Изоляционный огнеупорный материал

 

Изобретение относится к области получения огнеупорных материалов и их использования в металлургии. Изоляционный огнеупорный материал содержит от 20 до 80 вес.% керамической матрицы, от 5 до 40 вес.% изоляционных микросфер, от 0,5 до 15 вес.% одного или нескольких связующих и до 5 вес.% воды. Керамическая матрица содержит стекловидные гранулы распыленного диоксида кремния. Указанный материал дополнительно содержит до 4 вес.% дефлокулянта и до 20 вес. % коллоидного кремнезема. Указанные изоляционные микросферы представляют собой полые сферы из диоксида кремния и оксида алюминия. Изоляционный огнеупорный материал получен из шликера, имеющего вязкость не более 8 Па•с. В изобретении также описан способ нанесения покрытия из указанного шликера на деталь, выполненную из огнеупорного материла. Нанесение покрытия осуществляют методом погружения детали в шликерную композицию менее чем на 1 мин. Изобретение позволяет улучшить теплоизоляционные характеристики материалов, повысить адгезию слоев покрытия. 6 с. и 14 з.п. ф-лы.

Изоляционные огнеупорные материалы используют в промышленности, в особенности в металлургии, для сокращения тепловых потерь и экономии энергии. Эти материалы могут быть также использованы в качестве покрытия различных изделий. Они могут быть также использованы для изготовления всего изоляционного компонента целиком из такого материала. Такие материалы могут быть также использованы для изготовления таких элементов, как панели или кирпичи, из которых может быть образован изоляционный блок.

Например, компоненты из огнеупорного материала используют при непрерывной разливке стали для перемещения расплавленной стали между различными резервуарами, а именно между разливочным ковшом и распределителем и кристаллизатором машины непрерывной разливки стали. Эти компоненты должны иметь повышенную тепловую изоляцию для обеспечения эффективности предварительного нагрева (в случае использования предварительного нагрева компонентов), во избежание кристаллизации стали на внутренних стенках летки (выпускного отверстия), а в случае использования разливочных компонентов для распределителя для исключения возможности образования мостов между отливаемым элементом и стенками кристаллизатора.

В соответствии с другим примером для обеспечения эффективности предварительного нагрева стопорных стержней распределителя используют втулку из изоляционного огнеупорного материала, которую надевают на стопорный стержень для сохранения теплоты горелки.

Обычно в качестве изоляционного огнеупорного материала используют листы или маты (пластины) из бумаги, пропитанной керамическими волокнами. Такой материал обеспечивает высокое качество тепловой изоляции, однако обладает множеством недостатков.

Для установки керамической бумаги требуется проведение операций резки, монтажа и склейки, которые являются длительными и трудоемкими. Более того, при обращении с листами или пластинами из керамической бумаги могут улетучиваться канцерогенные керамические волокна, которые могут вдыхать операторы.

Известно также изоляционное огнеупорное покрытие для компонентов, применяемых при разливке стали (ЕР 0 296 981). Это покрытие получают из композиции водной суспензии, которая содержит 30-85% по весу тонко измельченной образующей, такой как порошки плавленого кварца, оксида алюминия (глинозема) или диоксида циркония (циркониевого ангидрида) и дробь (шарики) оксида алюминия, а также керамический наполнитель из волокон оксида алюминия, плавленого кварца, диоксида циркония, диоксида титана или смеси хрома с оксидом алюминия и даже из шариков оксида алюминия или диоксида циркония. Эта композиция также содержит до 7% по весу связующего, такого как гексаметафосфат натрия или силикат натрия, и до 40% по весу стекла для образования стеклообразной фритты.

