5.3. Производство периклазоуглеродистых огнеупорных изделий

Периклазоуглеродистые огнеупорные изделия являются безобжиговыми. Основой шихты для их производства служат порошкообразные периклаз МgО (обожженный до спекания или плавленый) графит, добавляемый к периклазу в количестве от 10 до 20—23 %. В качестве связующего используют либо каменноугольную смолу и пек, либо синтетические смолы (главным образом фенольные). Кроме того, для предотвращения окисления углерода в шихту вводят до 30 % антиокислительных добавок (легкоокисляющиеся элементы Аl, Si, Мg Тi, Са или их сплавы).

После тщательного смешивания из шихты формируют изделия на прессах под большим давлением. Затем полученные изделия сушат при 200—300 °С в восстановительной среде для предотвращения окисления углерода.

Периклазоуглеродистые огнеупоры отличаются от остальных большей шлакоустойчивостью (углерод препятствует проникновению шлака в огнеупор), термостойкостью и теплопроводностью. Но при повышении содержания углерода снижается механическая прочность и устойчивость к окислению. Огнеупор не подвержен гидратации.

5.4. Свойства конвертерных огнеупоров

Свойства конвертерных, как и прочих огнеупоров, оценивают по характеристикам, приведенным ниже.

Огнеупорность — способность противостоять, не расплавляясь, воздействию высоких

температур. Эта величина характеризуется температурой, при которой образец в виде трехгранной усеченной пирамиды, деформируясь при нагревании, верхним основанием коснется подставки (высота пирамиды 30 мм, размер сторон верхнего основания 2 мм, нижнего 8 мм).

Температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа — характеризует прочность огнеупора при высоких температурах.

Термостойкость — способность выдерживать, не разрушаясь, резкие колебания температур. Определяется числом теплосмен (нагрев до 1300°С и затем погружение в воду) до потери изделием 20 °/о массы.

Прочность. Механическая прочность при обычной температуре характеризуется пределом прочности при сжатии (σ_сж, МПа). Прочность при высоких температурах характеризуется температурой начала деформации огнеупора под нагрузкой 0,2 МПа.

Пористость — отношение объема пор к общему объему изделия (%). Различают общую пористость и открытую, т. е. образованную порами, выходящими на поверхность. Основные огнеупоры характеризуют открытой (кажущейся) пористостью, так как закрытая пористость их незначительна. В футеровке кислородных конвертеров применяют следующие, различающиеся пористостью огнеупоры: плотные, уплотненные и реже средне-плотные. Открытая пористость их составляет: 10—16 %; 16—20 % и 20—30 % соответственно.

При росте пористости огнеупора одного и того же состава снижается стойкость футеровки и существенно уменьшается теплопроводность огнеупора.

Плотность — масса единицы объема огнеупора в истинно плотном состоянии (без пор). В связи с наличием пористости огнеупоры характеризуют кажущейся плотностью (р_каж г/ см³); р_каж = Р (1 — П/100), где р — истинная плотность, г/ см³; П — общая или кажущаяся пористость, %.

Теплопроводность — способность передавать (проводить) тепло, Вт/(м*°С).

Термическое расширение — увеличение линейных размеров и объема при нагревании.

Шлакоустойчивость — способность противостоять разрушению в результате химического взаимодействия с жидким шлаком.

Безобжиговые огнеупоры на смоляной и пековой связке по химическому составу разделяют на три группы, причем содержание основных компонентов (СаО и МgО) в этих группах, по данным разных авторов, несколько различается. С учетом классификации огнеупоров по ОСТ-1449 — 79 эти три группы огнеупоров характеризуются следующим содержанием основных оксидов, %:

МgО СаО

Смолодоломитовые (известковопериклазовые

на смоляной и пековой связках)- 35—50 45—60

Смоломагнезитодоломитовые (периклазоизвестковые на смоляной или

пековой связке) 50—85 10—45

Смоломагнезитовые (периклазовые на

смоляной и пековой связках) >85 <5

Содержание SiO₂ в них в соответствии с ТУ-14-8-171—75 должно быть < 4,5 %; Σ -(Аl₂О₃+Fе₂О₃ <6—9 %; содержание углерода (коксовый остаток) >2,1.

Характеристика регламентируемых свойств конвертерных огнеупоров, применяемых на отечественных заводах, приведена в табл. 9.

Огнеупорность смолосвязанных изделий после коксующего обжига практически не отличается от огнеупорности обычных обожженных изделий аналогичного состава и составляет 1800—2000 °С и более и в этих пределах снижается при увеличении содержания в огнеупоре оксидов SiO₂, А1₂О₃, Fе₂О₃ и FеО.

Таблица 9. Некоторые свойства конвертерных огнеупоров

Огнеупорные изделия

σсж, МПа

tнач. д., оС

Пот, %

Θ, число теплосмен

Периклазохромитовые

(ТУ 14-8-270—78)

ПХКО*¹ >27,5 >1520 <22 >3

ПХКУ^*2 >32,5 >1540 <20 >6

ПХКП^*3 >37,5 >1560 <16 >4

Хромомагнезитовые

(ТУ 14-8-351—80)

ХМКК*³ >35 >1580 <18 >5

Смолодоломитовые*⁴ 15 – 40 1410 – 1450 2,3 – 7,2 3 – 8

15 – 41 11,7 – 25

Смоломагнезито-

Доломитовые*⁴ 17—60 1450—1690 1,2—6,8 4—8

15 – 60 10 – 22,7

Смоломагнезитовые*⁴ 18—61 1550—1760 1,0—11,9 >20

Примечание. σ_сж — предел прочности при сжатии; t_{нач. д} температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа; П пористость открытая; Θ — термостойкость. Числитель — значения, полученные до обжига, знаменатель — после обжига.

