Способ приготовления массы для изготовления углеродсодержащих огнеупоров

 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам производства углеродсодержащих огнеупоров, используемых для футеровки высокотемпературных металлургических агрегатов, преимущественно конвертеров, электроплавильных печей, агрегатов внепечной обработки и транспортировки стали. Способ приготовления массы для изготовления углеродсодержащих огнеупоров включает смешение 70-97 мас.% огнеупорного компонента, 3-30 мас.% графита в качестве твердого углеродного компонента и, сверх 100%, 0,1-10 мас.% антиоксиданта и 4-8 мас.% комплексного органического связующего, содержащего пек и фенольную смолу, с дополнительным введением технического углерода с удельной поверхностью 8-10 м²/г в количестве, обеспечивающем соотношение технического углерода к графиту (1:5) - (1:10), причем смешение осуществляют в два этапа: на первом этапе технический углерод гомогенно распределяют среди антиоксиданта, порошкообразной части комплексного органического связующего и тонкодисперсной части огнеупорного компонента, а затем перемешивают приготовленную тонкодисперсную часть массы с зернистым огнеупорным компонентом, графитом и жидкой частью комплексного связующего. Предложенный способ позволяет получить массу для изготовления углеродсодержащих огнеупоров, которая обладает сбалансированным сочетанием прочности и шлакоустойчивости. 2 табл.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам производства углеродсодержащих огнеупоров, используемых для футеровки высокотемпературных металлургических агрегатов, преимущественно конвертеров, электроплавильных печей, агрегатов внепечной обработки и транспортировки стали.

Стойкость футеровки высокотемпературных металлургических агрегатов, работающих в режиме многократных ударов струи расплавленного металла при их заполнении и контакта со шлаком, во многом зависит от прочности и шлакоустойчивости огнеупоров, из которых эта футеровка изготовлена.

Известны способы повышения износоустойчивости изделий, получаемых из масс, приготовленных смешением в одну стадию периклазосодержащего наполнителя, кристаллического графита в качестве углеродного компонента, антиоксиданта и органической связки в виде твердой и/или жидкой фенольной смолы, за счет введения в состав масс компонентов, улучшающих структуру и фазовый состав огнеупора (авт. св. SU 1609776 А1, С 04 В 35/04, 1990 г., авт. св. SU 1390221 А1, С 04 В 35/04, 1988 г.).

Однако достигаемый технический эффект недостаточен и износ наиболее нагруженных участков футеровки (шлакового пояса и зоны падения струи металла) из таких огнеупоров значительно опережает износ остальных участков кладки.

Известен огнеупор, изготовленный из массы, компоненты которой - плотноспеченный периклаз, твердый углеродный компонент, антиоксидант, связующий и пропитывающий компонент - жидкая термотвердеющая каменноугольная смола и каменноугольный пек, перемешивают в одну стадию (патент US 4521357, С 04 В 35/04, 1988 г.).

Применение таких огнеупоров для футеровки высокотемпературных металлургических агрегатов позволяет обеспечить достаточно высокий уровень стойкости футеровки, так как используемая каменноугольная связка формирует после термодеструкции высокопрочный графитоподобный кристаллический каркас, придающий огнеупору высокую термопрочность и коррозионную стойкость. Однако применение только пековых связок возможно лишь по горячему процессу, при котором необходим нагрев компонентов до температуры не менее 80^oС и поддержание ее на всех стадиях технологического процесса. Кроме того, в интервале температур от начала размягчения до коксообразования связки на основе каменноугольного пека находятся в пластично-текучем состоянии. Поэтому, для недопущения деформации огнеупора и предотвращения образования в нем структурных дефектов, необходимо соблюдать трудновоспроизводимый режим термической обработки. При применении разогретых каменноугольных связок неизбежны также проблемы с обеспечением экологической чистоты производственной среды.

Прототипом заявляемого решения является огнеупор, компоненты которого - 70-97 мас.% мертвообожженного периклаза, 3-30 мас.% углеродного компонента в виде пластинчатого графита и, сверх 100%, от 0,1 до 10 мас.% антиоксиданта и от 1 до 6 мас.% углеродного связующего, в частности, смеси фенольной смолы с пеком, перемешивают по традиционной технологии - в одну стадию (патент US 5262367, С 04 В 35/04).