Такое покрытие позволяет устранить некоторые недостатки пластин из бумаги, пропитанной керамическими волокнами. В частности, монтаж такого покрытия можно произвести быстрее, так как для этого не требуется проведение большого числа операций. Кроме того, упрощаются меры безопасности при проведении монтажа, так как нет керамических волокон, опасных для здоровья операторов. Однако и такое покрытие имеет некоторые недостатки. Тепловые характеристики этого покрытия не очень высоки по причине его низкой пористости (20%). Эта пористость в основном является открытой и обеспечивает худшие характеристики теплоизоляции, чем закрытая пористость. Более того, трудно нанести достаточно толстый слой покрытия на отливку. Для увеличения толщины покрытия необходимо производить предварительный нагрев компонентов перед нанесением на них покрытия, что требует проведения дополнительной операции и приводит к дополнительным расходам. Более того, после нанесения первого слоя невозможно нанести второй слой, так как внешняя поверхность покрытия является гладкой и непроницаемой, что препятствует хорошей адгезии (прилипанию) второго слоя.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков за счет создания нового изоляционного огнеупорного материала. Предлагаемый изоляционный огнеупорный материал содержит от 20 до 80% по весу керамической матрицы, от 5 до 40% по весу изоляционных микросфер, от 0,5 до 15% по весу одного или нескольких связующих и до 5% по весу воды. В качестве матрицы может быть использована матрица из стекловидных гранул (зерен), например из диоксида кремния, а преимущественно из распыленного диоксида кремния; матрица может также содержать не стекловидные гранулы, например, из оксида алюминия или оксида магния. Матрица преимущественно не содержит более 30% по весу не стекловидных гранул.

В патенте США 4,874,726 раскрыт огнеупорный материал, который имеет высокое сопротивление изнашиванию (высокую абразивную стойкость) и относительно низкую теплопроводность. Этот материал содержит от 40 до 95% по весу стекловидного диоксида кремния (кварцевого стекла), до 25% по весу кальцинированного огнеупорного агрегата и баланс из цемента (связующего) алюмината кальция. На каждые 100 частей указанной смеси этот материал дополнительно содержит от 3 до 15% по весу микросфер на базе смеси оксида алюминия и диоксида кремния. Эта композиция, которая предназначена для изготовления огнеупорных деталей при помощи литья или струйного перемешивания, имеет вязкость после перемешивания с соответствующим количеством воды, составляющую ориентировочно от 4 до 6 Па•с. Эта чрезвычайно низкая вязкость, которая является обычной для изготовления огнеупорных деталей при помощи литейных операций, не подходит для нанесения покрытия погружением.

Указанный материал может также иметь до 4% по весу дефлокулянта и до 20% по весу коллоидного кремнезема (диоксида кремния). Этот материал преимущественно содержит от 0,5 до 4% по весу дефлокулянта и от 0,5 до 20% по весу коллоидного диоксида кремния.

В качестве изоляционных микросфер могут быть использованы полые сферы из материала на основе диоксида кремния и оксида алюминия. Указанный материал может содержать от 55 до 65% по весу диоксида кремния и от 27 до 33% по весу оксида алюминия.

Основной характеристикой связующего в соответствии с настоящим изобретением является то, что оно должно сообщать водной композиции (то есть шликеру), используемой для изготовления огнеупорного материала в соответствии с настоящим изобретением, вязкость, которая позволяет наносить покрытие на огнеупорную деталь за счет ее погружения в указанный шликер. Действительно, образование равномерного и однородного покрытия в большой степени зависит от вязкости шликера. Желательная вязкость главным образом превышает 8 Па•с и преимущественно превышает 10 Па•с.

Связующими, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением, являются глины типа каолинита, а также органические связующие, такие как полисахариды (например, декстрин). Такие связующие сообщают водной композиции вязкость, которая отлично удовлетворяет поставленным выше требованиям.

Настоящее изобретение также имеет отношение к созданию компонента, главным образом предназначенного для использования при литье стали, который имеет корпус из огнеупорного материала с покрытием из изоляционного материала в соответствии с настоящим изобретением. Этот компонент может быть изготовлен, например отлит, при помощи единственной операции или изготовлен за счет сборки нескольких деталей.

