Износоустойчивые бесцементные огнеупорные массы

Ежемесячный научно-технический и производственный журнал "Новые огнеупоры". 2005. № 8. С. 9-12.
 
Канд. техн. наук В. И. Сизов, Л. А. Карпец. ОАО ДИНУР, ООО "РЕИН"
 
Приведены результаты разработок огнеупорных масс на основе плавленого корунда, шпинели и кварцевого стекла, предназначенных для применения в агрегатах черной и цветной металлургии (индукционные и канальные печи, миксеры литейного производства чугуна и алюминия). В отличие от традиционных разработанные массы могут использоваться в качестве не только сухих смесей, но и бетонов (не имея в своем составе цемента). Приведены результаты промышленных испытаний и внедрения.
 
Повышение требований к стойкости огнеупорных футеровок тепловых агрегатов приводит к необходимости совершенствования технологий масс и изделий на новом качественном уровне. Потребовался большой комплекс исследовательских работ и по определению направлений совершенствования огнеупоров, и по уточнению механизма износа футеровок. В частности, были сделаны шаги к разработке оборудования для получения тонкодисперсных порошков, применение которых способствует созданию более плотной структуры огнеупора и, следовательно, снижению скорости его износа в службе. Параллельно с этим необходимо было добиваться увеличения активности спекания огнеупора, а также уплотняемости его при формовании. Такое направление работ привело к подбору "активных" компонентов, которые способствуют решению этих задач.
Опыт использования огнеупорных масс для футеровки агрегатов чугуноплавильного и алюминиевого производства в отечественной и зарубежной практике указывает на перспективность применения масс на основе плавленого корунда, шпинели, кварцевого стекла. С учетом имеющихся заделов в данной работе в качестве объектов разработки были выбраны массы для футеровки агрегатов чугуноплавильного и алюминиевого производств.
При использовании белого электрокорунда для получения монолитного слоя, например в футеровке ванн печей выдержки чугуна, применяются легкоплавкие спекающие добавки и огнеупорная глина. Массы такого типа достаточно давно освоены в производстве и широко применяются в литейной промышленности.
Однако, как показал опыт, такой вариант не всегда является лучшим, поскольку из масс на основе белого корунда возможно изготовление футеровок только набивным способом, так как массы поставляются в увлажненном состоянии. Они имеют малый срок хранения (3-4 месяца) и замерзают в зимнее время, что требует специальных условий хранения или разморозки перед употреблением. Кроме того, они неприменимы для изготовления футеровок способом сухого виброформования, который считается одним из наиболее экономически выгодных.
Еще одним шагом, способствующим снижению пропитки огнеупора расплавами металла и шлака, можно считать введение легирующих добавок в плавленый материал (при его выплавке), которые позволяли бы корректировать состав огнеупора таким образом, чтобы при температурах эксплуатации на рабочей поверхности футеровки образовывалась остеклованная фаза, уменьшающая пропитку огнеупоров.
Регламентированное введение легирующих добавок, например в корунд, позволяет для определенного вида продукции получать тот интервал эксплуатационных параметров, который требуется для службы в конкретном агрегате.
При строгой регламентации зернового состава и применения узких фракций порошков титанистого корунда была получена мелкопористая структура масс, обеспечивающая меньшую пропитку футеровки расплавом чугуна. Несмотря на относительно высокую пористость, диаметр пор в футеровках из этих масс, как правило, меньше 10 мкм, что и обеспечивает малую пропитку расплавом металла. Кроме этого фактора, уменьшению пропитки способствует образование пластичного рабочего слоя, в том числе за счет легирования корунда оксидом титана.
Путем введения добавок смогли получить комплексную связку, обеспечивающую пластификацию масс и спекание их в интервале 250-800 ºC, а также универсальность применения масс в различных вариантах (сухая и полусухая, заливка).
При использовании полусухой набивки и заливки термостойкость их возрастает, что на наш взгляд, обусловлено более равномерным распределением спекающих добавок в массиве. В результате между зернами корунда образуются тонкие пленки стекла, в отличие от мостиковой структуры стеклообразования между зернами, которая получается в случае применения добавок в сухом виде. Следовательно, 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 предполагают использовать футеровку в неравномерном режиме эксплуатации, т.е. с частыми остановками и, соответственно, с резким охлаждением, то целесообразней применять полусухой или бетонный варианты ее изготовления.
