Технология огнеупоров

Технология динасовых огнеупоров. К динасовым относятся огнеупо­ры, содержащие SiO₂ не менее 93%. Динасовые изделия изготавливают из кварцитов, содержащих не менее 95% SiO₂.

Теоретической основой производства динаса служит диаграмма Феннера и исследования И.С. Кайнарского и Э.В. Дегтяревой. Физико-химическая суть технологии заключается в полиморфных превращениях кремнезёма.

Основой кварцитов является β-кварц, переходящий полностью при 573°С в α-кварц, существующий в виде устойчивой модификации до 870°С. Выше этой температуры α-кварц медленно переходит в α-тридимит. При отсутствии минерализаторов α-кварц через промежуточную фазу метакристобалит переходит при 1050°С в α-кристобалит, что нежелательно, а при вводе минерализаторов осуществляется переход в α-тридимит в интервале темпе ратур 1200...1460°С, что и является основной целью при производстве динаса

Сырье. Для производства динаса применяют кварциты плотные, медленно перерождающиеся. В качестве минерализаторов наиболее эффективными являются CaO, FeO, MnO, которые в интервале 1200.. 1450°С образуют жидкую фазу пониженной вязкости. На практике в качестве минерализатора обычно применяют известь в количестве 2...4% в виде известкового молока Са(ОН)₂. Она выполняет две функции: придает массе некоторую связность и прочность сырцу; в ходе обжига образует с SiО₂ и др. примесями легкоплавкую жидкую фазу. Для ввода в шихту Fe₂O₃ (FeO) применяют также железистые добавки - пиритные отходы, конверторные шламы, окалину прокатных цехов. В качестве связки (поскольку шихта непластичная) применяют СДБ в количестве 0,25. .0,7 % в пересчете на сухое вещество.

Технологическая схема производства динаса приведена на рис.1

Рис.1 Технологическая схема производства динаса.

Не описывая процессы подготовки материалов и др. переделы, отметим наиболее важное при приготовлении шихты. Для обеспечения наибольшей скорости процессов и наибольшей степени перерождения кварца в тридимит необходимо получение шихты с оптимальным зерновым составом. Минимальная пористость динасового сырца достигается при содержаниях фракций, % (по массе): З...1мм - 40...50; 1 ...0,5 мм - 10...20; менее 0,5 мм - 50...40%. Сильное влияние на плотность сырца и количество тридимита оказывает содержание в тонкой фракции зерен размером менее 80 мкм. Чем тоньше зерновой состав, тем большая часть кварца превращается в тридимит при обжиге. При крупном зерновом составе увеличивается содержание кристобалита.

Влажность динасовых масс находится в пределах 5,5...6,3%. Сушат динасовый сырец в туннельных сушилах с противоточным движением теплоносителя.

Обжиг динаса производят в туннельных печах.

Физико-химические процессы при обжиге. В процессе обжига необходимо добиться возможно более полного перерождения кварца в тридимит. Сложность обжига динаса обусловлена тем, что перерождение кварцевых пород сопровождается значительным увеличением объема материала, что может привести к образованию трещин и снижению прочности. В процессе обжига, как обычно в керамике, выделяют три стадии: подогрев, собственно обжиг (спекание), охлаждение.

На стадии подогрева протекают следующие процессы. При нагревании до 180...200°С происходит удаление остаточной после сушки влаги В интервале температур 450...560°С дегидратируется Са(ОН)₂, а при темпера­туре 573°С β-кварц переходит в α-кварц, что сопровождается увеличением объёма на 0,82%. Скорость подъема температуры составляет 20.. .25 град/ч.

При температурах 600...700°С начинаются процессы твердофазового взаимодействия между СаО и SiO₂ с образованием двухкальциевого сили­ката, что способствует некоторому увеличению прочности изделий. При повышении температуры до 800...1000°С двухкальциевый силикат, взаи­модействуя с высокодисперсным кремнезёмом, образует псевдоволластонит α-CaO·SiO₂, а также происходит медленный переход α-кварца в α-кристобалит. Выше 1100°С необратимые переходы кварца в модификации с пониженной плотностью происходят интенсивнее вследствие возникно­вения жидкой фазы в материале, т.е. начинается стадия спекания.

