Žárovzdorný materiál – hutní keramika Teploty tavení kysličníků tvořících základ žáruvzdorného materiálu (ŽVM) Chemický vzorec SiO2 Al2O3 Cr2O3 CaO ZrO2 MgO 3 hranice žárovzdornosti ŽVM:
t °C 1 726 2 054 2 265 2 625 2 700 2 852
1580 – 1770 °C 1770 – 2000 °C > 2000 °C Chemická povaha ŽVM:
Kyselé Zásadité Neutrální
SiO2, Al2O3, Al2O3.SiO2 CaO, MgO Cr2O3, C
dinas, kyselý šamot magnezit, periklas, dolomit, chrommagnezit šamot, korund, mullit, uhlík
Minerály a horniny pro výrobu žárovzdorného materiálu Název Křemen
Zástupný chemický vzorec SiO2
Tridymit
SiO2
Cristobalit Zirkon
SiO2 ZrSiO4 ZrO2.SiO2 SiO2 + Al2O3
Šamot Sillimanit
Mullit
Al2SiO3 Al2O3.SiO2 Al2SiO5 Al2SiO5 Mg2SiO4 2MgO.SiO2 3Al2O3.2SiO2
Korund Uhlík
Al2O3 C
Andaluzit Kyanit Forsterit
Krystalová soustava
Tvrdost*
< 573 °C trigonální > 573 °C hexagonální rhombická (pseudohexagonální) > 130 °C hexagonální tetraedrická (pseudokubická) tetraedrická
7
7,5
2,73 3,98 – 4,86
směs lupků (sedimenty organických látek), živcových jílů (silikáty Al) a zlomků trigonální
6-7
3,24
7,5 4-7
3,16 – 3,2 3,56 – 3,67 3,2
9 1 10
4,1 2,2 3,5 3,6
rhombická trigonální rhombická trigonální . trigonální (rhombická, čtverečná) trigonální hexagonální tetraedrická
Hustota g/cm3 2,65 2,25
Chromit Magnezit Periklas Dolomit Vápenec Křemelina
FeCr2O4 FeO.Cr2O3 MgCO3 MgO CaMg(CO3)2 CaCO3
kubická trigonální kubická trigonální trigonální fytogenní sediment
5,5
4,5 – 4,8
4 – 4,5 6 3,5 - 4 3
2,96 – 3,12 3,7 2,8 – 2,9 2,.6 – 2,8
* Stupeň tvrdosti podle Mohsovy stupnice Složky ŽVM:
ostřivo + pojivo + voda
Teplotní přeměna minerálů na bázi SiO2 Schéma přeměn při provozování ŽVM (střídavé zahřívání a ochlazování), vratné změny, alotropní modifikace minerálů α, β, γ, kdy pro vysoké teploty platí modifikace α a pro snížené nebo normální teploty platí modifikace β a γ. β křemen ρ = 2,65 g.cm3 ↓↑ 573 °C ↓↑ α křemen ρ = 2,60 g.cm3
β cristobalit ρ = 2,73 g.cm3 ↓↑ 200-273 °C ↓↑ α cristobalit ρ = 2,2-2,35 g.cm3
γ tridymit ρ = 2,25 – 2,28 g.cm3 ↓↑ 117 °C ↓↑ β tridymit ρ = 2,24 g.cm3 ↓↑ 163 °C ↓↑ α tridymit ρ = 2,23 g.cm3
Schéma přeměn při výpalu (výrobě) ŽVM, nevratné změny doprovázené překrystalizací, příp. ztrátou krystalizace. Při výpalu probíhá transformace vysokoteplotních modifikací α. β křemen → 573 °C → α křemen → t>1000 °C → α cristobalit → t<1450 °C → ρ = 2,65 g.cm3 ρ = 2,60 g.cm3 ρ = 2,2-2,35 g.cm3 → α tridymit → t>1470 °C → α cristobalit → t>1750 °C → sklo ρ = 2,23 g.cm3 ρ = 2,2-2,35 g.cm3 (ρ = 2,2 - 2,38 g/cm3) V případě dlouhodobého působení vysoké teploty, a to 1200 – 1460 °C, a současně působením mineralizátorů (CaO) dochází ve výše uvedeném schématu pro výpal k transformaci α křemene přímo na α tridymit. Při dlouhodobé vysokoteplotní expozici α tridymitu nad 1470 °C dochází ke zpětné překrystalizaci na α crystobalit. Cílem výpalu je dosáhnout ve struktuře ŽVM co největší podíl α tridymitu. Při chlazení vyrobených tvarovek z ŽVM dochází p přeměně α modifikací na
Důsledkem teplotních přeměn báze SiO2 jsou změny měrných hmotností ρ jednotlivých modifikací báze SiO2. V důsledku toho dochází k objemovým změnám majícím za následek pnutí. Z výše uvedeného schématu teplotních přeměn při transformaci modifikací SiO2 je patrné, že při vypalování a ochlazování ŽVM, kdy dochází ke změně měrné hustoty, tedy i objemu, stejně jako při provozování, je nutno dodržovat pomalé teplotní změny, aby nedocházelo k praskání zdiva. Při výpalu (výrobě) je nutno co největší podíl ŽVM převést do modifikace tridymitu. Přeměna křemen → tridymit: Přeměna křemen → cristobalit:
objemová změna ∆V = 16.7 %, lineární nárůst 5.6 % objemová změna ∆V = 13.7 %, lineární nárůst 4.6 %
Dinas odolává vysoké teplotě a méně odolává teplotním změnám. Šamot lépe odolává teplotním změnám a má nižší žárovzdornost. Seřazení ŽVM podle žárovzdornosti ŽVM Korundový ŽVM Forsteritový ŽVM Chrommagnezit Magnezit-chromit Chromit Magnezit Mullit Šamot s vyšším Al2O3 Šamot obyčejný a tvrdý Dinas Lehčený šamot Kyselý šamot Lehčené a izolační žárobetony
Max. t °C 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 2 000 1 780 – 1 850 1 770 1 740 1 710 – 1 730 1 680 – 1 780 1600 1 080 – 1 320
Materiálová skupina Hlinité materiály Magnezitové a chromitové materiály
Hlinito-křemičité materiály Křemičité materiály Lehčené materiály Hlinito-křemičité materiály Lehčené materiály
Použití ŽVM v hutních provozech Koksovny Dinasové tvárnice, 95 % SiO2:
Šamotové tvárnice:
žárovzdornost 1400 °C, horší odolnost proti teplotním změnám topné stěny koksových komor
žárovzdornost 1200 °C, lepší odolnost proti teplotním změnám regenerátory, dveře koksovacích komor, stěny koksovacích komor v okolí dveří, plnicí otvory u baterií se sypným provozem (místa, kde je větší fluktuace teplot)
Výměníky tepla: Regenerátory: horní část – dinas, dolní část (2/3) šamot; žárovzdorné zdivo je postaveno tak, aby vytvořilo propustné kanálky; prostorem regenerátoru proudí spaliny odevzdávající teplo keramice, pak po změně provozního cyklu proudí ohřívané médium odebírající teplo; cyklický provoz Rekuperátory: trubkový ocelový nebo keramický výměník tepla v trubkách proudí ohřívané médium, vně trubek proudí spaliny rekuperátory protiproudé, souproudé, příčné spojitý provoz Malty:
křemičité pro dinasové cihly šamotové pro šamotové cihly Žárobeton: dveře, spalinové odtahy výroba z portlantského cementu a ŽVM namísto písku nebo štěrku max. 1050 °C Vysprávkové hmoty: za tepla a za studena, stříkání, torkretování Vysoké pece Teplotní profil VP
Dno nístěje: Tloušťka až 5,5 m, např. VP 2400 m3 v Košicích 4.15 m Namáhání ŽVM: ferostatický tlak, vysoká teplota, chemické působení tavby a eroze Vyzdívka: C-hmota = drcený koks + bezvodý dehet Dusání po pásech tloušťky 10 mm, v kolmých vrstvách, při teplotě 70 °C Chlazení dna: Rošty s proudícím vzduchem nebo vodou (ČR – voda)
Stěny nístěje: Tloušťka dole 1500 mm, nahoře 350 mm Vyzdívka: C-výduska, mimo výfučny (protože C-výduska neodolává oxidaci) Odpichové otvory a výfučny: Vyzdívka: Kombinace C a vysoce hlinitého šamotu V otvoru: Ucpávková hmota Sedlo: Tloušťka 230 – 350 mm Vyzdívka: Tvárnice z vysoce hlinitého šamotu (45 – 60 % Al2O3), někdy C-tvárnice Rozpor a šachta: Největší erozní opotřebení, proto 2-3 x oprava za 1 kampaň Tlustostěnná vyzdívka do 1050 mm Polotlustostěnná vyzdívka 570 – 700 mm nejčastější Tenkostěnná vyzdívka 180 – 300 mm Vyzdívka: šamot Chladnice: vyměnitelné klíny, voda 35 – 40 °C nebo odparné chlazení 100 °C. Chlazení se nepoužívá v horní třetině šachty a na sazebně. Vyústění vody z chladnic přes plášť VP do externího vodního systému se zásobníkem, chlazením, čerpadlem a úpravou (demineralizací). Ohřívače větru Ohřívače větru s vnitřní a vnější spalovací šachticí. U jedné VP bývají postaveny 3 – 4 ohřívače větru. 2 ohřívače vyhřívají zdivo, 1 – 2 ohřívače ohřívají vzduch. Vyzdívka: šachta vysoce hlinitý šamot kupole dinas (1600 °C) Mísiče Klasifikace mísičů: Funkce mísičů:
akumulační statické předzkujňovací aplikace rudy, vápna) pojízdné kumulace taveb dle kapacity ocelárny, přeprava surového železa do ocelárny, teplotní a chemická homogenizace taveb, někdy předzkujňování
Obsah 200 – 2000 t Životnost vyzdívky 0,5 – 2 roky Vyzdívka: ve styku s ocelí a struskou (80 % výšky) – magnezit horní část – šamot vylévací otvor – C-výduska
Bessemerův konvertor Stěna: 92 – 95 % SiO2 – křemen nebo pískovec + žárovzdorná hlína (pojivo) Vyzdívka – pěchovaná nebo vyzděná tvárnicemi Životnost vyzdívky 1000 taveb Dno: pěchované nebo vyzděné tvárnicemi Životnost kyselého dna 25 – 40 taveb (menší životnost na okrajích u stěn) Výfučny ve dně: Ø 10 – 16 mm, 18 – 30 kusů chromit nebo vysoce hlinitý šamot Thomasův konvertor Stěna: Dolomit nebo magnezit + dehet (pojivo) Vyzdívka – pěchovaná nebo vyzděná tvárnicemi Životnost vyzdívky150 – 350 taveb Dno: pěchované Životnost dna 40 – 70 taveb Kyslíkové konvertory Stěna: ochranná vrstva 70 – 150 mm, magnezitové cihly mezivrstva 50 – 100 mm, dehtodolomitová nebo dehtodolomitomagnezitová výduska pracovní vrstva 300 – 400 mm ... 1 vrstva > 400 mm .......... 2 vrstvy Dno: spodní vrstva, dehtodolomitová výduska šamotové cihly pracovní vrstva, magnezitové cihly, několik vrstev, 600 – 800 mm Životnost 250 – 600 taveb Spotřeba ŽVM 10 kg/t oceli, při recyklaci ŽVM 5 kg/t oceli Elektrické obloukové pece (EOP) Dno: tloušťka 300 – 700 mm 1. vrstva: Izolační cihly na plocho, pěnový šamot 2. vrstva: Šamotové cihly 3. vrstva: Magnezitové cihly, střídavé vrstvy naplocho, kolmo, spára <1 mm, magnezitový zásyp, na sucho 4. vrstva: pracovní, 100 – 300 mm, pěchovaná, dolomit nebo magnezit (zrnitost 0,2 – 10 mm), bezvodý dehet (pojivo) Životnost nístěje 180 – 500 taveb pro EOP 5 – 10 t 300 taveb pro EOP 40 t Životnost se zvýší, jestliže se EOP orientuje na výrobu stejných značek ocelí. Také tavby z Cr oceli zlepšují životnost ŽVM. Stěny: do tloušťky 500 mm 50 % magnezit + 50 % dolomit + bezvodý dehet, zrnitost do 10 mm Cihly: životnost 300 taveb, ale doba vyzdívání 2 – 3 dny
Výduska a pěchované bloky: životnost 100 taveb, ale doba vyzdívání 6 – 10 hod. Víko: Značné teplotní změny při sázení Speciální tvarovky z dinasu nebo chrommagnezitu. Dinas je hutnější a lehčí, ale má nižší bod tání než zásadité ŽVM. Nesmí dojít k natavování a stékání do strusky, protože by se snížila zásaditost tavby. Životnost dinasu 90 taveb. Životnost chrommagnezitu 200 – 250 taveb. Střední část víka je více teplotně namáhána než okraje → kombinovaná vyzdívka, ale při vyzdívání nutno pamatovat na různou tepelnou roztažnost materiálů. Musí se kombinovat materiály, jejichž roztažnost se vykompenzuje smršťováním nebo minimální roztažností jiných materiálů, příp. se musí vyzdívat s dilatačními spárami. Licí pánve Stěny a dno:
Výlevky ve dně: Zátková tyč:
1. vrstva: Izolační, pórovitý cement 2. a 3. vrstva: Pracovní, šamotové cihly, někdy kyselá výduska Životnost 8 – 15 taveb Sušení 700 – 800 °C Ø 16 – 80 mm, zabudování do dna shora nebo zdola šamot nebo magnezit po každém lití se vyměňují šamotové trubky vlastní zátka: šamot, šamotografit nebo Zr02 Ohřívací pece (Typologie)
Pece komorové:
Pece průběžné:
Pece hlubinné: Pece poklopové:
s vodorovnou nístějí s nakloněnou nístějí štěrbinové vozové (s výjezdnou nístějí) konvejerové strkací (nárazové) pokulovací krokové karuselové (s otočnou nístějí) regenerátorové rekuperátorové pro tepelné zpracování
Autoři doporučované literatury k prostudování (Cvrček, K.), Červený, E., Franek, T., Hašek, P., Kollerová, M., Kremer, R., Pejčoch, O., Procháska, Sommer, B., Vlček, J.
