CC BY
203
Трусов В.А., Трусова В.П., Трусов В.В., Макаров В.В. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ ФУТЕРОВКЕ ГАЗОВЫХ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ПЛАВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ ЛОМОВ
В настоящее время для футеровки газовых ванных печей отражательного типа, предназначенных для выплавки алюминиевых сплавов, нашли широкое применение алюмосиликатные огнеупоры. К огнеупорам этого вида относят изделия, содержащие более 30% А12О3 и до 65% ЗЮ2. Свойства алюмосиликатных огнеупоров в значительной степени зависят от их химического состава и прежде всего от содержания в них А12О3. Из диаграммы состояния 8102 - А12О3 (рис. 1) тель, как температура плавления,
видно, что такой важнейший показа-
значительно повышается при увеличении содержания А1203.
40 50
Кашния
А1гО3'23102 А1203'510г
С} % (по пассе)
Рис. 1. Диаграмма состояния ЗЮ2-А120з
Кроме того, в рассматриваемой системе имеется единственное устойчивое в твердой фазе химическое соединение — муллит ЗА12О3 х 28102.
В зависимости от содержания А12О3 и Б102 алюмосиликатные огнеупоры подразделяют на полукислые, шамотные и высокоглиноземистые. Среди последних различают силиманитовые, муллитовые, муллитокорундовые и корундовые изделия.
Шамотные огнеупоры являются самым распространенным видом огнеупорных материалов. Их производство составляет около 70% общего производства огнеупоров в России. Основным сырьем для получения шамотных огнеупоров служат огнеупорные глины и каолины, основной составляющей которых является каолинит А12О3 х 28102*2Н20. В качестве примесей присутствуют окиси железа, щелочных и щелочноземельных элементов. Содержание этих примесей в огнеупорных глинах составляет около 6%. Каолины содержат меньше примесей, чем глины. Окислы железа и
кальция — вредные примеси, так как при повышенных температурах они образуют с глиной легкоплавкие смеси, снижающие огнеупорность глины. Огнеупорность глин достигает 1850, а температура спекания 1100—1500°С. Внешними признаками хорошей огнеупорной глины служат кажущаяся жирность на ощупь, пластичность и способность легко формоваться, отсутствие твердых кусковых включений, белый или светло-голубой цвет.
Месторождения огнеупорных глин имеются почти во всех районах России.
Наиболее крупные из них Часов-Ярское, Богдановичское, Боровичское, Пятихатское и др. Огнеупорные глины представляют собой тонкодисперсные вещества с преобладанием частиц размером менее 1 мкм. В них могут присутствовать и грубодисперсные частицы, главным образом частицы кварца. Каолины содержат более крупные частицы. Наиболее характерным свойством огнеупорных глин в сыром виде является их пластичность, т. е. способность материала под действием внешних сил изменять свою форму без появления трещин и сохранять ее после прекращения действия этих сил. Пластичность объясняется тем, что частицы глины при смачивании водой обволакиваются жидкой пленкой с большим поверхностным натяжением и вязкостью, обеспечивающей скольжение частиц относительно друг друга при сохранении сцепления между ними.
Связующая способность глин, т. е. способность соединять непластичные материалы в од-
нородную пластическую массу, в большинстве случаев зависит от их пластичности.
При полном просушивании при 110°С огнеупорные глины теряют пластичность. Однако после добавки к ним воды утраченная пластичность полностью восстанавливается, так как при этом не происходит структурных изменений в минералах. При повышении температуры пластичность глин понижается, а при нагреве выше 450— 470°С пластические свойства их полностью теряются вследствие потери ими химически связанной воды. Если высушенную огнеупорную глину нагревать дальше, то при 700— 800°С глина уплотняется, пока не достигнет максимума плотности, при котором образуется камневидный черепок. Состояние наибольшего уплотнения глин называется спеканием.
Спеканием характеризуется ряд рабочих свойств изделий, изготовленных из глин: термостой-
кость, шлакоустойчивость, механическая прочность и т. д. Температуры спекания могут значительно различаться для различных огнеупорных глин. Интервал спекания иногда бывает очень небольшим, а иногда весьма значительным.
