Результат интеллектуальной деятельности: ЗАЩИТНО-УПРОЧНЯЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ОГНЕУПОРНЫХ ФУТЕРОВОК ТЕПЛОВЫХ АГРЕГАТОВ

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к материалам, предназначенным для защиты рабочей поверхности огнеупорных футеровок от окисления, коррозионного и эрозионного действия металла и шлака, при эксплуатации высокотемпературных металлургических и тепловых агрегатов.

Известно многокомпонентное защитно-упрочняющее покрытие, содержащее слой экзотермического состава в виде оксида кремния и алюминия, а в качестве связующего водный раствор жидкого стекла. Покрытие содержит три многокомпонентных, разнородных по составу с различными функциональными свойствами слоя. Первый слой - пропиточный - содержит, масс.%: 65-50 оксида кремния, 28-35 алюминия, 7-15 высокоглиноземистого цемента с затворением 5-20%-ным раствором жидкого стекла. Второй слой - грунтовочный - содержит, масс.%: 74-42 оксида кремния, 16-30 алюминия, 2-3 оксида железа, 8-15 высокоглиноземистого цемента, 0-15 оксидных добавок с затворением 40-60%-ным раствором жидкого стекла. Третий слой - рабочий - содержит, масс.%: 40-47 оксида кремния, 15-30 алюминия, 15-3 золы уноса, 5-15 высокоглиноземистого цемента, 25-5 тугоплавких оксидных материалов и некислородных соединений с затворением 5-20%-ным раствором жидкого стекла. (RU 2209193, С04В 41/87, 16.05.2002).

Недостатком этого покрытия является то, что покрытие является многокомпонентным и включает дорогостоящие модифицирующие добавки, полученные синтетическим путем.

Известен состав покрытия (SU 621660, С04В 41/06, 21.12.1976 г), содержащий, мас.%: пегматит 15-50, глину огнеупорную 5-25, фосфатное связующее 2-30, металлургический шлак 15-58.

Также известен состав для получения защитного покрытия (SU 1823870, С04В 41/80, 01.04.1993 г), содержащий, масс.%: плавиковый шпат 15-42, огнеупорную глину 5-6, полифосфат натрия 23-40, вода - остальное.

Указанные составы содержат фосфатные связующие, что обуславливает необходимость проведения дополнительной термической обработки защищаемых изделий при температурах 1370-1390°С или не менее 700°С. Для предотвращения окисления графита термообработку проводят в восстановительной атмосфере, что дополнительно удорожает и усложняет технологический процесс изготовления углеродсодержащих изделий.

Известно защитное покрытие для создания на поверхности изделия диффузионного алюминиевого слоя, обладающего защитными свойствами (SU 1752504 A1, B22D 27/18, 09.01.90). Покрытие содержит, масс.%: алюминиевый порошок 29-33, криолит 4-5, огнеупорная глина 17-19, кварцевый песок 10-15, хлористый натрий 7-11, вода 28-32. При этом покрытие наносят толщиной 2-3 мм.

Недостатком этого покрытия является низкое содержание криолита, которое приводит к потерям алюминия на окисление и качества защитного диффузионного слоя. Кроме того, в результате взаимодействия алюминия с водой, при изготовлении и хранении состава, выделяется значительное количество водорода, что влияет на плотность покрытия, затрудняет его нанесение на рабочую поверхность.

Задача изобретения - создание тугоплавкого защитного слоя на рабочей поверхности огнеупорной футеровки в результате спекания состава покрытия при разогреве теплового агрегата, которое бы обеспечило эрозионную и тепловую защиту внутренней рабочей поверхности высокотемпературного теплового агрегата от воздействия химически активных и эрозионно-агрессивных сред.

Технический результат, который достигается изобретением, состоит в повышении стойкости огнеупорной футеровки теплового агрегата за счет нанесения на рабочую поверхность защитного покрытия на основе алюминия.

Указанный технический результат достигается тем, что защитно-упрочняющее покрытие огнеупорных футеровок тепловых агрегатов, содержащее алюминиевый порошок, криолит, огнеупорную глину, воду, согласно предлагаемому изобретению дополнительно включает карбоксиметилцеллюлозу (клей КМЦ) и двууглекислый натрий, при следующем содержании компонентов, масс.%:

огнеупорная глина 10-25

криолит 5-15

клей КМЦ 1-5

двууглекислый натрий 1-5

алюминиевый порошок 65-80.

Алюминиевый порошок служит для образования корунда (Al₂O₃) α-модификации, прочного тугоплавкого материала. Экспериментально установлено, что корунд образуется при температуре 1000°С. Увеличение содержания алюминия выше 80% приводит к отслаиванию и нарушению целостности спеченного слоя. Алюминий осыпается, смывается расплавленным металлом, увеличивается удельный расход огнеупоров. При содержании алюминия в составе покрытия менее 65% концентрация алюминия в спеченном слое снижается, газопроницаемость увеличивается и уменьшается стойкость огнеупорной футеровки.

Криолит служит для растворения окисной пленки, образующейся на поверхности частиц алюминия и препятствующей их слипанию. Количественное содержание криолита 5-15% обеспечивает растворение всей окисной пленки, образующейся вокруг частиц алюминия. Если криолита больше 15%, то снижается качество поверхности покрытия из-за образования пузырьков воздуха, а это увеличивает газопроницаемость и снижает качество спеченного слоя. Если криолита меньше 5%, то количество алюминия в спеченном слое снижается, что ухудшает его свойства.

