Производство периклазоуглеродистых бетонов для футеровки сталеразливочных ковшей

Андрей Волгутов

Производство периклазоуглеродистых бетонов для футеровки сталеразливочных ковшей

Целью данной работы является исследование возможности получения периклазоуглеродистых бетонов на основе гидравлических вяжущих для футеровки сталеразливочного ковша. Изучен опыт получения периклазоуглеродистых бетонов. Доказана возможность использования периклазового сырья в качестве заполнителя для производства низкоцементных периклазоугдеродистых бетонов на гидравлических вяжущих. Подобраны типы ввода углеродистого компонента в матрицу магнезильного бетона. Одним из перспективных направлений дальнейших исследований является разработка концепции низкоуглеродистых периклазовых бетонов с использованием ультрадисперсных углеродистых материалов с высокой степенью совершенства кристаллической структуры.

Химическая технология. Химическая промышленность

Дипломы

Вуз: Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)

ID: 607da962ccefde000131569d

UUID: 7283b8f0-8356-0139-30eb-0242ac180002

Язык: Русский

Опубликовано: около 3 лет назад

Просмотры: 167

13.34

Андрей Волгутов

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 2,2 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Институт новых материалов и технологий Департамент Строительного материаловедения Кафедра химическая технология керамики и огнеупоров Направление 18.03.01 Химическая технология Образовательная программа Технология высокотемпературных неметаллических конструкционных и функциональных изделий и наноматериалов УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой ______________________ ______________ И.А. Леонидов (подпись) ЗАДАНИЕ на выполнение выпускной квалификационной работы студента Волгутова Андрея Михайловича группы НМТ-461804 (фамилия, имя, отчество) 1 Тема ВКР Производство периклазоуглеродистых бетонов для футеровки сталеразливочных ковшей Утверждена распоряжением по Институту новых материалов и технологий от № 33.2005/2 от 09.01.2020 г. 2 Руководитель ___ А.Р. Хафизова, ассистент ____________________ (Ф.И.О., должность, ученое звание, ученая степень) 3 Исходные данные к работе от руководителя: плавленный периклаз производства ПАО "Комбинат "Магнезит", высокоглиноземистый цемент марки CA-270, ГОСТ 2409-2014. Огнеупоры. Метод определения кажущейся плотности, открытой и общей пористости, водопоглощения. 4 Содержание пояснительной записки (перечень подлежащих разработке вопросов) от руководителя (скорее всего должно соответствовать содержанию работы): Введение. Аналитический обзор: конструкция и назначение сталеразливочного ковша; общие сведения об огнеупорных бетонах; особенности получения периклазоуглеродистых бетонов. Исследовательская часть: исследование возможности получения периклазоуглеродистых бетонов. 5 Перечень демонстрационных материалов: презентация 6 Календарный план Срок выполнения этапов работы Наименование этапов выполнения работы 27.04.2020-10.05.2020 1. Поиск и анализ аналитического обзора 2. Выполнение научно-исследовательской 11.05.2020-31.05.2020 работы 01.06.2020-02.06.2020 3. Обработка полученных результатов 2 Отметка о выполнении Выполнено Выполнено Выполнено

4. Оформление ВКР согласно требованиям 03.06.2020-08.06.2020 Выполнено Руководитель _________________________ (подпись) Ф.И.О. Задание принял к исполнению ________________________________________________ (подпись) 7 Выпускная работа закончена 08.06.2020 г. Пояснительная записка и все материалы просмотрены Считаю возможным допустить Волгутова Андрея Михайловича к защите его выпускной квалификационной работы в экзаменационной комиссии. Руководитель _______________________ 8 Допустить Вогутова А.М. к защите выпускной квалификационной работы в экзаменационной комиссии (протокол заседания кафедры № 07 от 08.06.2020 г. Зав. кафедрой ______________________ 3

СОДЕРЖАНИЕ РЕФЕРАТ ................................................................................................................. 5 ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 6 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ............................................................................... 8 1.1 Конструкция и назначение сталеразливочного ковша .............................. 8 1.2 Огнеупорные материалы для футеровки сталеразливочного ковша ..... 12 1.2.1 Служба огнеупоров в сталеразливочном ковше ............................. 12 1.2.2 Дизайн огнеупорной футеровки сталеразливочного ковша .......... 18 1.3 Общие сведения об огнеупорных бетонах ............................................... 42 1.4 Особенности получения периклазоуглеродистых бетонов .................... 49 1.5 Общие технологические параметры производства бетонов ................... 52 2 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ .................................................................. 54 2.1 Исходные материалы .................................................................................. 54 2.2 Методы исследования ................................................................................. 58 2.3 Подготовка образцов .................................................................................. 60 2.4 Исследование возможности получения периклазоуглеродистого бетона ................................................................................................................................. 61 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 65 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................. 66 4

РЕФЕРАТ В состав выпускной квалификационной работы входят: – пояснительная записка на 67 с., включая 27 рис., 15 таблиц и 18 библ. источников; – CD-диск с презентацией работы. СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫЙ МАГНЕЗИАЛЬНЫЙ КОВШ, БЕТОН, ФУТЕРОВКА РЕОЛОГИЯ РАБОЧЕГО БЕТОНА, СЛОЯ, МИНЕРАЛЬНЫЕ ДОБАВКИ, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ ВЯЖУЩЕЕ, ПЕРИКЛАЗОУГЛЕРОДИСТЫЙ БЕТОН Целью данной работы является исследование возможности получения периклазоуглеродистых бетонов на основе гидравлических вяжущих для футеровки сталеразливочного ковша. Изучен опыт получения периклазоуглеродистых бетонов. Доказана возможность использования периклазового сырья в качестве заполнителя для производства низкоцементных периклазоугдеродистых бетонов на гидравлических вяжущих. Подобраны типы ввода углеродистого компонента в матрицу магнезильного бетона. Одним из перспективных направлений дальнейших исследований является разработка концепции низкоуглеродистых периклазовых бетонов с использованием ультрадисперсных углеродистых материалов с высокой степенью совершенства кристаллической структуры. The bachelor's work purpose is magnesian-carbon concrete obtaining possibility study based on hydraulic binders for lining a steel teeming ladle. The magnesian-carbon concretes obtaining experience was studied. The possibility of using periclase raw materials as a filler for the production of low-cement magnesia concrete on hydraulic binders has been proved. A carbon component input types were selected for castables matrix introduction. One of the promising areas for further research is the low-carbon periclase concretes concept development using ultrafine carbon materials with a crystal structure perfection high degree. 5

ВВЕДЕНИЕ Развитие технологии металлургического производства обусловливает улучшение технологии огнеупорных материалов. Интенсификация процессов выплавки, внепечной обработки и разливки стали определяют повышение требований к надежности футеровки при условии минимизации удельных затрат на огнеупоры на тонну стали. В настоящее время уменьшение удельных затрат на футеровку тепловых агрегатов при производстве стали — одна из важнейших задач металлургических предприятий, производящих сталь. На рисунке 1, а показано распределение удельных затрат на огнеупоры в металлургическом производстве. Доля сталеплавильного производства составляет 55—65 %. При этом ведущую роль в формировании удельных затрат огнеупоров в сталеплавильном производстве занимает сталеразливочный ковш (35—45 %, рис. 1, б). Поэтому поиск способа снижения удельных затрат на футеровку сталеразливочного ковша является важнейшей задачей. Рисунок 1 - Распределение удельных затрат на огнеупоры в металлургическом производстве: а — по всему металлургическому переделу; б — по сталеплавильному производству В этих условиях для производителей огнеупоров актуальным является поиск новых огнеупорных материалов с повышенными термомеханическими свойствами, которые позволяют снизить производственные и энергетические затраты при обеспечении выплавки стали высокого качества [1]. 6

На протяжении последних десятилетий наблюдается общемировая тенденция повышение доли неформованных огнеупоров и изделий из огнеупорных бетонов. В настоящее время в США и Евросоюзе 45…60 % используемых огнеупоров — это неформованные огнеупорные материалы. В Японии в 2012 году доля неформованных огнеупоров достигла 68 %. Совершенствование технологии изготовления неформованных огнеупорных материалов и технологии выполнения футеровочных работ (саморастекание, торкретирование) особенно с использованием низко, ультранизко и бесцементных огнеупорных бетонов позволяет уменьшить капитальные затраты, затраты на оборудование и энергозатраты при их производстве. Улучшение термомеханических свойств неформованных огнеупоров позволяет снизить общую толщину футеровки, что способствует увеличению вместимости сталеразливочных ковшей, а, следовательно, и производительности выплавки стали [2]. Одним из перспективных направлений неформованных огнеупорных материалов с высокими эксплуатационными свойствами, является получение огнеупорного бетона MgO – C состава. Огнеупорные изделия на основе MgO – C (ПУ изделия) являются одними из самых востребованных материалов для футеровки сталеразливочных ковшей, за счет высоких термомеханических, химических и эксплуатационных свойств. Но у бетонов есть ряд преимуществ: - отсутствие необходимости применения гнездовых блоков, как в сталевыпускном узле, так и для установки донной продувочной фурмы; - отсутствие трещин в футеровке, размывов по швам, углам и ребрам изделий. При получении периклазоуглеродистого бетона есть ряд сдерживающих факторов: - оксид магния чувствителен к реакции с водой, образуя брусит, что ведет к ухудшению микро и макроструктуры; - углерод гидрофобен и поэтому не может смачиваться и равномерно смешиваться в водных суспензиях. 7

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 1.1 Конструкция и назначение сталеразливочного ковша Сталеразливочный ковш, футерованный огнеупорными изделиями, служит для удержания, транспортирования и разливки расплавленной стали. В последние годы в ковшах технологические операции. производят дополнительные В настоящее время функции различные стальковшей дополнены процессами внепечной обработки стали: рафинирование стали, вакуумная дегазация, доводка стали до марки, сопровождающиеся донной продувкой и активным перемешиванием стали в ковше. Кроме того, внепечная обработка потребовала повысить температуру выдачи стали из плавильного агрегата до 1750 – 1770 0С [3, 4]. Одной из основных тенденций развития сталеплавильного производства является применение внепечной обработки металла. Из сталеплавильной печи выпускают полупродукт, а его дальнейшая доводка до металла с заданными свойствами производится вне печи – в ковше или в других агрегатах. При внепечной обработке металла осуществляются следующие операции: продувка расплава инертным газом снизу через огнеупорную фурму или сверху через погружаемую фурму; вакуумирование; электромагнитное перемешивание с помощью специальных устройств, устанавливаемых на стенках ковша; введение раскислителей, легирующих, рафинирующих и корродирующих добавок; продувка кислородом через верхнюю фурму [5]. Надежность ковшей – необходимое условие нормальной работы сталеплавильного производства – в большей степени зависит от стойкости огнеупорной футеровки и разливочного устройства. Номинальная емкость сталеразливочных ковшей находится в пределах от 1 до 480 т. Ковши емкостью до 70 т относится к ковшам малой емкости, 220 т и более – к большегрузным [4]. Сталеразливочный ковш состоит из металлического корпуса, футерованного огнеупорами, устройства для ввода инертного газа, узла для выпуска жидкого металла, оборудованного устройством для бесстопорной 8