*¹ 7-15 %, Сr₂О₃; >65 % MgO

*² 7 - 15 % Сr₂О₃; >70 % MgO

*³ 15-22 % Сr₂0₃; >55 % MgO

*⁴ Для смолосвязанных огнеупоров приведены фактические данные

Прочность смолосвязанных огнеупоров изменяется (см. табл. 9) в широких пределах, что объясняется многообразием применяемых связующих и технологических приемов производста, при этом она возрастает по мере увеличения содержания МgО в огнеупоре. Прочность безобжиговых изделий в первые сутки после изготовления обычно составляет 25—65 МПа, но в дальнейшем резко снижается, что является следствием разрыхления структуры в результате гидратации. Прочность при высоких температурах (начало деформации под нагрузкой 0,2 МПа) смолосвязанных огнеупоров, содержащих доломит, ниже, чем обожженных; лишь смоломагнезит имеет примерно такую же или несколько большую прочность, чем обожженные изделия на основе МgО и Сr₂О₃.

Открытая пористость сырых смолосвязанных огнеупоров (см. табл. 9) низка, но заметно возрастает после коксующего обжига в результате выгорания связки. Соответственно снижается определяемая открытой пористостью кажущаяся плотность (с 2,68—3,2 до 2,56— 2,97 г/см³ после обжига). Установлено, что чем ниже после коксующего обжига пористость и чем выше кажущаяся плотность, тем выше стойкость футеровки конвертера.

Коксовая пленка способствует увеличению термостойкости огнеупора. У смолодоломита и смоломагнезитодоломита термостойкость несколько выше, чем у обычных обожженных огнеупоров, заметно больше термостойкость смоломагнезита (см. табл. 9).

Термический коэффициент расширения смолосвязанных и обычных обожженных изделий примерно одинаков. Данные о теплопроводности смолосвязанных и некоторых обычных огнеупоров приведены в табл. 5.

Содержание углерода после коксующего обжига (коксовый остаток) в смолосвязанных огнеупорах составляет 2,1—4,3 % и по мере его повышения увеличивается прочность огнеупора после обжига, шлакоустойчивость и возрастает стойкость футеровки.

Сравнение основных свойств безобжиговых и обожженных огнеупоров (см. табл. 9) показывает, что они различаются не слишком сильно, поэтому более высокую стойкость футеровки из смолосвязанных огнеупоров в условиях конвертерной плавки объясняют более высокой шлакоустойчивостью, связанной с наличием в огнеупоре коксовой пленки, обволакивающей зерна огнеупора. Углерод почти нерастворим в шлаке, поэтому пленка препятствует смачиванию зерен огнеупора шлаком и их растворению в шлаке. В периклазоуглеродистых огнеупорах подобную роль играют мелкие частицы углерода, распределенные между зернами огнеупора.

Недостатком безобжиговых, доломитосодержащих огнеупоров является их высокая склонность к гидратации, заключающейся в том, что оксид кальция взаимодействует с влагой окружающей атмосферы по реакции: СаО + Н₂О = Са(ОН)_2. Образующиеся частицы Са(ОН)₂ имеют на 40—60 % больший, чем СаО, объем, в результате чего зерна доломита разбухают, а само изделие растрескивается и разрушается. В связи с этим смолодоломит и смоломагнезитодоломит допускается хранить после изготовления не более двух — четырех суток, изолированными от атмосферы (под колпаком).

Характеризуя безобжиговые огнеупоры в целом, можно отметить, что стойкость футеровки конвертера возрастает при увеличении в них содержания МgО, коксового остатка, механической прочности и плотности изделий при снижении содержания в них SiO₂ и R₂О₃. Применение в качестве связки пека вместо смолы обеспечивает повышение коксового ос^: татка и прочности огнеупора, снижение его пористости и склонности к гидратации, уменьшение роста огнеупора в процессе обжига, снижение окисляемости углеродистого остатка в процессе службы огнеупора и повышение стойкости футеровки (на 10—25%). Термическая обработка безобжиговых изделий приводит к увеличению коксового остатка, повышению шлакоустойчивости огнеупора и его прочности в скоксованном состоянии, заметно снижает склонность к гидратации, облегчает проведение обжига футеровки и способствует повышению стойкости .футеровки.

Обожженные и пропитанные смолой огнеупоры обладают большей, чем безобжиговые (в два и более раз), прочностью при высоких температурах, что обеспечивает повышение стойкости футеровки, особенно в участках, подвергающихся ударному воздействию и действию потока отходящих газов. Периклазоуглеродистые огнеупоры обладают большей термостойкостью, шлако- и металлоустойчивостью, чем безобжиговые смолосвязанные и обожженные с пропиткой смолой и при их использовании стойкость футеровки конвертеров возрастает. Вместе с тем периклазоуглеродистые огнеупоры имеют высокую теплопроводность (в два—три раза большую, чем у смолопериклаза), что может вести к увеличению потерь тепла.