книги / Неформованные огнеупоры. Т. 1 Общие вопросы технологии

Горячая сторона

Рис. 2.16. Возможные варианты армирования изделий из огнеупорных бетонов: 1— предварительно напряженная стальная арматура; 2 - стальная арматура; 3 — волокнистое армирование (беспорядоч­ ное стальное волокно)

ускорения процесса сушки и уменьшения вероятности образования эффекта “взрыв­ ного разрушения” [2.3]. При введении стальных волокон повышается термостойкость и износостойкость. Следует отметить, что при изготовлении крупногабаритных бето­ нов в ряде случаев применяют их армирование. Возможности армирования огнеупор­ ных бетонов по [2.44] проиллюстрированы на рис. 2.16.

В зависимости от условий службы и, прежде всего, температуры по толщине бето­ на, могут применяться различные варианты армирования, приведенные на рис. 2.16.

2.8. Торкрет-массы (торкрет-бетоны)

Торкретирование как способ формования или ремонта огнеупорных футеровок, зак­ лючается в переносе огнеупорного материала к формуемому телу или поверхности сжатым воздухом с образованием плотного слоя (массы или бетона). В зависимости от состояния огнеупорного материала различают сухое торкретирование и мокрое (пульповое). В самое последнее время разработан и применен способ полусухого (полумокрого) торкретирования. Он состоит в том, что на стадии предварительного ув­ лажнения к огнеупорному материалу добавляют около 40-50 % от всего требуемого количества воды, а остальную часть вводят в сопло [2.20]. В зависимости от темпера­ туры транспортирующего газа различают холодное и горячее торкретирование. По аналогии с огнеупорными бетонами торкрет-бетоны могут быть плотными и легкими (теплоизоляционными).

Касаясь исторического аспекта технологии торкретирования применительно к об­ ласти металлургии и огнеупоров, следует отметить, что этот способ очень широко применяется в самых различных областях. Его применяют, например, при проведе­ нии работ, связанных с разработкой газовых и нефтяных месторождений, с созданием укреплений откосов рыхлых и скальных пород в виде бетонных покрытий толщиной 50-500 мм, при строительстве искусственных бетонных русел рек и каналов, при стро­ ительстве дамб, дорог и т.д.

Термин “торкретирование” впервые введен в 1921 г. фирмой “ТогкгеГ, которая пред­ ложила этот способ [2.5]. Впервые в нашей стране метод торкретирования был приме­ нен при строительстве Волховской ГЭС в 1924 г. Согласно данным [2.51] ,этот метод для торкретирования футеровок мартеновских печей инженером Г. С. Байбаковым был применен в 1930 г. Систематические исследования процесса торкретирования метал­ лургических агрегатов начаты ВИО в 1934 г. [2.12], а в дальнейшем и УкрНИО в 1939-

Сопоставительный анализ свойств торкрет-бетона, полученного по описанному спо­ собу, с обычным (наливным) применительно к монолитной футеровке сталеразливоч­ ных и промежуточных ковшей приведен в табл. 2.12. Там же приведены данные по торкрет-бетонам для ремонта чугунного желоба доменной печи.

Из таблицы следует, что бетоны как для торкретирования, так и налива характеризу­ ются равным химическим составом. Показатели предела прочности при сжатии после термообработки как при 1000, так и при 1500 °С существенно выше для наливного варианта футеровки, что обусловливается разницей в пористости: для футеровки стальковша— 1,4-2,5 %; промковша— 1,1-1,4 %.

Согласно же данным огнеупорной фирмы “Кгозак1 Согр.” (Япония) и металлурги­ ческой фирмы “БаШо 81ееГ, сопоставительные испытания наливного и торкрет-бето­ на корундошпинельного состава в футеровке сталеразливочного ковша показали даже некоторое преимущество торкрет-бетона при службе. При сопоставимых значениях пористости и прочности бетонов скорость износа торкрет-бетона составила 1,57 мм/ плавку против 1,61 для наливного. При этом стойкость составила 42 и 40 наливов соответственно.

