магнезиальная масса для футеровки металлургических агрегатов

Формула изобретения

Магнезиальная масса для изготовления футеровки металлургических агрегатов, включающая магнезиальный заполнитель, неорганическое связующее, огнеупорный пластификатор, волокнистый материал, представленный органическим и неорганическим волокном, углеродсодержащий материал, отличающаяся тем, что дополнительно содержит антиоксидант в виде смеси с углеродсодержащим материалом и огнеупорным пластификатором, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5) соответственно, а соотношение органического и неорганического волокна в волокнистом материале составляет 1:(1,5-2,5) при следующем соотношении компонентов массы, мас.%:

Магнезиальный заполнитель
фракции менее 2 мм	Основа
Неорганическое связующее	3-10
Волокнистый материал	1-5
Смесь антиоксиданта, углеродсодержащего
материала и огнеупорного пластификатора	4-20

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления и ремонта футеровки высокотемпературных агрегатов черной и цветной металлургии с температурой службы до 1650°С, в частности для рабочей футеровки сталеразливочных ковшей, наружной футеровки патрубка вакууматора.

Масса для футеровки высокотемпературных металлургических агрегатов должна обладать стойкостью к расплавам металла и шлака при температурах до 1650°С и низкой теплопроводностью во избежание охлаждения этих расплавов. Кроме того, масса должна обладать адгезией, достаточной для ее сцепления с поверхностью арматурной футеровки, как в процессе ее нанесения, так и в процессе сушки, а также в течение всего срока службы и при этом легко отделяться по окончанию службы при охлаждении.

Известна магнезиальная масса для футеровки металлургических агрегатов, содержащая периклазосодержащий заполнитель (фракции 1-0,063 мм) - 57-75%, (фракции <0,063 мм) - 17-31%, полифосфат натрия - 0,2-0,8%, метасиликат натрия и/или сульфат магния - 1,7-4,8%, бентонит (фракции 0,5-0 мм) - 1,7-3,5, двуокись кремния (фракции <0,01 мм) - 1,5-3,4%, неорганическое волокно - 0,5-1,3% (патент RU №2159219, С 04 В 35/043, 2000 г.).

Недостатком этой массы является недостаточная стойкость к расплавам металла и шлака (металло- и шлакоустойчивость), высокая теплопроводность, а также приваривание массы к арматурной футеровке по окончанию срока службы.

Наиболее близкой по вещественному составу является огнеупорная торкрет-масса, содержащая не менее одного заполнителя магнезиального состава фракции менее 10 мм, в которой содержится более 5% фракции менее 0,074 мм; не менее одного неорганического волокнистого материала в количестве не более 5% и/или не менее одного органического волокнистого материала в количестве не более 5%; не менее двух неорганических связующих компонентов, составляющих суммарно от 1 до 10%; не менее одного углеродсодержащего материала в количестве не более 10%, а также от 5 до 25% воды. Причем в качестве неорганического связующего могут использоваться бентонит и глина. Российские стандарты относят бентонит к керамическим пластификаторам, глину - к огнеупорным пластификаторам (патент ЕР 0123755, С 04 В 35/043, 35/66, 1984 г.).

Недостатком этой массы является недостаточная стойкость футеровки к расплавам металла и шлака, обусловленная повышенным выгоранием углеродсодержащего материала в процессе предварительной термообработки на 1100°С. Так, при разогреве футеровки свыше 600°С происходит интенсивное окисление и выгорание углеродсодержащего материала, приводящее к образованию пористой структуры, что в дальнейшем в процессе службы проводит к проникновению расплава металла и шлака вглубь футеровочного слоя с последующим его размыванием. Кроме того, предложенная масса обладает недостаточной адгезией в процессе ее нанесения, а при использовании бентонита происходит приваривание массы к арматурной футеровке по окончанию службы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание массы для футеровки металлургических агрегатов, обладающей повышенной стойкостью к расплавам металла и шлака, пониженной теплопроводностью, хорошей адгезией к арматурной футеровке как при нанесении, так и при разогреве и в службе. Дополнительно решалась задача по ускорению процесса разогрева футеровки без образования трещин (сушки до 150°С и термообработки до 1100°С).

Поставленная задача решается за счет того, что магнезиальная масса для изготовления футеровки металлургических агрегатов, включающая магнезиальный заполнитель, неорганическое связующее, огнеупорный пластификатор, волокнистый материал, представленный органическим и неорганическим волокном, углеродсодержащий материал дополнительно содержит антиоксидант в виде смеси с углеродсодержащим материалом и огнеупорным пластификатором, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5) соответственно, а соотношение органического и неорганического волокна в волокнистом материале составляет 1:(1,5-2,5) при следующем соотношении компонентов массы, мас.%:

Магнезиальный заполнитель
фракции менее 2 мм	основа
Неорганическое связующее	3-10
Волокнистый материал	1-5
Смесь антиоксиданта, углеродсодержащего
материала и огнеупорного пластификатора	4-20.