разливки стали – шиберным затвором. Крышка способствует сохранению тепла расплавом. Существуют «чайниковые» сталеразливочные ковши, в которых металл удаляется не через дно, а через носок, расположенный в верхней части стенки, путем наклона ковша. Выбор огнеупоров для футеровки СК зависит от их конструкции и условий эксплуатации. Футеровка СК может быть однослойной, но чаще всего включает рабочий, защитный (арматурный) и теплоизоляционный слои (последний необязателен). Рабочий слой контактирует с металлом и шлаком, защитный предотвращает контакт расплав с металлическим корпусом в случае нарушения его целостности, теплоизоляционный поддерживает температуру корпуса в соответствии с требованиями безопасности эксплуатации ковша [5]. Рисунок 1.1 – Конструкция сталеразливочного ковша 9

Установка печь – ковш Установка имеет два основных элемента: ковш, снабженный устройствам для подачи аргона через днище, и нагревательный свод, в котором устанавливают графитовые электроды для дугового подогрева расплава. Рисунок 1.2 – Схема установки типа печь ковш Обработка металла в установке печь – ковш включает продувку аргоном, дуговой подогрев и введение различных добавок. При продувке расплава аргоном происходят его частичное рафинирование от газовых и других неметаллических включений, усреднение химического состава и температуры. В результате дугового подогрева достигается температура расплава, необходимая для осуществления процессов рафинирования и легирования, а также для последующей непрерывной разливки металла. Длительность процесса составляет 20 – 35 мин [5]. Вакуумно – кислородное обезуглероживание К числу специальных технологий внепечной обработки металла относится технология вакуумно – кислородного обезуглероживания нержавеющих сталей. 10

Технология предусматривает выпуск из электропечи высокохромистого (до 20 % Cr) расплава в ковш, который затем устанавливают в вакуум – камере. Вакуумирование расплава в ковше осуществляют при остаточном давлении не более 1,33 кПа с одновременной циклической продувкой кислородом сверху (через водоохлаждаемую металлическую фурму) и постоянной продувкой аргона снизу через донную огнеупорную фурму. Длительность продувки кислородом составляет 10 – 25 мин, длительность вакуумирования с одновременной продувкой аргоном от 40 – 80 мин. Температура расплава на выпуске из печи 1700 – 1750 0С [5]. 1 – ковш с металлом; 2 – вакуум-камера; 3 – баллоны с инертным газом; 4 – крышка вакуум-камеры; 5 – подача ферросплавов; 6 – подача кислорода; 7 – смотровое окно; 8 – вакуум-провод; 9 – пароэжекторный насос Рисунок 1.3 – Схема установки вакуумно – кислородного обезуглероживания стали Внепечное вакуумирование Внепечное вакуумирование металла осуществляется также в специальных агрегатах – вакууматоров. Различают способы порционного вакуумирования и циркуляционного вакуумирования. В порционном вакууматоре вакуумированию подвергают порцию металла, как привило не превышающую 10 % от массы плавки и поднимающуюся через всасывающий патрубок из сталеразливочного ковша в результате разности давлений: атмосферного над поверхностью ковша 11

и пониженного в вакуум – камере. При этом осуществляется вертикальное возвратное – поступательное движение вакуум – камеры относительно ковша или наоборот. В циркуляционном вакууматоре металл из ковша поступает в вакуум – камеру вследствие инжекции инертным газом, подаваемым во всасывающий патрубок, и сливается по сливному патрубку, погруженному в металл [5]. Рисунок 1.4 – Схемы установки порционного и циркуляционного вакуумирования 1.2 Огнеупорные материалы для футеровки сталеразливочного ковша 1.2.1 Служба огнеупоров в сталеразливочном ковше В сталеплавильном производстве огнеупоры используют в очень суровых условиях, к которым относятся не только повышенные температуры, но и термический удар, возникающий при резких изменениях температуры. Во время выпуска плавки, из конвертера или дуговой электропечи, температура иногда может достигать экстремально высоких значений (> 1750 0С). Температура рабочего слоя футеровки ковша перед выпуском металла, как правило, 12

находится в диапазоне от 800 до 1200 0С. Это вызывает напряжение в рабочем слое футеровки, которое может привести к скалыванию. Основные параметры напряжений, возникающих в рабочем слое футеровки ковша на различных стадиях технологического цикла, в обобщенном виде представлены на рисунке 1.5 [6]. Рисунок 1.5 – Характер износа рабочего слоя футеровки сталеразливочного ковша Второе главное воздействие – это коррозия в результате реакции со шлаком при высокой температуре. Состав шлака сильно меняется в зависимости от используемого процесса [6]. Основными механизмами износа шлакового пояса футеровки сталеразливочных ковшей являются химическая коррозия и механическая эрозия в результате перемешивания ванны жидкой стали. Процесс коррозии является функцией многих переменных, включая температуру, состав огнеупора, вязкость шлака, состав шлака и интенсивность перемешивания и т. д. На рисунке 1.6 показан внешний вид MgO - C кирпича после службы в шлаковом поясе футеровки сталеразливочного ковша [7]. 13

Рисунок 1.6 - Кирпич шлакового пояса по окончании кампании ковша Толщина шлака на поверхности огнеупора варьируется в диапазоне от 4 до 6 мм. Зона шлака имеет поры, включения корольков металла и два выраженных слоя. Эти слои различаются микроструктурой и фазовым составом. Оба слоя шлака, обнаруженные на поверхности MgO - C кирпича шлакового пояса после службы, являются агрессивными по отношению к огнеупорному материалу футеровки. Таблица 1.1 - Химический состав шлака из шлакового ковша печи - Первый слой шлака, соответствующий шлаку после обработки плавки на «печи—ковше» при температуре процесса, не насыщен оксидом магния и является абсолютно жидким. Хорошо известно, что эти условия являются основными причинами коррозии и износа футеровки. - Второй слой шлака, соответствующий ковшевому шлаку до обработки плавки на «печи—ковше», насыщен оксидом магния, но имеет более высокое содержание оксида железа. Этот оксид снижает вязкость шлака, разрушает силикатную сеть шлака и ускоряет обезуглероживание матрицы кирпича, в соответствии с реакцией: 14

FeO + C → Fe + CO Окисление графита повышает пористость рабочего слоя футеровки, в результате чего шлак проникает в объем кирпича, что приводит к вымыванию зерен периклаза в шлак. Правильный состав кирпича (периклаз, углерод, антиоксиданты) позволяет оптимизировать коррозионную стойкость [7, 8]. Рисунок 1.7 – Футеровка ковша после сильного термомеханического износа, приведшего к раскрытию швов и образованию вертикальных трещин По физико – химическим свойствам шлаки подразделяют на основные и кислые. В кислых шлаках содержание кремнезема преобладает и составляет 48 – 65 %. В основных шлаках преобладают основные оксиды (CaO, MgO, MnO, FeO), а отношение CaO/SiO2 служит мерой основности шлака. Шлаки с соотношением CaO/SiO2 > 1,5 – 1,6 относятся к основным [4, 6]. На стойкость периклазоуглеродистых (алюмопериклазокглеродистых) огнеупоров в футеровках сталь ковшей влияют следующие факторы: 1. Изменение свойств огнеупоров при разогреве СК. Огнеупоры при изготовлении термобрабатывают при 200 – 350 0С и соответственное при разогреве СК происходят дальнейшие изменение углеродистого связующего, сопровождаемые удалением летучих, деструкцией связки и формированием 15

углеродистого каркаса; несколько снижаются прочностные характеристики, существенно повышается открытая пористость. 2. Температурный режим эксплуатации СК. Изменение в сортаменте выплавляемого металла, технологии плавки, внепечной обработки и разливки стали зачастую определяют необходимость повышения температуры металла на сливе из конвертера (электропечи). С ростом температуры повышается жидкоподвижность шлака, ускоряются процессы окисления углерода огнеупора, взаимодействия компонентов шлака с оксидной составляющей огнеупора, и стойкость футеровки уменьшается. К температурному режиму эксплуатации следует отнести также соблюдение режима разогрева вновь футерованного ковша или ковша после ремонта, а также пребывание СК на стенде разогрева в ожидании плавки. 3. Шлаковый режим. Химический состав шлака в СК зависит от типа агрегата плавки, наличия и уровня эффективности технологии отсекания шлака при сливе металла, технологии внепечной обработки металла. 4. Длительность пребывания металла в ковше и длительность межплавочных простоев. На стойкость футеровки в большей мере влияет пребывание металла (шлака) при высоких температурах и в условиях интенсивного его перемешивания в ковше. Межплавочные простои приводят к глубокому выгоранию углерода из огнеупора в период длительного разогрева на стенде, остывание огнеупора может привести образованию трещин и сколов на его рабочей поверхности. 5. Конструктивные особенности СК. На стойкость днища и стен отрицательно сказывается невозможность перемещения СК при сливе металла; желательно, чтобы место падения струи металла в днище («боевого» участка) располагалось ближе к центральной части ковша и дальше от узлов донной продувки и сталевыпускного. 6. Схема футеровки СК. При конструировании схемы футеровки необходимо учитывать индивидуальные особенности условий эксплуатации: размещение и усиление зоны падения струи металла в днище, а иногда и 16

соответствующего участка стен; участка стен вблизи донной фурмы; количество первичного шлака, попадающего в СК, и постоянство количества жидкого металла, что влияет на ширину и месторасположение шлакового пояса. 7. Теловой режим работы СК. Увеличенная теплопроводность углеродсодержащих огнеупоров, особенно периклазоуглеродистых, создает следующие проблемы: повышение температуры металлического корпуса СК, которая ограничена правилами его эксплуатации (обычно 230 – 350 0С), быстрое отставание футеровки в межплавочный период, потери тепла металлам через футеровку в период пребывания его в ковше [5]. Приведем основные факторы, определяющие характер износа арматурного слоя футеровки. Первый фактор, влияющий на эксплуатационные свойства - это предварительный нагрев арматурного слоя футеровки. Это очень ответственный этап, когда какое – либо отклонение от желаемой кривой нагрева может вызвать большое напряжения в футеровке, а иногда приводит к взрыву. Следующие сильные напряжения возникают во время удаления изношенного рабочего слоя футеровки механическим оборудованием. В ходе этой операции, осуществляемой в горячих условиях, имеет место первый тепловой удар, а затем механическое воздействие на арматурный слой футеровки. Также, во время обработки и в течение срока службы ковша последовательность термических циклов также может охрупчиванию некоторых футеровок и вызывать скалывание [6]. 17 приводить к

Рисунок 1.8 – Характер износа арматурного слоя 1.2.2 Дизайн огнеупорной футеровки сталеразливочного ковша Современная разработка дизайна футеровки сталеразливочного ковша требует не только глубоких знаний технологии металлургических процессов, протекающих в сталеразливочном ковше, но и умения комплексно оценивать совокупность факторов, влияющих на систему разливки и обработки стали. Важнейшим показателем правильно разработанной футеровки является ее стойкость, которая характеризуется числом теплосмен за кампанию сталеразливочного ковша. При эксплуатации футеровки сталеразливочных ковшей наблюдается ее неравномерный износ в различных зонах; наибольшему износу подвержены шлаковая зона и «бойная» зона дна ковша. Следует отметить, что скорость износа футеровки в шлаковой зоне в 1,0—4,0 раза выше, чем скорость износа футеровки в зоне стали, в зависимости от марки, выплавляемой стали и технологии ее внепечной обработки [1]. Футеровка сталеразливочного ковша включает теплоизоляционный, арматурный и рабочие слои дна, стен (зона стали и шлаковый пояс), а также зоны опорного кольца свободного борта. В рабочей футеровке сталеразливочного ковша имеются зоны повышенного износа, обусловленными перепадами температур, воздействием агрессивных шлаков, абразивным износом в месте падения струи металла при выпуске из плавильного агрегата и т.д.; причем, именно эти зоны определяют стойкость всей конструкции в целом [1, 9]. 18