Следует отметить, что обычные торкрет-бетоны, применяемые для ремонта моно­ литных футеровок, например, главных желобов доменных печей, значительно уступа­ ют по стойкости виброналивным огнеупорным бетонам аналогичного состава. Это характерно в том числе и для керамобетонных, наливных и торкрет-масс, применяе­ мых для этой цели.

Если в подавляющем большинстве случаев применения торкрет-масс ставится за­ дача получения на их основе плотной футеровки или ремонтного слоя, то примени­ тельно к их службе в промежуточных ковшах ставится обратная задача — получение достаточно пористого теплоизоляционного рабочего торкрет-покрытия с ограничен­ ным (до 8-10 плавок) ресурсом службы.

В табл. 2.13 по данным [2.31] приведены данные по составам и свойствам зарубеж­ ных торкрет-масс для промковшей МНЛЗ.

Все они изготавливаются преимущественно на магнезиальной основе (содержание М§0 колеблется в пределах 65-90 %). Фазовый состав и структура торкрет-покрытия формируются в процессе службы. С учетом того, что содержание 8Ю2 для большин­ ства колеблется в пределах 15-31 %, в процессе службы протекает прежде всего низ­ котемпературное (>1150 °С) образование форстерита. Массы характеризуются тонко­ зернистым зерновым составом (с1тлхв пределах 0,3-1 мм) и низкой кажущейся плотно­ сти рк в сформировавшемся торкрет-покрытии.

Показатели рк подобных масс находятся в пределах 1,40-1,68 г/см3, что соответству­ ет пористости 45-55 %. Торкрет-покрытия характеризуются низкой механической проч­ ностью как в исходном состоянии, так и после службы. Высокая пористость покрытия при структурообразовании достигается благодаря высокому водосОдержанию исход­ ных масс (20-30 %), чему способствует основной характер минерального состава масс (оливин, периклаз) и введение добавок распушенного стекловолокна, усиливающего тиксотропные и прочностные свойства исходных формовочных систем. Торкрет-мас­ сы, используемые во всех вариантах холодного торкретирования (сухой, полусухой, мокрый) наряду с ранее рассмотренными несомненными достоинствами имеют и ряд недостатков, в числе последних — низкая прочность сцепления с футеровкой и высо­ кая пористость из-за отрицательного влияния водяного пара при выполнении ремон­ тов на горячей футеровке. В этой связи более перспективными являются способы фа­ кельного торкретирования и различные варианты термокерамического торкретирова­ ния [2.20, 2.52, 2.53], которые позволяют нанести плотный слой высокопрочного и устойчивого к коррозии материала.

Принцип горячего (факельного) торкретирования состоит в том, что в газовую струю подают одновременно топливо (твердое, жидкое или газообразное), воздух, обогащен­ ный кислородом, и огнеупорный порошок [2.12]. В зависимости от вида топлива раз­ личают: жидкостное горячее торкретирование, когда топливом служит керосин; газо­ вое, когда топливо — природный газ; и твердоугольное, когда топливом служит уголь­ ная пыль. При горении топлива образуется факел. В факеле частицы огнеупорного материала частично оплавляются, что обусловливает хорошую прилипаемость торк- рет-слоя к огнеупорной футеровке и меньший поток частиц. При этом на торкретиру­ емой поверхности образуется прочный и плотный (пористость до 3 %) торкрет-слой. Однако последний часто оказывается нетермостойким, трескается и частично отслаи­ вается. При введении же в факел 20-30 % коксового порошка торкрет-слой получает­ ся более пористым, но более термостойким [2.12].

В настоящее время существует два способа так называемого термокерамического торкретирования [2.20]: факельное торкретирование и керамическая сварка.

