Огнеупорные, теплоизоляционные и строительные материалы для печей


В. А. УЛЬЯНОВ, М. А. ЛАРИН, В. Н. ГУЩИН








                ОГНЕУПОРНЫЕ, ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЕЧЕЙ





Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области металлургии в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению «Металлургия»




















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2019

УДК 621.184.7(035.5): 666.7
ББК31.292-5
      У51


Рецензенты:
кафедра теплофизики и информатики в металлургии УрФУ; главный металлург ПАО «Нижегородский машиностроительный завод» В. А. Пряничников






       Ульянов, В. А.
У51     Огнеупорные, теплоизоляционные и строительные материалы для
       печей : учебное пособие / В. А. Ульянов, М. А. Ларин, В. Н. Гущин. -Москва; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 152 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0350-4





      Рассмотрены основные понятия и закономерности формирования структуры огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Описаны свойства этих материалов. Изложены основы технологии получения наиболее применяемых в промышленности материалов, даны критерии выбора рациональных огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Указаны способы повышения стойкости футеровок печей и эффективности использования применяемых для них материалов.
      Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 22.03.02 и 22.04.02 «Металлургия» и смежным с ними.

УДК621.184.7(035.5):666.7
ББК31.292-5










ISBN 978-5-9729-0350-4 © Ульянов В. А., Ларин М. А., ГущинВ. Н., 2019
                      © Издательство «Инфра-Инженерия», 2019
                      © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ


     Предисловие.............................................5
     Введение................................................6
     ГЛАВА 1
     Современное состояние производства и промышленного применения огнеупоров и теплоизоляционных материалов в печных агрегатах.....................................9
        1.1. Классификации огнеупоров, теплоизоляционных и строительных материалов.......................... 9
        1.2. Структура и свойства огнеупоров ..............15
        1.3. Теплоизоляционные материалы...................25
        1.4. Экономические критерии производства огнеупорных и теплоизоляционных материалов и изделий ..........27

     ГЛАВА 2
     Основные технологии производства огнеупорных и теплоизоляционных изделий...........................29
        2.1. Формование .....................................29
        2.2. Спекание .....................................31
        2.3. Горячее прессование...........................32
        2.4. Электроплавка огнеупоров......................33
        2.5. Волокнистые огнеупоры.........................34
        2.6. Основытехнологииогнеупорныхбетонов ...........34
        2.7. 3оль-гель процесс.............................35

     ГЛАВА 3
     Огнеупорные изделия и их применение для различных печных агрегатов......................................37
        3.1. Динасовые огнеупоры...........................37
        3.2. Шамотные огнеупоры............................43
        3.3. Высокоглинозёмистые огнеупоры.................49
        3.4. Магнезитовые огнеупоры........................53
        3.5. Форстеритовые и шпинельные огнеупоры .........60
        3.6. Доломитовые и тальковые огнеупоры ............62
        3.7. Хромитовые огнеупоры..........................64
        3.8. Цирконийсодержащие огнеупоры .................68
        3.9. Углеродосодержащие огнеупоры .................71
        3.10. Сверхогнеупорные и окисные материалы ..........74

     ГЛАВА 4 Взаимодействие огнеупоров с корродиентами.............75
        4.1. Физическое и химическое взаимодействие .......75
        4.2. Взаимодействие с жидкими металлами, газами, углеродом .........................................77
        4.3. Устойчивость огнеупоров в вакууме и их взаимодействие.................................81

     ГЛАВА 5
     Теплоизоляционные материалы и изделия .................83
        5.1. Изделия на основе минеральных и стеклянных волокон  83
        5.2. Асбосодержащиеи материалы и изделия из диатомита (трепела).............................84
        5.3. Изделия из вспученных вермикулита и перлита....86
        5.4. Ячеистые теплоизоляционные материалы и изделия из них...................................89

     ГЛАВА 6
     Огнеупорные бетоны, растворы, мертели и обмазки ......93
         6.1. Виды и классификация ........................93
         6.2. Материалы и способы приготовления бетонов огнеупорных растворов, мертелей и обмазок ........95