Основными критериями для разработки футеровки служат данные о тепловом агрегате, а именно: - вместимость сталеразливочного ковша и конструкционные особенности плавильного агрегата и сталеразливочного ковша; - технологические возможности по обеспечению графиков сушки, разогрева и ввода в эксплуатацию сталеразливочных ковшей; - оборачиваемость сталеразливочных ковшей; - металлургические факторы, а именно: · сортамент выплавляемой стали; · температура плавки на выпуске из конвертера; · длительность пребывания плавки в сталеразливочном ковше, включая длительность обработки плавки аргоном, пребывания плавки на УПК вакууматеоре и т.д.; · доля присадок в сталеразливочный ковш (извести, плавней, флюсов, порошковой проволоки), при этом особое внимание уделяется количеству введенного общего кальция, который играет важную роль при выборе качества материалов для дна и стен; · основность шлака; · требование к химическому составу огнеупора, как к источнику неметаллических включений в металле, и т.д. [1]. Рассмотрим комплексную футеровку сталеразливочного ковша от теплоизоляционного слоя до рабочего. Теплоизоляционный слой При анализе распределения тепловых нагрузок на теплоизоляционный слой, сохраняющий тепло и защищающий металлический кожух сталеразливочного ковша от перегрева, ложиться основная доля нагрузки – до 40 – 50 %. 19

Рисунок 1.9 – Распределение тепловой нагрузки на слои футеровки сталеразливочного ковша Можно выделить три основных вида используемой теплоизоляции: волокнистую, кирпичную и из теплоизоляционного бетона. Иногда используют некоторые комбинации этих теплоизоляционных материалов [1]. Волокнистая теплоизоляция (в виде одеял, формованных плит, фетра и т.д.) выполняется из асбестового, муллитокремнеземистого волокна по ГОСТ 2361979, ваты МКРВ, картона из алюмосиликатных волокон и т.д. Имеет неоспоримое преимущество из-за низкой теплопроводности. Например, для некоторых материалов из муллитового волокна может быть обеспечена теплопроводность до 0,02 Вт/(м · К). Главный недостаток волокнистой теплоизоляции – низки предел прочности при сжатии [1, 5]. Кирпичная теплоизоляция выполняется из легковесного и ультралегковесного кирпича (легковесный шамот марки ШЛ – 1,0, корундовый легковес марки КЛ – 1,1 и др.). Преимущества этой теплоизоляции – низкая теплопроводность и удовлетворительная механическая прочность. Недостатки – сложность выполнения кладки и наличие швов, увеличивающих термическое напряжение в соответствующих участках футеровки [1, 5]. Использование теплоизоляционного торкрет – бетона позволяет не только комбинировать преимущества волокнистой и кирпичной футеровки, но и 20

избежать некоторых недостатков, присущих первым двум способам, так как обеспечивает целостность (бесшовность) покрытия и простоту нанесения. Применение технологии торкретирования позволяет избежать деформации теплоизоляционного слоя, приводящей к увеличению теплопроводности при продолжительных кампаниях эксплуатации сталеразливочного ковша. Совместное использование теплоизоляционного торкрет – бетона и арматурного бетона полностью исключает растрескивание. Однако применение данного способа требует наличия специального оборудования – торкрет – машин [1]. Арматурный слой Для футеровки сталеразливочных ковшей применяют два вида арматурного слоя: кирпичный и бетонный. Толщину арматурного слоя днища ковша изготавливают с учетом размеров гнездовых блоков для установки сталеразливочных стаканов. Арматурную футеровку боковых стен выкладывают из одного или двух рядов кирпича на плашку по всей перефирии ковша, за исключением боевой стороны, где ее толщину удваивают. Достаточно часто на предприятиях используют универсальную схему, когда один материал устанавливают в зону стали и в шлаковый пояс. Хотя периодически используется двухзонная футеровка, т.е. для зоны стали устанавливаются материалы одного химического состава, а для шлакового пояса – другого, с большей химической стойкостью к агрессивному воздействию шлака для защиты от проникновения шлака и металла через рабочий слой. Арматурный слой зоны металла (стен и днища) в основном выкладывают из шамотного кирпича марок КШУ, КШП, в шлаковой зоне выкладывают из периклазовых изделий марки П – 91, ПХС, муллитокремнеземистых, высокоглиноземистых и др. Основными критериями при подборе схемы арматурного слоя являются вместимость сталеразливочного ковша и его конструкционные особенности, оснащенность футеровочного участка и климатические условия. При выполнении арматурного слоя возможно использование трех разных вариантов кладки: из прямого кирпича, из клиновидного, из пазогребневого. Последний вариант значительно лучше первых двух, так как кирпич получает дополнительные способы фиксации за 21

счет рядом стоящих изделий и увеличение поверхности их соприкосновения между собой, что положительно сказывается на ресурсе службы арматурного слоя. Средняя стойкость кирпичного арматурного слоя 2 – 3 кампании рабочего слоя (170 – 250 плавок). При использовании пазогребневого кирпича в совокупности с бетонным звеном под опорным кольцом такая схема позволяет обеспечить стойкость до 1000 плавок и более при сравнительно низких удельных затратах [1, 4, 5]. Важнейшими преимуществами монолитного арматурного слоя являются: достаточно высокая стойкость (1200 – 2000 плавок), ремонтопригодность, 100 % сплошность слоя и защита от проникновения расплава через швы. Для монолитного арматурного слоя используют шамотные, высокоглиноземистые, основные и др. массы [1]. Рабочий слой Рабочий слой футеровки сталеразливочного ковша контактирует с агрессивной средой жидких продуктов плавки, обеспечивает работоспособность ковша. Наиболее ответственная зона футеровки дна — зона сопряжения его со стеной. Эта зона может выполняться различными способами. Рисунок 1.10 – Схема футеровки сопряжения кирпичных стен и бетонного дна 22

Использование сталеразливочного неформованных ковша материалов имеет при следующие футеровке дна преимущества — ремонтопригодность, возможность горячих локальных подливок через кессоны, а также холодного ремонта при замене футеровки стен. Недостатки — строгие режимы и условия ввода сталеразливочных ковшей в работу (температура окружающей среды, особенно в зимний период; режим и длительность сушки и разогрева футеровки) [1]. Использование формованных изделий при футеровке дна сталеразливочного ковша имеет ряд преимуществ: экономия энергоресурсов на ввод сталеразливочного ковша в эксплуатацию (сокращение длительности сушки и нагрева с 48 до 16 ч); сокращение ремонтного срока футеровки сталеразливочного ковша; возможность локального усиления участков повышенного износа. Недостатки — невозможность проведения локального ремонта формованными изделиями. Локальный ремонт может производиться только при наличии у потребителя технологии горячего торкретирования сталеразливочных ковшей. Следующая ответственная зона футеровки дна сталеразливочного ковша — зона падения струи металла («бойная» зона). «Бойная» зона может выполняться с применением формованных изделий по нескольким вариантам. 1. Изменение химического состава изделий — когда «бойная» зона собирается из изделий с улучшенным химическим составом и большей механической прочностью. 2. Изменение формата — когда «бойная» зона собирается из изделий такого же химического состава, как и остальное дно, но с увеличением толщины дна на участке падения струи металла. 3. Изменение химического состава и формата — когда выполняются оба условия. Такой вариант используется при сборке дна из кирпича на сталеразливочных ковшах со значительным износом «бойной» зоны при выпуске металла из плавильных агрегатов. 23

4. Применение блочной «бойной» зоны, выполненной по бетонной технологии. Блок может выполняться такой же толщины, как и остальное дно, или может быть усилен по толщине в зависимости от средней скорости износа «бойной» зоны [1]. Рисунок 1.11 – Схема футеровки «бойной» зоны дна сталеразливочного ковша Футеровка «бойной» зоны неформованными материалами осуществляется заливкой огнеупорного бетона как без усиления по толщине «бойной» зоны, так и с усилением или с установкой в «бойной» зоне отформованного блока из бетона, аналогичного бетону дна ковша. В некоторых случаях, когда падение струи металла происходит не вертикально, а с некоторым уклоном в направлении стены сталеразливочного ковша, усиление «бойной» зоны осуществляется выкладыванием дна с выходом на стену падения струи металла. Рабочий слой стен и шлакового пояса подвержен напряжениям, превышающим допустимые и вызывающим его разрушение, а концентраторы, являющиеся районами зарождения трещин, возникают на участках выступов кладки. 24

Сопряжение между зоной стали и шлаковым поясом выполняется несколькими способами: - равнотолщинная схема – когда толщина стены зоны стали равна толщине кирпича в шлаковом поясе. Схема характерна для равностойкой футеровки сталеразливочных ковшей средней вместимости. - разнотолщинная схема – когда толщина кирпича в шлаковом поясе больше толщины стены зоны стали, но не более чем на 20 – 25 %. Схема используется для футеровок сталеразливочных ковшей любой вместимости. - диффиренцированная схема – когда толщина кирпича в шлаковом поясе не больше на 20 – 25 % толщины стены зоны стали, при этом между ними выкладывается зона кирпича промежуточных форматов, позволяющая снизить механические напряжения на кладку (предел прочности при изгибе). Схема используется для футеровки сталеразливочных ковшей любой вместимости [1]. Рисунок 1.12 – Схема футеровки стен сталеразливочного ковша На стойкость рабочего слоя стен значительно влияет состояние опорного кольца сталеразливочного ковша, которое должно обеспечивать плотность 25

примыкания кирпичных рядов. Поэтому футеровка этого слоя достаточно важной поскольку ее неудовлетворительное изготовление может привести к раскрытию швов кладки в процессе эксплуатации. Существует несколько вариантов выполнения футеровки опорного кольца: набивка массой или заливка бетоном сегментов кольца, подбивка массой под кольцо и заливка огнеупорным бетоном, установка обратного клиновидного кирпича пятового формата – кассетированного кирпича. Рисунок 1.13 – Схема футеровки под опорным кольцом сталеразливочного ковша Первые две схемы футеровки опорного кольца наиболее простые и не требуют особых затрат, но имеют значительный недостаток: при демонтаже настылей на борту возможен обрыв футеровки опорного кольца с раскрытием швов кладки верхних рядов. Схема с использованием кирпича в этом случае более надежна, но ее основным недостатком является возможность проникновение металла через вертикальные швы кассетированного кирпича при переливе сталеразливочного ковша. 26

