Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий

 

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов и может быть использовано в цветной металлургии при изготовлении изделий, для литейного и электролитического производства алюминия и его сплавов. Технический результат изобретения - повышение срока службы огнеупорных изделий, контактирующих с жидким алюминием, его сплавами и расплавами фторсодержащих солей, за счет повышения их прочности и эрозионной стойкости. Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая графит, гидроокись алюминия, шамот, алюмохромфосфатное связующее и борную кислоту, дополнительно содержит кристаллический кремний крупностью не более 0,5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 35 - 40; гидроокись алюминия 30 - 35; шамот 10 - 15; кристаллический кремний крупностью не более 0,5 мм 8 - 12; алюмохромфосфатное связующее 3 - 4; борная кислота 1,4 - 2,5.

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов и может быть использовано в цветной металлургии при изготовлении изделий для литейного и электролитического производства алюминия и его сплавов.

Известен состав для защиты футеровки тепловых агрегатов, выплавляющих сплавы на основе меди или алюминия [1], включающий, мас.%: Шамот - 20-30 Графит - 5-10 Глина огнеупорная - 8-13 Высококремнеземистый компонент - 5-15 Борсодержащий компонент - 1-5 Кремнефтористый натрий - 1-2 Магнезитсодержащий компонент - 20-30 Натриевое жидкое стекло - Остальное.

Недостатком известного состава является значительная пористость, высокая степень смачивания расплавленным алюминием и, как следствие, проникновение жидкого металла в поры футеровки и ее быстрое разрушение. Низка шлакоустройчивость и эрозионная стойкость футеровки.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сырьевая смесь, содержащая, мас.%: алюмохромфосфатное связующее или ортофосфорная кислота - 11-18
графит - 20-30
огнеупорная глина - 7-10
борная кислота - 1,4-2,5
гидроокись алюминия - 14-19
шамот - Остальное [2].

По максимальному количеству сходных признаков (компонентный состав) данное решение выбрано в качестве прототипа.

Изделия, изготовленные из смеси, обладают повышенной шлакоустойчивостью, но вместе с тем недостаточно высока их прочность и стойкость в алюминийсодержащих расплавах и в электролите. Металл и электролит загрязняются примесями, незначителен срок службы изделий.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение срока службы огнеупорных изделий, контактирующих с жидким алюминием, его сплавами и расплавами фторсодержащих солей, за счет повышения их прочности и эрозионной стойкости.

Поставленная задача решается тем, что сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая графит, гидроокись алюминия, шамот, алюмохромфосфатное связующее и борную кислоту, дополнительно содержит кристаллический кремний крупностью не более 0,5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
графит - 35-40
гидроокись алюминия - 30-35
шамот - 10-15
кристаллический кремний крупностью не более 0,5 - 8-12
алюмохромфосфатное связующее - 3-4
борная кислота - 1,4-2,5
От прототипа предлагаемая смесь отличается тем, что дополнительно содержит кристаллический кремний крупностью не более 0,5 мм, различными предельными содержаниями компонентов, используемых как в прототипе, так и в предлагаемом решении.

Сравнение предлагаемого решения с другими известными решениями в данной области выявило следующее.

Известно использование в составах огнеупорных материалов компонентов предлагаемой смеси:
- фосфатного связующего в виде ортофосфорной кислоты и/или алюмохромфосфатного связующего, в количестве 11-18 мас.% [2], 14-22% [3], 9-18% [4], 8-20% [5], 10-25% [6], 1,5-3% [7];
- шамота в количестве от 11 до 50% [1-6];
- графита в количестве от 5 до 35% [1-3, 6-7];
- гидроокиси алюминия в количестве от 3 до 30% [2-5,7];
- борсодержащего компонента в виде борной кислоты, буры, оксида бора в количестве 1-5% [1, 2, 6];
- кремнеземсодержащего материала в виде кварцита, кварцевого песка, маршаллита, пыли газоочистки электротермического производства кремния в количестве 5-22% [1, 6, 7].

В результате поиска и сравнения предлагаемого решения с известными не выявлено идентичных ему по компонентному составу, и по предельным содержаниям компонентов.

Техническая сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Разрушение изделий, изготовленных из огнеупорных материалов и работающих в контакте с жидким металлом и электролитом происходит по следующим причинам:
- механические или термические повреждения огнеупорных изделий при изготовлении, термообработке, либо в процессе эксплуатации;
- значительная смачиваемость или пористость огнеупорного материала;
- химическое взаимодействие компонентов огнеупорного материала с расплавом металла и электролитом.

Вышеуказанные причины устраняются подбором компонентов огнеупорного материала, их предельными соотношениями в составе, технологией изготовления и термообработки изделий.

Использование гидроокиси алюминия в составе смеси в количестве 30-35 мас. % обеспечивает достаточную плотность и прочность материала, а также способствует повышению его термостойкости.

При введении менее 30 мас.% снижается плотность и прочность материала, а более 35% - снижается сырая прочность изделий и затруднено их формование, т. е. снижается выход годного при изготовлении изделий.

Введение в состав шамота в количестве 10-15 мас.% способствует повышению механической прочности изделий и снижению их металлопроницаемости.

При введении шамота менее 10% - повышается металлопроницаемость материала. При введении более 15 мас.% наблюдалось растрескивание изделий при термообработке.