Факельное торкретирование впервые применили на коксовых печах, но впослед­ ствии распространили его на агрегаты доменного и сталеплавильного производства, например, установки порционного и циркуляционного вакуумирования, конвертеры, сталеразливочные ковши, доменные воздухонагреватели [2.12,2.20].

При высокотемпературной керамической сварке (ВКС), как и при факельном торк­ ретировании, происходит расплавление ремонтного материала. Принципиальное раз­ личие состоит в механизме подвода тепла для расплавления. В данном случае оно

- 1 0

11

12

с

Рис. 2.18. Схема установки для факельного торкретирования: 1— ремонтируемая поверхность; 2 — торкрет-слой; 3 — факел; 4 — горелка; 5 — фурма; б — огнеупорный порошок; 7 — бункер; 8 — регулятор; 9 — подвод воды; 10 — отвод воды; 11 — пропан; 12 — кислород

осуществляется за счет тепла экзотермической реакции окисления порошкообразного металлического “горючего”, входящего в состав наносимого при ВКС порошка [2.52, 2.53].

Таким образом, сущность ВКС состоит в том, что на изношенный участок в горячей печи наносят керамический материал в смеси с металлическими порошками в среде окислителя (чаще всего — кислорода). Принципиальная схема процесса показана на рис. 2.18.

В этом процессе металлические порошки играют роль горючего материала, поток кислорода поддерживает горение, а керамический материал используется как запол­ нитель. При этом температура поверхности ремонтируемой футеровки должна быть достаточной для того, чтобы смесь воспламенилась и началась экзотермическая реак­ ция [2.52,2.53].

Рассмотренный процесс ВКС начиная с 1980 г. успешно применяется на коксохими­ ческих предприятиях мира для горячего ремонта коксовых печей. Процесс запатенто­ ван фирмой “С1ауегЬе1” (Бельгия). В России также создана технология ВКС не только для коксовых печей, но и для сталеразливочных ковшей, конверторов, нагреватель­ ных печей [2.53]. На Украине аналогичный метод назван керамической наплавкой, он используется на коксохимических предприятиях для восстановления динасовой и шамотной кладки [2.53].

2.9. Другие неформованные огнеупорные материалы

В ряде стран в отдельный класс неформованных огнеупоров выделяют так называ­ емые “формуемые материалы” [2.5-2.8]. Последние включают пластичные массы, набивные массы и леточные массы.

2.9.1. Пластичные массы

Пластичные массы являются самыми первыми неформованными огнеупорами, ко­ торые были широко реализованы на практике. Впервые они были созданы в США в 1914 г. (фирма “РПЬпсо”). Они, как правило, состоят из огнеупорного заполнителя и пластичной глины как матричной (и одновременно вяжущей) системы. Дополнитель­ но могут вводиться и другие связующие. Они, как правило, производятся в виде уп­ лотненных пластичных (изолированных пленкой) брикетов или заготовок, получае­ мых методом экструдирования пластичных масс. Иногда их поставляют и в гранули­ рованном состоянии. Их применяют, например, для локального ремонта разрушенной футеровки (без применения шаблона) методом набивки (пневмотрамбования), а в ряде же случаев при изготовлении сплошных футеровок из пластичных масс применяют и виброуплотнение.

Т а б л и ц а 2.14

Характерные свойства пластичных огнеупорных масс

фикаторов), вяжущих веществ и влаги, и поэтому они требуют больших энергозатрат при формовании.

В отечественной практике к набивным огнеупорным массам причисляют и песко­ метные материалы [2.12], хотя за рубежом их выделяют в отдельную группу неформо­ ванных огнеупоров [2.5, 2.18,2.19]. Этот метод получил в СССР исключительно ши­ рокое практическое применение в связи с выполнением монолитных футеровок ста­ леразливочных ковшей [2.12]. Наиболее совершенной для этой цели считается маши­ на типа “Орбита” конструкции НЛМК, с помощью которой еще в 80-е, начале 90-х годов набивалась преобладающая часть монолитных футеровок из масс кислого хи­ мического состава [2.1, 2.12]. Эти футеровки, хотя и в значительно меньшем количе­ стве, но еще и сейчас используются на некоторых заводах России и Украины.