Спекание. На этой стадии обжига за счет образования легкоплавких силикатов, фаялита и наличия легкоплавких примесей образуется 8...15% жилкой фазы, в которой растворяется кварц. Из пересыщенного расплава кристаллизуется тридимит. При подъеме температуры с 1100 до 1350°С в печи поддерживается слабовосстановительная среда, что способствует образованию оксида железа (II) из Fe₂O₃, образованию фаялита; увеличению количества расплава и снижению его вязкости, ускоряющих образована тридимита. Кристаллизация тридимита из расплава сопровождается увеличением объема огнеупора, что требует замедления скорости нагревания в интервале температур 1100...1425°С до 12..15 град/ч. При максимальной температуре обжига осуществляют выдержку динасовых изделий до 30...35ч при общей продолжительности обжига 123...128ч. Необходимо особо подчеркнуть роль жидкой фазы в спекании динаса, т.к. она:

- обеспечивает перерождение кварца в тридимит (при сухом перерождении кварц может переходить в кристобалит);

- играет роль "пружины", смягчающей внутренние напряжения при перерождении кварца в тридимит;

- являясь несмачивающей жидкостью по отношению к кристаллам, не препятствует образованию кристаллического сростка минералов при формировании структуры динаса;

- выполняет роль цементирующей связки кристаллических агрегатов в монолит в структуре динаса.

Охлаждение изделий от температуры 1430... 1400 до 400°С производят со скоростью 35...37 град/ч, а в интервале температур З00...50°С - 8 град/ч, что обусловливается процессами образования конечного фазового состава и необходимостью предотвращения последствий объемных изменений в огнеупоре. Фазовый состав динаса включает, % (по массе): 60..85 γ-тридимита, 10...20 β-кварца, 20...30 β-кристобалита, 8...10 стекловидной фазы и некоторых др. новообразований.

Свойства динаса. Динас относится к кислым огнеупорам и хорошо противостоит кислым металлургическим расплавам, а также работает в условиях воздействия кислых газовых сред. Благодаря способности динаса расширяться при нагреве из него выкладывают своды печей.

Огнеупорность динаса составляет 1710...1730°С, температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа колеблется в пределах 1660...1670°С. Предел прочности при сжатии в нормальных условиях 20...30 МПа. Термостойкость динаса при испытании по стандартной методике (нагрев до 1300°С и охлаждение в проточной воде) не превышает 1...2 теплосмены. При колебаниях температуры не ниже 600°С термостойкость динаса высокая.

Технология алюмосижкатных огнеупоров. Теоретической основой процесса производства этих огнеупоров являются закономерности изменения минералогического состава с повышением температуры в двухкомпонентной системе Al₂O₃ –SiO₂ , в которой имеются три кристаллические фазы: муллит, корунд и кварц. Муллит образуется при содержании в составе 71,8% А1₂О₃ и 28,2% SiO₂. Температура плавления муллита 1910°С, кристаллизуется в ром­бической сингонии, химически стоек, твердость по шкале Мооса 6.

Составы алюмосиликатных огнеупоров приведены выше. Преиму­щественно выпускают огнеупоры, содержащие от 35...38 до 45% А1₂О₃, это обусловливается стабильностью состава огнеупорных глин с указанным количеством А1₂О₃.

Технология производства шамотных огнеупоров формировалась в зависимости от свойств сырья, физико-химических процессов при сушке и обжиге, соотношения между глиной и шамотом и их гранулометрического состава.

Известно, что общая усадка большинства пластичных огнеупорных глин составляет 15...20%, а усадка огнеупора не должна превышать 6...9 %. Поэтому количеством глины, обожженной на шамот, или иным отощителем регулируют усадку, а также важнейшие рабочие свойства изделий, за­висящие от состава и структуры материала.

Шамотными называют огнеупоры, содержащие от 28 до 45 % А1₂О₃ и изготовленные из смеси огнеупорных глин, каолинов и шамота.

Шамотом называется обожженная огнеупорная глина. По количест­ву шамота в массе различают: бесшамотные, малошамотные (до 30%), ша­мотные (40...65%) и многошамотные (> 80%) изделия. В зависимости от влажности масс различают изделия, изготавливаемые из пластичных масс (влажность > 16%) и полусухих масс (влажность до 10%). Наибольшее применение имеет полусухой способ формования изделий.

Технология производства шамотных и полукислых огнеупоров включает линию подготовки глины как связки.