В интервале 600—830°С А12О3 х 28102 разлагается на глинозем и кремнезем. По мере дальнейшего повышения температуры глиняный черепок размягчается из-за появления в нем жидкой фазы. При 930—975°С в черепке происходит перекристаллизация у-формы А12О3 в а-форму. Когда температура достигнет примерно 1000°С, то сначала получается силиманит (А12О3 х 28102), а затем или па-
раллельно с этим начинается образование муллита по следующей реакции:
3 [А12О3-28102] ^ 3А12Оэх 2 8Ю2 + 48Ю2.
Зерна муллита при 1200°С укрупняются и образуют сросток. Одновременно с муллитом выделяется кремнезем, главным образом в виде кремнеземистого стекла « частично в виде кристобалита. Обожженная глина называется шамотом.
Для производства шамотных огнеупоров используют глину, огнеупорность которой не менее 1580°С. Содержание в ней минеральных включений не должно превышать 5—6%. Поступающую на завод глину подвергают сушке до остаточного содержания влаги 7— 8%. При этом она не теряет пластических свойств, так как в противном случае при последующей формовке уже не сможет выполнять роль связующего вещества [1]
Высушенную огнеупорную глину подвергают тонкому помолу до размера частиц менее 0,5 мм. Только из одной огнеупорной глины изготовить огнеупорные изделия невозможно, поскольку при обжиге она дает значительную усадку, что приводит к образованию трещин. Во избежание этого к глине добавляют шамот, предварительно измельченный до 0,1—5 мм. Соотношение глины и шамота зависит от пластичности глин. Полученную смесь увлажняют и очень тщательно перемешивают, в результате чего получают формовочную массу. Количество добавляемой воды зависит от метода дальнейшего прессования изделий. Различают методы пластичного (мокрого) и полусухого прессования. Для формовки тонкостенных шамотных изделий из тощих масс используют также трамбование.
При производстве изделий методом пластичного прессования формовочная масса состоит из 50—60% шамота и 40—50% огнеупорной глины при общей влажности 16—21%. Из этой массы на машинах прессуют заготовку в виде бесконечного прямоугольного бруска, который затем разрезают на брикеты. По форме брикеты приближаются к готовым огнеупорным изделиям. Эти брикеты допрессовывают на специальных прессах под давлением 295—590 Н/см2 (30—60 кгс/см2) , в результате чего получают изделие-сырец, направляемое затем на сушку.
Пластическое прессование по сравнению с полусухим имеет следующие недостатки: большую усадку изделий при сушке и обжиге, достигающую 8—9%, более продолжительную сушку сырца, меньшую прочность сырца и меньшую термостойкость изделия. Преимуществом этого метода является возможность получения изделий сложной формы.
При использовании метода полусухого прессования состав формовочной массы такой же, однако ее влажность составляет 7—9%. Поэтому для прессования сырца используют давление до 2,45 кН/см2 (250 кгс/см2) . Предварительно в формовочную массу для придания ей большей пластичности вводят шликер
— глину, разжиженную добавкой водяного раствора электролита. При полусухом прессовании получают изделия правильной формы и точных размеров. Этому способствует их небольшая усадка при обжиге, составляющая 3—4%.
Для увеличения механической прочности сырых изделий перед загрузкой в обжиговую печь их подвергают сушке. Сушку ведут в туннельных сушилах при 120-200 оС в течение 12-100 ч. Время сушки зависит от размера и исходной влажности изделий. После сушки остаточная влажность составляет 1-2 %. Сушка является ответственной операцией, при неудовлетворительном проведении которой возможна деформация изделий. Обжиг ведут при 1300-1400 оС в течение 70 часов.
Шамотные огнеупоры обладают огнеупорностью 1610-1700 оС. Они характеризуются низкой температурой начала деформации под нагрузкой (1150-1400 оС), плохой химической стойкостью при воздействии расплавленных шлаков, заметной усадкой при 1200-1400 оС, достигающей 1%, значительной пористостью и газопроницаемостью. Их термостойкость достигает 50 теплосмен, причем с увеличением доли шамота в шихте она возрастает.
