В научно-техническом центре «Бакор» разработан материал корундомуллитоциркониевого состава для футеровки подин нагревательных печей толкательного типа. Повышенная прочность материала обусловлена использованием высокотехнологичных сырьевых компонентов и модификацией состава вяжущего. Приведены положительные результаты эксплуатации блоков полной заводской готовности в методической печи кузнечно-механического завода (Украина).
Ключевые слова: корундомуллитоциркониевый огнеупор; футеровка подины нагревательной печи толкательного типа.
Практика эксплуатации методических печей на металлургических предприятиях показывает, что для повышения рентабельности и снижения энергетических затрат необходимо применение новых стойких огнеупорных материалов в кладке подин нагревательных печей [1].
Ранее [2, 3] приводились результаты исследований и опыт эксплуатации футеровок подин нагревательных (методических) печей с шагающим подом, выполненной из керамических блоков корундомуллитоциркониевого (КМЦ) состава. Отмечалось, что в сравнении с существующими футеровками, выполненными из различных бетонов и плавленого корунда, футеровка из огнеупоров КМЦ имеет значительные преимущества:
– отсутствие взаимодействия с окалиной заготовок;
– высокая эрозионная и термическая стойкость, что обеспечивает футеровке длительный срок службы – более двух лет;
– простота монтажа и возможность изготовления элементов футеровки полной заводской готовности.
Приведенные выводы подтверждены опытом эксплуатации подин нагревательных печей с шагающим подом на промышленных предприятиях. Прочность при сжатии огнеупора КМЦ составляет 75–90 МПа, что обеспечивает надежную работу футеровок нагревательных печей именно с шагающим подом. Для печей же толкательного типа требуются огнеупорные материалы с повышенными прочностными характеристиками.
Учитывая многочисленные запросы предприятий на высокостойкие огнеупоры для футеровки подин нагревательных печей толкательного типа, в НТЦ «Бакор» разработали огнеупоры для печей такого типа. При формировании требований к огнеупорам для подин печей толкательного типа учитывали необходимость получения следующих свойств:
– высокая стойкость к механической коррозии и, как следствие, продление сроков эксплуатации футеровки;
– высокая термостойкость и отсутствие взаимодействия футеровки с окалиной.
Ввиду того, что такие свойства демонстрировали огнеупоры КМЦ [4], было принято решение разработать высокопрочный материал на основе того же корундомуллитоциркониевого состава.
Прочность на истирание характеризуется в основном когезионной прочностью материала, которая определяется как прочность при сжатии. В связи с этим основной упор в исследованиях был сделан на повышение прочности при сжатии разрабатываемого материала. Согласно литературным данным и анализу прочностных свойств материалов, эффективно используемых при футеровке подин печей толкательного типа, уровень прочности при сжатии должен быть не менее 150 МПа.
Регулировать упрочнение керамического огнеупорного материала зернистого строения в процессе обжига возможно различными приемами, в частности, комбинацией сырьевых компонентов, подбором зернового состава масс и режима формования для повышения плотности сырца, а также температурным режимом обжига и другими [5].
Прочность керамического материала зернистого строения является сложной функцией, зависящей от параметров микроструктуры, прочности зерен наполнителя и тонкодисперсной связки. При получении керамических материалов на основе электроплавленых зерен, которые в процессе обжига не подвержены усадке, особое внимание обращают на величину усадки связки. При больших значениях усадки тонкодисперсной связки создаются значительные напряжения, приводящие к образованию микротрещин в самой тонкодисперсной связке и/или к ее отрыву от зерен наполнителя. Это влечет за собой снижение механических характеристик материала.
Были проведены петрографические исследования микроструктуры и рентгенофазовый анализ для выявления фазового состава разработанного материала. Известно, что при обжиге тонкоизмельченных смесей оксида алюминия и циркона происходит разложение циркона с образованием диоксидов циркония и кремния. Выделившийся в результате разложения диоксид кремния в дальнейшем может взаимодействовать с оксидом алюминия с образованием муллита. Прохождение этих процессов во многом определяется дисперсностью компонентов, их распределением и наличием примесей и добавок в смеси. Рентгенофазовый анализ показал, что в разработанном авторами материале, по аналогии с материалом КМЦ, остаточное количество циркона после обжига незначительно. Образовавшиеся муллит и диоксид циркония обусловливают высокую термическую стойкость и разработанного материала, и материала КМЦ.