Для усиления конструкции с заливкой бетоном опорного кольца применяют болтовую фиксацию сегментов опорного кольца, которая позволяет осуществлять ее замену при горячем ремонте сталеразливочного ковша без охлаждения всей футеровки стен и дна [1]. Рисунок 1.14 – Схема футеровки опорного кольца Рабочий слой футеровки сталеразливочного ковша выполняют в основном из периклазоуглеродистых (ПУ) огнеупоров. Схема футеровки может быть самой разнообразной: полностью из периклазлуглеродистых изделий, или шлаковый пояс из периклазоуглеродистых, а стены и днище из алюмопериклазоуглеродистых (АПУ), или стены и днище из огнеупорного бетона, а шлаковый пояс из периклазоуглеродистых изделий. Такие изделия имеют повышенную термостойкость, коррозионноустойчивы (благодаря добавкам антиоксиданта) и имеют высокую механическую прочность. Углерод, находящийся в огнеупоре, препятствует проникновению металла и шлака в изделие, что связано с его низкой смачиваемастью и способностью 27

восстанавливать оксиды железа в шлаке, повышая при этом вязкость и температуру плавления шлака. На поверхности огнеупора формируется вязкое шлаковое покрытие, тем самым защищается горячая поверхность огнеупора от преждевременного разрушения [5, 10]. Таблица 1.2 – Сравнительная стойкость футеровки сталеразливочных ковшей С точки зрения теплофизических свойств для ПУ огнеупоров характерно снижение коэффициента теплопроводности с ростом температуры, а для АПУ — наоборот, увеличение теплопроводности с ростом температуры. При этом для АПУ не является характерным явление зональности структуры, которая является типичной для ПУ огнеупоров, то в процессе эксплуатации у футеровки из АПУ отсутствует износ по типу «булыжника». 28

Рисунок 1.15 – Рабочая футеровка стен Как видно из рисунка 1.15, благодаря оптимальным теплофизическим свойствам, правильно подобранному химическому огнеупору для конкретных условий эксплуатации, отсутствию зональности структуры кирпича рабочая футеровка из АПУ приобретает монолитоподобную структуру, в которой на определенной глубине футеровки материал спекается, уплотняется и в дальнейшем его работа сходна с эксплуатацией бетонных структур. У ПУ огнеупоров из - за снижения теплопроводности с увеличением температуры и в силу зональности структуры напряжения, возникающие в кирпиче, намного больше, чем у АПУ, т. е. горячая зона кирпича, особенно после выгорания углерода, расширяется сильнее, чем более «холодные» зоны. Это приводит к напряжениям на границах кирпичей и к их скалыванию, а в конечном итоге, к появлению известного типа износа — эффекту «булыжник». Поэтому у ПУ футеровок часто происходит раскрытие горизонтальных швов и проход металла в них. Несомненным преимуществом ПУ огнеупоров является их универсальность. Возможность применения их как в стене, так и в зоне шлакового пояса дает большой «плюс» замены АПУ на ПУ в случаях, например, сорванных поставок АПУ. 29

Из - за своего гетерогенного состава и высокого количества примесей АПУ намного менее коррозионностойки, чем ПУ, поскольку ПУ огнеупор — это система трех компонентов: высокоогнеупорного периклаза, углерода и антиоксиданта, а примеси в них являются несущественными. Поэтому ПУ огнеупоры лучше стоят в шлаковой зоне, в условиях сложной обработки стали, в камерных вакууматорах [11]. Также применяются периклазоалюмоуглеродистые (ПАУ) огнеупорные изделия, предназначенные для сталеразливочных ковшей. Необходимость в них возникла в связи c мировой рыночной ситуацией, столкнувшейся со снижением качества алюминиевого сырья, в частности, бокситов, ростом цен на него, что привело к снижению качества и срока службы алюмопериклазоуглеродистых изделий [12]. Монолитные футеровки для сталеразливочных ковшей Монолитные футеровки находят все большее применение в сталеплавильном производстве, основным достоинством которых является возможность механизации изготовления футеровки и сокращения расхода ковшевых изделий, заменяя их неформованными массами. Герметичность и отсутствие швов в монолитной футеровке повышает стойкость ее при высокой температуре и устойчивость к разрушению. Более низкая теплопроводность неформованных огнеупоров примерно на 20 – 30 % позволяет уменьшить толщину футеровки и увеличить вместимость ковшей. Монолитная футеровка находит применение не только при футеровке ковшей для разливки стали, но и других агрегатов: индукционных тигельных и нагревательных печей металлургической промышленности [4]. 30 и металлообрабатывающей

Рисунок 1.16 - 130-тонный сталеразливочный ковш футерованный (дно и стен) бетоном, два канала под установку аргонных фурм и один сталеразливочного стакана (установка снаружи) В практике производства нашли применение два способа изготовления монолитной футеровки: набивка футеровки из полусухих масс и наливной (виброналивной) способ с применением текущих масс. Технология изготовления монолитной футеровки ковша из набивных полусухих масс включает следующие операции: осмотр и ремонт арматурного слоя и футеровки днища, подготовку ковша и установки к набивке, взаимную центровку ковша и набивной машины, набивку рабочей части футеровки стен, кладка днища и верха ковша из кирпича и подготовку ковша к эксплуатации. При наливном способе производят ремонт арматурного слоя, подготовку ковша и установку шаблонов, заливку футеровки, выдерживание (твердение), извлечение шаблонов, кладку верхних рядов футеровки стен и днища, сушку и подготовку ковша к работе. 31

Приготовление наливных масс для монолитной футеровки ковша не требует дефицитного оборудования и больших капитальных вложений. С целью получения более плотной наливной монолитной футеровки в процессе заливки огнеупорной смеси ее подвергают вибрированию. Виброобработка приближает виброналивную футеровку по качеству к набивной, т.к. существенно снижается влажность наливной массы до 7 – 9 %. При вибрировании шаблона влажность массы можно снизить до 4,5 – 5,0 %, при этом массу в ковш подают с помощью вибропитателей. Качество металла при разливке из ковшей с монолитной футеровкой, по количеству неметаллических включений, не увеличивается по сравнению с разливкой из ковшей с кирпичной футеровкой [4]. Современные наливные футеровки сталеразливочных ковшей выполняют из бетонов типа низкоцементных, сверхнизкоцементных и бесцементных, укладываемых, как правило, с применением вибрации (метод вибролитья). В традиционных бетонах содержится большое количество цемента (2,5 – 15 % CaO), что требовало большого количества воды при приготовлении массы и проводило к получению футеровки с низкой плотностью и высокой пористостью [4, 13]. Преимущества и возможности бетонов с пониженным содержанием цемента сводятся к следующему: - повышается коррозионная стойкость и деформационная устойчивость, так как содержание СаО в них существенно ниже, чем в обычных бетонах; - увеличивается прочность как при низких, так и при высоких температурах; - уменьшается открытая пористость при температуре 1000 0С с 22 до 17 %; - уменьшаются размеры пор в сравнении с обычным бетонном и создается мелкопористая структура, обладающая повешенной термической и коррозионной устойчивостью. Схема монтажа бесконечной футеровки представлена на рисунке 1.17. 32 сталеразливочного ковша

Рисунок 1.17 – Монтаж монолитной футеровки Для выполнения футеровки необходимы различные шаблоны: главный шаблон со встроенными вибраторами, шаблон шлаковой зоны для случая преждевременного износа шлаковой зоны, непрерывно действующую мешалку и очистную установку для подготовки ковша к повторной заливке футеровки. В подготовленный сталеразливочный ковш с теплоизоляционной и арматурной футеровкой устанавливают стальной шаблон. После центрирования и уравновешивания шаблона производят заливку монолитной футеровки. Огнеупорная бетонная смесь перемешивается с помощью мешалки непрерывного действия в которую добавляют воды и подается в зазор между шаблоном и арматурным слоем. В процессе заливки смесь уплотняют с помощью вибраторов. После твердения смеси в течение 8 – 12 ч шаблон удаляют, и готовая футеровка дополнительно выдерживается в течение 8 ч. Затем ковш направляется на сушку. Перед введением ковша в работу его разогревают до температуры 1200 0С [4]. По истечении определённого срока работы монолитная футеровка рабочей зоны не удаляется как в случае классических футеровок, а остаётся некоторый слой футеровки в ковше. Остаточная футеровка с помощью машины очищается 33

от избытка шлака и металла. После очистки шаблон снова устанавливается в ковш и на оставшийся материал от первой заливки наносится футеровочный материал, в результате чего толщина футеровки восстанавливается до исходной [4]. Рисунок 1.18 – Схема формирования бесконечной футеровки сталеразливочного ковша Одним из способов нанесения монолитной футеровки и ремонта сталеразливочных ковшей является торкретирование. При торкретировании металлургических тепловых агрегатов торкрет – массу специального состава регулярно наносят на защищаемую поверхность футеровки для предохранения ее от дальнейшего разрушения. Слой огнеупорной торкрет - массы воспринимает на себя тепловую нагрузку печи, защищает рабочую поверхность от воздействия расплавов шлака, металла. При регулярном торкретировании огнеупорный слой выполняет функции огнеупорной кладки, кроме того, как огнеупорная кладка он снижает температурный градиент в футеровке, вследствие чего уменьшается 34

глубина пропитки кладки расплавами шлака и металла. Торкрет - слой защищает швы кладки, забивает трещины, выбоины и отдельные участки разгара футеровки от дальнейшего разрушения [14]. В зависимости от условий эксплуатации и сортамента разливаемого металла применяют торкрет – массы различного состава: полукислые, шамотные, высокоглиноземистые, основные и др. Торкретированию подвергают как новою футеровку, так и бывшую в эксплуатации, которое осуществляется несколькими способами: полусухим, мокрым и факельным. При полусухом торкретировании влажность массы обычно составляет 8 – 15, а при мокром 20 – 30 %. Пластификаторы в количестве до 6 % состава смеси вводят в виде высокопластичных глин и бентонитов для повышения начального сцепления торкрет – массы с поверхностью огнеупора и снижения отскока частиц. Пластификаторы и связка являются легкоплавкими компонентами, ускоряющими не только формирование торкрет – покрытия, но и его износ. Оптимальное количество воды, подаваемой в распылительное кольцо, зависит от многих условий и определяется опытным путем. Вода не только формирует струю, но и выполняет функцию транспортного агента и участвует в формировании торкрет – слоя [4, 13]. При нанесении обычно отскакивают крупные зерна, но они образуют скелет покрытия, придают ему прочность, термостойкость и абразивную устойчивость. Мелкие фракции дают усадку, образуют трещины и содержат меньше огнеупорного компонента. Частицы порошка, ударяясь о слой, уплотняют его, но одновременно могут отскакивать и выбивать другие менее связанные частицы из уже нанесенного слоя. На величину отскока, кроме зернового состава, влияют скорость движения потока, расстояние сопла от поверхности, угол наклона сопла к обрабатываемой поверхности, состав смеси (количество цемента, присутствие добавок, повышающих прилипаемость смеси, и т.п.), формы частиц и состояние поверхности [13]. Подбор зернового состава зависит от толщины наносимого торкрет – слоя. При нанесении слоя толщиной до 10 – 15 мм применяют тонкодисперсные 35