Шамотные огнеупоры получили широкое распространение благодаря дешевизне и возможности организовать их производство практически в любом промышленном районе. Их используют для кладки печей или отдельных их элементов, где температура не превышает 1400 оС и отсутствует непосредственный контакт с жидкими шлаками. Их применяют при сооружении доменных, мартеновских, нагревательных, термических ванных печей для плавки цветных сплавов и других печей, для футеровки сталеразливочных ковшей, дымовых труб, газоходов, паровых котлов, воздухонагревателей и т.д. Из шамота изготавливают муфели, реторты, трубки, сталеразливочный припас и т.п. В зависимости от условий работы шамотные изделия в печах служат от нескольких месяцев до нескольких лет.
Для исследования и анализа влияния на стойкость футеровки печей из алюмосиликатных материалов были взяты 2 газовые ванные печи отражательного типа[2] емкостью 3 тонны, работающие в ООО «Ресурсы Поволжья» г. Пенза, и 2 ванные газовые печи отражательного типа емкостью 6 тонн, работающие в ООО «УЗТС-Станколит» г. Ульяновск [3].
Во всех указанных выше печах выплавлялись преимущественно сплавы марок АК5М2, АК7, АК9М ГОСТ 1583-93, причем удельный вес выплавляемых сплавов марки АК5М5 составлял около 95 %. Для выплавки сплавов использовался алюминиевый лом класса А групп I, II, V, VI сорт 1 ГОСТ 1639-93, медь класса А группа I сорт 1 ГОСТ 1639-93. Для подшихтовки использовался кремний кристаллический Кр.2 ГОСТ 2169-69.
Перед плавкой основные шихтовые материалы не подвергались очистке, просушке и отделения железосодержащих включений. Расплавленный металл обрабатывался универсальным флюсом «Экораф 1». На печах установлены горелки газовые инжекционные с единичными элементами типа БИГ 2-6 ТУ 51-464-89. Стены, рабочий стол, подина одной из печей, установленных в г. Пензе и г. Ульяновске, выкладывались из шамотного кирпича ШБ 1, прямого кирпича №5, лещадного кирпича №6, кирпича полуторного №12 ГОСТ 8 691-73. На второй из печей в г. Пензе и г. Ульяновске для футеровки использовался шамотный кирпич марки ША 1 указанных выше номеров. Стены каждой печи выложены в 2 кирпича. Для уменьшения потерь тепла, увеличения КПД и срока работы печи имеется теплоизоляционный слой, состоящий из шамотной набивки, двойной прослойки асбеста, огнеупорной ваты и металлической брони. Загрузочное и шлаковые окна имеют пороги и своды, выложенные по шаблонам из шамотного торцевого клина ШБ 1 и ША 1 соответственно №22 и №23 ГОСТ 8691-73. Свод выполнен по шаблону из клина торцевого ШБ1 и ША 1 №22 и № 23.
Табл. 1 Характеристики шамотных кирпичей марок ША 1 и ШБ 1
№ Наименование показателя Н о р м ш цля марок
п/п ША ШБ
1. Массовая доля окислов Al20з не менее, % 30 28
2. Огнеупорность, оС, не ниже 1690 1650
3. Пористость открытая, %, не более для изделий I группы 24 24
4. Предел прочности при сжатии, Н/мм2, не менее для I подгруппы 20 -
5. Температура начала размягчения, оС, не ниже 1300 -
6. Предельные отклонения размеров, мм, прямые изделия высшей категории качества длина ±3 ±3
ширина ±2 ±2
толщина ±2 ±2
7 . Температура применения огнеупоров высшей категории качества, оС, не выше. 1400 1350
Горелки во всех печах перекрыты блоками ШСУ. Плавка шихты производилась при температуре 720740 оС. Разливка выплавленного металла в изложницы производилась при температуре 680-720 оС. Эксплуатация печей в течение 3 лет показала, что срок службы футеровки стен практически одинаковый, средняя стойкость футеровки плавильного пояса из шамота ША 1 у 3-тонной печи на 13% выше, а 6тонной на 12% выше, чем стойкость футеровки из шамота ШБ1. Средняя стойкость горелочного пояса у 3-тонной печи на 11%, а 6-тонной печи на 10 % выше стойкости горелочного пояса, футерованного из шамотных кирпичей марок ШБ. Стойкость рабочего стола и подины печи 3-тонной и 6-тонной, выложенной из кирпичей марок ША 1 в среднем выше на 9%, чем стойкость рабочего стола и подины, футерованной кирпичами марок ШБ 1. Срок службы футеровки свода печей 3-тонных и печей 6-тонных практически одинаков, если своды набраны из кирпичей марок ША 1, но по сравнению со сводами печей 3-х и 6-ти тонных, футерованных шамотными кирпичами марок ШБ 1, срок службы больше на 9 %. Из анализа вышеприведенных данных следует, что средний срок службы футеровки стен из шамотных кирпичей марок ША 1 и ШБ 1 практически одинаков, но футеровка остальных элементов конструкции печи, выполненная из шамотных кирпичей марок ША1 №5, 6, 12 ГОСТ 8691-73, имеет среднюю стойкость на 10,6 % выше,
чем футеровка из шамотных кирпичей марок ШБ 1.