     ГЛАВА 7 Строительные и вспомогательные материалы ............103

     Список литературы....................................108

     Приложения...........................................109

ПРЕДИСЛОВИЕ


     При строительстве металлургических печей и агрегатов нагревательных и плавильных устройств требуются разнообразные огнеупорные, теплоизоляционные и другие строительные материалы. При проведении металлургических процессов огнеупорные материалы подвергаются износу, виды и интенсивность которого бывают различны, это следует учитывать при их работе.
     Для любого инженера-печника очень важно знать, какие материалы необходимо применить для этих целей как на стадии проектирования и сооружения печей, так и во время их эксплуатации и модернизации. Связано это в том числе с технико-экономическими возможностями предприятия на данный момент, меняющимся ассортиментом на современном рынке такого рода материалов, их совместимостью друг с другом.
     Предлагаемое учебное пособие написано на основании курса лекций, читаемого на кафедре «Металлургические технологии и оборудование» Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева для специальности «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей», и разделов лекций по печам других специальностей.
     Производство и рациональное использование огнеупорных и теплоизоляционных материалов базируется на достижениях многих наук: физической химии силикатов и тугоплавких веществ, физики и химии твёрдого тела, теории металлургических процессов и др., а также на многолетнем производственном опыте различных предприятий. В значительной степени в предлагаемом учебном пособии эти вопросы отражены.
     Все пожелания и замечания по содержанию данного учебного пособия можно выслать по адресу: 603950. Н. Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, кафедра металлургических технологий и оборудования.

5

ВВЕДЕНИЕ


     Без огнеупоров и теплоизоляционных материалов нет другого практически приемлемого способа удерживать жидкий металл, ограничить распространение тепла в окружающую среду и поддержать длительное время высокие температуры в больших объёмах. Огнеупоры в этом случае используют как высокотемпературные теплоизоляторы. В ряде случаев, наоборот, огнеупоры должны обладать высокой теплопроводностью. Огнеупоры могут применяться при высоких температурах и как проводники электрического тока, и как электроизоляторы. И лишь в ряде процессов, например спецэлектрометаллургии, огнеупоры могут не применяться, но используются теплоизоляционные материалы, тем не менее огнеупоры и теплоизоляционные материалы применяются почти во всех отраслях промышленности.
     Многообразие условий службы обусловило необходимость организации промышленности по производству огнеупорных и теплоизоляционных материалов, создания большого и непрерывно увеличивающегося ассортимента с различными свойствами. Наличие такой промышленности и качество огнеупоров и теплоизоляционных материалов в той или иной стране характеризует степень её индустриализации и самостоятельности. Основная задача - выпускать в необходимом количестве и ассортименте такие огнеупорные и теплоизоляционные материалы и изделия из них, расход которых на единицу основной продукции был бы наименьшим, чтобы стоимость огнеупоров была экономически приемлемой.
     Чёрная металлургия - основной потребитель огнеупоров, она расходует 60-75% всех изделий из этих материалов, причём до 80% этого количества расходуется при выплавке стали: в кислородных конверторах -2-5 кг/т расплава; в электропечах - 8-20 кг/т; в мартеновских печах 25-30 кг/т; в вагранках при производстве чугуна - около 3 кг/т.
     В последнее время наблюдается снижение удельного расхода огнеупоров путём замены традиционных на новые, более качественные, увеличения применения теплоизоляционных материалов, неформованных огнеупоров: огнеупорных бетонов в виде масс, порошков и т.п.
     Огнеупоры в виде кирпичей, изготовляемых из огнеупорных глин или каолинов, начали производить после появления доменных печей.
     Первое специализированное производство шамотных огнеупоров было организовано в Германии в 1810 г. В России первый шамотный завод был основан в 1865 году в г. Боровичи (Новгородская область), затем в Часов-Яре (1887 г.) и др.
     Динасовые огнеупоры были впервые изготовлены в 1822 году в Уэльсе. В России производство динаса было организовано в 80-х годах XIX в., тогда его изготовляли на Обуховском заводе в Петербурге, на 6