массы, так как при такой толщине усадка не играет особой роли. При толщине слоя до 300 мм влияние усадки велико и для ее уменьшения в зерновом составе увеличивают долю крупных фракций. Основными преимуществами мокрого способа торкретирования являются высокая степень использования материала (90 %) и простота процесса. Недостатком способа заключается в том, что толщина первого слоя составляет 20 – 30 мм. При малом содержании влаги покрытие рассыпается, не успев сформироваться в монолитный слой, при большом – стекает с поверхности футеровки. Из – за присутствия влаги в покрытии поверхность огнеупорной футеровки испытывает резкое и глубокое охлаждение, что отрицательно влияет на стойкость футеровок. Нанесённые покрытия требуют строго регламентированного обжига. Узел подачи торкрет – порошков в современных установках торкретирования изображен на рисунке 1.19. В установках сухого и мокрого торкретирования порошок находится под давлением 0,7 – 0,8 Мпа. Расход сжатого воздуха составляет примерно 8000 л в минуту. Порошок из бункера через приёмное отверстие поступает в роторный 12 секторный питатель, вращающийся с частотой 10 или 14 об/мин. Для устранения зависания шихты бункер снабжен вибратором и мешалкой. 36

Рисунок 1.19 – Торкрет – установка Из роторного питателя торкрет – порошок сжатым воздухом транспортируется к соплу с помощью транспортного шланга, на конце которого установлено специальное кольцо для увлажнения торкрет – порошка водой. Увлажнение и перемешивание массы происходят в транспортном шланге, из которого увлажненная торкрет – масса поступает в трубу для нанесения на поверхность футеровки [13]. Факельное торкретирование. В газовую струю подают одновременно топливо (твердое, жидкое или газообразное), воздух, обогащённый кислородом, и огнеупорный порошок. Принцип факельного торкретирования состоит в том, что порошкообразный огнеупорный материал, расплавляясь в пламени, наносится на футеровку. При факельном торкретирование в факеле горящего порошкового кокса, содержание которого в торкрет – массе составляет 30 % происходит плавление огнеупорной частицы. Время, необходимое для плавления огнеупорной частицы в период пребывания в факеле, определяется ее размерами и природой [13]. Оптимальные результаты достигаются в том случае, когда масса распыляется при температуре стенки 300 – 500 0С. При низких температурных 37

образование химической или керамической связки происходит слишком медленно как внутри напыленного слоя, так и в месте контакта нанесенного слоя и стенки. При более высоких температурах вода из торкрета – массы испаряется так быстро, что не успевает задержаться у стенки. Поэтому влажность торкрет – массы при сухом методе составляет 10 – 15 %; давление воздуха при распылении должно достигать 0,3 – 0,5 Мпа, расстояние сопла от стенки 1 – 1,5 м и угол нанесение торкрет – массы 900 [4]. За рубежом основным компонентом в бетонах нового поколения является глинозем (корунд) в сочетании с другими огнеупорными материалами. Наиболее распространены бетоны двух типов – глиноземшпинелидного (Al2O3 MgO·Al2O3) и глиноземмагнезиального (Al2O3 – MgO) составов. В первых бетонах оксид магния присутствует в массе в виде шпинели, во-вторых в виде MgO. Несмотря на равное количественное содержание MgO в обоих составах, глиноземмагнезиальные имеют более высокую коррозионную устойчивость и меньше пропитываются шлаком [13]. Оптимальный состав глиноземомагнезиальных бетонов для стен и участка падения струи металла содержит, масс. %: MgO – 5; тонкодисперсного кремнезема – 0,5; глиноземистого цемента – 8 и остальное корунд. Глиноземомагнезиальные блоки для зоны падения струи металла изготовляют из указанного состава с дополнительным введением волокон из коррозионностойкой стали в количестве 2 %. Содержание шпинели в составе бетонов составляет от 20 до 30 % [4]. Для огнеупорного алюмопериклазового бетона в системе Al2O3-MgO·Al2O3MgO характерно положительное расширение в процессе нагрева, и оно носит линейный характер. Этот процесс результат образования шпинели, который происходит непрерывно в процессе службы футеровки вблизи ее рабочей поверхности, что с одной стороны снижает напряжение внутри футеровки, где температура не достигла значений синтеза шпинели и расширение близко к нулю, а в то же время в приповерхностном слое рабочей футеровки, где идет синтез шпинели, объемное расширение материала сопровождается уплотнением 38

текстуры, что препятствует процессу пропитки огнеупорного материала шлаком. Замедляется взаимодействие шлака с материалом огнеупора с образованием легкоплавких соединений и замедляется коррозия огнеупорного материала [15]. В низкоцементных и ультронизкоцементных бетонах применяют кальцийалюминатные цементы с содержанием 70 и 80 % Al2O3. Первые являются обычными клинкерными цементами, а для получения цементов с 80 % Al2O3 вводят добавки глинозема. Кальцийалюминатный цемент марки СА – 270, предназначенный для изготовления монолитных футеровок и других огнеупорных изделий в черной металлургии. Цемент СА – 270 является высокореактивным и с бимодальным гранулометрическим составом при использовании способствует формированию футеровки с плотной упаковкой частиц. Таблица 1.3 – Характеристики низкоцементных бетонов на основе корундового заполнителя для сталеразливочных ковшей Показатели Содержание, масс. %: Al2O3 MgO SiO2 CaO Кажущаяся плотность, г/см3, после термообработки: при 110 оС 24 ч при 1000 оС 3 ч при 1500 оС 3 ч Предел прочности при сжатии, МПа, после термообработки: при 110 оС 24 ч при 1000 оС 3 ч при 1500 оС 3 ч Марка бетона COMPRIT ANCOCAS COMPRIT 185 SSC-RO X NOVACON 95 185H T-VL93M HM 71 97,0 0,6 - 92,5 5,5 0,1 - 90 7,5 0,7 1,1 94,2 5,1 0,1 92 5 - 2,90 - 3,0 - 3,05 3,05 3,00 3,01 - 2,96 2,89 80 55 - 20 40 60 25 35 110 37 66 - 41,5 47,0 39

Линейная усадка (-), рост (+), после термообработки: при 110 оС 24 ч при 1000 оС 3 ч при 1500 оС 3 ч -0,05 -0,2 - - -0,1 +1,2 0 +0,2 -0,06 +0,47 Самотекущие (безвиброционные) бетоны требуют строгого соблюдения гранулометрического состава. Область гранулометрического составов с наилучшими показателями значениями содержаний фракций, %: более 1 мм 35 – 50; 1 – 0,045 мм 15 – 30 и менее 0,045 мм 35 – 40. Данные бетоны состоят из: заполнителя, тонкомолотых реактивных наполнителей типа глинозема и SiO2, кальций – алюминатного цемента с содержанием Al2O3 от 70 до 80 % и добавок [4]. Сушка футеровок сталеразливочных ковшей Использование монолитных футеровок связано с их продолжительной сушкой и строгим соблюдением заданного графика футеровки. На графике нагрева выделяют участки изотермической выдержки в области 200 и 400 0С, что связано с дегидратацией продуктов твердения высокоглиноземистого цемента в бетоне. Скорость подъема температуры в этом интервале не должна превышать 10 – 15 0С/ч. После службы охлаждение может осуществляется со скоростью 40 0 С/ч. Опыт промышленного освоения монолитных футеровок сталеразливочных ковшей показал, что в процессе сушки колебания температуры в ковше не должны превышать 70 0С и отклонение от заданных параметров более 40 0С не допускаются, так как иначе может произойти взрывное разрушение футеровки [4]. Сушку ковша осуществляют с помощью газовоздушных горелок с двухстадийной подачей воздуха (ГНД типа). Горелка типа ГНД высушивает рабочий слой футеровки промежуточного ковша толщиной 50 – 60 мм, изготовленный торкретированием, за 3,0 – 3,5 ч и разогревает ковш перед разливкой до температуры приема металла за 30 мин. Длительность сушки до 40

400 0С составляет 60 – 80 % общей продолжительности нагрева до 800 – 1200 0С, время термообработки ковша из штучных изделий в 4 – 5 раз меньше, чем из монолитных бетонов [4]. В монолитных глиноземношпинельных бетонах максимальное напряжения развиваются при температурах вблизи 850 0С и достигает порядка 15 Мпа. Добавкой стального волокна снижают напряжения примерно на 30 % [4]. Микроволновый нагрев и сушка огнеупорных материалов позволяет быстро и равномерно нагреть футеровку и значительно ускорить процесс сушки, что позволяет практически свести к минимуму возникновение микротрещин, вызванных быстрой сушкой. Процесс сушки происходит значительно быстрее по сравнению с обычной сушкой. Вода в порах материала быстро нагревается до температуры кипения, вызывая повышение давления в капиллярах и выдавливание воды наружу и последующее ее испарение с поверхности. Конструктивно микроволновая сушилка содержит камеру с необходимой геометрической формой, к которой присоединяются микроволновые генераторы, передающие энергию в камеру по волноводам. Микроволновая камера снаружи закрыта специальными защитными материалами, поглощающими излучение до уровня равного не более 5 мВт/см2. Рисунок 1.20 – Схема оборудования микроволновой сушки с горячим дутьем 41

В другом способе сушки в качестве источника тепловой энергии для сушки и подогрева футеровки сталеразливочного ковша используют низкотемпературную плазму, генерируемую в плазмотроне с использованием инертного плазмообразующего газа. Плазмотрон вводят в ковш через отверстие в крышке вертикально по оси ковша до достижения нижним торцом плазмотрона точки, удаленной от нижней точки днища ковша на расстояние, равное 0,5 - 0,6 от среднего диаметра ковша. Нагрев футеровки осуществляют в два этапа, на первом из которых осуществляют сушку футеровки, а на втором этапе футеровку нагревают до достижения на ее рабочей поверхности температуры 1600 - 1650 °С. Затем мощность плазмотрона повышают и оплавляют рабочую поверхность футеровки, при этом плазмотрон перемещают сверху вниз по вертикальной оси ковша. Обеспечивается повышение стойкости футеровки [16]. Сушку и подогрев углеродсодержащей футеровки сталеразливочных ковшей осуществляют электрическими радиационными нагревателями в две стадии. На первой стадии футеровку нагревают до 600 оС, а процесс нагрева ведут в слабо-окислительной атмосфере, достигаемой путем подачи в пространство ковша через фурму воздуха. На второй стадии футеровку подогревают от 600 °C до 1200 - 1400 °C в атмосфере инертного газа, подаваемого в ковш с расходом (0,5 - 0,6)·Мк(м3/ч). Обеспечивается повышение стойкости углеродсодержащей футеровки и электрических радиационных нагревателей [17]. 1.3 Общие сведения об огнеупорных бетонах Огнеупорными бетонами называют безобжиговые композиционные материалы с огнеупорностью от 1580 0С и выше, состоящие из огнеупорного заполнителя, вяжущего материала, добавок и пор, затвердевающие при нормальной или повышенной температуре и обладающие ограниченной усадкой при температуре применения. Огнеупорные бетоны классифицируют по типу изделий (бетонные блоки, бетонные смеси, бетонные массы) и виду вяжущих. 42