Значительно большую стойкость в печах дает применение для футеровки печей блоков ШСУ 33-1, ШСУ 33-11 ГОСТ 7151-74 производства Подольского огнеупорного завода, вибролитых крупноблочных изделий для стекловаренных печей ВШБС №1 и ВШБС № 11 ТУ 1547-033-00187027-2005 производства Семилукского огнеупорного завода или Боровичского огнеупорного комбината.
Химический состав блоков ШСУ 33, ВШБС и их физико-механические характеристики приведены в таблице 2.
Табл. 2. Химический состав и физико-механические характеристики блоков ШСУ 33 и ВШБС
№ п/п Показатели ШСУ ВШБС
1. Химический состав: АІ2О3, %, не менее 33 43-44
Бе20з, %, не более 1,8 4 1 - 3 1
СаО, % - 2,0-2,3
2. Физико-механические характеристики Кажущаяся плотность, г/см3 2,1 2,15
Открытая пористость, % не более 18 18-20
Предел прочности при сжатии, Н/мм2 25 45-50
Теплопроводность, Вт/мхоС (при средней температуре 500о) - 1,15
Коэффициент термического линейного расширения (20-1000оС), 1/ох106 - 6,06
Температура начала деформации под нагрузкой, оС - 1430
В среднем, стойкость футеровки по сравнению с футеровкой шамотными прямыми кирпичами ША 1 №5 и ША 1 №12 блоков ШСУ выросла в 1,3 раза, а блоков ВШБС в 1,4 раза. Авторы производили в качестве эксперимента футеровку 3-х тонных газовых печей для переплавки алюминиевых ломов в ООО «Эком» г. Пенза и 6-ти тонных газовых печей в ООО «Металл-Трейдинг» г. Саратов [4] и ООО «УЗТС-Станколит» г. Ульяновск блоками, изготавливаемыми способом вибролитья из тиксотропных масс марок МКТ-90, МКТ-72 и МКРТУ-50 ТУ 14-194-27 5-0 6, физико-химические показатели которых приведены в таблице 3.
Табл. 3. Физико-химические свойства блоков из тиксотропных масс по ТУ 14-194-275-06
№ Наименование показателя Норма для марки
п/п МКТ-90 МКТ-7 2 МКРТУ-50
1. Массовая доля на прокаленное вещество, %
А1203, не менее 90 72 50
Ее203, не более 1 1,3 5 1
2. Предел прочности при сжатии, Н/мм2, не менее 70 45 65
3. Открытая пористость, %, не более 22 21 19
4. Температура деформации под нагрузкой, оС, ниже не 1660 1500 1460
Во всех городах печи, футерованные муллитокорундовыми тиксотропными массами марки МКТ-90, имели средний срок службы на 7 0 % выше, чем футерованные шамотными кирпичами марок ША 1. Печь, футерованная в ООО «УЗТС-Станколит» муллитокорундовой тиксотропной массой марки МКТ-72 имела стойкость (срок службы) на 61 % выше, чем футерованная шамотными кирпичами ША 1. Средний срок службы футеровки печей из муллитокремнеземистых тиксотропных масс марки МКРТУ-50 выше на 51 % среднего срока службы футеровки печей из шамотного кирпича марки ША 1.