Огнеупорная глина служит связующим элементом состава покрытия и источником содержания алюминия. За счет введения огнеупорной глины содержание алюминия в материале спеченного покрытия достигает 80% и более. Если огнеупорной глины в составе меньше 10%, то снижается содержание алюминия в спеченном слое и стойкость покрытия, увеличивается удельный расход огнеупоров. Если огнеупорной глины больше 25%, то увеличивается вязкость покрытия, что приводит к неравномерному распределению покрытия на поверхности футеровки. Неравномерная толщина покрытия приводит к отслаиванию покрытия и увеличению удельного расхода огнеупоров.

КМЦ (карбоксиметилцеллюлоза) служит для прочного крепления частиц алюминия с поверхностью огнеупорной футеровки в период нагрева теплового агрегата до температуры 1000-1200°С и спекания защитного покрытия. Оптимальное содержание КМЦ 1-5%. Если более 5%, то в процессе спекания увеличивается количество летучих продуктов и газопроницаемость защитного спеченного слоя. Снижается качество поверхности. Если содержание меньше 1%, то силы сцепления покрытия с поверхностью меньше, возможно отслаивание спеченного слоя и увеличение расхода огнеупоров.

Двууглекислый натрий используется для уменьшения окисления алюминия в составе покрытия при его изготовлении и хранении. Он устраняет появление пузырьков при приготовлении краски. Содержание двууглекислого натрия 1-5% обеспечивает устранение появления пузырьков. Свыше 5% двууглекислого натрия влияние на приготовление не оказывает. При содержании менее 1% газовыделение приводит к увеличению пористости защитного покрытия и газопроницаемости спеченного слоя.

Для повышения эксплуатационной стойкости огнеупорной футеровки и получения спеченного слоя за счет нанесения защитного покрытия на рабочую поверхность экспериментально установлено качественное и количественное содержание компонентов в составе покрытия, плотность покрытия, обеспечивающая получение качественной рабочей поверхности и расход состава на единицу площади рабочей поверхности.

Осуществление предлагаемого изобретения. Составы покрытия приведены в таблице 1, не исключающие другие варианты в пределах формулы предлагаемого изобретения.

Для получения на рабочей поверхности футеровки плотного спеченного слоя 1,5-2 мм с низкой газопроницаемостью необходим расход покрытия не менее 800 г/м². При меньшем расходе требуемая толщина спеченного слоя не достигается, увеличивается газопроницаемость и удельный расход огнеупоров. При расходе покрытия более 1200 г/м² появляются неровности на поверхности и отекание покрытия, ухудшается качество рабочей поверхности. Расход состава 800-1200 г/см² умножали на площадь покрываемой поверхности. Рассчитанную массу композиционного состава покрытия засыпали в емкость, перемешивали, заливали водой и замеряли ареометром плотность. Для получения состава нужной плотности дополнительно добавляли воды.

Оптимальная плотность состава покрытия после разведения его водой должна соответствовать 1,50-1,60 г/см³. При такой плотности не происходит отекания покрытия с поверхности огнеупорной футеровки и создается возможность наносить покрытие разными способами: пульверизацией и обмазкой кистью, обеспечивая хорошую кроющую способность. Влияние плотности выражается в том, что при меньшей плотности покрытие содержит меньше алюминия и для получения необходимой концентрации алюминия в поверхности надо увеличивать расход, что неизбежно приводит к снижению ее качества. Если плотность выше 1,60 г/см³, то образуются неровности поверхности, нарушается целостность защитного покрытия и происходит отслаивание спеченного слоя. Если плотность меньше 1,50 г/см³, то на поверхности футеровки образуются подтеки, на месте которых уменьшается количество алюминия и не достигаются параметры спеченного защитного слоя.

В процессе эксплуатации при разогреве теплового агрегата до температуры 1000-1200°С компоненты защитного покрытия спекаются с образованием плотного тугоплавкого слоя толщиной 1,5-2 мм. Экспериментально установлено, что в результате спекания компонентов покрытия образуется корунд α-Al₂O₃, содержание алюминия в материале спеченного слоя составляет не менее 80%, газопроницаемость спеченного слоя 0,35 см²/с.

Защитные покрытия были испытаны для защиты футеровок высокотемпературных тепловых агрегатов, а также отдельных быстроизнашивающихся устройств и элементов от воздействия высокотемпературных тепловых потоков, расплавленных металлов и шлаков. Покрытия подтвердили свою высокую эрозионную, коррозионную и тепловую стойкость в агрегатах при выплавке сталей и сплавов. Защитное покрытие существенно увеличивает ресурс работы огнеупорных материалов, повышает эксплуатационные характеристики тепловых агрегатов в условиях воздействия химически активных и эрозионно-агрессивных средств. Применение предлагаемого защитного покрытия позволяет снизить удельный расход огнеупоров на 80%.

Результаты опытно-промышленных испытаний покрытия на футеровке шлакового пояса сталеразливочных ковшей и подины порционного вакууматора, проведенные в электросталеплавильном цехе ЭСПЦ-2 ОАО «ЧМК», приведены в таблице 2.