Упрощенная схема обжига глины на шамот и получения соответст­вующего гранулометрического состава приведена на рис.2

Обжиг глины на шамот производится сухим способом во вращаю­щихся печах при температуре 1250...1350°С. При этом получают высоко­качественный шамот с водопоглощением в зернах не более 2%. Глина в ка­честве связки также подвергается предварительной подготовке по схеме, приведенной на рис. 3

При полусухом способе прессования многошамотных масс их влаж­ность составляет 5...6%, а количество шамота изменяется от 70 до 90%. Оп­тимальное содержание глины находится в пределах 8…12%, причем часть глины (2...3%) вводят в виде шликера. Шликер готовят в пропеллерных ме­шалках из молотой глины и водного раствора СДБ плотностью 1,03... 1,06 г/см³. Плотность готового глиняного шликера должна быть 1,16... 1,30 г/см³.

Сушка шамотных изделий полусухого прессования осуществляется на вагонетках туннельных печей, т.е. сушила объединяются с туннельной пе­чью. Длина сушил составляет 30 м (10 позиций печных вагонеток). Тепло­носителем служит воздух, отбираемый из зоны охлаждения туннельной пе­чи. Температура воздуха на входе в сушила – 210...230°С, на выходе - 90...100°С. Продолжительность сушки находится в пределах 14...21 ч. Влажность изделий после сушки не более 1%.

Рис.2 Схема обжига глины на шамот.

Склад глины

Дробление – зубчатые вальцы, стругач

Сушильный барабан

Улавливание пыли

Бункер пыли

Бункер для остывания глины

Камневыделительные вальцы

Питатель

Дезинтегратор

Рассев

Распределительные бункеры

Отказ

Рис.3 Схема подготовки связующей глины.

Рис.4 Схема производства шамотных изделий полусухим способом.

Обжиг. Шамотные изделия обжигают в туннельных печах при мак­симальной температуре 1300...1450°С в зависимости от типа связующей глины.

Процесс обжига шамотных изделий, как и любой другой керамики, слагается из трех стадий - подогрева, спекания и охлаждения. На стадии подогрева из сырца удаляется остаточная влага при нагревании до 200°С; при 400...600°С в связующей глине происходит дегидратация каолинита:

Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O = Al₂O₃·2SiO₂ + 2Н₂О,

Al₂O₃·2SiO₂ - метакаолинит

что обусловливает усадку изделий на 0,50 %.

При дальнейшем нагревании в интервале температур 600...900°С происходит равномерная линейная усадка до 1,0%, окисление органических примесей, сульфидов и разложение карбонатов.

Спекание шамотных изделий начинается при 1000...1100°С. Важней­шим физико-химическим процессом является реакция муллитизации метакаолинита:

3(Al₂O₃·2SiO₂) = 3Al₂O₃·2SiO₂ + 4SiO₂.

При этом необходимо учитывать, что образование первичного и вто­ричного муллита в составе шамота как компонента шихты прошло при его обжиге. Большое значение имеет образование жидкой фазы, которая игра­ет роль связки формирующейся структуры шамота.

При охлаждении расплав, образовавшийся при высоких температурах, затвердевает, образуя стекловидную фазу и изделия приобретают высокую механическую прочность. Шамотные изделия в конце зоны охлаждения имеют температуру 60...70°С. Скорость охлаждения составляет 60..70 град/ч.

Свойства шамотных изделий. По химической Природе они относят­ся к нейтральным огнеупорам, однако, лучше противостоят действию кис­лых расплавов, чем основных. Огнеупорность шамотных изделий находит­ся в пределах 1580...1750°С и зависит от их химического и минерального состава. Температура начала деформации под нагрузкой 0,2 МПа составля­ет, °С: для шамотных изделий 1250...1400, для каолиновых 1450..1550, для полукислых 1300. .1400. Все алюмосиликатные огнеупоры имеют хоро­шую термостойкость. Так, изделия из пластичных масс выдерживают от 6 до 12, а из полусухих - от 7 до 50 водных теплосмен. Предел прочности на сжатие шамотных изделий не менее 10... 12,5, каолиновых - 30,0, а полу­кислых - 10...15 МПа. Пористость шамотных изделий различных видов находится в пределах 15...30%.

Шамотные огнеупоры используют для футеровки доменных, стекло­варенных, керамических, цементных печей, а также в качестве сталеразливочного припаса.

8