Использование волокнистого материала в виде органического и неорганического волокна, взятых в указанном соотношении и количестве, обеспечивает качественное армирование слоя массы в процессе ее нанесения, сушки и термообработки, а также наиболее эффективно способствует формированию мелкопористой структуры за счет постепенного выгорания органического волокна в широком интервале температур (100-1000°С), а следовательно, уменьшению теплопроводности огнеупора без снижения метало- и шлако-устойчивости. Кроме того, образование мелкопористой структуры облегчает удаление паров воды и позволяет проводить быструю термообработку футеровки без образования трещин.

Использование в массе совокупности компонентов, включающей антиоксидант, огнеупорный пластификатор и углеродсодержащий материал:

- снижает теплопроводность футеровки и ускоряет процесс ее сушки вследствие формирования мелкопористой структуры, которая образуется при разогреве футеровки до 1100°С в результате частичного выгорания углеродсодержащего материала и увеличения в объеме частиц антиоксиданта;

- повышает стойкость футеровки к воздействию металлошлакового расплава за счет частичного сохранения углеродсодержащего материала от окисления и выгорания в процессе термообработки футеровки до 1100°С.

Защита от окисления и выгорания обусловлена наличием антиоксиданта, предотвращающего выгорание углеродсодержащего материала, и огнеупорного пластификатора, образующего малопроницаемый к проникновению кислорода воздуха, керамический слой, снижающий окисление углеродсодержащего материала. А частичную защиту от окисления и выгорания обеспечивает заявленное суммарное количество этих компонентов, взятых в соотношении (1-2):(2-4):(1-5).

Таким образом, заявленная масса для футеровки металлургических агрегатов обладает необходимым набором свойств, обеспечивающим стабильную эксплуатацию металлургических агрегатов при температурах до 1650°С.

Из научно-технической литературы неизвестно использование волокнистого материала в виде органического и неорганического волокна, а также антиоксиданта в смеси с огнеупорным пластификатором и углеродсодержащим материалом, в сочетании с магнезиальным заполнителем и неорганическим связующим, взятых в заявленных соотношениях и количестве.

Для изготовления образцов использовали следующие материалы:

- магнезиальный заполнитель: периклаз спеченный фракции 2-0 мм, 10-0 мм (в т.ч. фр. <0,074 мм - 90%), 1-0 мм (1-0,063 мм, <0,063 мм) с содержанием MgO - 92,5%, лом магнезиальных изделий фракции 2-0 мм: периклазохромитовых с содержанием MgO - 61,5%, периклазошпинельных с содержанием MgO - 65,4%; доломит спеченный с содержанием MgO - 51,6%;

- неорганическое связующее: натрий фосфорнокислый, сульфат магния, метасиликат натрия, борная кислота, диоксид кремния.

- органическое волокно длиной 3-8 мм: полипропиленовое волокно, полиэфирное волокно, отходы хлопка;

- неорганическое волокно длиной 10-12 мм: каолиновое волокно, асбест, каменная вата (базальтовое волокно);

- антиоксидант: алюминиевый порошок вторичный пассивированный АПВ-П фракции менее 0,2 мм, кремний кристаллический марки КР-1 фракции менее 0,088 мм, карбид кремния фракции менее 0,1 мм;

- огнеупорный пластификатор фракции менее 0,5 мм: глина Латненского месторождения с содержанием Al₂O ₃ - 34,1%, каолин с содержанием Al₂ O₃ - 38,1%;

- бентонит фракции менее 0,5 с содержанием Al₂O₃ - 13,8%;

- углеродсодержащий материал: графит марки ГТ-1 фракции менее 0,5 мм, нефтяной кокс фракции менее 0,063 мм, коксовое масло.

Все материалы промышленного производства.