Пермских пушечных заводах, на Златоустовском металлургическом заводе и др. Первый специализированный завод - Деконский динасовый завод в Донбассе - был построен в 1889 г.
     Доломитовые огнеупоры впервые были применены в Англии в 1878 году.
     Первые магнезитовые огнеупоры появились в Австрии (Штирни) в I860 году, а промышленное их производство началось в 1882 году. В России первый магнезитовый завод построен на Урале в г. Сатка в 1900 году -завод «Магнезит».
     Хромитовые огнеупоры появились в конце XIX в. Естественный хромиткак огнеупор впервые применён в России на Александровском сталелитейном заводе в Петербурге в 1879 году.
     Хромомагнезитовые огнеупоры появились в начале XX в. Безобжи-говые хромомагнезитовые изделия были изготовлены в1913 году в США.
     Другие виды огнеупоров - карбидкремниевые, цирконовые и циркониевые, огнеупоры из чистых оксидов, углеродистые и т.п. - начали производить и применять только во второй половине XX в.
     Для кладки первой русской доменной печи на Городнищенском заводе в районе Тулы в 30-е годы XVII в. был применён песчаник. Естественные огнеупорные материалы затем длительное время использовали для кладки различных металлургических печей. Искусственные огнеупоры, получаемые из смеси огнеупорной глины или каолина с отощителем, начали изготовлять в России приблизительно с середины XVII в. При Петре I шамотные кирпичи изготовляли в заметном количестве из гжельских подмосковных глин. XVIII век характеризуется интенсивным развитием уральской металлургии. Расход огнеупоров на 1 т железа в это время составлял до400т.
     Начиная со второй половины XIX в., основное производство огнеупоров переместилось с Урала на Украину и в центр России. Первые специализированные заводы по производству огнеупоров: заводы Нобеля на реке Крупе Боровичского уезда (1865 г.); огнеупорный завод акционерного общества «Вахтер и Ко» тоже на Боровичском месторождении (1880 г.); заводы Плещеева и Ковальского Часов-Яре (1887 г.) и Деконский динасовый завод (1889 г.); обществом «Горн и К» начата эксплуатация месторождения огнеупорных глин вблизи станции Латная (1894 г.) и строительства завода шамотных изделий; завод Франко-Русского общества при станции Красногоровка (1896 г.) и др. Строительство огнеупорных заводов, начатое в XIX в. продолжалось и в начале XX в. Особое место в развитии металлургии России занимает завод «Магнезит» (1900 г.) в г. Сатка (Челябинская обл.).

1

     В настоящее время производство огнеупоров в России и на территории СНГ сосредоточено в трёх основных промышленных районах: Южном (Часов-Яр, Пантелеймоновка, Запорожье и др), Центральном (Семи- луки, Подольск, Боровичи и др.) и Уральском (Сатка, Первоуральск, Нижний Тагил, Богданович, Магнитогорск и др.). Кроме того, на востоке действовали огнеупорный завод под Иркутском, «Казогнеупор» в г. Рудном и др. Всего 35 специализированных заводов имели годовую мощность от 15 до 500 тыс. т каждый и производили до 85% всех необходимых огнеупоров. Остальная часть огнеупоров производилась в металлургических, стекольных и других цехах заводов.
     Начало научно-технической революции в производстве огнеупоров можно отнести к периоду производства нового их вида - смолодоломитовых, смолодоломитомагнезитовых изделий для кислородно-конверторного способа производства стали, что резко сократило удельный расход этого рода материалов. Налажен выпуск электроплавленных огнеупоров на основе MgO, А1₂Оз, Сг₂Оз, ZrO₂, У₂0з и др. В 1970 г. появилась каолиновая вата и изделия на её основе. В настоящее время предлагаются огнеупорные и теплоизоляционные материалы и изделия на основе базальтового, шамотного волокна, вспученного перлита и т.д.
     Основная цель настоящего учебного пособия - дать студентам полный комплекс сведений, необходимых для проектирования и эксплуатации различного рода печных агрегатов, нагревательных и плавильных устройств в области металлургии, литейных, смежных и вспомогательных производств.

2!