Для агрегатов алюминиевого производства требуются отличные от применяемых в других производствах массы и изделия, подбор которых несмотря на его кажущуюся легкость из-за низкой температуры эксплуатации огнеупоров, тем не менее требует специфического подхода.
Главное условие - несмачиваемость расплавом алюминия, поскольку при пропитке металлом, например, шамотных и высокоглиноземистых огнеупоров, последующее окисление алюминия в порах приводит к образованию вторичного корунда с ростом объема и металлического кремния, частично остающегося в огнеупоре, частично диффундирующего в металл, загрязняя его. Изменение химического и фазового составов рабочей зоны огнеупоров с высоким содержанием SiO2, в частности шамотных, является причиной возникающего в процессе службы различия физико-керамических свойств (огнеупорности, прочности, плотности, температурного коэффициента линейного расширения) рабочей и наименее измененной зон огнеупора, что приводит к ослаблению границы между зонами и усиленному образованию трещин в рабочей зоне при термических и механических ударах.
В высокоглиноземистых огнеупорах в процессе службы появляется мощная разрыхленная переходная зона с трещинами, что объясняется объемными изменениями при образовании в условиях недостатка кислорода и избытка восстановителя оксидов алюминия и кремния низшей валентности. Муллитовая составляющая высокоглиноземистых огнеупоров также вступает в реакцию с алюминием. Поэтому при разработке масс, предназначенных для футеровки агрегатов алюминиевого производства, было опробовано введение в корундовые составы таких компонентов, как барит, плавленая алюмомагниевая шпинель и микрокремнезем. Эти материалы обеспечивают несмачиваемость огнеупоров алюминием и его сплавами, что проверяется тестированием - выдержкой в расплаве в течение 72 ч при 800-820 ºC.
Кроме этого приема, для улучшения формуемости, спекания, а следовательно, и увеличения плотности в состав масс вводили высококонцентрированную керамическую вяжущую суспензию (ВКВС) боксита, полученную путем тонкого помола в шаровой мельнице. ВКВС боксита содержит примерно 90 % частиц мельче 10 мкм, в том числе примерно 20 % ультратонких частиц менее 1 мкм. Использование ВКВС позволяет одновременно улучшить и прочностные показатели футеровки, что также немаловажно для ее успешной эксплуатации.
Исходя из этих предпосылок были разработаны корундобаритовые массы, содержащие 18-20 % BaSO4 и предназначенные для футеровки, в частности, индукционных печей плавки алюминия. Как показали результаты исследований, по эксплуатационным параметрам разработанные массы намного превосходят серийную продукцию огнеупорных заводов, которая применяется для футеровки этого типа печей (высокоглиноземистые массы ММК-65, ММЛ-65-1, ММЛ-65-2, с 65-75 % Al2O3). 
Изделия из разработанных масс можно готовить как путем прессования из полусухой шихты, так и виброформованием. Для достижения литьевых параметров достаточно довести влажность массы до 5,0-5,5 %, после чего ее можно заливать в форму. Последующая сушка и, если это необходимо, обжиг позволяют получать крупногабаритные изделия, например желоба разливочного тракта алюминия. Таким образом, получается вариант тиксотропных бетонов, но без цемента и добавок, активирующих разжижение смеси.
Лабораторные исследования термостойкости, проведенные на образцах из корундошпинельной массы, показали очень интересный результат. В отличие от стандартной методики, предусматривающей нагрев до 1300 ºC и охлаждение в воде, испытания проводили с нагревом образцов до 800 ºC, что больше соответствует уровню температур эксплуатации, с последующим охлаждением в воде. На образцах, изготовленных методом сухой набивки, 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 %. Образцы, изготовленные по бетонному варианту, были подвергнуты 47 теплосменам. 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. Тем самым было подтверждено ранее высказанное мнение о способе выбора изготовления футеровки в зависимости от такого фактора, как непрерывность или прерывистость эксплуатации агрегата.
