Свойства огнеупорных кирпичей, используемых в сталеплавильных печах

Рефрактерные кирпичи являются основой сталеплавильных печей, задача которых состоит в содержании расплавленного металла, шлака и газов сгорания при температурах, которые обычно превышают 1500°C. Эти инженерные керамические изделия должны выдерживать тепловой удар, химическую атаку и механическую истирание при сохранении структурной целостности в течение месяцев непрерывной работы. Выбор правильного огнеупорного кирпича для каждой зоны печи напрямую влияет на потребление энергии, качество продукции и срок службы. Современные сталелитейные заводы требуют материалов, которые не только выдерживают экстремальные условия, но и способствуют сокращению простоев и снижению воздействия на окружающую среду. Понимание фундаментальных свойств огнеупорных кирпичей, поэтому необходимо для металлургов, инженеров печи и операторов завода, стремящихся оптимизировать как безопасность, так и эффективность производства.

В этой статье рассматриваются критические физические, химические и механические свойства, определяющие огнеупорные характеристики в сталеплавильных печах. В ней также рассматриваются наиболее распространенные кирпичные составы, приводятся рекомендации по выбору материала для различных печных зон и обсуждаются соображения контроля качества, которые обеспечивают согласованную производительность.

Критические физические свойства

Способность огнеупорного кирпича поддерживать свою форму, объем и изоляционную функцию при нагрузке и экстремальной жаре зависит от сочетания физических характеристик.Эти свойства измеряются с помощью стандартизированных тестов и служат основными ориентирами для выбора материала.

Преломляемость и пирометрический эквивалент конуса (PCE)

Рефрактерность — это температура, при которой огнеупорный материал начинает смягчаться или деформироваться под собственным весом. Это количественно оценивается с использованием стандартного пирометрического эквивалента конуса (PCE) теста, который сравнивает точку смягчения тестируемого образца со стандартными пирометрическими конусами. Для применения в сталеплавильном производстве огнеупорность должна превышать 1700°C. Алюминиевые кирпичи с более чем 60% Al2O3 обычно достигают значений PCE 35 или выше, что делает их пригодными для самых горячих зон электродуговых печей (EAF) и базовых кислородных печей (BOF).

Термический шок сопротивления

Процессы сталеплавильного производства включают быстрые изменения температуры - например, при зарядке холодного лома в горячую печь или во время предгрева ковша. Термическое ударное сопротивление измеряет способность кирпича выдерживать такие колебания без растрескивания или распыления. На это свойство влияют тепловое расширение, тепловая диффузивность и микроструктура материала. Магнезийно-спинельные кирпичи проявляют заметно высокое сопротивление тепловому удару из-за образования микротрещин, которые приспосабливаются к расширению. Тестирование обычно включает повторяющиеся циклы нагрева и закалки; хороший стальной тугоплавкий должен выживать 20 или более циклов без значительной потери веса или распространения трещин.

Пористость и проницаемость

Видимая пористость влияет как на теплопроводность, так и на проникновение шлака. Более низкая пористость (обычно 12-18%) снижает проникновение расплавленного шлака и железа, продлевая срок службы кирпича. Однако контролируемое количество закрытой пористости может повысить сопротивление тепловому удару за счет поглощения напряжений. Проницаемость, связанное с этим свойство, регулирует поток газа через кирпич и имеет решающее значение для насадок и элементов очистки. Для стандартных печей производители нацеливают значения пористости, которые уравновешивают изоляцию и механическую прочность.

Химические свойства и сопротивление шлаку

Химическая среда в сталелитейной печи агрессивна. Шлак — смесь извести, кремнезема, оксидов железа и примесей — реагирует с огнеупорными материалами при высокой температуре. Кирпич должен противостоять растворению, коррозии и структурному ослаблению, вызванному проникновением шлака.

Базисность и соответствие кислотности

Рефракторы классифицируются как кислые, основные или нейтральные на основе их химической реакции с шлаком. Основное правило огнеупорного отбора заключается в том, чтобы соответствовать базовости кирпича слагу. В базовых кислородных печах и электродуговых печах шлак является очень основным (высокое соотношение CaO / SiO2). Основные рефракторы, такие как магнезия (MgO) и доломит (CaO · MgO), используются, потому что они сопротивляются атаке базовыми шлаками. И наоборот, кислые кирпичи, такие как кремнезем, ограничены зонами, где шлак кислый или условия сухие. Нейтральные рефрактерии, такие как высокоалюминиевый или хромитовый кирпич, обеспечивают гибкость, но являются более дорогостоящими.