Задача повышения прочности материала корундомуллитоциркониевого состава была успешно решена благодаря изменению состава вяжущего вещества и введения в шихту высокотехнологичных сырьевых компонентов, выпускаемых ведущими зарубежными компаниями. Применение такого состава при изготовлении огнеупорных блоков позволяет повышать формовочную плотность сырца и получать обожженные изделия с пористостью не более 15%. Предел прочности при сжатии нового материала составляет 150–170 МПа, термостойкость не менее 30 теплосмен (1300 °С – вода), плотность не менее 3,3 г/см3.
Были проведены петрографические исследования микроструктуры разработанного материала. Тонкодисперсная связка представляет собой структуру с равномерно распределенными порами и микротрещинами, которые определяют высокую термическую стойкость материала. Муллит обнаруживается в виде мелких игольчатых кристаллов. Тонкодисперсная связка с наибольшим размером зерен, не превышающим 30 мкм, плотно контактирует с зернами наполнителя. Равномерное распределение новообразований и плотный контакт тонкодисперсной связки с зернами наполнителя обусловливают высокий уровень прочности разработанного материала и его низкую пористость.
При контакте металлических заготовок (или их окалины) с подиной печи может происходить химическая реакция, которая приводит к спеканию материала подины и заготовок. Образуются так называемые настыли, препятствующие проталкиванию заготовок через печь. Как правило, при движении металлических заготовок настыли механически вырываются, что нарушает целостность подины на отдельных участках, а также повреждает поверхность заготовок. Пониженная пористость разработанного огнеупора уменьшает проникновение расплавов оксидов металлов внутрь материала, тем самым препятствуя созданию настылей.
В ранее разработанном материале КМЦ тонкодисперсная связка состоит из зерен размером 20–50 мкм. На границе зерен наполнителя с тонкодисперсной связкой наблюдаются поры щелевидной формы, которые, наиболее вероятно, образуются в результате усадки тонкодисперсной связки и отрыва ее от зерен. Наличие таких пор снижает прочность материала КМЦпо сравнению с прочностью разработанного авторами материала.
В результате исследований подтверждена эффективность использования нового связующего при производстве корундомуллитоциркониевых огнеупоров. На опытно-экспериментальной базе ЗАО «НТЦ «Бакор» выпущена опытная партия блоков из разработанного материала.
Первый опыт эксплуатации нового огнеупора был осуществлен на Лазовском кузнечно-механическом заводе (Украина). В ООО «Краматорский завод «Теплоприбор» (Украина, Донецкая
обл.) спроектировали и изготовили для Лазовского завода методические печи для нагрева стальных заготовок (формы квадрата, цилиндра). Печь вступила в эксплуатацию в 2009 г. Подина печи выполнялась из хромомагнезитового кирпича и его стойкость составляла не более пяти недель.
При движении заготовок по подине, футерованной хромомагнезитовым кирпичом, происходили истирание ее поверхности и образование продольных канавок. Глубина канавок и определяла износ подины. Кроме того, хромомагнезитовый кирпич интенсивно взаимодействовал с окалиной с образованием настылей.
Новая футеровка пода печи
В 2011 г. для футеровки печи был применен материал корундомуллитоциркониевого состава, разработанный специально для толкательных печей. По проекту завода «Теплоприбор» на базе ЗАО НТЦ «Бакор» были изготовлены рациональные блоки полной заводской готовности, удобные для монтажа. Предусмотрено, что при появлении износа на поверхности блоков их можно перевернуть и продолжить эксплуатацию. К настоящему времени подина печи эксплуатируется более 18 мес. В процессе эксплуатации не было отмечено взаимодействия металла заготовок или окалины с материалом подины.
Состояние футеровки после 18 месяцев эксплуатации
Сравнительный экономический анализ применения изделий из разработанного материала вместо хромомагнезитового кирпича для футеровки подин нагревательных печей толкательного типа показал, что все затраты окупаются менее чем за шесть месяцев. В настоящее время, учитывая положительный опыт эффективного применения высокопрочного материала корундомуллитоциркониевого состава в нагревательныхпечах толкательного типа, руководством завода «Теплоприбор» и НТЦ «Бакор» разработана совместная программа по дальнейшему использованию нового эффективного материала на предприятиях Украины.
Библиографический список
