огнеупорный камень и футеровка для металлоагрегатов

Формула изобретения

1. Огнеупорный камень, имеющий выступ на торцевой поверхности, смещенный относительно основной части камня с образованием выступа на боковой грани камня, отличающийся тем, что выступ на торцевой поверхности выполнен по всей ее ширине, при этом площадь выступа составляет 5 - 80% от общей площади торцевой поверхности.

2. Огнеупорный камень по п.1, отличающийся тем, что на боковой грани основной части, перпендикулярной боковой грани с выступом, выполнена по всей длине грани выемка, а на противоположной ей грани - выступ, повторяющий форму выемки.

3. Огнеупорный камень по п. 2, отличающийся тем, что выступ и выемка имеют треугольную, трапецеидальную, прямоугольную, полукруглую или овальную форму.

4. Футеровка агрегатов, имеющих несущий металлический корпус, содержащая арматурный и рабочий слои, отличающаяся тем, что арматурный слой выполнен из огнеупорных камней, имеющих по всей ширине торцевой поверхности, обращенной к металлическому корпусу, выступ, при этом площадь выступа составляет 5 - 80% от общей площади торцевой поверхности, и он смещен относительно основной части камня с образованием выступа на боковой грани камня.

5. Футеровка по п.4, отличающаяся тем, что на боковой грани основной части огнеупорного камня, перпендикулярной боковой грани с выступом, выполнена по всей длине грани выемка, а на противоположной ей грани - выступ, повторяющий форму выемки.

6. Футеровка по п.4 или 5, отличающаяся тем, что рабочий слой выполнен из огнеупорных изделий, состоящих из сочлененных основной и вспомогательной частей, причем вспомогательная часть смещена относительно основной в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной и цветной металлургии и предназначено для эксплуатации в ковшах, конвертерах и других тепловых агрегатах с несущим металлическим корпусом.

Известен огнеупорный камень (а.с. СССР N 321668, кл. F 27 D 1/04, опубл. 19.11.71, БИ N 35), у которого основная и вспомогательная части смещены друг относительно друга в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Такое смещение позволяет выполнить кладку футеровки вперевязку, что значительно повышает ее строительную прочность.

Однако теплопроводность такой футеровки определяется исключительно теплопроводностью огнеупорного материала, из которого выполнен камень, и, как правило, достаточно велика, что может привести к перегреву несущего металлического корпуса.

Ближайшим аналогом заявляемого огнеупорного камня является огнеупорный клиновидный камень, состоящий из основной и вспомогательной частей, смещенных относительно друг друга с образованием выступов на двух смежных гранях, примыкающих к расширенному торцу основной части камня и выемок на двух других гранях. При этом соотношение сторон поверхности суженного торца основной части камня и его высоты равно 1:1:(2-10), площадей торцевой поверхности вспомогательной части и расширенного торца основной части камня равно 1: (1,01 - 5), а смещение вспомогательной части камня относительно боковых граней основной его части составляет 1/5 - 1/50 от соответствующих сторон его расширенного торца (патент СССР N 1828532, кл. F 27 D 1/04, опубл 15.07.93, БИ N 26).

При выполнении футеровки из камня-прототипа к несущему корпусу обращена вспомогательная часть камня и, так как площадь торцевой поверхности вспомогательной части камня меньше площади расширенного торца его основной части, то выполненная футеровка у внутренней поверхности корпуса содержит пустоты, что способствует уменьшению теплопроводности футеровки и снижению ее массы. Кроме того, благодаря этим пустотам, часть кирпича не контактирует с металлическим корпусом и испытываемые им градиент температур, а соответственно и температурные напряжения уменьшаются, а значит увеличивается термическая стойкость кирпича.

В то же время вспомогательная часть огнеупорного камня, непосредственно примыкая к металлическому несущему корпусу, принимает на себя всю механическую нагрузку от веса металла и шлака и возмущения, связанные с вращением и остановками печей.