Такой огнеупор технологичен в изготовлении (применима технология холодного смешения с ее экономическими и экологическими преимуществами) и обладает после отверждения связки прочностью, сопоставимой с прочностью изделий на каменноугольной связке. Это позволяет достаточно успешно применять его на участках футеровки с экстремальными механическими нагрузками, в частности, в зоне падения струи металла, напряжения в которой не превышают прочности огнеупора и поэтому не приводят к его разрушению. Однако шлакоустойчивость такого огнеупора не соответствует требованиям к огнеупорам для современных высокоинтенсивных металлургических процессов, например, к огнеупорам для футеровки шлакового пояса агрегатов типа ковш - печь.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка такого состава массы для изготовления углеродсодержащих огнеупоров, которая обладала бы высоко сбалансированным сочетанием прочности и шлакоустойчивости.

Поставленная задача решается за счет того, что приготовление массы, содержащей 70-97 мас.% огнеупорного компонента, 3-30 мас.% графита в качестве твердого углеродного компонента и, сверх 100%, 0,1-10 мас.% антиоксиданта и 4-8 мас.% комплексного органического связующего, содержащего пек и фенольную смолу, в которую дополнительно вводят технический углерод с удельной поверхностью 8-10 м²/г в количестве, обеспечивающем соотношение сажи к графиту (1: 5) - (1:10), осуществляют в два этапа: на первом этапе технический углерод гомогенно распределяют среди антиоксиданта, порошкообразной части комплексного органического связующего и тонкодисперсной части огнеупорного компонента, а затем перемешивают приготовленную тонкодисперсную часть массы с зернистым огнеупорным компонентом, графитом и жидкой частью комплексного связующего.

Использование заявляемого способа изготовления массы указанного состава обуславливает формирование прочной структуры и одновременно ослабляет капиллярную миграцию шлака в поры огнеупора, что и позволит получить углеродсодержащий огнеупор с высоко сбалансированным сочетанием прочности и шлакоустойчивости.

При использовании технического углерода с удельной поверхностью менее 8 м²/г шлакоустойчивость огнеупора ухудшается, вероятно, в результате снижения эффективности защиты мелких канальных пор от проникновения в них металлургических шлаков под влиянием сил капиллярного всасывания. Увеличение удельной поверхности сверх 20 м²/г способствует интенсивному росту упругого расширения огнеупора после снятия прессовой нагрузки, результатом которого является разрыхление его структуры, приводящее к снижению прочности и интенсификации шлакоразъедания.

Использование технического углерода указанной дисперсности в количестве менее заявляемого снижает эффект его присутствия, а превышение сопровождается уменьшением прочности огнеупора.

Предварительное гомогенное распределение относительно малых количеств технического углерода среди антиоксиданта, порошкообразной части комплексного органического связующего и тонкодисперсной части огнеупорного компонента способствует усилению его функциональных свойств за счет достижения более равномерного и воспроизводимого распределения по объему массы.

Для изготовления массы можно использовать: в качестве огнеупорного компонента - спеченный или плавленый периклазовый порошок, плавленую или спеченную алюмомагнезиальную шпинель и их комбинации, корунд, боксит; в качестве углеродного компонента - графит, кокс, спель, отходы производства электродов; в качестве антиоксиданта - металлы (Al, Mg, Si), либо их сплавы, карбид бора, нитрид бора, нитрид кремния либо их смеси; в качестве твердой части органической связки - связующее фенольное порошкообразное и пек; в качестве жидкой части органической связки - этиленгликоль, синтетические фенолформальдегидные смолы.

Ниже приведены примеры приготовления массы по заявляемому способу и свойства углеродсодержащих огнеупоров, изготовленных из масс различных составов. Составы испытанных масс сведены в таблицу 1, а свойства изготовленных огнеупоров - в таблицу 2.

Массу, содержащую 60 мас. % зернистого спеченного периклаза, 25 мас.% тонкодисперсного спеченного периклаза, 12,5 мас.% графита, 2,5 мас.% технического углерода марки Т900 по ГОСТ 7885 с удельной поверхностью 12 м²/г, а сверх 100% - 5 мас.% металлического алюминия, 3,5 мас.% твердой фенольной смолы, 1 мас.% молотого пека и 1,5 мас.% этиленгликоля (состав 1 таблицы 1) готовят следующим образом.

Первоначально в лопастной смеситель загружают отдозированные согласно рецептуре массы тонкодисперсный периклаз, технический углерод, антиоксидант, порошок фенольной смолы и молотый пек и перемешивают в течение 12 мин.

