую основу - кремнеземистую стеклосетку, которая образует армирующий каркас. В качестве заполнителя используют огнеупорные порошки с фосфатной связкой. В зависимости от условий эксплуатации изделий состав заполнителя изменяется.

Изделия из ВКМ могут изготовляться очень широких форм сложности, например в виде пластин, лотков, коробок, чаш, трубок, тиглей, чехлов и т. д. В зависимости от назначения изделия могут использоваться как в виде вкладышей, т. е. тонкостенных конструкций, так и в виде самонесущих конструктивных элементов. Исходя из этого, технологией предусматривается различное расположение армирующей стеклосетки - с диагональным, поперечным или продольным расположением нитей.

В связи с организацией собственного производства плавленой алюмомагниевой шпинели в ОАО "ДИНУР" появилась возможность применить этот материал для изготовления армированной керамики, поскольку известно, что шпинель в комбинации с другими огнеупорными материалами (например, с корундом) обладает очень высокой устойчивостью на контакте с расплавами алюминия и сплавов на его основе.

Была отработана технология изделий из ВКМ марки АКБФ, которые выпускаются по ТУ 1595-016-00187085-2001. Физико-химические характеристики изделий: предел прочности при сжатии 3,7-10,5 МПа, открытая пористость 37,3-45,5 %, теплопроводность 0,5-0,6 Вт/(м•К), огнеупорность 1100-1200ºC.

В условиях ОАО "Саяногорский алюминиевый завод" с 2001 г. испытывались, а затем на основании положительных результатов промышленных испытаний были внедрены для литья изделия из армированной керамики 11 типоразмеров: чаши (коробки), лотки, втулки, чехлы термопар, пики {2}. Чаши и лотки изготавливают в четырех вариантах: тонкостенные (6-8 мм.) вкладыши в металлическом кожухе, самонесущие конструкции (толщина стенки 10-13 мм.), монолитные (чаша с лотком) и сочлененные (чаша и пристыковывающийся к ней лоток).

Результаты испытаний, а затем и внедрения показали, что изделия всех типов имеют срок службы 3-5 недель (вместо 1-5 суток), с расплавом алюминия не взаимодействует, образование оксидно-металлических наростов на элементах разливочного тракта, выполненных из АКБФ, незначительно, трещинообразование и потери механической прочности во время эксплуатации не наблюдается.

В течение  нескольких лет в ОАО "АВТОВАЗ успешно применяют чехлы для термопар марки АКБФ. Поскольку эти изделия имеют повышенную открытую пористость, не всегда удавалось избежать их пропитки расплавом алюминия. Известно, что добавки барита позволяют резко снизить пропитку огнеупоров алюминием, и это применяется при изготовлении корунд- и бокситсодержащих масс и изделий для футеровок печей и других агрегатов алюминиевого производства {3}. Отработав совместно с работниками ОАО "АВТОВАЗ" методику для снижения пропитки чехлов расплавом алюминия ввели отбраковку чехлов с помощью теста на продувку сжатым воздухом. Дополнительно с учетом положительного влияния барита на чехлы внедрили нанесение баритсодержащего покрытия, обеспечивающего низкую адгезию расплава алюминия к чехлу.

Известно, что изделия ПКБФ и ХКБФ (с применением в качестве огнеупорного заполнителя периклаза и хромистой шпинели соответственно) хорошо зарекомендовали себя в установках переработки и разливочного тракта в цинковом производстве. В настоящее время совместно с ООО "АТИС" (г. Челябинск) проводится по изготовлению из ВКМ (изделия АКБФ) теплоизолирующих плит для установок оцинкования проволоки, а также футеровки нового агрегата для переработки цинка; в последнем случае предусмотрено разработать такие изделия для футеровки ванны и крышки, в которой установлены нагревательные элементы. Удачное сочетание высокой износоустойчивости к расплаву, в частности цинка, и теплоизоляционных характеристик ВКМ позволяет рассчитывать на комбинированное использование изделий АКБФ в новом агрегате.

Помимо изделий из армированной керамики, в последние годы для агрегатов плавки и переработки алюминия и сплавов на его основе нами разработаны и совместно с ОАО "ДИНУР" освоены в производстве массы на основе корунда. Одну из них (КСВШ-1 по ТУ 1523-007-00187085-2001) готовят из смеси корунда и плавленой шпинели, вторую (ВГБСБ-3 по ТУ 14-202-64-99) - из смеси корунда, бокситовой суспензии и баритового концентрата. Масса КСВШ-1 выпускается в сухом виде, при разработке предполагалось применение ее только для сухой набивки. Однако в дальнейшем оказалось, что она является универсальной, т.е. может использоваться и для полусухой набивки (влажностью 3-3,5 %), и в наливном (бетонном) варианте {2}. Массу ВГБСБ-3, содержащую бокситовую суспензию, выпускают влажностью до 4,5 %, т.е. готовой к употреблению для полусухой набивки. В то же время при введении дополнительного количества воды она может быть использована в бетонном варианте.