Аналогичные пескометные установки (ЗНп^ег) для монолитных футеровок стале­ разливочных, чугуноразливочных ковшей использовались до 90-х годов и в других странах при использовании высококремнеземистых, пирофиритовых и цирконсодер­ жащих масс [2.19]. Принцип действия пескометов состоит в том, что массе придается определенная скорость, и когда она под действие центробежной силы срывается с го­ ловки массомета, то ее кинетическая энергия расходуется на уплотнение. При скоро­ сти бросания пакета массы пескометом 60 м/с развивается давление, эквивалентное около 10 МПа статической нагрузки. Пескометную массу забрасывают в зазор между шаблоном и стенкой печи, в результате чего образуется футеровка, которая после суш­ ки и разогрева подвергается эксплуатации [2.12]. Для футеровки сталеразливочных ковшей применяют кремнеземистые массы, расширяющиеся при нагревании и уплот­ няющие футеровку в процессе службы. Для обеспечения формуемости в массу вводят огнеупорную глину, ортофосфорную кислоту, сульфат магния и т.д. Содержание ЗЮ2 в массе составляет 90±2 %, влажность 8-12 % [2.12].

Сопоставительные исследования методов формования монолитных футеровок ста­ леразливочных ковшей показали [5] ,что по показателям пористости материала, а так­ же по скорости его износа по службе метод пескометной набивки уступает другим методам — механической набивке (трамбованию), а также вибролитью. Кроме того, для футеровок сталеразливочных ковшей стали применять более дорогие и высоко­ стойкие материалы, чем с использованием пескометных машин. В связи с этим за рубежом данный метод уже не применяют.

Применительно к набивным массам преимущественное распространение получили пневматические трамбовки со съемными бойками. Длина хода поршня трамбовки со­ ставляет 100-150 мм, давление воздуха 0,5-0,8 МПа, диаметр бойка 50-100 мм. Фор­ ма бойка — сферическая или с волнисто-шероховатой поверхностью [2.18, 2.19].

Существует две разновидности способа трамбования: послойный и непрерывный. При первом способе вся футеровка разбивается на несколько слоев (примерно 60 мм) и каждый слой уплотняется отдельно. Согласно второму способу массу трамбуют не­ прерывно, подавая ее небольшими порциями. Благодаря этому создается возможность выполнять сравнительно толстую бесшовную футеровку с равномерной плотностью без слоевых соединений [2.18,2.19]. По данным, представленным в работе [2.54] при­ менительно к магнезитовым набивным массам непрерывный метод характеризуется несколько (1,1 %) меньшей пористостью и большей прочностью уплотненного мате­ риала.

Рис. 2.20. Влияние влажности формовоч­ ной смеси IV на пористость образцов кремнеземистого керамобетона после сушки Я, полученных набивкой (/), ста­ тическим прессованием под давлением 100 (2) и 10 МПа (5)

На результаты уплотнения набивных масс сильное влияние оказывает влажность массы, содержание и вид вяжущего. В зависимости от минерального состава и назна­ чения набивных масс применяют как неорганические, так и органические вяжущие (связки). Применительно к набивным массам на основе кварцита [2.55] и боксита [2.32] весьма успешно применяют пластифицирующие добавки огнеупорных глин. В рабо­ те [2.56] проведены сопоставительные исследования влияния способа уплотнения (фор­ мования) на пористость кремнеземистых масс на основе пластифицированных ВКВС кварцевого песка. При этом изучены методы как набивки (пневмо(вибро)трамбования), так и статического прессования при различных давлениях. Как следует из рис. 2.20, при всех изученных значениях влажности исходных формовочных смесей минимальные значения пористости достигнуты при использовании метода набивки.

Т а б л и ц а 2.15

Свойства огнеупоров, полученных из набивных масс