Механизмы коррозии

Коррозия шлака протекает через растворение, проникновение и реакцию. Расплавленный шлак смачивает поверхность кирпича и растворяет огнеупорные оксиды, образуя жидкость с более низкой температурой плавления, которая разъедает кирпич. Проникновение происходит вдоль пор и границ зерна, вызывая структурное ослабление. Чтобы противостоять этим механизмам, производители добавляют такие материалы, как циркония (ZrO2) или оксид хрома (Cr2O3), для повышения вязкости реакционного слоя и снижения проникновения. Современные углеродсодержащие магнезиевые кирпичи также полагаются на образование плотного защитного слоя магнезиовустита или силиката дикальция на горячей поверхности.

Гидрационная устойчивость

Для основных рефрактерных материалов, особенно содержащих свободный CaO, устойчивость к гидратации является критической проблемой во время хранения и обработки. Влага реагирует с CaO с образованием гидроксида кальция, что вызывает расширение объема и растрескивание. Высококачественные магнезиевые кирпичи включают стабилизаторы, такие как Fe2O3 или Al2O3, для образования сложных оксидов, которые сопротивляются гидратации. Правильная упаковка и сухое хранение необходимы для поддержания целостности кирпича перед установкой.

Механические свойства для целостности печи

Неугомонные кирпичи в сталеплавильных печах испытывают статические нагрузки от веса накладки, динамические силы от зарядки и постукивания, а также напряжения от теплового расширения.Механическая прочность обеспечивает сохранение кирпича его формы и не крошится и не ломается.

Холодная сила сжатия (CCS)

Прочность на холодное дробление измеряет максимальную нагрузку на сжатие, которую кирпич может выдержать при комнатной температуре до отказа. Это показатель плотности, качества связи и однородности кирпича. Для применения в сталеплавильном производстве значения CCS обычно варьируются от 35 МПа для изоляционных кирпичей до 80 МПа для плотных высокопрочных материалов. Высокий CCS необходим для сопротивления эрозии от зарядки лома в EAF и для предотвращения деформации в очаге и нижних областях.

Модуль разрыва (MOR)

Модуль разрыва оценивает изгибную прочность, т.е. способность кирпича противостоять силам изгиба. Это свойство особенно важно для кирпичей, используемых в крышах печей, арках и боковых стенках, где тепловые градиенты вызывают растягивающие напряжения. МОР измеряется как при комнатной температуре, так и при повышенных температурах (горячий МОР). Типичный плотный магнезиоуглеродный кирпич демонстрирует значения МОР 10-15 МПа при 1400°С, что указывает на хорошую механическую стабильность в условиях эксплуатации.

Устойчивость к истиранию и эрозии

В зонах, где шлак, расплавленный металл или газ течет с высокой скоростью, кирпичи должны противостоять физическому износу от удара частиц и силы трения. Сопротивление истиранию коррелирует с объемной плотностью и прочностью связи. Для ковшовых накладок и отверстий для крана печи предпочтительны материалы с низкой пористостью и высокой прочностью связи. Стандартное испытание ASTM C704 использует взрыв карбида кремния с воздушным напряжением для оценки сопротивления истиранию; потеря веса на цикл испытания обычно составляет менее 5 см3 для премиальных стальных рефрактерных изделий.

Термические свойства и энергоэффективность

Термическое поведение огнеупорных кирпичей напрямую влияет на потери тепла печей, температурную однородность и энергопотребление. Три тепловых свойства имеют первостепенное значение.

Термическая проводимость

Низкая теплопроводность снижает теплообмен через оболочку печи, сохраняя энергию и защищая внешние стальные конструкции. Кирпичи кремнезема и изоляционные огнеупоры имеют значения проводимости около 1,0-1,5 Вт / м·К, в то время как плотные магнезиевые кирпичи могут достигать 5-6 Вт / м·К. Современные микропористые изоляционные кирпичи достигают значений ниже 0,3 Вт / м·К путем включения нанопористых агрегатов. Однако в некоторых приложениях, таких как шашки регенератора, более высокая проводимость желательна для максимизации рекуперации тепла.