Параллельно с испытаниями и внедрением изделий АКБФ в ОАО "Саяногорский алюминиевый завод" вели работы по использованию масс КСВШ-1 и ВГБСБ-3 в качестве футеровки крупногабаритных лотков и желобов {3}. В этом случае их применяли для изготовления футеровки наливным способом. Обе массы также хорошо зарекомендовали себя на линиях разливки. Так, на миксерах № 4 и № 5 литейной машины ПНГ-60 (№ 1) с марта 2001 г. были установлены желоба из массы КСВШ-1. За 6 месяцев на литейной машине ПНГ-60 было выпущено 55235 т слитков (в том числе 23375 т на миксере № 4 и 31860 т на миксере № 5). В течение первых 6 месяцев, а также в дальнейшем периодически производили визуальный осмотр желобов для выявления износа футеровки. В течение 11 месяцев наблюдений видимого износа футеровки не обнаружено, желоба эксплуатировались в нормальном режиме, очистка их от оксидно-металлических настылей не вызывала затруднений.

Аналогичные показатели были получены также на желобах, футерованных массой ВГБСБ-3 (массовая доля Al2O3 70-75 %). Таким образом, обе массы показали себя как высококачественный материал для футеровки крупногабаритных лотков и желобов для разливки алюминия.

В настоящее время желоба из массы ВГБСБ-3 изготавливаются на одном из уральских заводов и проходят испытания в ОАО "Новокузнецкий алюминиевый завод". ОАО "АВТОВАЗ" начиная с 2001 г. применяет массу ВГБСБ-3 для футеровки различных элементов разливочного тракта, а также печей ИАТ-2,5. Срок службы футеровки печи ИАТ-2,5 из массы ВГБСБ-3 в ОАО "АВТОВАЗ" почти в 3 раза превышает достигнутый ранее срок службы футеровки из высокоглиноземистых масс с содержанием Al2O3 65-75 %. Начиная с 2001 г. футеровку печи ИАТ-10 в ОАО "КУМЗ" выполняют из массы КСВШ-1. На базе этой массы готовят также ремонтные смеси, которые позволяют производить, не разрушая полностью всю футеровку, качественный ремонт изношенных участков, трещин и других повреждений.

Таким образом, уже в течении нескольких лет промышленные испытания и результаты внедрения разработанных нами масс на основе корунда свидетельствуют об их высоких служебных характеристиках в футеровках различных элементов агрегатов для плавки и разливки алюминия.

В 2002-2003 гг. совместно с ОАО "ДИНУР" разработана технология и освоено производство трех видов изделий для печей и миксеров алюминиевого производства. В основу этих разработок был положен опыт применения масс, разработанных ранее.

Характеристики изделий для печей плавки алюминия
Показатели ШП МКТБ ВГББ-3

Массовая доля, %:

Al2O3

MgO

Fe2O3

SiO2

BaO

Изменение массы при прокаливании

 

63,3

32,5

1,0

2,0

-

0,2

 

80,1

-

1,31

-

4,58

-

 

81,9

-

-

3,96

6,2

-

Кажущаяся плотность, г/см. куб. 2,84 3,07 3,2
Открытая пористость, % 19,6 14,6 15,9
Предел прочности при сжатии, МПа 82,9 97,5 80
Термостойкость (800ºC - вода), теплосмены >8* 12** >50

* 1000ºC - вода

** 1300ºC - вода

Так, один вид изделий (марки ШП) готовится из алюмомагниевой шпинели, второй (марки МКТБ) - из бокситобаритовой композиции, третий (марки ВГББ-3) - из корунда с бокситовой суспензией и добавкой барита. Все изделия успешно прошли тестовые испытания в ОАО "КУМЗ" (в расплаве алюминиевых сплавов), после чего были выпущены их опытно-промышленные партии. В ОАО "КУМЗ" в 2002 г. изделиями ШП была зафутерована печь № 22М, изделиями МКТБ - миксер № 22М. С момента пуска (октябрь 2002 г.) эксплуатация этих агрегатов не имеет нареканий по футеровке; в настоящее время производится выпуск изделий ВГББ-3. Физико-химические характеристики разработанных огнеупоров представлены в таблице.

Следует отметить, что, в частности, изделия МКТБ по пределу прочности при сжатии при 900ºC не уступают изделиям Resistal (53-55 и 54-58 МПа соответственно) и превосходят корундобаритовые изделия отечественных производителей (33-38 МПа). Благодаря высокой прочности изделий МКТБ при температуре эксплуатации можно производить чистку печей от настылей без разрушения футеровки, которое часто имеет место при применении рядовых огнеупоров (например, шамотных, которые до настоящего времени широко используют для футеровки плавильных агрегатов и вызывают нарекания эксплуатационников, когда необходимо производить чистку с помощью различных механизмов).

Библиографический список

1. Пихутин И. А., Коэмец Н. А., Сизов В. И. Пути совершенствования технологии изготовления малогабаритных изделий для разливки алюминия из волокнистых композиционных материалов // Технико-экономический вестник АЗ ОКСА. - 2002. - № 1(5). - С. 22-24.
2. Сизов В. И., Тонков В. Н., Карпец Л п. А., Пихутин И., А. Массы для футеровки агрегатов производства алюминия и сплавов на его основе // Новые огнеупоры. 2002. - № 1. - С. 36-40.
3. Пихутин И. А., Сизов В. И., Тонков В. Н. Разработка составов и способа изготовления футеровки крупногабаритных литейных желобов из огнеупорных заливных масс отечественного производства // Технико-экономический вестник АЗ ОКСА. -2002. - № 1(5). - С. 19-22.