Поэтому, если площадь торцевой поверхности вспомогательной части, смещенной с образованием выступов на двух смежных гранях, будет меньше 20% площади расширенного торца основной части, то в процессе эксплуатации металлоагрегата в условиях передачи усилий вращения от корпуса на футеровку может произойти сдвиг сочлененных элементов, что приведет к разрушению футеровки.

Таким образом, площадь полости не может составлять более 80% торцевой поверхности, а значит форма огнеупорного кирпича-прототипа не позволяет существенно снизить потери тепла при проведении процесса.

Наиболее близким аналогом для заявляемой футеровки является двухслойная футеровка, состоящая из последовательно расположенных арматурного и рабочего слоев (патент РФ 2095192, кл. B 22 D 41/02, опубл. 10.11.97, БИ N 31).

Рабочий слой футеровки, соприкасающийся непосредственно с расплавленным металлом, обеспечивает необходимую сохранность металлургического агрегата от агрессивного воздействия высокотемпературных расплавов и газов.

Основным назначением арматурного (контрольного) слоя, непосредственно примыкающего к металлическому корпусу, является предохранение корпуса от высокотемпературной агрессии расплава в период возможных экстремальных ситуаций и от перегрева, а также сохранение температурного режима технологического процесса.

Эксплуатация рабочего слоя футеровки осуществляется до определенного состояния, когда ее остаточная толщина достигнет предельного (минимально возможного) значения, после чего металлургический агрегат останавливается на текущий ремонт для замены рабочего слоя футеровки. В этой связи огнеупорные изделия, составляющие рабочий слой подразделяются на основную (рабочую) и вспомогательную (предельно-допустимую оставшуюся) части.

В соответствии с указанным назначением, для рабочего слоя используют огнеупорные изделия, обладающие высокой шлако- и терморасплавоустойчивостью, то есть огнеупоры, способные сопротивляться высокотемпературному воздействию металла и шлаков.

Так, например, широкое распространение для использования в рабочем слое получили огнеупоры периклазоуглеродистого состава. Содержание углерода обеспечивает низкую смачиваемость огнеупоров, что соответственно приводит к повышению металло- и шлакоустойчивости. Однако такие изделия обладают высокой теплопроводностью, что заставляет обращать особое внимание на уменьшение теплопроводности арматурного слоя, чтобы избежать перегрева корпуса.

В настоящее время уменьшения потерь тепла достигают тем, что для арматурного слоя используют плотные алюмосиликатные (шамотные) огнеупоры. Такие огнеупоры обладают теплопроводностью, меньшей, чем магнезиальные, но имеют и меньшую термо- и шлакоустойчивость.

Это приводит к тому, что для обеспечения необходимой надежности футеровки приходится оставлять большую по величине остаточную толщину рабочего слоя кладки (вспомогательную часть), что снижает сроки эксплуатации металлургических агрегатов.

Целью изобретения является повышение стойкости и сроков службы футеровки, а также оптимизация температурного режима ее эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что предложен огнеупорный камень, имеющий по всей ширине торцевой поверхности, обращенной к металлическому корпусу, выступ (выступающий матричный участок), площадь которого составляет 5-80% от общей площади торцевой поверхности и который смещен относительно основной части изделия таким образом, что на боковой части изделия, по всей его ширине, образуется выступ.

Огнеупорный камень может иметь как квадратную, так и прямоугольную форму, а его толщина лимитирована только внутренним рабочим объемом металлургического агрегата. На практике общая толщина используемых огнеупоров (с учетом выступающего матричного участка) составляет 60-100 мм, высота матричного участка составляет 10-60% общей толщины камня, площадь образующегося бокового выступа составляет 10 - 33% от площади матричного участка.

Для повышения герметичности кладки футеровки, заявляемый камень по всей длине изделия, на боковой грани основной части, дополнительно может содержать выемку, а на противоположной грани - выступ, повторяющий форму выемки. Сочленение выступа и выемки при укладке камня усиливает эффект герметизации кладки.

Выступ и соответственно выемка могут иметь любую форму: треугольную, трапецеидальную, прямоугольную, полукруглую, овальную и т.д.