Настоящее изобретение включает в себя также композицию для изготовления огнеупорного изоляционного материала, которая представляет собой шликер, который содержит от 20 до 70 % по весу распыленного диоксида кремния, от 5 до 40 % по весу изоляционных микросфер, от 0,5 до 20 % по весу одного или нескольких связующих, до 20 % по весу коллоидного диоксида кремния и от 5 до 25 % по весу воды. В составе связующих может быть органическое связующее, в частности полисахарид. В качестве связующего может использоваться также глина типа каолинита.

Такая композиция имеет вязкость от 9 до 12 Па•с.

Настоящее изобретение также имеет отношение к способу приготовления указанной композиции для создания изоляционного покрытия или для изготовления изоляционной детали.

В соответствии с указанным способом - растворяют одно или несколько связующих в воде; - добавляют дефлокулянт; - добавляют гранулы из распыленного диоксида кремния при перемешивании раствора для их гидрирования и образования шликера; - добавляют микросферы изоляционного материала при продолжении перемешивания шликера для поддержания его однородности (гомогенности).

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого способа коллоидный диоксид кремния добавляют после дефлокулянта.

Все компоненты композиции берутся в вышеуказанных количествах.

Настоящее изобретение также имеет отношение к способу нанесения покрытия на деталь из огнеупорного материала, которую используют для разливки расплавленного металла, в особенности стали, с составом в соответствии с настоящим изобретением.

В соответствии с указанным способом - деталь погружают при окружающей температуре в описанную выше композицию на время менее одной минуты; - обеспечивают сушку на открытом воздухе в течение 2-4 часов.

При помощи указанного способа можно наносить множество слоев, причем - первый слой шликера наносят на деталь при помощи первого погружения; - производят сушку детали на открытом воздухе в течение времени от 45 минут до 2 часов; - второй слой шликера наносят на деталь при помощи второго погружения;
- производят сушку детали на открытом воздухе в течение 2-4 часов.

Материал в соответствии с настоящим изобретением обладает множеством выгодных характеристик.

Его проще применять, чем бумагу и маты из керамических волокон. Он не выделяет волокна, опасные для здоровья. По сравнению с ранее известными покрытиями такой материал обеспечивает лучшую теплоизоляцию, потому что его пористость выше, а также потому, что порция закрытой пористости, создаваемой изоляционными микросферами, является более существенной. Более того, благодаря определенной вязкости шликера качество теплоизоляции улучшается, так как появляется возможность нанесения более толстого покрытия на деталь без ухудшения изоляционных характеристик. Толщина покрытия может достигать 4 мм для одного слоя и 7 мм для двух слоев. Наконец, можно изготавливать изоляционные детали целиком или частично из этого материала.

Другие характеристики и преимущества изобретения будут более ясны из последующего детального описания и примеров осуществления настоящего изобретения.

Пример I
Стальной разливочный компонент, такой как разливочный стакан, имеет удлиненный графитированный корпус из оксида алюминия с покрытием из изоляционного огнеупорного материала. Для нанесения покрытия погружением готовят шликер, в который погружают деталь. Для приготовления шликера органическое связующее, например декстрин, растворяют в соответствующем количестве воды. Декстрин представляет собой полисахарид, который обеспечивает механическую прочность в сыром состоянии. Он является также агентом вязкости. Его удаляют на месте в ходе предварительного нагрева детали.

Затем добавляют второе связующее, например глину типа каолинита. Глина представляет собой суспендирующий агент для изоляционных микросфер и гранул из распыленного диоксида кремния. Это связующее способствует также повышению сцепления в сыром состоянии. Необходимо постоянно производить перемешивание композиции в ходе добавки декстрина и глины для поддержания гомогенности, что особенно относится к глине, потому что необходимо полностью ее гидрировать во избежание образования агрегатов. Такое перемешивание наилучшим образом может быть обеспечено при помощи мешалки планетарного типа, например одной из выпускаемых под маркой COUVROT-LAINE. После перемешивания добавляют дефлокулянт, например, такого типа, который известен под торговой маркой DOLAPIX СЕ 64 и выпускается фирмой ФРГ ZSCHIMMER & SCHWARZ. Материал DOLAPIX представляет собой диспергент/дефлокулянт для исходных материалов и керамических масс, изготовленный на базе карбоновой кислоты без щелочи, который специально предназначен для дефлокуляции керамических оксидов, стеатитовой керамики и т.п.