Глава 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОИЗВОДСТВА И ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОГНЕУПОРОВ
И ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПЕЧНЫХ АГРЕГАТАХ


            1.1. Классификации огнеупоров, теплоизоляционных и строительных материалов


    Огнеупорные материалы подразделяются:
   на огнеупорные изделия (формованные огнеупоры), имеющие определённую геометрическую форму и размеры;
   неформованные огнеупоры, выпускаемые без определённой формы в виде порошков, употребляемые после смешения с другими компонентами, в том числе с затворителями, или в виде масс, непосредственно готовых к применению (табл. 1.1).
Таблица 1.1. Классификация огнеупоров по химико-минералогическому составу

          Тип                     Группа           Массовая доля опреде                                                     ляющих химических  
                                                      компонентов на    
                                                   прокаленное вещество 
           1                         2                       3          
1. Кремноземистые        Из кварцевого стекла             SiO2>97       
Алюмосиликатные          Динасовые                        SiO2>93       
3. Глиноземистые         Динасовые с добавками          80<SiO2<93      
4. Глиноземо-известковые Кварцевые (бетонные, без-        SiO2>85       
5. Магнезиальные         обжиговые)                  SiO2<85; АГОз<28   
6. Магнезиально-         Полукислые                     28<АЪОз<45      
известковые              Шамотные                       45<АЪОз<62      
                         Муллитокремноземистые          62<А120з<72     
                         Муллитовые                     72<А^Оз<90      
                         Муллитокорундовые              40<АЬОз<90      
                         Из глиноземистого стекла          АШ>90        
                         (волокнистые)                   10<СаО<35      
                         Корундовые                        АШ>65        
                         Алюминаткальцевые                MgO>85        
                         Перклазовые                     50<MgO<85      
                         Периклазо-известковые           10<СаО<45      
                         Периклазо-известковые           35<MgO<75      
                         стабилизированные               15<СаО<40      

9

Окончание табл. 1.1

                                                        CaO: SiO2>2       
                                                         10<MgO<50        
                                                      45<CaO<85 CaO>85    
                                                           MgO>60         
                                                         5<Cr2O3<20       
                                                         40<MgO<60        
                                                        15<Cr2O3<35       
                     Известковопереклазовые                MgO<40         
                     (доломитовые)                        Cr2O3>30        
                     Известковые                         50<MgO<85        
                     Периклазохромитовые                 5<Cr2O3<20       
                     Хромитопериклазовые                  A12O3<25        
                     Хромитовые                            MgO>40         
                     Периклазошпинелидные                5<А12Оз<55       
                     Периклазошпинельные                 25<MgO<40        
                     Шпинельные                         55<A12O3<70       
                     Периклазофорстеритовые              65<MgO<85        
7. Известковые       Форстеритовые                         SiO2>7         
8. Магнезиально-     Форстеритохромитовые                50<MgO<65        
шпинелидные          Хромикислые                         25<SiO2<40       
9. Магнезиально-     Бадделентовые                       45<MgO<60        
силикатные           Бадделентокорундовые               20< SiO2<30       
10. Хромистые        Цирконовые                          5<Cr2O3<15       
11. Цирконистые      Специальные из огнеупор-             Cr2O3>90        
12. Оксидные         ных оксидов: ВеО, MgO,               ZrO2>90         
13. Графитированные  CaO, A12O3, Cr2O3, оксиды           20<ZrO2<90       
14. Карбидкремниевые РЗЭ, У2Оз,8с2Оз, SnO2, ZrO2,         A12O3<65        
15. Бескислородные   HfO2,ThO2,UO2, CS2O и др.            ZrO2>50         
                     Графитированные                      SiO2>25         
                     Угольные                           Максимально       
                     Углеродосодержащие             достижимое содежание  
                     Карбидкремниевые              перечисленных оксидов, 
                     Карбидкремнийсодержащие        соединений и твердых  
                     Из нитридов, боридов, кар-   растворов на основе этих
                     бидов, силицидов и другие     оксидов (не ниже 98 %) 
                     бескислородных соединений         по сухой массе     
                     (кроме углеродистых)                   С>98          
                                                            С>85          
                                                           8<С<82         
                                                           SiC>70         
                                                          15<С<70         
                                                        Максимально       
                                                   достижимое содержание  
                                                       бескислородных     
                                                         соединений       

