Огнеупорные материалы в металлургии¶

Огнеупорные материалы в металлургии — это класс неметаллических материалов и изделий, обладающих высокой огнеупорностью (способностью выдерживать воздействие высоких температур без деформации и разрушения), используемых для футеровки (внутренней облицовки) металлургических агрегатов: доменных и мартеновских печей, конвертеров, электропечей, ковшей, миксеров и нагревательных колодцев. Они служат для изоляции тепла, защиты корпусов агрегатов от термического, механического и химического воздействия расплавленного металла, шлака и горячих газов.

¶Классификация

Огнеупоры классифицируют по нескольким признакам. По химико-минералогическому составу выделяют следующие основные группы:

• Кремнеземистые (динас) — содержат не менее 93% SiO₂. Обладают высокой огнеупорностью (до 1710 °C) и устойчивостью к кислым шлакам, но низкой термической стойкостью. Применяются в коксовых печах, стекловаренных печах.
• Алюмосиликатные — на основе глинозема (Al₂O₃) и кремнезема. Включают шамотные (30–45% Al₂O₃), муллитовые (45–70%), муллитокорундовые и корундовые (более 70%). Шамот — самый массовый огнеупор для футеровки ковшей, печей общего назначения; корундовые изделия применяются при высоких температурах (до 1800 °C) в агрессивных средах.
• Магнезиальные — на основе оксида магния (MgO). К ним относятся магнезит, доломит, форстерит. Обладают высокой огнеупорностью (до 2000 °C) и устойчивостью к основным шлакам, что делает их незаменимыми для футеровки кислородных конвертеров и мартеновских печей.
• Хромитовые и хромомагнезитовые — смесь хромита и магнезита. Используются при высоких температурах и переменных нагрузках.
• Углеродсодержащие (углеродистые, графитсодержащие) — на основе графита, кокса или карбида кремния. Отличаются высокой теплопроводностью, термостойкостью и несмачиваемостью шлаком. Применяются в футеровке горна доменных печей, фурменных зон.
• Циркониевые — на основе диоксида циркония (ZrO₂). Самые термостойкие, выдерживают температуры выше 2000 °C, применяются в вакуумных печах и для защиты погружных стаканов.

По способу формования различают штучные (кирпич, фасонные изделия), неформованные (набивные массы, бетоны, торкрет-массы) и волокнистые (огнеупорная вата, маты) материалы.

¶Основные свойства

Ключевыми характеристиками огнеупоров являются:

• Огнеупорность — температура, при которой образец размягчается под нагрузкой. Измеряется в градусах Цельсия.
• Термическая стойкость — способность выдерживать резкие перепады температур без растрескивания.
• Шлакоустойчивость — сопротивление химическому воздействию расплавленных шлаков и металлов.
• Механическая прочность — сопротивление сжатию, изгибу и истиранию при высоких температурах.
• Теплопроводность — определяет теплоизоляционные свойства; для теплоизоляции используют низкотеплопроводные материалы, для конструкций — высокотеплопроводные.

¶Применение в металлургии

Огнеупоры применяются на всех этапах металлургического передела. В доменном производстве футеровка шахты, распара и горна выполняется из углеродистых блоков и шамота, а лещадь — из высокоглиноземистых и углеродистых материалов. В сталеплавильном производстве конвертеры футеруют магнезиальными и доломитовыми огнеупорами, а дуговые электропечи — магнезиально-хромитовыми и корундовыми. Разливочные и промежуточные ковши футеруются шамотом, муллитом и высокоглиноземистыми бетонами; для защиты струи металла применяются погружные стаканы из плавленого кварца и циркониевых материалов. В нагревательных колодцах и печах прокатных станов используются шамотные и жаростойкие бетоны.

¶Производство и перспективы

Основными производителями огнеупоров в России являются ООО «Группа „Магнезит“» (Челябинская область), ОАО «Боровичский комбинат огнеупоров», ООО «Первоуральский динасовый завод» и другие предприятия. Сырьевой базой служат месторождения магнезита (Саткинская группа), огнеупорных глин (Боровичско-Любытинский район), кварцитов.

Современные тенденции связаны с развитием неформованных огнеупоров (торкрет-масс, бетонов), повышением стойкости футеровок за счет введения углерода и нанооксидов, а также с созданием композитных материалов с улучшенной термостойкостью. Внедрение автоматизированных систем мониторинга состояния футеровки (лазерное сканирование, тепловизионный контроль) позволяет увеличить межремонтные кампании металлургических агрегатов.

¶Источники

• Кащеев И. Д., Стрелов К. К., Мамыкин П. С. Химическая технология огнеупоров. — М.: Интермет Инжиниринг, 2007.
• Стрелов К. К., Кащеев И. Д. Технология огнеупоров. — М.: Металлургия, 1988.
• Аксельрод Л. М. Огнеупоры в металлургии: учебное пособие. — М.: МИСиС, 2015.