По результатам проведенных исследований и разработок можно сделать заключение, что технологии подготовки бесцементных масс повышенного качества должны включать использование плавленых материалов (корунд, шпинель, кварц); введение при необходимости легирующих добавок в плавленый материал; применение узких фракций порошков; использование тонкодисперсных порошков с размерами частиц меньше 15 мкм, в том числе в виде ВКВС, содержащих ультрадисперсные частицы меньше 1 мкм; введение спекающих и пластифицирующих добавок, а также добавок, улучшающих коррозионную стойкость в расплавах металлов; строгую регламентацию зернового состава смесей; хорошее смешение многокомпонентных смесей с получением масс заданной консистенции (сухие, полусухие, заливные).
По результатам исследований для проверки в промышленных условиях были выпущены опытные партии масс (и изделий из них): из титанистого корунда для чугуноплавильных печей; корундошпинельной для печей плаки алюминия, лотков и желобов литейного тракта; корундобаритовой на основе ВКВС для печей плавки алюминия.
Из массы на основе титанистого корунда была изготовлена футеровка ванны индукционного канального миксера № 3 LFR 30/CSH вместимостью 30 тонн литейного цеха ковкого чугуна ОАО "Завод им. И. А. Лихачева". Ранее для изготовления ванн применялась масса МК-90, состоящая из корунда, глины и добавки ортофосфорной кислоты. Массу можно было использовать только для полусухой набивки, в то время как новая масса может применяться в трех вариантах: сухая набивка, полусухая набивка, заливка.
Изготовление футеровки ванны миксера ОАО "Завод им. И. А. Лихачева" из массы на основе титанистого корунда производилось по бетонному варианту, т.е. путем заливки массы с последующим уплотнением ее штыковкой и глубинным вибратором.
Во время пуска печи произошел уход металла через индуктор, вследствие чего печь была запущена в нормальную эксплуатацию только через 2 месяца. После замены индуктора футеровка печи отработала без замечаний в течении года. Печь была выведена из эксплуатации из-за прогара водоохлаждаемой рубашки индуктора и ухода металла, который повредил опорно-наклонный механизм печи, что не позволило заменить индуктор, как это было сделано в период пуска.
При проверке состояния футеровки после года эксплуатации не обнаружено ее износа: разгара, сколов, эрозии и т.п., поэтому масса рекомендована заводскими службами для последующего внедрения и на других печах.
Из массы на основе белого корунда с добавкой алюмомагниевой шпинели в ОАО "Каменск-Уральский металлургический завод" (КУМЗ) выполнили футеровку индукционной печи ИАТ-10 (10 т),для выплавки алюминиево-литиевых сплавов. Стойкость футеровки печи составила более 400 плавок (первоначально заводом было выдано техническое задание, по которому стойкость должна быть на уровне не менее 100 плавок).
Корундобаритовыми изделиями футерованы и 30-т печь для плавки алюминиевых сплавов и 30-т вакуумный миксер ОАО "КУМЗ". Изделия изготовляли на фрикционных прессах в форме прямого кирпича и ребрового двухстороннего клина. После сушки в сушилах при 150-160 ºC изделия обжигали в камерных печах с выдвижным подом при 1100-1150 ºC. Полученные параметры свойств оказались в пределах требований заказчика, в частности, предел прочности при сжатии превысил 60 МПа, открытая пористость была менее 19 %. Тестовые испытания на смачиваемость и пропитку расплавом алюминия дали положительные результаты, т.е. после 72 ч нахождения в расплаве на образцах не было обнаружено следов пропитки, а пленка металла после извлечения образцов из расплава и последующего охлаждения легко снималась, не захватывая частиц огнеупора.
Корундобаритовая масса была использована для изготовления футеровки тигля печи ИАТ-2,5 (2,5 т) для плавки алюминия в ОАО "АВТОВАЗ". Футеровку по рекомендации производителя выполняли методом набивки из массы влажностью 3,5 %. Вначале набивалась подина, после чего в печи был установлен и отцентрирован шаблон. После закрепления шаблона производили набивку стен. Набивку осуществляли слоями толщиной 50-6- мм с помощью пневмотрамбовок. Перед набивкой последующего слоя предыдущую взрыхляли на глубину 5-10 мм для того, чтобы при спекании не происходило расслаивания набивных слоев.
По заключению ОАО "АВТОВАЗ", стойкость футеровки при ее изготовлении из корундобаритовой массы увеличилась в 3-5 раз по сравнению со стойкостью футеровок, выполнявшихся ранее из обычных высокоглиноземистых масс ММЛ-65-1, ММЛ-65-2, ММК-65.
 
 
В. И. Сизов, Л. А. Карпец, 2005 г.