Применением блоков ШСУ и блоков огнеупорных бетонов вместо обычных штучных изделий можно уменьшить количество швов, что снижает газопроницаемость и повышает шлакоустойчивость футеровки; получить экономию средств, поскольку отпадает процесс предварительного изготовления штучных огнеупоров; выполнить узлы агрегатов практически любой конфигурации, ускорить процесс строительства и снизить долю ручного труда. Бетоны представляют собой смесь цемента, воды и заполнителя, которая после отвердевания на воздухе при обычной температуре приобретает камнеподобное состояние, а после термической обработки - огнеупорные свойства. По пластичности массы после затвердения различают жесткие, пластичные и литые бетоны. Кроме обычных требований, предъявляемых к огнеупорным материалам, бетоны должны характеризоваться постоянством объема и неизменностью механической прочности при разогреве и эксплуатации печи.
Для приготовления огнеупорных бетонов используют портланд-цемент, глиноземистый и высокоглиноземистый цементы. Заполнителями служат обычный, каолиновый и высокоглиноземистый шамот, полукис-лые материалы, хромит и хромомагнезит; для термоизоляционных бетонов - пористый шамот. При подборе заполнителей следует учитывать, что они не являются инертными материалами. В зависимости от химических свойств вяжущего вещества подбирают заполнитель с минимальным химическим сродством к нему.
Бетоны на обычном портландцементе начинают разрушаться при температурах выше 600 оС. Для стабилизации в цемент добавляют тонко измельченные диатомит, шамот, глину и т.п. В этом случае огнеупорность бетона повышается, и его можно использовать при 900-1300 оС. Бетоны на стабилизированном портландцементе с хромомагнезитовым наполнителем применяют при температурах до 1700 оС. Для более высоких температур используют глиноземистый цемент и высокоглиноземистый шамот. Хромитовые бетоны на глиноземистом цементе применимы для 1300-1500 оС.
При возведении тепловых агрегатов из огнеупорного бетона следует соблюдать большую осторожность во время разогрева, чтобы избежать растрескивание бетона.
Для выполнения кладки блоков ШСУ, блоков из тиксотропных бетонов, а также шамотных кирпичей, необходимы растворы, заполняющие швы между ними. В отличие от обычных строительных растворов огнеупорные растворы твердеют только при разогреве печей. Огнеупорные растворы по своему составу должны быть близки к огнеупорному кирпичу, обладать примерно такой же огнеупорностью, высокой температурой начала размягчения под нагрузкой и хорошей шлакоустойчивостью. Для приготовления растворов используют готовые сухие смеси, производимые на огнеупорных заводах для каждого вида кладки (так называемые мертели). Их разбавляют водой до необходимой консистенции (жидкой, полугу-стой или густой). Если готовые мертели отсутствуют, то растворы приготавливают из порошка соответствующего огнеупора со связкой. Связкой служат огнеупорная глина, каменноугольная смола, глиноземистый цемент. Для повышения стойкости кладки газовых ванных печей отражательного типа авторы
добавляли в раствор огнеупорной глины 3% алюмохромофосфатной смеси и 3 % жидкого стекла.
Существенно отметить, что в этом случае время между капитальными ремонтами увеличивалось до лет, т.е. стойкость футеровки увеличивалась в раза.
В отдельных случаях кладку ведут без раствора, и швы между кирпичами заполняют тонкоразмолотым
сухим порошком того же состава.
Такой вид кладки используют в основном при футеровке рабочего стола ванных печей и подины. Хороший результат авторами был достигнут, когда засыпанный в щели блоков подины и рабочего стола шамотный порошок в верхней части заливался жидким стеклом и замазывался «заподлицо» с верхней плоскостью подины и рабочего стола клеевой мастикой «ТЯШМБ».
Лучших результатов авторы достигли, использовав для заделки щелей в блоках ВШБС, ШСУ33 и блоках тиксотропных масс (бетонах) набивную массу собственной разработки, приведенную в таблице 4.
Табл. 4. Состав набивной массы
№ п/п Наименование компонентов набивной массы Содержание компонентов в % по весу
1 Мертель шамотный МШ-39 ТУ 14-199-119-2000 54,2
2 Лигносульфанат технический ТУ 13-0281036-89 5
3 Порошок молотый глины ПГБ ТУ 1522-0 0 9-0 0190 4 95-9 9 19,2
4 Фоскон (алюмохромофосфатная смесь) ТУ 214 9-150-10 9 64 02 9-01 2
5 Вода 6 9 1
Процесс изготовления набивной массы следующий: замачивают молотую глину в воде в течение 2 суток. Далее добавляется порция мертеля шамотного МШ-39 и вся масса тщательно перемешивается, и в заключение добавляется лигносульфанат технический и вода. Полученная масса должна иметь консистенцию очень густой сметаны и при сжатии в руке образовывать неразваливающийся комок. Набивную массу так же как и клеевую мастику «ТК1иМБ» с добавкой 6-7 % молотого шамотного порошка можно
использовать при омуровке горелок газовых ванных печей. Проведенные исследования стойкости омуро-вок горелок БИГ 2-6 из набивной массы следующего состава (примем его как состав № 1): - хроми-
стый железняк 45%;
- порошок огнеупорного магнезита 45%;
- огнеупорная глина 10%;
- вода - свыше 100% до консистенции густой сметаны,
клеевой мастики «ТКШМБ» (состав № 2) и разработанный авторами (состав № 3), приведенный в таблице 4, показали следующие результаты в ООО «Эком» г. Пенза, ООО «УЗТС-Станколит» г. Ульяновск, ООО «Металл-Трейдинг» г. Саратов:
Табл. 5. Стойкость мастик и набивных масс
№ п/п Емкость печи и ее номер Стойкость (в часах) использованных составов
1 2 3
1 3-х тонная № 1 (г. Пенза) 7880 6010 7 600
2 3-х тонная № 2 (г. Пенза) 7710 5920 7490
3 6-ти тонная № 1 (г. Ульяновск) 8100 5890 7860
4 6-ти тонная № 2 (г. Ульяновск) 8040 5610 7770
5 6-ти тонная (г. Саратов) 7 990 5800 7700
Из таблицы видно, что применение разработанной авторами набивной массы для омуровки горелок дает хорошие результаты. Стойкость набивной массы, разработанной авторами, приближается к стойкости набивной массы состава 1 и больше стойкости клеевой мастики «ТКШМБ» (состав 2). Следует отметить, что набивная масса имеет особенность твердеть на воздухе, поэтому после выдержки омуро-ванных горелок на воздухе в течение суток ее сушат в течение 2-3 часов переносными горелками. Во избежание появления трещин делают наколы душником, которые после сушки замазывают набивной массой. Окончательную прокалку омуровки горелок производят вместе с печью в течение 72 часов в летнее время и не менее 80 часов в зимнее время. Авторы предлагают для заделки швов набивную массу делать менее густой, т.е. добавляя больше воды.
Для защиты рабочей поверхности огнеупорных футеровок от разрушающего воздействия печной среды и в целях уменьшения газопроницаемости кладки используют огнеупорные обмазки (защитные, изоляционные и уплотнительные). В состав обмазок входят тонкоизмельченные огнеупорные порошки, огнеупорная глина и клеющие добавки. Кроме того, в изоляционные обмазки добавляют до 40 % асбеста, а в уплотнительные - жидкое стекло, сульфидный щелок и др. Обмазки наносят на кладку с помощью распылителей или вручную.
При использовании огнеупорных материалов учитывают не только их физические и рабочие свойства, но и стоимость. Если принять стоимость динаса за единицу, можно привести данные по относительной стоимости некоторых других огнеупоров:
Динасовых...........1,0
Шамотных..........0,8-0,9
Магнезитовых......1,3-1,5
Хромомагнезитовых.......1,0-1,3
Высокоглиноземистых...2,2-8,5 Карборундовых.......14,0-28,0
Естественно, что дорогие огнеупоры применяют только в том случае, если их нельзя заменить более дешевыми.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вагин А.А. и др. Топливо, огнеупоры и металлургические печи. М.: Металлургия, 1978. - 432
с.
2. Трусов В.А. Патент на изобретение № 2361161 «Отражательная печь для переплава металла». Опубл. 10.07.2009. Бюл. №19
3. Трусов В.А. Патент на изобретение № 2360983 «Отражательная печь для переплава металла». Опубл. 10.07.2009. Бюл. №19
4. Трусов В.А. Патент на изобретение № 2361162 «Отражательная печь для переплава металла». Опубл. 10.07.2009. Бюл. №19