10

     В зависимости от огнеупорности эти изделия подразделяются:
•  на огнеупоры средней огнеупорности, работающие при температурах 1580 - 1770 °C;
•  высокой огнеупорности - свыше 1770 до 2000 °C;
•  высшей огнеупорности - свыше 2000 °C.
     Учитывая сильную зависимость многих свойств огнеупоров от пористости, устанавливается восемь градаций значений пористости (табл. 1.2).
     Огнеупорные изделия в зависимости от способа упрочнения подразделяют:
•  на бетонные, состоящие из огнеупорного заполнителя, связки (гидратационной или химической) и добавок, приобретающие заданные свойства в результате твердения при нормальной температуре или при нагреве не выше 600 °C (это бетонные блоки);
•  безобжиговые, приобретающие заданные свойства при сушке или коксовании при температуре не выше 600 °C;
•  обожжённые, подвергнутые спеканию в процессе прессования;
•  затвердевшие из расплава (плавленолитые).


Таблица 1.2. Классификация огнеупоров по пористости

Наименование классификационных     Пористость, %       
         группировок            открытая      общая   
         Особоплотные              Доз                
        Высокоплотные          Cb. 3 до 10            
       Повышенноплотные         Cв.10до16             
         Уплотнённые           Cв.16 до 20            
        Cреднеплотные          Cв.20 до 30      ■     
         Низкоплотные             Cв.30     Менее 45  
        Высокопористые                     От 45 до 75
        Ультрапористые                       Cвыше75  

     Огнеупорные бетонные и безобжиговые изделия в зависимости от типа связки подразделяются:
•  на гидратационной связке (глинозёмистый и высокоглинозёмистые це-цементы идр.), твердеющие при взаимодействии с водой;
•  химической (фосфатной, сульфатной, жидком стекле, кремний-органических и других связках), твердеющие в результате физикохимических реакций связки с наполнителем;
•  коагуляционной (огнеупорная глина, бентонит и т.п.), твердеющие в результате коагуляционных процессов;
•  органической связке (смоляной, смолопековой, битумной, сульфитно

11

дрожжевой бражке (с.д.б.), клеях и т.п.), твердеющие в результате полимеризации, поликонденсации и коксования.
    Изделия в зависимости от способа формирования подразделяют на:
•  полусухого прессования;
•  пластического формирования;
•  литые и вибролитые из текучих масс;
•  горячего прессования; плавленолитые;
•  пилёные из предварительно готовых блоков или естественных горных пород.
    Классификациянеформованныхогнеупоров приведена в табл. 1.3.


Таблица 1.3. Классификация неформованных огнеупоров

Наименование класси-         Характеристика                 Назначение         
фикационных группиро-                                                          
          1                         2                            3             
Огнеупорные бетонные  Материалы, готовые к приме-   Для изготовления бетонных  
    массы и смеси     нению (массы) или требую-     изделий, монолитных изде-  
 Огнеупорные массы и  щие введения затворителя      лий, монолитных футеровок  
        смеси         (смеси), состоящие из запол-  и их элементов, а также    
Огнеупорные материалы нителей связок и, в необходи- ремонтов огнеупорной клад- 
    для покрытий      мых случаях, различных доба-  ки                         
 Огнеупорные мертели  вок     (пластифицирующих,    Для изготовления безобжи-  
Огнеупорные заправоч- структурообразующих и т.д.)   говых изделий, монолитных  
     ные порошки      Массы и смеси, содержащие в   футеровок и их элементов, а
                      отличие от бетонных, коагуля- также ремонтов огнеупор-   
                      ционную или органические      ной кладки                 
                      связки                        Для нанесения в виде слоя, 
                      Смеси молотых огнеупорных     не несущего строительной   
                      материалов со связкой или без нагрузки, на рабочую по-   
                      неё                           верхность огнеупорной или  
                      Смеси молотых огнеупорных     металлической конструкции  
                      материалов со связкой (или    в целях защиты её от износа
                      без неё), используемые пре-   Для заполнения швов и свя- 
                      имущественно после смеше-     зывания огнеупорных изде-  
                      ния с затворителем (водой)    лий в кладке               
                      Огнеупорные материалы опре-   Для изготовления и ремонта 
                      делённого зернового состава   подин и других элементов   
                                                    металлургических печей     

12