Огнеупорный бетон по своей структуре является аналогом строительных бетонов. Он состоит из заполнителя и вяжущего и отличается от обычного строительного тем, что имеет огнеупорность выше 1580 0 С и сохраняет достаточную строительную прочность в службе, т.е. огнеупорный бетон изготовлен из огнеупорных материалов. В качестве огнеупорных заполнителей применяют материалы, устойчивые в условиях воздействия высоких температур и не образующие с вяжущим легкоплавких эвтектик. Размер зерен заполнителя 2 – 30 мм. Огнеупорные порошки, содержащие все фракции, необходимые для производства бетона, и сухие вяжущие вещества, называют бетонными смесями. Смеси вместе с водой или жидкими затворителями называют бетонными массами [13]. Структуру и свойства неформованных масс регулируют выбором оптимального зернового состава, который влияет на усадку при термообработке и службе, термостойкость и др. Принцип, которым руководствуются при выборе количества и размера фракций составляющих – это наиплотнейшая упаковка зерен в готовом изделии или футеровке. Формирование прочных структур бетонов начинается с процесса смешения исходных компонентов в определённой последовательности и оптимальной продолжительности этого процесса. Образовавшаяся при смешении коагуляционная структура массы при дальнейшей ее переработке (укладке, сушки) переходит в конденсационно – кристаллизационную структуру неформованного огнеупора [13]. Получение плотного и высокопрочного материала из неформованной смеси сводится к тому, что при наименьшей влажности она обладает подвижностью и удобоукладываемостью, которые достигаются путем механического разрушения (вибрацией) и введением малых поверхностно – активных добавок. Эти добавки, адсорбируясь на центрах кристаллизации гидратных образований, замедляют рост этих центров и формирование кристаллизационной структуры, и в следствии нарастание прочности на начальном этапе. Качество огнеупорных бетонов предложено оценивать по их растекаемости с помощью конуса, представленного на рисунке 1.21. При испытании на 43

растекаемость конус убирается после 10, 30, 60, 90 и 120 мин выдержки, после того как в смесь добавлена вода, с последующим измерением диаметра растекшегося конуса [13]. Рисунок 1.21 – Конус для определения растекаемости бетонной смеси Реологические характеристики неформованных смесей изменяются при применении вибрации. Бетонная масса на различных стадиях уплотнения характеризуется разными реологическими свойствами. Скорость перехода смеси в конечное реологическое состояние определяется режимом колебаний или интенсивностью вибровоздействия. Реологические свойства бетонных масс определяют параметры виброформования: амплитуду А и частоту колебаний. Чем выше жесткость бетонной смеси, тем больше амплитуда колебаний А (рисунок 1.22). По мере увеличения жесткости смеси увеличивается амплитуда колебаний (А1 и снижается пористость изделия. 44 А2 А3)

Рисунок 1.22 – Зависимость открытой пористости П от амплитуды А в процессе виброформования из смесей с пониженной (1), средней (2) и высокой жесткостью (3) В процессе виброформования сначала происходит усиление механического сцепления частиц. Затем сцепление увеличивается под действием капиллярных сил, молекулярного притяжения водных оболочек, точечных контактов твердых частиц. При высоком содержании тонкозернистых фракций избыток фазы вызывает при смешении гранулирование и комкование массы и препятствует равномерному распределению по объему мелких фракций. Поэтому важно установить оптимальное количество жидкой фазы с учетом связности и уплотняемости порошка [13]. Огнеупорные бетоны отличаются от обычных огнеупоров тем, что в результате применения специальных вяжущих материалов при нормальной или несколько повышенной температуре образуется прочная камнеподобная структура, которая не разрушается при высоких температурах службы. Таким образом, при производстве огнеупорных бетонов отпадает необходимость высокотемпературного обжига. Огнеупорные бетоны имеют некоторые преимущества перед обожжёнными изделиями. При монолитной бетонной футеровке полностью отсутствуют швы в кладке. В зависимости от назначения, характеристики исходных материалов и вяжущих, вида футеровки применяют следующие методы формования (уплотнения) бетонных смесей: литье (саморастекающихся) бетонных масс, вибролитье; литье с последующим 45 вибрированием, вибропрессование,

вибротрамбование, прессование и торкретирование. В огнеупорных бетонах структура и фазовый состав в значительной степени создаются в службе и поэтому находятся в соответствии (равновесии) с условиями службы [13]. В матрицу бетона входят цемент, высокодисперсные огнеупорные порошки и другие добавки. Высокодисперсная составляющая является своеобразной «смазкой» в системе. Она облегчает и способствует уменьшению водопотребности при заданной подвижности, что повышает плотность укладки компонентов шихты и снижает пористость неформованных огнеупоров. Объемопостоянство – основное требование к огнеупорным бетонам. Наиболее опасны для разрушения бетона усадочные явления. За максимальную температуру применения огнеупорных бетонов принимают температуру, при которой в течении 5 ч без нагрузки линейная усадка составляет не более 1 %. Линейную усадку определяют по разности объема до и после обжига изделий по заданному режиму с последующим пересчётом объёмной усадки на линейную. Бетоны нового поколения. Традиционные бетоны на связке из CaO·2Al2O3 содержали от 10 до 30 % цемента. Это требовало большого количества воды при приготовлении бетонной смеси и приводило к получению бетонных изделий низкой плотности и высокой пористости. Для повышения плотности и снижения пористости бетона уменьшают содержание в нем цемента. По американскому стандарту ASTM C 401-91, бетоны с низким содержанием цемента классифицируют по содержанию CaO на низкоцементные (LCC - Low Cement Castable) с содержанием CaO 1,0 – 2,5 %; сверхнизкоцементные (ULCC - Low Cement Castable) с содержанием CaO 0,2 – 1,0 %; бесцементные (NCC - Low Cement Castable) с содержанием CaO менее 0,2 %. В этих бетонах цемент частично или полностью заменяют добавками ультрадисперсных порошков с размерами частиц 0,1 – 10 мкм. На рисунке 1.23 показана схема эволюции обычных бетонов, состоящих из заполнителя (75 %) и цемента (25 %). В низкоцементных бетонах часть цемента заменена на тонкодисперсный заполнитель, и замененный состав бетона содержит заполнитель (75 %), цемент (10 %) и тонкодисперсный заполнитель (15 46

%). В бетонах с ультранизким содержанием цемента оставшаяся часть цемента заменена на адгезивы (диспергирующий глинозём). Бетоны нового поколения содержат заполнитель (75 %), цемент (3 %), тонкодисперсный заполнитель (20 %) и адгезивы (2 %) [13]. Рисунок 1.23 – Эволюция структуры и состава огнеупорных бетонов Новые бетоны имеют низкую влажность, так как вода после сушки повышает пористость. Меньшее содержание воды улучшает такие свойства как открытая пористость, коррозионная устойчивость и механическая прочность. Для получения улученных свойств необходим тщательный подбор и оптимальное соотношение гранулометрических составов крупной и мелкой (матрица) фракций бетонов с целью получения повышенной плотности упаковки частиц. Первоначально высокую плотность упаковки получали путем введения в матрицу бетона высокодисперсных (<1 мкм) частиц микрокремнезема или глинистых частиц, но при этом ухудшались свойства бетонов: температура начала деформации, термомеханические и коррозионные. Поэтому в последние годы микрокремнезем и глину заменяют активными дисперсионными разновидностями глинозема и шпинели [4]. 47

Саморастекающиеся бетоны. Эти бетоны привлекают все большее внимание благодаря хорошим конструкционным свойствам. Бетон характеризуется хорошей растекаемостью, но не за счет физических и химических свойств и снижения срока службы. Для обычных вибролитых бетонов растекаемость можно улучшить, увеличив количество воды, но это приводит к агрегации зерен и явлению расслоения; при этом свойства бетона резко ухудшаются. Саморастекающийся бетон сильно отличается от обычного по составу и системе диспергирования. Основными факторами, влияющими на свойства саморастекающихся бетонов, являются гранулометрический состав и дисперсанты или ПАВ. Различие в гранулометрическом составе саморастекающихся бетонов и обычных состоит в том, что в обычных используют тонкодисперсные порошки с размером частиц менее 0,088 или 0,074 мм, а в саморастекающихся - менее 0,045 мм, причем содержание такого порошка в шихте саморастекающегося бетона выше, чем у серийного. Кроме того, распределение и форма частиц по размерам во фракции мельче 0,045 мм влияют на величину растекания. Высокодисперсные частицы располагаются между другими частицами, заполняя пустоты, снижают трение, уменьшают пористость и требуют введения меньшего количества воды. Назначение диспергирующей добавки, или ПАВ, состоит в снижении поверхностного натяжения воды путем изменения морфологии поверхностного слоя частиц порошка. Армирование бетонов. Введение волокон в огнеупорные бетоны придает им волокнистую структуру, которая имеет лучшие свойства по сравнению с обычной. Армирование волокнами повышает прочность бетона в самых «критических» интервалах температур – от 500 до 1000 оС. Это интервал, в котором разрушается гидравлическая связка, а керамическая еще не сформировалась. У гидравлических связок низко-, ультронизко- и бесцементных бетонов такого снижения прочности не происходит, но бетоны на этих связках чувствительны к термическим и механическим ударам. 48

Волокна вводятся в хрупкую структуру матрицы для повышения ударной прочности и вязкости разрушения бетона в результате торможения процесса трещинообразования и повышения прочности при растяжении и изгибе. Для армирования применяют различные волокна. Таблица 1.4 – Основные свойства некоторых волокон В большинстве случаев введение 2 мас. % волокон достаточно для обеспечения требуемых свойств. Если растрескивание и скалывание бетона являются главными факторами разрушения, то содержание волокон увеличивают до 4 мас. % [13]. 1.4 Особенности получения периклазоуглеродистых бетонов Одним из перспективных видов огнеупорных бетонов является бетоны состава MgO – С. Предпринималось много попыток разработки MgO - C бетонов со свойствами, сравнимыми со свойствами MgO – C кирпича, но до сих пор не удавалось преодолеть три основных препятствия, чтобы получить продукт, который мог бы заменить кирпич, например, в футеровке шлакового пояса сталеразливочного ковша: 1. Оксид магния чувствителен к реакции с водой, образуя брусит, что ведет к ухудшению микро и макроструктуры. Использование других жидкостей вместо воды, например, спиртов неприемлемо для промышленного применения в таких местах, как сталеплавильные заводы, по причинам безопасности. 49

2. Углерод гидрофобен и поэтому не может смачиваться и равномерно смешиваться в водных суспензиях, из – за чего приходится увеличивать количество жидкости для лучшего распределения углерода в массе. 3. Обычные связки для бетонов, такие как цемент, глиноземные, кремнеземные, фосфатные компоненты и др., не совсем совместимы с MgO. Во всяком случае, продукты реакции MgO с одним из этих компонентов снижают либо огнеупорность, либо коррозионную стойкость, либо и то, и другое [18]. В зависимости от температуры обжига магнезита получают два вида продукта: при 800 – 1000 оС – каустический магнезит, при 1500 – 1700 оС – спеченный периклаз. Каустический магнезит при обычной температуре взаимодействует с водой (гидратируется) по реакции: MgO + H2O = Mg(OH)2 + 410 кДж/кг Объем получающегося гидроксида увеличивается примерно в 1,97 раза, поэтому нельзя использовать каустический магнезит в качестве основного материала. С повышением температуры обжига способность периклаза к гидратации снижается и при нагревании до 1600 – 1650 оС получают «намертво» обожжённый периклаз. Однако, и этот периклаз при 60 – 80 оС гидратируется также, как и каустический магнезит с увеличением объема. Различная гидратируемость периклаза в зависимости от температуры обжига магнезита объясняется неодинаковым размером кристаллов и разной степенью их дефектности. Для уменьшения содержания воды необходимой для получения периклазоуглеродистого бетона можно использовать специальные вяжущие вещества и добавки. Высокоглиноземистые цементы – группа огнеупорных цементов, содержащих алюминаты кальция. Твердение происходит благодаря реакции взаимодействия минералов, содержащих алюминаты кальция с водой, в результате чего образуется нерастворимые в воде гидратные фазы. Содержание Al2O3 в таких цементах более 70 %, CaO – не более 28 %. Для высокоглиноземистых цементов характерны области с высоким содержанием 50

