Влияние добавки карбида кремния на свойства и стойкость к расплаву чугуна и шлака корундовых огнеупоров на сиалонсодержащей связке (статья)

 

В последние годы для футеровок, служащих на контакте с расплавами чугуна и шлака, все шире применяются огнеупоры на основе корунда в комбинации с другими оксидными или не оксидными фазами [1]. Успешно применяются огнеупорные изделия из плавленого корунда с сиалонсодержащими связками для защиты углеродистых футеровок от попеременного воздействия жидких расплавов чугуна и шлака, а также газовой среды в горне доменных печей [2].
В настоящее время широко используются огнеупорные материалы на основе систем А12О3—SiC, А12О3—SiC—С и др., что обеспечило существенное повышение стойкости огнеупорных футеровок, например, в желобах доменных печей, чугуновозных ковшах и других металлургических агрегатах [3—7].
Учитывая, что корунд обладает высокой стойкостью к расплавам металлов, а карбид кремния имеет повышенную стойкость к расплавам силикатных шлаков и широко используется в качестве добавки для повышения качества огнеупорной продукции, представлялось целесообразным изучить влияние содержания карбида кремния на физико-химические и служебные свойства огнеупорных изделий из плавленого нормального корунда с сиалонсодержащей связкой, разработанных ОАО «УкрНИИО имени А. С. Бережного» на основе отечественного сырья с целью дальнейшего их использования в футеровках доменных печей, элементов желобов и чугуновозных ковшей.
Экспериментальная часть
Для исследований использовали нормальный корунд, карбид кремния производства ОАО <<3апорожабразив>> заданных
фракций, кремний и глинозем. Кремний и глинозем использовали в виде дисперсной смеси совместного помола (ССП), взятых в оптимальном соотношении, установленном при разработке технологии корундовых огнеупоров на сиалонсодержащей связке [8]. Для приготовления исходной массы использовали временную связку — раствор мелассы заданной плотности. Добавку карбида кремния осуществляли в пределах от 10 до 20 % за счет уменьшения содержания зернистого нормального корунда при постоянном количестве ССП в шихте, а также частично (5—10 %) за счет снижения количества ССП в массе.
Состав исследуемых шихт приведен в табл. 1.
Таблица 1 Состав шихт
 
 
Наименование
Шихта №
1
2
3
4
5
6
Нормальный корунд
70
60
60
60
55
50
Карбид кремния
10
15
20
15
20
ССП
30
30
25
20
30
30
Образцы формовали методом полусухого прессования 0 36 х 36 мм при удельном давлении 100 МПа; высушенные при 100 °С образцы обжигали в среде азота при температуре 1450 °С. Физико-химические свойства образцов определяли по стандартным методикам. Их фазовый состав определяли под оптическим и электронным микроскопами. Чугуно- и шлакоустойчивость оценивали динамическим способом в среде аргона при температурах 1450 и 1500 °С. Образцы при вращении находились в контакте с расплавами доменного шлака (1500 °С — 30 минут) и чугуна (1450 °С — 45 минут). Оценку шлако- и чугуноустойчивости вели по потере (или росту) веса образца на единицу площади поверхности контакта с расплавами за единицу времени.
Для испытаний на чугуно- и шлакоустойчивость использовали чугун и шлак МК «Азовсталь». Состав шлака, % : SiO2 — 25,8; А12О3 — 6,24; СаО — 14,08; MgO — 15,35; МпО —6,84; Som— 4,01; К2О —0,28; Na2O — 0,19; FeO —27,37 (основность шлака 1,4).
Результаты и их обсуждение
Свойства обожженных образцов приведены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что при изменении кажущейся плотности открытая пористость образцов практически находится на одном
Таблица 2
Свойства корундокарбидкремниевых образцов огнеупоров
 
 
 