Коллоидный диоксид кремния вводят в виде жидкого раствора, который содержит 30% коллоидного диоксида кремния и введенные в раствор гранулы распыленного диоксида кремния. Эти гранулы получают путем распыления (пульверизации) шликера из диоксида кремния в струе воздуха. Суспензия капель жидкости в воздухе имеет частицы диаметром от 50 мкм до 1,5 мм. При удалении воды в потоке горячего воздуха получают более или менее законченные (полные) микросферы диоксида кремния.

Наконец, добавляют изоляционные микросферы, например, из алюмосиликата, имеющие размер от 5 до 500 мкм. Эти микросферы являются очень легкими. Собственная плотность образующего их материала составляет от 2,7 до 2,8 г/см³, однако так как эти микросферы являются полыми, то условная плотность микросфер составляет всего только от 0,6 до 0,8 г/см³. Следовательно, указанные микросферы обеспечивают очень хорошую теплоизоляцию. Само собой разумеется, как упоминалось здесь ранее, необходимо непрерывно производить перемешивание композиции в ходе последовательных добавок каждого из компонентов.

Композиция в соответствии с настоящим изобретением, которая имеет вязкость 12 Па•с, может быть нанесена на деталь при помощи любого подходящего способа, например разбрызгиванием. Однако нанесение покрытия преимущественно производят погружением.

Деталь погружают в композицию с относительно высокой скоростью (составляющей несколько метров в минуту). Деталь удерживают в погруженном состоянии менее 1 минуты, например 30 секунд, после чего ее вынимают из ванны. Скорость извлечения из ванны является относительно низкой и составляет, например, менее 3 метров в минуту. После этого дают возможность детали стечь над ванной в течение менее 1 минуты, например 30 секунд, после чего производят сушку детали на воздухе. При нанесении одного слоя время сушки на открытом воздухе составляет от 2 до 4 часов. Если наносят 2 или более слоев покрытия, то время сушки на открытом воздухе перед нанесением каждого следующего слоя короче, например, составляет от 45 минут до 2 часов. Наконец, время сушки последнего слоя составляет от 2 до 4 часов, как и для одинарного слоя. После этого детали могут быть полностью высушены в сушильной печи при постоянной температуре 120^oС в течение одного часа.

Пример состава композиции:
Вода - 20,0%
Декстрин - 3,2%
Коллоидный диоксид кремния - 1,0%
Dolapix СЕ 64 - 2,0%
Fillite SG 500 - 10,0%
Глина (HYMOD RF CLAY) - 4,6%
Распыленные гранулы стекловидного диоксида кремния - 59,2%
Химический состав полученного из указанной композиции покрытия следующий:
Ингредиенты - % (по весу)
SiO₂ - 91,94
Аl₂O₃ - 6,32
ТiO₂ - 0,11
Fe₂O₃ - 0,62
СаО - 0,02
MgO - 0,03
Na₂O - 0,02
K₂O - 0,13
Потери при сгорании - 0,56
Плотность полученного покрытия составляет менее 1,1, его удельный вес составляет от 1,5 до 2 г/см³, а пористость составляет от 40 до 55%.

Пример II
Была изготовлена втулка для стопорного стержня разливочного желоба. Втулка имеет цилиндрическую часть, которую плотно надевают на внешний диаметр стопорного стержня, и внутреннюю часть с раструбом, которая полностью закрывает летку распределителя. Эта втулка была изготовлена из изоляционного огнеупорного материала в соответствии с настоящим изобретением путем заливки шликера в гипсовую форму.

Пример III
Была изготовлена покровная пластина разливочного желоба, предназначенного для использования при производстве стекла. Эта пластина представляет собой параллелепипед с толщиной 50 мм, который был изготовлен из изоляционного огнеупорного материала в соответствии с настоящим изобретением путем заливки в гипсовую форму.