Al2O3 и низким содержанием CaO и SiO2, поэтому эти цементы имеют высокую температуру огнеупорности. Процесс гидратации фаз высокоглиноземистого цемента начинается с взаимодействия с водой и образования ионов Ca2+ и Al(OH)3. Сначала гидратация происходит на поверхности частиц цемента и вызывает повышения жесткости смеси. В дальнейшем гидратация приводит к появлению большого количества кристалогидратов и повышению прочности структуры. Процесс заканчивается образованием стабильных кристаллических фаз 3CaO·Al2O3·8H2O и Al(OH)3. Процесс схватывания и твердения цемента в бетоне сопровождается выделением тепла. В ходе процесса выделяют время начала подъема температуры и время, за которое достигается максимальное значение температуры, соответствующее достижению прочности, достаточной для снятия опалубки [13]. При низких температурах твердения (<20 оС) образуются метастабильная форма CaO·Al2O3·10H2O и гель Al(OH)х. Это соединение быстро переходит в более устойчивый двухкальциевый восьмиводный гидроалюминат, причем одновременно выделяется гидроксид алюминия по реакции: 2(CaO·Al2O3) + 11H2O = 2CaO·Al2O3·8H2O + 2Al(OH)3 При более высоких температурах твердения (>35 оС) образуются стабильная форма 3CaO·Al2O3·8H2O и гиббсит Al2O3·3H2O с минимальным количеством свободной воды. Объем гидратов уменьшается примерно на 53 %. Поэтому рекомендуется твердение проводить при температурах, предотвращающих образование гелеобразных продуктов CaO·Al2O3·10H2O и Al(OH)х [13]. Для производства огнеупорных бетонов предпочтительным считается высокоглиноземистый цемент марки СА – 270, содержащий 73 % Al2O3. Он имеет высокую химическую активность и также бимодальное распределение частиц, что способствует уплотнению матричной системы бетона в сочетании с другими дисперсными материалами [13]. Микрокремнезем. Введение микрокремнезема в матрицу неформованных смесей улучшает текучесть и снижает водопотребность смесей. При взаимодействии с CaO высокоглиноземистого цемента по реакции Ca(OH)2 + 51

SiO2 = CaO·SiO2·H2O образует гелеобразные продукты, заполняющие поры в огнеупорном материале. Микрокремнезем ферросилиция является кремния, отходом феррохрома, производства в при результате получении протекания высокотемпературных процессов восстановления SiO2 углеродом и получения летучей газообразной SiO, которая при охлаждении вновь окисляется до SiO2 кислородом и осаждается в фильтрах в виде аморфных сфер диаметром около 0,25 мкм. Содержание SiO2 при этом находится в пределах 70 – 90 %. Микрокремнеземистая пыль содержит частицы сферической формы со средним диаметром 0,1 мкм и удельной поверхностью от 12 до 25 м2/г и выше. Насыпная плотность составляет 150 – 250 кг/м3 [13]. 1.5 Общие технологические параметры производства бетонов Большинство огнеупорных бетонных изделий, смесей и масс изготовляется по технологической схеме, показанной на рисунке 1.24. Заполнитель, вяжущее и добавку, дозируют по массе или объему непрерывно, или периодически и подвергают смешению. Равномерность массы зависит от ряда факторов: продолжительности, типа и режима работы смесителя, количества компонентов и их соотношения и др. Большое значение имеет последовательность смешения. Рекомендуют сначала смешивать крупные фракции с жидкой связкой, а затем вводить тонкие фракции (цемент, добавки). 52

Рисунок 1.24 – Технологическая схема производства огнеупорных бетонов В зависимости от способа укладки бетонную массу изготавливают малопластичной, пластичной или литой. При транспортировке и укладке необходимо принимать меры для предотвращения расфракционирования и расслаивания массы [13]. 53

2 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ 2.1 Исходные материалы В качестве исходных материалов для разработки периклазоуглеродистого бетона использовали: плавленый периклаз марки DTMF 90 фр., мм: 3-1, 1-0,5, 0,063 производства ООО «Группа Магнезит»; высокоглиноземистый цемент марки CA-270 производства компании «Almatis»; диспергирующая добавка марка LITHOPIX P5 «ZSCHIMMER & SCHWARZ» и углеродистые компоненты. Плавленый периклаз Используем плавленый периклаз с массовой долей MgO не менее 97,5 %. Характеристика плавленого периклаза с м.д. MgO не менее 97,5 % представлена в таблице 2.1. Таблица 2.1 - Характеристика плавленого периклаза Значение для фракций 3 - 1 мм 1 – 0,5 мм 0,063 - 0 мм Наименование показателей 1 Массовая доля (на прокаленное вещество), %: МgO, не менее CaO, не более SiO2, не более Fe2O3 2 Массовая доля зерен, %: Остаток на сетке № 4, не более Проход через сетку № 4, не более в т.ч. проход через сетку № 3, не более Проход через сетку № 1, не более Остаток на сетке № 1, не более Проход через сетку № 05, в пределах Проход через сетку № 0063, не менее Проход через сетку № 009, не менее 3 Пористость открытая, %, не более 4 Кажущаяся плотность, г/см3, не менее 5 Массовая доля влаги, %, не более 97,5 1,5 0,9 факультативно 10 10 3,5 3,48 0,4 54 20 40-60 0,4 95 -

Зерновой состав плавленого периклаза представлен в таблице 2.2. Таблица 2.2 - Зерновой состав плавленого периклаза, мас. % Фракция Наименование материала >3 3/2 2/1 1/0,5 0,5/0,063 1,5 24,5 54,5 19,5 - Плавленый периклаз фр. 1-0,5 мм - - 27,0 68,5 4,5 Плавленый периклаз фр. 0,063-0 мм - - - 1,5 98,5 Плавленый периклаз фр. 3-1 мм Цемент CA-270 производства «Almatis», Германия В низкоцементных кальцийалюминатные и ультронизкоцементных цементы с содержанием 70 бетонах и 80 применяют % Al2O3. Кальцийалюминатный цемент марки СА – 270, предназначается для изготовления монолитных футеровок и других огнеупорных изделий в черной металлургии. Цемент СА – 270 является высокореактивным и с бимодальным гранулометрическим составом при использовании способствует формированию футеровки с плотной упаковкой частиц. Характеризуется очень низкой водопотребностью, отличной текучестью и высокой прочностью. Данный цемент не содержит органических добавок, чтобы избежать риска возникновения нежелательного сочетания в химическом составе с другими компонентами [4]. Процедуры испытания на текучесть, схватывание и прочность максимально приближены к европейским стандартам. Химический анализ цемента выполнен методом рентгеновской флуоресцентной спектрометрии (таблица 2.3). 55

Таблица 2.3 - Характеристика цемента СА – 270 Марка СА - 270 Массовая доля, %: Al2O3 CaO Na2O MgO SiO2 Fe2O3 72 27 0,3 0,3 0,3 0,1 Удельная поверхность по ВЭТ, м2/г 1,5 Размер частиц, мкм: D50 D90 6 48 Добавка LITHOPIX P5 («ZSCHIMMER & SCHWARZ», Германия) – вещество светло-серого цвета на основе микрокремнезема с содержанием фосфатов до 10 %. Имеет объемную плотность 650 кг/м3, значение pH ~7-8 – значительно уменьшает количество потребляемой воды, улучшает реологию бетонов. Химический состав добавки LITHOPIX P5 представлен в таблице 2.4. Таблица 2.4 - Химический состав добавки LITHOPIX P5 Наименование добавки LITHOPIX P5 Содержание оксидов, масс. % SiO2 Al2O3 MgO P2O5 Na2O 70-75 - 10-12 10 5 Углеродистый компонент - Чешуйчатый графит Чешуйчатый графит представляет собой одну из разновидностей кристаллического графита. Такое название он получил благодаря тому, что его кристаллы имеют вид чешуек, относительно больших размеров. Характеристика чешуйчатого графита представлена в таблице 2.5. 56

Таблица 2.5 - Характеристика чешуйчатого графита Наименование показателей Значения Содержание углерода, %, не менее 94 Зольность, %, не более 6 Выход летучих веществ, %, не более 1,0 Массовая доля меди (Cu), %, не более 0,05 Остаток, %, на сетке № 016, не более Просев через сетку № 0063, %: не более не менее Массовая доля влаги, %, не более 40 25 1,0 - Термовспученный углерод Окисленный графит по химическому составу является одной из аллотропных модификаций углерода. При низких температурах от 140 – 150 оС обладает уникальным свойством терморасширения (вспучивания) – увеличение собственного объема в сотни раз с образованием вспененного графита. Характеристика термовспученного углерода представлена в таблице 2.6. Таблица 2.6 - Характеристика термовспученного углерода Наименование показателей Значения Содержание углерода, %, не менее Зольность, %, не более 96 4 Влажность, %, не более 1,0 Размер частиц (80 mesh), %, не менее 80 Насыпная плотность, г/см3 0,6 ± 0,05 Относительная плотность, г/см3 2,2 – 2,3 - Карборез Карборез является продуктом перегонки каменноугольной смолы с особенно низким содержанием токсичных компонентов и служит в качестве 57

связующего для углеродсодержащих огнеупоров и графитовых изделий. Характеристика карбореза представлена в таблице 2.7. Таблица 2.7 - Характеристика карбореза Свойства Температура размягчения, оС Доля зерен <0,40 мм, % Значения >200 90 Доля зерен <0,080 мм, % 50 Коксовый остаток, % >80 - Древесный уголь Характеристика древесного угля по ГОСТ 7657 – 84 представлена в таблице 2.8. Таблица 2.8 - Характеристика древесного угля по ГОСТ 7657 – 84 Наименование показателя Норма для марки Кажущаяся плотность, г/см3, не менее Массовая доля золы, %, не более Массовая доля углерода, %, не менее Массовая доля воды, %, не более 0,37 2,5 90 6 2.2 Методы исследования Для получения необходимых сведений об исследуемых огнеупорных бетонах определялось консистенция смеси, открытая пористость, кажущаяся плотность, водопоглощение и механическая прочность. Метод определения консистенции основан на растекаемости бетонной смеси под действием вибрации. После приготовления массу помещали в формуконус на поверхность виброплощадки. Включали виброплощадку на 30 секунд, при необходимости добавляли смесь в форму, после чего убирали конус и 58