Термическое расширение и поползновение

Все огнеупорные материалы расширяются при нагревании. Если расширение не обеспечивается надлежащей конструкцией соединения, кирпичи могут пристегнуть или разорвать. Коэффициент теплового расширения (CTE) для глиноземных кирпичей составляет около 8×10−6 / ° C; для магнезионных кирпичей он выше при 13×10−6 / ° C. Еще одна проблема - зависящая от времени деформация при нагрузке при высокой температуре. Низкоглубинные материалы необходимы в тяжелых приложениях, таких как доменные печи и очаги печи для перегрева. Испытание на грязь при 1400° C и 0,2 МПа нагрузка в течение 100 часов - стандартный квалификационный тест.

Теплоемкость и термодиффузивность

Конкретная теплоемкость определяет количество энергии, необходимое для повышения температуры кирпича. Теплодиффузивность сочетает в себе проводимость, плотность и теплоемкость, чтобы описать, как быстро изменения температуры распространяются через материал. Хотя эти свойства менее часто обсуждаются при выборе, они влияют на переходное поведение нагрева и отзывчивость печи. Для циклов быстрого нагрева кирпичи с более низкой теплодиффузивностью уменьшают тепловые градиенты и связанные с ними напряжения.

Типы огнеупорных кирпичей, используемых в сталеплавильном производстве

Современные сталелитейные заводы используют различные типы огнеупорного кирпича, каждый из которых спроектирован для конкретной комбинации температурных, химических и механических требований.

Высокоалюминиевые кирпичи

Содержание Al2O3 составляет от 48% до более 90%, высокоалюминиевые кирпичи обеспечивают баланс огнеупорности, механической прочности и универсальности. Они используются в крышах EAF, тундишовых накладках и ковровых боковых стенках. Добавления муллита или корунда улучшают сопротивление тепловому удару. Высокоалюминиевые кирпичи, как правило, нейтральны и могут обрабатывать как кислотные, так и основные шлаки, если тщательно контролировать уровень чистоты.

Магнезио-углеродные кирпичи

Этот класс произвел революцию в технологии подкладки BOF и EAF. Комбинируя сгоревшую магнезию с 10-20% углерода (графит или смола), эти кирпичи достигают исключительной устойчивости к шлаку и тепловому удару. Углерод обеспечивает невосстанавливаемость к шлаку, в то время как магнезия сопротивляется базовой атаке. Магнезийно-углеродные кирпичи являются стандартом для горячих точек и шлаковых линий кислородных преобразователей. Их основное ограничение - окисление при высоких температурах в окисляющих атмосферах; для смягчения этого добавляются антиоксиданты, такие как металлический алюминий или кремний.

Доломитовые кирпичи

Доломитовые (CaO·MgO) кирпичи дешевле, чем чистая магнезия, и предлагают хорошую базовую устойчивость к шлаку. Они используются в преобразователях BOF и вторичных стальных ковриках, особенно там, где приоритет отдается экономии затрат. Содержание свободной извести требует тщательной защиты от гидратации, а доломитовые кирпичи обычно имеют меньшую прочность, чем альтернативы магнезии-углерода. Они идеально подходят для менее требовательных печных зон.

Кирпичи из кремнезема

Кирпичи Silica (SiO2 >93%) демонстрируют отличную термическую стабильность и высокую несущую способность вблизи точки их размягчения. Они кислые по своей природе и используются в основном в крышах базовых печей с открытыми сердечниками и в коксовых печах. В сталелитейном производстве их применение ограничено зонами, где шлак не является основным. Кирпичи из кремнезема имеют преимущество низкой стоимости и высокой чистоты, но они склонны к тепловому удару, если нагреваются или охлаждаются слишком быстро из-за кристобалитовой инверсии.

Специальные кирпичи (Циркон, Хромит, Шпинель)

Для самых сложных условий, таких как линия шлака в ковшах из высоколегированной стали или в вакуумных дегазаторах, специализированные кирпичи обеспечивают повышенное сопротивление. Кирпичи, содержащие цирконию, обеспечивают низкую смачиваемость и чрезвычайную огнеупорность. Рефракторы на основе хрома широко использовались, но постепенно отменяются из-за экологических проблем, связанных с выщелачиванием хрома. Магнезиевые кирпичи с шпинелью включают алюминат магния (MgAl2O4) для улучшения термического шока и сопротивления шлаку без хрома.

Критерии выбора для различных зон печного

Ни один кирпичный тип не подходит для всей печи. Каждая зона предъявляет уникальный набор требований.

Электрическая дуговая печь (EAF)

Базовая кислородная печь (BOF)