Перемешивание всех компонентов массы огнеупора производят в скоростном смесителе "Айрих", куда в количествах, соответствующих составу массы, загружают зернистый периклаз, заливают 2/3 необходимого количества этиленгликоля, перемешивают в течение 2 мин, вводят графит, перемешивают 3 мин, заливают оставшуюся порцию этиленгликоля, перемешивают 3 мин, после чего засыпают приготовленную ранее тонкодисперсную смесь периклаза, пека, технического углерода, порошкообразной фенольной смолы и антиоксиданта и окончательно перемешивают все компоненты в течение 5 мин.

Готовая масса однородна, сыпуча, не образовывает коржей, не схватывается при хранении, не налипает на оборудование, обладает хорошими реологическими свойствами.

Из приготовленной массы на гидравлическом прессе по давлением 120 н/мм² формуют цилиндры диаметром и высотой 50 мм и прямоугольные призмы длиной 150 мм и сечением 25•25 мм. Все образцы первоначально термообрабатывают в воздушной среде в течение 10 ч при максимальной температуре 230^oС, после чего помещают в короб с коксовой засыпкой, закрывают крышкой и подвергают нагреву в муфеле в течение 10 ч до температуры 1000^oС (имитация разогрева футеровки металлургического агрегата перед заливкой металла). На скоксованных цилиндрах при комнатной температуре определяли предел прочности при сжатии раздавливанием на гидравлическом прессе и шлакоустойчивость в конвертирующем потоке нагретого до 1680^oС конвертерного шлака состава, мас.%: СаО - 46,20, SiO₂ - 18,34, Аl₂O₃+TiO₂ - 15,66, Fe₂О₃ - 5,28, FeO - 11,20, МnО - 1,16, МgО - 2,16. Конвекцию шлака осуществляют путем вращения образца с синхронным числом оборотов в минуту 16. Для недопущения изменения химсостава шлака при контакте с воздухом в печи создают нейтральную среду путем подачи аргона. Каждый образец испытывают в новой порции шлака. Шлакоустойчивость образцов оценивают по относительному уменьшению их массы за время испытаний. Образцы в форме призмы используют для определения прочности при трехточечном изгибе при комнатной температуре.

Массу из составов 2-6 таблицы 1 готовят аналогичным образом, образцы из приготовленной массы формуют, термообрабатывают, коксуют и испытывают таким же образом.

Для изготовления образцов по известному способу (прототипу) принят состав 7 (таблица 1). Массу готовят следующим образом. В скоростной смеситель "Айрих" в количествах, соответствующих составу массы, первоначально загружают зернистый плавленый периклаз и 2/3 необходимого количества этиленгликоля, перемешивают в течение 2 мин, вводят графит одновременно с антиоксидантом, перемешивают 2 мин, заливают оставшееся количество этиленгликоля, перемешивают 2 мин, после чего засыпают тонкодисперсную спеченную алюмомагнезиальную шпинель, перемешивают 2,5 мин, в конце замеса подают молотый пек и одновременно - твердую фенольную смолу, окончательно перемешивают все компоненты в течение 5 мин. Формование изделий, их термообработку, коксование и оценку свойств производят как в описанном примере заявляемого способа.

Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что предлагаемый способ приготовления массы для изготовления углеродсодержащих огнеупоров обеспечивает получение изделий, которые без увеличения содержания в них углеродного компонента и при равноценной с прототипом прочности, превосходят его в шлакоустойчивости.

Пониженная, в сравнении с образцами, изготовленными из других составов, прочность образцов из состава 2 объясняется предельно высоким содержанием в нем углеродного компонента, который, хотя и повышает шлакоустойчивость (максимальный индекс шлакоустойчивости), однако из-за малого коэффициента трения ослабляет прочность структуры огнеупора.

Формула изобретения

Способ приготовления массы для изготовления углеродсодержащих огнеупоров путем смешения 70-97 мас. % огнеупорного компонента, 3-30 мас.% графита в качестве твердого углеродного компонента и, сверх 100%, 0,1-10 мас.% антиоксиданта и 4-8 мас.% комплексного органического связующего, содержащего пек и фенольную смолу, отличающийся тем, что приготовление массы, в которую дополнительно вводят технический углерод с удельной поверхностью 8-10 м²/г в количестве, обеспечивающем соотношение технического углерода к графиту (1:5) -(1:10), осуществляют в два этапа: на первом этапе технический углерод гомогенно распределяют среди антиоксиданта, порошкообразной части комплексного органического связующего и тонкодисперсной части огнеупорного компонента, а затем перемешивают приготовленную тонкодисперсную часть массы с зернистым огнеупорным компонентом, графитом и жидкой частью комплексного связующего.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2