Наименование свойств
Показатели свойств для образцов из шихт №
1
2
3
4
5
6
Открытая пористость, %
17,25
17,05
17,90
16,80
17,10
18,00
Кажущаяся плотность, г/см3
2,95
2,90
2,91
2,93
2,86
2,81
Предел прочности при сжатии, МПа
140
164
154
149
170
179
Массовая доля, % : азот SiOIT
8,1
10,3
7,3
6,5
10,6
10,7
0,30
0,51
0,31
0,37
0,85
0,66
уровне (17—18 %), что обусловлено разной кажущейся плотностью исходных корунда и карбида кремния.
При добавке SiC от 10 до 20 % за счет замены части ССП прочность при сжатии снижается от 164 до 149 МПа. Уменьшение предела прочности при сжатии обусловлено меньшим количеством синтезированной связки, что согласуется с содержанием азота в табл. 2 для образцов из шихт 3 и 4.
При замене части нормального корунда соответствующей фракцией карбида кремния (при постоянном количестве ССП — 30 %) с увеличением процентного содержания SiC в шихте кажущаяся плотность образцов снижается с 2,95 до 2,81 г/см3, а предел прочности при сжатии увеличивается от 140 до 179 МПа. По свойствам близкими являются образцы из шихт 2, 5,6, однако, с учетом стоимости карбида кремния и свойств, оптимальной для изготовления огнеупоров является шихта 2.
Учитывая, что основным назначением разрабатываемых огнеупоров является служба на контакте с расплавами чугуна и шлака, были выполнены исследования чугуно- и шлакоустойчи-вости этих огнеупоров сопоставительно с плотным огнеупором марки ШПД-41, применяемым в горне доменных печей. Результаты чугуноустойчивости приведены на рис. 1, из которого видно, что чугуноустойчивость образцов при добавке карбида кремния за счет нормального корунда сначала увеличивается (износ уменьшается в образцах из шихты 2), а затем уменьшается почти в 2 раза (шихты 5, 6).
Введение карбида кремния за счет уменьшения количества ССП обусловливает снижение чугуноустойчивости.
Характерно, что в равных условиях износ шамотного огнеупора марки ШПД-41 составляет 1,17 г/см2ч, что почти в 20 раз больше, чем износ огнеупора оптимального состава из шихты 2 (0,06 г/см2ч).
Петрографическими исследованиями установлено, что во всех образцах после контакта с расплавом чугуна наблюдается коррозия боковой поверхности с вымыванием связующей части. Причем у образцов составов 5, 6 коррозия происходит более интенсивно с вымыванием не только связки,   но
и отдельных мелких зерен заполнителя. У образца состава 2 коррозия значительно ниже и наблюдается небольшими участками.
Испытания на шлакоустойчивость показали, что все образцы исследуемых составов не претерпели изменений в структуре и объеме, пропитка шлаком образцов не обнаружена, хотя образцы покрыты стекловидной пленкой. Характерно, что в равных условиях образец из шамотного доменного кирпича марки ШПД-41 имел износ 4,2 г/см2ч.
Следовательно, образец состава 2 характеризуется более высокими физико-химическими и служебными свойствами в исследуемом диапазоне шихт.
Электронно-микроскопические исследования образца состава 2 показали, что связка в нем имеет плотную, мелкозернистую структуру. Размер зерен составляет мин. -0,2 мкм, макс. ~3— 4 мкм, преобладающий -1,2 —1,8 мкм. Связка представлена преимущественно хорошо окристаллизо-ванными, изометрич-ной конфигурации
зернами fi'-сиалона среди которых довольно равномерно вкраплены игольчато-волокнистые частицы Si3N4 (рис. 2), которые оказывают армирующее действие, что объясняет более высокую прочность огнеупора и стойкость его к расплаву чугуна.
На основе полученных результатов впервые разработана технология производства корундокарбидкремниевых огнеупоров на сиалонсодержащей связке. Разработаны ТУ У 26.2-00190503-297:2008 и технологическая инструкция на изготовление указанных огнеупорных изделий.
Заключение
На основе проведенных исследований определено оптимальное количество добавки карбида кремния и разработан состав корундокарбидкремниевого огнеупора с сиалонсодержащей связкой, характеризующийся более высокой стойкостью к расплавам чугуна и шлака в сравнении с плотным шамотным огнеупором марки ШПД-41. Разработанные огнеупоры предназначены для работы при температурах до 1500 С на контакте с расплавами шлака и чугуна и рекомендуются для футеровки миксерновозных ковшей и защитной футеровки горна доменных печей.