Заявляемые огнеупорные камни могут быть, в частности, использованы для выполнения арматурного слоя в двухслойных футеровках металлоагрегатов с несущим металлическим корпусом.

Предложена двухслойная футеровка агрегатов, арматурный слой которой, выполняется из заявляемых огнеупорных камней.

При этом рабочий слой может быть выполнен из любых подходящих огнеупоров, но предпочтительно использовать огнеупорные изделия, в которых вспомогательная часть, смещена относительно основной в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях.

При выполнении арматурного слоя футеровки стальковша, конвертера, вращающейся печи из заявляемого кирпича всю механическую нагрузку от веса металла и шлака и возмущения, связанные с вращением и остановками печей, принимает на себя выступающий матричный участок, непосредственно примыкающий к металлическому несущему корпусу.

Полость, образующаяся между остальной частью торцевой поверхности и корпусом агрегата, как правило, заполняется теплоизлятором, преимущественно волокнистого типа.

Предложенная форма огнеупорного камня, то есть выполнение выступающего матричного участка по всей ширине торцевой поверхности, обращенной к металлическому корпусу агрегата и смещение его с образованием выступа только по одной боковой грани, позволяет снизить площадь матричного участка до 5% от общей площади торцевой поверхности.

При этом площадь полости, обладающей теплоизоляционными свойствами, может достигать в арматурном слое 95%, что приводит к дополнительному снижению градиента температур и напряженности, а значит к увеличению температурной прочности огнеупора, надежности арматурного слоя и срока службы футеровки.

Одновременно, наличие в арматурном слое полости, заполненной термоизолятором, дает возможность использовать для арматурного слоя огнеупоры с несколько большей теплопроводностью, а это приводит к тому, что при избытке тепла в технологических процессах арматурный слой быстро поглощает тепло от рабочего слоя футеровки, с минимальными потерями аккумулирует его и в дальнейшем, при необходимости, восполняет дефицит тепла при разливке металла или других ситуациях, возвращая его рабочему слою.

Таким образом, использование в арматурном слое огнеупоров предлагаемой формы не только уменьшает теплопотери и увеличивает прочность арматурного слоя (а значит увеличивает сроки службы футеровки), но и позволяет оптимизировать температурный режим эксплуатации огнеупорной футеровки.

На фиг.1 представлен заявляемый огнеупорный камень (общий вид), на фиг.2 - заявляемая огнеупорная футеровка (в разрезе) выполненная для стальковша, на фиг. 3 - огнеупорный камень, используемый для выполнения рабочего слоя (общий вид).

Заявляемый огнеупорный камень (фиг.1) имеет по всей ширине торцевой поверхности 1, обращенной к металлическому корпусу, выступающий матричный участок 2. На боковой поверхности огнеупора, за счет смещения матричного участка образуется выступ 3. На перпендикулярной боковой грани 4, по всей ее длине выполняется выемка 5, а с противоположной стороны на том же уровне выступ 6, повторяющий форму выемки.

Заявляемая футеровка (фиг.2) состоит из двух огнеупорных слоев: арматурного 7, выполненного из заявляемого огнеупорного камня и примыкающего к металлическому корпусу 8 стальковша (или конвертера), и рабочего 9, соприкасающегося с расплавленным металлом.

Выступающий матричный участок 2 заявляемого огнеупора непосредственно соприкасается с металлическим корпусом 8 и передает на него механическую нагрузку от веса металла и шлака.

В углубление, образованное выступом 3 на боковой поверхности огнеупора, при монтаже футеровки входит смежный (соседний) огнеупор, что придает жесткость арматурному слою, несмотря на наличие полости 10, которая образуется между остальной частью поверхности 1 и корпусом 8. Противоположный торец 11 арматурного огнеупора соприкасается непосредственно с торцевой поверхностью вспомогательной части 12 огнеупора рабочего слоя.

Огнеупорный кирпич рабочего слоя (фиг.3) состоит из двух сочлененных частей: основной 13 и вспомогательной 12, смещенных друг относительно друга в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях. Торцевая поверхность основной части 13 рабочего огнеупора соприкасается непосредственно с расплавленным металлом.