Кремнийсодержащий компонент в количестве 8-12 мас.% вводят в состав в виде отходов дробления кристаллического кремния крупностью не более 0,5 мм для повышения прочности и стойкости термообработанных изделий к расплаву металла и шлаку.

При содержании кремнийсодержащего компонента менее 8 мас.% в составе смеси не достигается необходимой прочности и стойкости изделий, при содержании более 12 мас.% снижается сырая прочность изделий.

Введение графита в состав обеспечивает повышение шлакоустойчивости и эрозионной стойкости, за счет снижения смачиваемости изделий жидким металлом и повышение их термостойкости.

Максимальный эффект для данной смеси наблюдается при содержании графитсодержащего компонента 35-40 мас.%. При содержании менее 35 мас.% наблюдается повышение смачиваемости изделий жидким металлом, снижается эрозионная стойкость в электролите, более 40 мас.% - более высокого положительного эффекта не наблюдается, но снижается сырая прочность изделий, затрудняется их формование.

Борная кислота в количестве 0,1-0,2 мас.% используется как упрочняющая добавка, повышающая стойкость изделий как в расплавах металла, так и в электролите.

Алюмохромфосфатное связующее является связкой при содержании 3-4 мас.% обеспечивает получение огнеупорных изделий более высокой плотности.

Сырьевую смесь готовят следующим образом.

Пример 1. В смеситель загружают сухие компоненты из расчета:
Шамот - 1,2 кг
Гидроокись алюминия - 3,4 кг
Кремний в виде отходов дробления кристаллического кремния крупностью не более 0,5 мм - 1,0 кг
Графит - 4,0 кг
Сухие компоненты перемешивают в течение 0,25 ч. Затем в смеситель подают алюмохромфосфатную связку (0,38 кг) с растворенной в ней борной кислотой (20 г) и вновь перемешивают в течение 0,25 ч.

Готовую сырьевую смесь выгружают и из нее прессуют изделия (литейные втулки высотой 120 мм внутренним диаметром 32 мм и толщиной стенок 8 мм, чехлы термопар для измерения температуры электролита, пластины для монтажа электролизера.

Изделия сушили при 200-250^oC, поддерживая скорость нагрева 30^oC/ч. После сушки производили обжиг до температуры 500-600^oC. Причем обжиг изделий проводят в восстановительной атмосфере, засыпая изделия углеродсодержащим материалом (мелочь боя графитовых электродов и графитовых блоков). После обжига изделия охлаждают вместе с печью до температуры +20^oC.

Пример 2. В смеситель загружают сухие компоненты из расчета:
шамот - 1,5 кг
гидроокись алюминия - 3,5 кг
кремний кристаллический крупностью не более 0,5 мм - 1 кг
графит - 3,7 кг
Сухие компоненты перемешивают в течение 0,25 ч. Затем в смеситель подают алюмохромфосфатную связку (0,29 кг) с растворенной в ней борной кислотой (10 г) и вновь перемешивают в течение 0,35 ч. Готовую смесь выгружают и из нее прессуют литейные втулки, чехлы термопар, пластины для монтажа электролизера.

Термообработку ведут как в примере 1.

Пример 3. В смеситель загружают сухие компоненты:
шамот - 1,5 кг
гидроокись алюминия - 3,2 кг
графит - 3,8 кг
кремний кристаллический крупностью не более 5 мм - 1,2 кг
Сухие компоненты перемешивают в течение 0,3 ч. Затем в смеситель подают алюмохромфосфатную связку (0,28 кг) с растворенной в ней борной кислотой (20 г) и вновь перемешивают в течение 0,35 ч. Готовую смесь выгружают, прессуют из нее литейные втулки и чехлы термопар, пластины для монтажа электролизера.

Термообработку ведут как в примере 1.

Экспериментально установленные компонентный состав и предельные соотношения компонентов в смеси обеспечивают получение стойких в расплавах алюминия и электролита изделий. Срок службы изделий в 2-2,5 раза превышает срок службы изделий аналогичного назначения, изготовленных из графито-шамотных и других применяемых на алюминиевых заводах материалов.

Проведены опытно-промышленные испытания изделий, полученных из предлагаемой смеси, подтвердившие их высокие потребительские свойства.

Источники информации:
1. А.с. СССР N 1105486, C 04 B 41/06, 1984 г.

2. А.с. СССР N 889643, C 04 B 29/02, 1981 г.

3. А.с. СССР N 893952, C 04 B 29/02, 1981 г.

4. А.с. СССР N 804603, C 04 B 29/02, 1980 г.

5. А.с. СССР N 791690, C 04 B 29/02, 1980 г.

6. А.с. СССР N 1090676, C 04 B 33/22, 1984 г.

7. Пат. РФ N 2028280, C 04 B 28/34, 33/22, 1995 г.

Формула изобретения

Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая графит, гидроокись алюминия, шамот, алюмохромфосфатное связующее, борную кислоту, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кристаллический кремний крупностью не более 0,5 мм при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Графит - 35 - 40
Гидроокись алюминия - 30 - 35
Шамот - 10 - 15
Кристаллический кремний крупностью не более 0,5 мм - 8 - 12
Алюмохромфосфатное связующее - 3 - 4
Борная кислота - 1,4 - 2,5