включали виброплощадку еще на полминуты. Консистенцию оценивали по показателю индексу растекаемости (ИР) в соответствии с ГОСТ Р 52541-2006: ИР = 𝑑ср −100 100 100 (2.1) где 𝑑ср – среднее значение диаметра образца после испытания, мм; 100 – диаметр нижнего основания, мм. Для исследования открытой пористости, кажущийся плотности и водопоглощения образцы помещали в емкости для вакуумирования и выдерживали в керосине в течение 30 минут. Далее определяли массу пропитанного образца, погруженного в жидкость и массу пропитанного образца на воздухе. Для конечного расчета использовались формулы в соответствии с ГОСТ 2409-2014. Кажущуюся плотность определяют по формуле 2.2: ρкаж = mсух mнас.ж −mгидр ρж (2.2) где mсух - масса сухого образца при взвешивании на воздухе; mнас.ж - масса насыщенного образца при взвешивании на воздухе; mгидр - масса насыщенного образца при гидростатическом взвешивании; ρж – плотность насыщающей жидкости, г/см3. Открытая пористость (Поткр ) – отношение объема открытых пор к общему объему образца, включая объем всех пор. Открытую пористость рассчитывают по формуле 2.3: Потк = mнас.ж−mсух mнас.ж−mгидр 100 (2.3) Водопоглощение – В, выраженное в процентах − отношение массы воды, поглощенной образцом при полном насыщении, к массе сухого образца. Водопоглощение (В, %) рассчитывают по формуле 2.4: B= mнас.ж−mсух mсух 59 100 (2.4)

Предел прочности материала при сжатии определяли по ГОСТ Р 53065.22008 на прессе типа П - 50. Предел прочности (𝜎сж , Мпа) вычисляют по формуле 2.5: σсж = P F (2.5) где P – нагрузка, при которой образец разрушился; F – площадь поперечного сечения образца, см2 . Рисунок 2.1 – Пресс типа П-50 2.3 Подготовка образцов Образцы в виде цилиндров высотой и диаметром 50 мм получали методом виброзаливки в разборные металлические формы в соответствие с ГОСТ Р 52541-2006. Бетонную смесь готовили смешением в лабораторном смесителе «Founter VFM7B» в течение 5 – 7 мин последовательным смешением сухих компонентов и введением воды. Определяли индекс растекаемости массы. Образцы формовали с помощью вибрации в металлических разъемных формах. Полученные образцы выдерживали в формах в течение 24 часов, 60

распалубливали и выдерживали во влажной атмосфере в течение ещё 48 часов. После твердения образцы термообрабатывали при температурах, °C: 110, 600, 1100 и 1400 в лабораторных муфельных печах. После термообработки образцы охлаждали до температуры окружающей среды. Далее были определены кажущаяся плотность, открытая пористость, водопоглощение, предел прочности при сжатии. 2.4 Исследование возможности получения периклазоуглеродистого бетона Для исследования были подготовлены 3 состава периклазоуглеродистых бетонов с добавкой Lithopix P5. Таблица 2.9 – Составы периклазоуглеродистых бетонов с использованием крупнокристаллического графита и углеродистого материала Содержание, масс. % Компонент Состав 1 Состав 2 Состав 3 MgO фракции 3-1 мм 35 35 35 MgO фракции 1-0,5 мм 24 22 22 MgO фракции менее 0,063 мм 23 23 23 CA-270 5 5 5 Lithopix P5 5 5 5 Материал углеродистый 8 - 6 Графит крупнокристаллический - 10 4 Этиленгликоль 1 1,8 1,6 Вода, сверх 100% 9,6 12,7 9,6 61

Полученные свойства представлены в таблице 2.10. Таблица 2.10 - Свойства полученных образцов Свойства Содержание в составе №, мас. % 1 2 При Тобр = 110 °С 3 Водопоглощение, % 6,6 14,7 7,7 Потк, % 20,8 36,9 25,6 ρкаж, г/см3 3,12 2,5 3,28 ИР, % 40 10 20 σсж, МПа 8,1 - 4,0 При Тобр = 600 °С Водопоглощение, % 7,8 13,5 8,7 Потк, % 24,1 39,3 28,1 ρкаж, г/см3 3,11 3,1 2,95 σсж, МПа 5,1 - 3,0 При Тобр = 1100 °С Водопоглощение, % 8,5 14,5 9,5 Потк, % 28,0 41,7 30,4 ρкаж, г/см3 3,0 2,45 2.89 σсж, МПа 4,8 - 2,7 При Тобр = 1400 °С Водопоглощение, % 8,6 - 9,5 Потк, % 28,1 - 29,1 ρкаж, г/см3 3,0 - 2,77 σсж, МПа 3,1 - 1,0 62

Предел прочности при сжатии, МПа 9 8 7 1 6 2 5 4 3 3 2 1 0 110 600 1100 1400 Температура, 0С Рисунок 2.2 – Изменение предела прочности при сжатии исследованных составов с добавками ультрадисперсного синтетического углерода (1), природного чешуйчатого графита (2) и смеси вышеуказанных материалов (3). Открытая пористость, % Номера составов – по таблице 2.10 60 50 1 40 2 30 3 20 10 0 110 600 1100 1400 Температура, 0С Рисунок 2.3 – Изменение открытой пористости исследованных составов исследованных составов с добавками ультрадисперсного синтетического углерода (1), природного чешуйчатого графита (2) и смеси вышеуказанных материалов (3). Номера составов – по таблице 2.10 63

Из данных таблиц 2.9 и 2.10 видно, что введение углеродистого компонента резко повышает водопотребность системы (с 5,1 до 9,6-12,7 %), что закономерно приводит к снижению плотности и прочности бетона. Следует отметить, что введение ультрадисперсного углеродистого материала, полученного из отходов графитированного ПАН волокна, в меньшей степени снижает свойства периклазового бетона. Далее были подготовлены составы периклазоуглеродистых бетонов с использованием нескольких форм углеродистого компонента: - термовспученный углерод; - карборез; - древесный уголь. Таблица 2.11 - Составы периклазоуглеродистых бетонов с использованием термовспученного углерода, карбореза и древесного угля Компонент Содержание, масс. % Состав 1 Состав 2 Состав 3 MgO фракции 3-1 мм 32 30 30 MgO фракции 1-0,5 мм 30 28 28 MgO фракции менее 0,063 мм 26 25 25 CA-270 5 5 5 Lithopix P5 5 5 5 Термовспученный углерод 2 - - Карборез - 7 - Древесный уголь - - 7 Этиленгликоль 0,3 0,9 1,6 Вода, сверх 100% 8,8 6 7 64

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В ходе исследования доказана возможность использования периклазового сырья в качестве заполнителя для производства низкоцементных периклазоуглеродистых бетонов на гидравлических вяжущих. Было разработано несколько составов с использованием крупнокристаллического графита и углеродистого материала. По результатам исследования данных пришли к выводу, что добавление углерода резко увеличивает водопотребность смеси (с 5,1 до 9,6-12,7 %) по сравнению с периклазовым бетоном, что соответственно приводит к снижению прочности, плотности и повышению пористости бетона. Поэтому для снижения количества вводимой воды, повышения механических и реологических свойств бетона необходимо исследовать составы с введением иных форм углеродистого компонента. Таким образом, одним из перспективных направлений дальнейших исследований является разработка концепции низкоуглеродистых периклазовых бетонов с использованием ультрадисперсных углеродистых материалов с высокой степенью совершенства кристаллической структуры. 65

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Разработка футеровки сталеразливочных ковшей (обзор опыта работы) / Н. С. Съёмщиков [и др.] // Новые огнеупоры. - 2013. - №7. – С.3-8. 2. Е. Т. Бородай. Магнезиальные огнеупорные бетоны на основе щелочных вяжущих с повышенными термомеханическими свойствами // Современное промышленное и гражданское строительство. - 2018, Том 14. - №4. - С.201 – 207. 3. Земляной К.Г. Служба огнеупоров: учеб. – метод. пособие / К.Г. Земляной. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, - 2018. – 172 с. 4. Кащеев И.Д. Свойства и применение огнеупоров / И.Д. Кащеев. – М.: Теплотехник, - 2004. – 352 с. 5. Аксельрод Л.М. Служба огнеупоров / Л.М. Аксельрод; Под ред. И.Д. Кащеева, Е.Е. Гришенкова. – М.: Интермент Инжиниринг, - 2002. – 656 с.. 6. Новые концепции футеровок сталеразливочных ковшей / П. Тассо [и др.] // Огнеупоры и техническая керамика. – 2008. - №3.- С.32-37. 7. С. Камелли. Анализ механизма износа MgO – C кирпича шлакового пояса сталеразливочных ковшей / С. Камелли, М. Лабадие // Огнеупоры и техническая керамика. - 2007. - №7. - С.22 – 26. 8. Термомеханический расчет периклазоуглеродистого кирпича для сталеразливочных ковшей / Г. Бухебнер [и др.] // Огнеупоры и техническая керамика. - 2009. - №9. - С.43 – 46. 9. Развитие дизайна рабочей футеровки сталеразливочного ковша в КЦ – 2 ОАО «НЛМК» / К.И. Иконников [и др.] // Производство чугуна и стали. - С.52-54. 10. Производство периклазоуглеродистых изделий с добавкой алюминия для футеровки сталеразливочных ковшей ЭСПЦ / Батурина А.А. [и др.] // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. - 2012. Т. 1. №70. - С.186 – 188. 11. Х В. Ю. Белоусова. Огнеупоры для рабочей футеровки стен сталеразливочных ковшей: периклазоуглерод или алюмопериклазоуглерод? // Огнеупоры и техническая керамика. - 2009. - №3. - С.27 – 30. 66

12. Периклазоалюмоуглеродистые огнеупорные изделия для футеровки сталеразливочных ковшей / M. Labadie [и др.] // Огнеупоры и техническая керамика. - 2013. - №1 - 2. - С.76 – 80. 13. Кащеев И.Д. Химическая технология огнеупоров: учебное пособие / Кащеев И.Д., Стрелов К.К., Мамыкин П.С. – М.: Интермет Инжиниринг. - 2007. – 752 с. 14. Неформованные огнеупорные материалы для металлургической промышленности / В.П. Мигаль [и др.] // Огнеупоры и техническая керамика. 2009. - №4 - 5. - С.27-34. 15. Аксельрод Л.М. Альтернативная футеровка сталеразливочных ковшей, технический и экономический аспект / Аксельрод Л.М., Гартен В. // В сборнике: XV МЕЖДУНАРОДНЫЙ КОНГРЕСС СТАЛЕПЛАВИЛЬЩИКОВ Сборник трудов, к 100-летию Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и 380-летию российской металлургии. - 2018. - С.9-17 16. Пат. 2663447 Российская Федерация, МПК В 22 D 41/015. Способ сушки и нагрева футеровки сталеразливочного ковша/М. Г. Кузьмин, Я. Л. Кац, А. В. Речкалов, А. С. Аньшаков; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Сибирское специальное конструктурское бюро электротермического оборудования» (ОАО «СКБ Сибэлектротерм») (RU). — № 2016124906; заявл. 21.06.2016; опубл. 06.08.2018, Бюл. № 22. — 5 с.: ил. 17. Пат. 2572902 Российская Федерация, МПК В 22 D 41/02. Способ сушки и подогрева углеродсодержащей футеровки сталеразливочных ковшей/Я. Л. Кац, И. М. Бершинцкий, М. В. Краснянский; заявитель и патентообладатель Акционерное общество Акционерная холдинговая Компания "Всероссийский научно-исследовательский и проектно - конструкторский институт металлургического машиностроения имени академика Целикова" (АО АХК "ВНИИМЕТМАШ") (RU). — № 2014116659/02; заявл. 25.04.2014; опубл. 20.01.2016, Бюл. № 2. — 6 с.: ил. 18. Х. Янсен. MgO – C бетон с новыми свойствами / Х. Янсен, С. Дудчиг, К.Г. Анезирис // Огнеупоры и техническая керамика. - 2009. - №1 - 2. - С.47 – 50. 67

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв