Какими должны быть огнеупоры будущего

Рассмотрены особенности трансформации потребления огнеупорных материалов для производства, внепечной обработки и разливки стали. Показано, что основные тенденции развития рынка огнеупоров – это снижение удельного расхода огнеупоров на тонну жидкой стали, а также преимущественное применение для рабочих слоев плавильных агрегатов, ковшей и промковшей огнеупоров на основе магнезиального сырья и плавленого корунда.

Установлено, что приоритетное направление снижения удельных затрат на огнеупоры заключается в развитии огнеупорных материалов на базе альтернативных источников сырья, более дешевых и доступных для производителей огнеупоров.

Огнеупорные материалы и изделия широко используются при производстве чугуна и стали для футеровки технологических агрегатов, емкостей для накопления и транспортировки жидкого металла, печей для подогрева заготовок и пр. Огнеупоры отличаются способностью сохранять без существенных нарушений свои функциональные свойства в разнообразных условиях службы при высоких температурах.

В соответствии с международными стандартами огнеупорами принято называть неметаллические керамические материалы (включая материалы, содержащие некоторые добавки металлов), которые эксплуатируются при высоких температурах (600—2000 °С) в специальных агрегатах и печах.

Как показывает практика, в настоящее время расход огнеупоров на 1 т стали составляет в среднем 9—12 кг. При этом снижение удельного потребления огнеупоров, достигнутое в последние 30—40 лет, обусловлено как выведением из эксплуатации низкоэффективных сталеплавильных агрегатов (например, мартеновских печей), так и созданием новых огнеупорных материалов, в максимальной степени соответствующих условиям технологических процессов при производстве чугуна и стали (рис. 1).
 

Рис. 1. Динамика изменения потребления огнеупоров на производство 1 т жидкой стали

Основной прогресс в повышении стойкости огнеупоров для производства и разливки стали достигнут в процессе совмещения рациональных физико-химических и эксплуатационных свойств огнеупорных изделий с оптимальным построением такой конструкции футеровки, которая учитывала бы технологические особенности ее эксплуатации.

В металлургической практике различают четыре основных типа огнеупорной продукции: формованные огнеупоры (огнеупорные изделия); неформованные огнеупоры (смеси для торкретирования и ремонта, связующие материалы); функциональные изделия (компоненты или элементы конструкций); теплоизоляционные материалы. Основу огнеупорных материалов составляют шесть базовых оксидов – SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO, Cr₂O₃, ZrO₂.

На практике в состав огнеупорного материала входит определенная комбинация соединений из этих оксидов. Для многих огнеупорных материалов в их состав вводят углерод и карбид кремния, а также небольшое количество карбида бора (B₄C) и нитридов (Si₃N₄, BN).

Определяющей тенденцией развития рынка огнеупоров в мире является рост цен на сырье, в том числе на боксит и плавленый магнезит (рис. 2).

Рис. 2. Динамика роста цен на основные виды сырья для огнеупоров

В технологической цепочке производства чугуна и стали основная доля огнеупоров (по массе и затратам) приходится на сталеразливочный и промежуточный ковши (рис. 3). Это объясняется тем фактом, что рабочие слои их футеровки работают в крайне тяжелых условиях.

Особенно это проявляется при работе сталеразливочного ковша в системе плавильный агрегат – ковш-печь – вакууматор – МНЛЗ. Для промежуточных ковшей одним из основных показателей является длительность разливки одной серии, которая может составлять 10—20 плавок и более. Не менее важный фактор, определяющий требования к футеровке промежуточного ковша, – критерий загрязненности стали неметаллическими включениями.

Рис. 3. Долевой удельный расход огнеупорных материалов (по массе) в основных технологических агрегатах

Наибольшее применение в металлургии получили разнообразные огнеупорные материалы и изделия на основе магнезита. Магнезиальные огнеупорные изделия отличаются высокой огнеупорностью – выше 1900 °C (из чистого периклаза – до 2800 °C) и повышенной стойкостью против основных и железистых расплавов.

Их изготовляют из периклазового (магнезитового) порошка, полученного обжигом (до спекания) магнезита или окиси магния, добытой из морской воды. Для ответственных изделий применяют также порошок из плавленого магнезита или окиси магния. Плавленый периклаз с максимальным уплотнением и крупными кристаллами получают в дуговых печах при температуре выше 2800 °C плавкой оксида магния (в основном в Китае, Австралии и Бразилии).

Из свойств магнезиальных изделий особое значение имеют высокая механическая прочность при повышенных температурах и стойкость к химическому воздействию сталеплавильных шлаков и других веществ. Это связано с основным характером и высокой температурой плавления MgO. Недостаток магнезиальных изделий – чувствительность к внутренним механическим напряжениям, вызванным преимущественно термическим ударом.

Этот недостаток объясняется высоким термическим расширением и модулем упругости таких изделий и ограничивает область их применения. В результате глубокого проникновения и разъедания силикатными и железосодержащими расплавами износ магнезиальных изделий происходит неравномерно.

В зависимости от содержания оксида магния (MgO) и других соединений различают: высокомагнезиальные, магнезиально-известковые, магнезиально-силикатные и магнезиально-шпинелидные изделия, а по способу производства их можно разделить на обожженные, плавленолитые и безобжиговые.

Для футеровки рабочего слоя конвертеров и ответственных участков стен и шлакового пояса мощных электродуговых печей, а также шлакового пояса и стен сталеразливочных ковшей применяют периклазоуглеродистые огнеупоры. Их изготавливают из периклазового порошка (MgO > 85 %) с добавлением 6—25 % природного или искусственного графита и органической связки (например, фенольной порошкообразной с этиленгликолем или бакелита).

Технология производства периклазоуглеродистых огнеупоров, разработанная еще в 80-е годы ХХ века в Японии, обеспечила высокий технологический уровень развития металлургии и повышение качества стали.

По существу в это время исследователями были найдены уникальные сочетания свойств огнеупорных материалов: высокая устойчивость периклаза по отношению к железосиликатным шлакам; не менее высокая в определенных условиях устойчивость графита (Тпл = 3800 °С) к этим же шлакам; рациональное соотношение прочности и пластичности периклазоуглеродистых материалов при высоких температурах; рациональный связующий материал – специальные углеродные связки на основе фенолформальдегидных и фурановых смол, лигносульфонатов, пека; высокоэффективные добавки-антиоксиданты и т. д.

Соответственно расширение объемов производства магнезиальных материалов и изделий обусловило дополнительные конкурентные преимущества для стран и регионов, располагающих запасами качественного сырья. Между тем основные запасы магнезита и производство магнезиальных изделий сконцентрировано в достаточно ограниченном числе стран (рис. 4).

Рис. 4. Объемы производства магнезиальных огнеупоров и ресурсы магнезиального сырья в различных странах

Особого внимания заслуживает тот факт, что доминирующее положение на рынке магнезиальных изделий занимает Китай. Его доля составляет свыше половины всех объемов производства. С учетом разведанных запасов сырья основными конкурентами Китаю могут быть Россия, Бразилия, Турция и Словакия.

Всё большее значение при разливке стали приобретают корундовые изделия, которые изготовляют из порошков электроплавленого корунда и технического глинозема. Их предварительно обжигают при температуре 1450—1600 °C, что обеспечивает завершение усадки. Затем его подвергают помолу до величины зерен менее 2—3 мкм. Высокоглиноземистые изделия обжигают при 1750 °С. Введение минерализаторов (3—7 % стекла CaO-SiO₂-Al₂O₃ или 1% TiO₂) позволяет снизить температуру обжига до 1650—1550°С.

Из корундовых огнеупоров изготовляют: корундовые плиты для шиберных затворов сталеразливочных ковшей; продувочные фурмы для вдувания аргона в конвертер и ковш; изделия для футеровки камер вакууматоров стали; насадки высокотемпературных воздухонагревателей; чехлы термопар и др.

Неформованные корундовые огнеупоры (мертели и бетоны) широко применяют для футеровки сталеразливочных и промежуточных ковшей, патрубков вакууматоров стали, а массы и обмазки – для изготовления и ремонта огнеупорных футеровок с рабочей температурой > 1700 °С.

Особое значение для обеспечения процесса непрерывной разливки стали имеет группа изостатически прессуемых изделий, которые изготавливают из корундографитовых материалов, содержащих 55—70 % корунда и 18—25 % графита.

К числу изостатически прессуемых изделий, применяемых при непрерывной разливке стали, относятся: защитная труба, устанавливаемая между сталеразливочным и промежуточным ковшами; стопор и стакан-дозатор промковша; погружной стакан, который находится между промковшом и кристаллизатором.

К достоинствам метода изостатического прессования можно отнести: отсутствие необходимости в пластификаторах и потерь на трение; равномерность распределения давления и плотности в заготовке за счет всестороннего (изостатического) сжатия; отсутствие коробления при спекании; произвольные соотношения высоты и поперечного сечения заготовок и т. п.

Обобщая современные тенденции трансформации технологической системы производства, внепечной обработки и разливки стали, можно утверждать, что основной этап развития огнеупорных материалов и изделий для черной металлургии заключается в создании материалов и функциональных изделий, обеспечивающих снижение удельного расхода и затрат на огнеупоры.

При этом стойкость футеровок можно будет определять не только улучшенными свойствами огнеупорных материалов, но и зависимостью от практики их применения в условиях конкретного сталеплавильного цеха. Также установлено, что приоритетным направлением в снижении удельных затрат на огнеупоры является развитие огнеупорных материалов на базе альтернативных источников сырья, более дешевых и доступных для производителей огнеупоров.

Так, для магнезиальных изделий в качестве альтернативы торкрет-массам на основе MgO можно рассматривать применение оливинита в промковшах МНЛЗ, а для периклазоуглеродистых – применение доломита для кирпичей, используемых в сталеразливочных ковшах, и повторное применение в огнеупорных изделиях боя и отходов (после завершения эксплуатации) периклазографитовых изделий.

Что же касается высокоглиноземистых изделий, то следует говорить о возможном расширении применения высококачественных изделий на основе муллита и шамота, а также табулярного оксида алюминия для сталеразливочных ковшей.