В зависимости от состава и свойств применяемых огнеупорных материалов площадь матричного участка заявляемого камня может составлять 5-80% от общей площади торцевой поверхности теплоизоляционной части.

При величине матричного участка менее 5% механические усилия, передающие на несущий металлический корпус вес металла и шлака, могут превысить предел прочности матричного участка, что, соответственно, приведет к его механическому разрушению.

При величине матричного участка более 80% эффективность использования такой конструкции резко снижается.

Площадь выступа 3 на боковой части изделия, образованного матричным участком, составляет, как правило, 10-33% от площади матричного участка. Такая площадь выступа, с одной стороны, обеспечивает надежное зацепление смежных огнеупоров, благодаря чему арматурный слой обретает достаточную жесткость, несмотря на наличие полостей, а с другой - огнеупорный камень имеет форму, удобную для транспортировки и монтажа футеровки (огнеупоры с большим смещением легко подвергаются механическому разрушению).

Увеличивается также герметичность кладки арматурного слоя, что также увеличивает его надежность.

При площади выступа более 33% огнеупоры могут быть подвергнуты механическому разрушению как при их транспортировке, так и при монтаже футеровки.

При площади выступа менее 10% в процессе температурной деформации кладки могут нарушиться условия зацепления отдельных огнеупоров, что может привести к нарушению жесткости арматурного слоя и нарушению кладки футеровки.

Использование заявляемого огнеупорного камня для выполнения арматурного слоя футеровки металлоагрегатов приводит к увеличению службы футеровки независимо от того, какие огнеупоры используются для выполнения рабочего слоя, но для достижения оптимального результата рабочий слой заявляемой футеровки предпочтительно выполняют из огнеупорных изделий, в которых вспомогательная часть 12 смещена относительно основной 13 в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях.

При традиционно принятом сплошном строении огнеупорного камня и весьма условном разделении его на основную и вспомогательную части, градиент температур охватывает всю длину огнеупорного изделия, что предопределяет формирование максимальных по величине напряжений.

В заявляемом решении вспомогательная часть огнеупорного камня смещена относительно его основной части. Градиент температур в основной части огнеупорного камня уменьшиается, т.к. становится автономным и распространяется только на размеры этой части изделия. Соответственно уменьшается и величина температурных напряжений в зоне их концентрации, что значительно уменьшает или полностью исключает вероятность сколов, а также уменьшает микротрещинообразование, что, в свою очередь, сохраняет механическую прочность и эрозионную устойчивость. Описанный эффект увеличивается, если смещение осуществляется в двух направлениях.

Отметим также, что при таком смещении на одной или двух сторонах изделия формируются выступы, а с противоположной стороны соответствующие выемки, повторяющие форму выступов. Сочленение огнеупорных изделий в кладке производится таким образом, что выступы каждого огнеупорного камня заполняют соответствующие выемки прилегающих к нему смежных изделий. Продольные и поперечные швы в кладке полностью перекрываются, что увеличивает герметичность футеровки. Взаимное зацепление огнеупорных изделий полностью предотвращает возможность вымывания оставшейся части изношенных огнеупорных изделий, вследствие чего строительная прочность и надежность футеровки увеличивается. Надежность футеровки сохраняется до полного износа основной части рабочего слоя футеровки, что соответственно приводит к существенному увеличению ресурса ее работы.

Предложенная геометрическая форма огнеупоров рабочего слоя приводит к тому, что предельно допустимая остаточная толщина рабочего слоя футеровки, т. е. вспомогательная часть огнеупорного изделия, обеспечивающая необходимую надежность футеровки, может быть значительно уменьшена по сравнению с существующей ныне конструкцией кладки, что позволит весьма существенно повысить срок эксплуатации металлургического агрегата.

Проведенные опытно-промышленные испытания показали, что срок службы заявляемой футеровки на 40-60% превышает срок службы футеровки с традиционно используемыми конструкциями арматурного и рабочего слоев.