Формула изобретения

1. Изоляционный огнеупорный материал, содержащий от 20 до 80 вес.% керамической матрицы, от 5 до 40 вес.% изоляционных микросфер, от 0,5 до 15 вес. % одно или нескольких связующих, до 20 вес.% коллоидного диоксида кремния и до 5 вес.% воды, причем указанные одно или нескольких связующих сообщают композиции, используемой при изготовлении указанного материала, вязкость более 8 Па•с.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что керамическая матрица содержит стекловидные гранулы.

3. Материал по п.2, отличающийся тем, что указанные стекловидные гранулы представляют собой гранулы диоксида кремния, а в особенности гранулы распыленного диоксида кремния.

4. Материал по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит до 4 вес.% дефлокулянта.

5. Материал по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что указанные изоляционные микросферы представляют собой полые сферы из материала, который содержит диоксид кремния и оксид алюминия.

6. Материал по п.5, отличающийся тем, что указанный материал, содержащий диоксид кремния и оксид алюминия, содержит от 55 до 65 вес.% диоксида кремния и от 27 до 33 вес.% диоксида алюминия.

7. Материал по одному из пп.1-6, отличающийся тем, что указанные одно или несколько связующих содержат органическое связующее.

8. Материал по п. 7, отличающийся тем, что органическое связующее содержит декстрин.

9. Материал по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что указанные одно или нескольких связующих содержат глину типа каолинита.

10. Деталь, в особенности предназначенная для использования при разливке расплавленного металла и имеющая корпус из огнеупорного материала, отличающаяся тем, что указанный корпус имеет покрытие из материала в соответствии с одним из пп.1-9.

11. Деталь, в особенности предназначенная для использования при разливке расплавленного металла, отличающаяся тем, что она полностью или частично изготовлена из огнеупорного материала в соответствии с одним из пп.1-9.

12. Водная композиция для приготовления изоляционного огнеупорного материала, содержащая от 20 до 70 вес.% керамического компонента, от 5 до 40 вес.% изоляционных микросфер, от 0,5 до 20 вес.% одного или нескольких связующих и от 5 до 25 вес.% воды и до 20 вес.% коллоидного диоксида кремния, причем указанная композиция имеет вязкость более 8 Па•с.

13. Композиция по п.12, отличающаяся тем, что указанный керамический компонент содержит гранулы стекловидного диоксида кремния, преимущественно распыленного диоксида кремния.

14. Композиция по одному из пп.12 и 13, отличающаяся тем, что указанные одно или несколько связующих содержат органическое связующее.

15. Композиция по п.14, отличающаяся тем, что органическое связующее содержит полисахарид.

16. Композиция по одному из пп.12-15, отличающаяся тем, что указанные одно или несколько связующих содержат глину типа каолинита.

17. Способ приготовления композиции для нанесения покрытия на деталь из огнеупорного материала, предназначенную для использования при разливке расплавленного металла, заключающийся в том, что растворяют от 0,5 до 20 вес.% одного или нескольких связующих в 5-25 вес.% воды; добавляют до 20 вес.% коллоидного диоксида кремния; добавляют в раствор при перемешивании от 20 до 70 вес.% гранул стекловидного и преимущественно распыленного диоксида кремния так, чтобы гидрировать их и образовать шликер; добавляют в шликер при перемешивании от 5 до 40 вес.% микросфер из изоляционного материала так, чтобы сделать его однородным, причем указанное связующее сообщает шликеру вязкость более 8 Па•с.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что в раствор связующих добавляют дефлокулянт.

19. Способ нанесения покрытия на деталь из огнеупорного материала, предназначенную для использования при разливке расплавленного металла, заключающийся в том, что деталь погружают при окружающей температуре в композицию по пп. 12-16 на время менее 1 мин; обеспечивают сушку на открытом воздухе в течение 2-4 ч.

20. Способ нанесения покрытия по п.15, отличающийся тем, что наносят на деталь первый слой шликера при помощи первого погружения; производят сушку детали на открытом воздухе в течение времени от 45 мин до 2 ч; наносят на деталь второй слой шликера при помощи второго погружения; производят сушку детали на открытом воздухе в течение 2-4 ч.