Для изготовления образцов исходные компоненты перемешивали в планетарном смесителе, а затем увлажняли водой в количестве 10-20% сверх 100%. Образцы формовали на гидравлическом прессе при давлении 10 МПа. Далее образцы сушили при 150°С, затем термообрабатывали при 1100°С, 1600°С. Теплопроводность определяли по ГОСТ 12170-85 при 1200°С. Окисляемость оценивали по потере массы после нагревания до 1300°С со скоростью 300°С в час и в выдержкой 2 часа в окислительной атмосфере. Для определения окисляемости использовали предварительно термообработанные при 450°С образцы из массы №4 и массы-прототипа с равным содержанием углеродсодержащего материала (5% коксового масла). Для остальных составов определение окисляемости не проводилось в виду того, что сравнение значений окисляемости корректно только при равных количествах углеродсодержащих материалов. Адгезию определяли визуально при нанесении массы на поверхность шамотного кирпича, установленного вертикально, и при последующих термообработках при 150°С, 1100°С, 1600°С. Стойкость массы к металло-шлаковому расплаву оценивали по шлакоустойчивости тигельным методом. Для этого в тигли из масс, обожженные на 1600°С, помещали таблетки со шлаком и нагревали до 1550°С с выдержкой 3 часа. После этого тигли разрезали пополам и замеряли площадь разъедания шлаком. Составы и свойства заявляемых масс, а также масс аналога и прототипа представлены в таблицах 1 и 2.

Из полученных данных видно, что заявляемая масса для футеровки металлургических агрегатов обладает более высокой шлакоустойчивостью и более низкой теплопроводностью по сравнению с массами аналога и прототипа. Кроме того, она обладает более низкой окисляемостью по сравнению с массой прототипом. Также необходимо отметить, масса обладала хорошей адгезией при нанесении и не осыпалась по сравнению с массой-прототипом, а после обжига на 1600°С масса легко удалялась при механическом воздействии в отличие от массы аналога, где наблюдалось приваривание к поверхности кирпича.

Таким образом, использование заявляемой магнезиальной массы позволит повысить стойкость футеровки в службе, обеспечить хорошую адгезию и при этом исключить ее приваривание к арматурной футеровке, снизить время ее сушки и термообработки на 30%, предотвратить охлаждение металлургических расплавов за счет снижения теплопроводности.

Таблица 1
Компоненты шихты	Составы масс, мас.%				аналог	прототип
	1	2	3	4
Магнезиальный заполнитель, фракции 2-0 мм, %	88	71	78,5	77
Периклаз спеченный	60	40		77
Лом магнезиальных изделий
Периклазохромитовые	28		50,5
Периклазошпинельные		31	18
Доломит спеченный			10
Периклаз спеченный фракции 1-0 мм					90,5
Периклаз спеченный фракции 10-0 мм (в т.ч. фр. <0,074 мм - 90%)						79
Нерганическое связующее, %	3	8	6	10	5,5	10
Фосфорнокислый натрий	1	3		2	0,5	2
Сульфат магния		3	5	6		6
Метасиликат натрия	2			2	2,5	2
Борная кислота		2	1
Диоксид кремния					2,5
Волокнистый материал, %	5	1	3,5	5	1	6
Органическое волокно:
Полипропиленовое волокно	1		1	0,5
Полиэфирное волокно		0,37		1
Отходы хлопка	1			0,5		3
Неорганическое волокно:
Каолиновое волокно	3		1	2	1
Асбест		0,63	1
Базальтовое волокно			0,5	1		3
Соотношение волокна органическое: неорганическое	1:1,5	1:1,7	1:2,5	1:1,5	-	1:1
Смесь, %	4	20	12	8
Антиоксидант, %
Алюминий	1			0,5
Кремний кристаллический		2	0,5	0,5
Карбид кремния			1
Огнеупорный пластификатор, фракции 0,5-0 мм, %
Глина	2		2
Каолин		8	2,5	2
Бентонит					3
Углеродсодержащий материал, %
Графит	1		3
Нефтяной кокс		10	3
Коксовое масло				5		5
Соотношение антиоксидант: огнеупорный пластификатор: углеродсодержащий материал	1:2:1	2:4:5	1,5:3:4	1:2:5

Таблица 2
Свойства образцов	Номера масс
	1	2	3	4	аналог	прототип
Площадь разъедания, %	9,8	8,0	9,4	10,3	16,5	13,4
Коэффициент теплопроводности при 1200°С, Вт/м·К	1,07	1,13	1,04	1,10	1,22	1,08
Окисляемость при 1300°С, %	-	-	-	2	-	3,8
Адгезия						происходит частичное осыпание массы
при нанесении	осыпание и отслаивание массы не происходит
При сушке до 150°С и термообработке до 1100°С	осыпание и отслаивание массы не происходит
В службе после 1600°С	осыпание и отслаивание не происходит, масса легко удаляется при механическом воздействии				масса приваривается и трудно удаляется при механическом воздействии	осыпание и отслаивание не происходит, масса легко удаляется при механическом воздействии