Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий
Владельцы патента RU 2267469:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU)
Изобретение относится к области производства огнеупоров и может быть использовано для изготовления керамических узлов высокотемпературных агрегатов, огнеприпасов, работающих при температурах до 1800оС. Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая электрокорунд фракции менее 0,05 мм, плавленый муллит фракции 0,4-1 мм и этилсиликат, дополнительно содержит электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм, плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%: электрокорунд фракции менее 0,05 мм 45-50, электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм 20-25, плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм 15-22, плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм 5-8, этилсиликат 1-2, графит 2-5.Технический результат изобретения - повышение огнеупорности до 1900оС при одновременном снижении температуры обжига до 1450-1550оС. 2 табл.
Изобретение относится к области производства огнеупоров и может быть использовано для изготовления керамических узлов высокотемпературных агрегатов, огнеприпасов, работающих при температурах до 1800°С в окислительной и восстановительной средах, а также в качестве изоляторов.
Известна огнеупорная масса (авт. св. СССР №1151529, кл. С 04 В 35/18, 33/22, 1985 г.), включающая, мас.%:
| электрокорунд фракции менее 0,05 мм | 9-17 |
| аморфный кремнезем фракции менее 0,05 мм | 3-4,6 |
| муллиткорундовый шамот фракции менее 0,05 мм | остальное |
Недостатком данной массы является невысокая температура службы до 1000°С и недостаточная термостойкость, т.к. изделия, имеющие высокую плотность и низкую пористость, не выдерживают перепадов температур и имеют ограниченный срок службы в условиях «нагрев - охлаждение». Наличие большого количества муллитокорундового шамота, имеющего значительное количество примесей и стеклофазы, не позволяет работать изделию при температурах выше 1000°С. При повышении температуры службы резко снижается прочность, и изделия разрушаются.
Наиболее близкой (прототипом) является сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий (ав. св. СССР №1723070, кл. С 04 В 33/22, 1992 г.), включающая, мас.%:
| электрокорунд фрации менее 0,05 мм | 15-20 |
| высокоглиноземистый шамот с содержанием Al2О3 | |
| 68% или плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм | 35-50 |
| этилсиликат | 0,7-1,0 |
| высокоглиноземистый шамот с содержанием | |
| Al2О3 68% или плавленый муллит фракции | |
| менее 0,05 мм | Остальное |
Указанная сырьевая смесь не может быть использована для изготовления изделий, работающих при температурах выше 1600°С, из-за высокого содержания в ней (около 80%) высокоглиноземистого шамота или плавленого муллита, имеющих значительное количество примесей и стеклофазы, вызывающих деформацию изделий при температурах выше 1500°С.
Недостатком смеси является необходимость применения высоких температур обжига (1550-1580°С). Изделия, работающие в интервале температур 1200-1500°С, имеют невысокий срок службы.
Технической задачей изобретения является повышение огнеупорности при одновременном снижении температуры обжига и сохранении прочности и термостойкости.
Для решения этой задачи сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая электрокорунд фракции менее 0,05 мм, плавленый муллит фракции 0,4-1 мм и этилсиликат, дополнительно содержит электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм, плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| электрокорунд фракции менее 0,05 мм | 45-50 |
| электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм | 20-25 |
| плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм | 15-22 |
| плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм | 5-8 |
| этилсиликат | 1-2 |
| графит | 2-5 |
Увеличение в составе материала корунда суммарно до 70% обусловлено тем, что корунд содержит Al2О3 до 99%, поэтому является более жаростойким материалом, чем муллит, т.к. температура его плавления составляет около 2050°С (для сравнения температура плавления плавленого муллита 1810°С), поэтому введение 45-50% корунда как связующей основы и 20-25% в виде зернистого заполнителя обеспечивает повышение огнеупорности материала до 1900°С.
При содержании корунда фракции менее 0,05 мм выше 50% увеличивается усадка материала и снижается прочность, при содержании менее 45% снижается термостойкость.
При содержании корунда фракции 0,5-0,8 мм более 25% снижается прочность и термостойкость материала, при содержании менее 20% снижается огнеупорность.
Введение в материал 23-27% муллита улучшает спекание и сохраняет прочность и термостойкость материала. Содержание муллита более 27% снижает огнеупорность материала, а содержание менее 23% снижает прочность и термостойкость. При этом содержание мелкой фракции муллита более 22% требует увеличение водной связки - корундового шликера (электрокорунд фракции менее 0,05 мм), т.к. мелкое зерно впитывает в себя больше воды, а это соответственно ведет к увеличению усадки при обжиге и снижению термостойкости.
Содержание мелкой фракции менее 15% снижает спекаемость и прочность материала.
Для сохранения термостойкости материала при общем снижении количества муллита в материал вводят графит в количестве 2-5 мас.%, который, выгорая при температуре обжига, оставляет в материале мелкие закрытые поры, способствующие увеличению термостойкости. Графит намного легче корунда и муллита, поэтому 2-5 мас.% - это значительное объемное количество. Содержание графита менее 2% не создает достаточного количества пор для сохранения термостойкости материала, а содержание графита более 5% требует увеличения водной связки - корундового шликера, т.к. графит отбирает на себя большое количество воды, и масса становится непромешиваемой.
Увеличение количества этилсиликата по сравнению с прототипом связано с увеличением в материале мелкой фракции (графит - по объему), для смачивания которой он необходим. Введение этилсиликата выше 2% нецелесообразно из-за того, что в таком случае все поры зернистого заполнителя закрываются этилсиликатом и между зерном и водной связкой не создается достаточного сцепления для образования однородной литьевой массы.
Технология изготовления изделий из предлагаемой сырьевой смеси заключается в следующем.
Вначале мокрым помолом в шаровых мельницах с корундовой футеровкой и корундовыми мелющими телами приготавливают корундовый шликер, для чего в мельницу загружают соответствующее количество воды и электрокорунда (№50, 63 или 80) и в присутствии специально подобранного электролита - ортофосфорной кислоты - ведут помол в течение 36-48 часов до получения шликера плотностью 2,7-3,0 г/см3, рН 8-10, вязкостью 4-9°Е и остатка на сите 005-10%. Затем приготовленный шликер смешивают с зернистым заполнителем, состоящим из электрокорунда, муллита разных фракций и графита, предварительно смоченным этилсиликатом, после чего литьевую смесь выливают в активные (гипсовые) формы и оставляют в них до формообразования. Затем готовые изделия извлекают из формы и сушат либо на воздухе при комнатной температуре, либо в сушильном шкафу при температуре 60-100°С. По окончании сушки изделия обжигают в туннельной газовой печи при температуре 1450-1550°С.
Предлагаемый состав сырьевой смеси позволяет повысить огнеупорность до 1900°С при сохранении прочности и термостойкости материала, а также снизить температуру обжига до 1450-1500°С.
Изделия, обожженные при более низкой температуре, имея изначально меньшую плотность, чем спеченные при температуре 1550-1580°С, будут иметь большую термостойкость и устойчивость к перепадам температур в процессе эксплуатации.
Из предлагаемой сырьевой смеси изготавливают изделия массой от 0,5 до 25 кг различной конструкции, работающие в промышленных условиях.
В настоящее время при работе в проходных печах для спекания таблеток нитридной керамики и твердых сплавов применяется технологическая оснастка и детали внутренней арматуры печи, изготовленные из молибдена и вольфрама, которые интенсивно корродируют в условиях увлажненной водородной атмосферы печи (спекание таблеток), азотной, насыщенной углеродом (спекание нитридной керамики) и в вакууме с избытком углерода (спекание твердых сплавов). Кроме того, при высоких температурах (до 1800°С), характерных для этих процессов, молибден и вольфрам рекристаллизуются, что приводит к катастрофическому охрупчиванию, изменению размеров деталей оснастки и искажению их формы. Расход материалов для восстановления покоробившихся и прогоревших деталей только из молибдена вакуумной переплавки составляет до 1 т в год.
Заявляемая сырьевая смесь используется для изготовления технологической оснастки и деталей внутренней арматуры печи взамен существующих дорогостоящих материалов молибдена и вольфрама.
Кроме того, из сырьевой смеси были изготовлены электроизоляторы (рабочая температура - 1200°С, работают уже 1,5 года и продолжают работать), комплект керамических изделий, работающих под нагрузкой в печи при обжиге крупногабаритных изделий (рабочая температура -1260°С), футеровка для печей (рабочая температура до 1600°С), горелочные камни для газовых печей (рабочая температура 1600-1650°С), поддоны для тиглей и тиглей для варки стекла (рабочая температура 1500-1570°С) и т.п. Все они испытаны и успешно работают в промышленных условиях.
В таблице 1 приведены составы предлагаемой и известной масс, а в таблице 2 - сравнительные свойства из указанных масс.
Как видно из таблицы 2, предлагаемая сырьевая смесь позволяет повысить огнеупорность до 1900°С по сравнению с прототипом при сохранении прочностных свойств, снизить температуру обжига изделий до 1450-1500°С, увеличить срок службы изделий при температурах 1200-1500°С в 1,5-2 раза.
| Таблица 1 | ||||||
| Состав сырьевой смеси | Содержание компонентов, мас.% | |||||
| Известный | 1 | 2 | 3 | Запредельные значения | ||
| 4 | 5 | |||||
| Электрокорунд фракции менее 0,05 мм | 15-20 | 45 | 47 | 50 | 43 | 53 |
| Плавленый муллит или высокоглиноземистый шамот с содержанием Al2О3 68% фракции 0,4-1 мм | 35-50 | 22* | 17* | 15* | 26* | 13* |
| Плавленый муллит или высокоглиноземистый шамот с содержанием Al2О3 фракции менее 0,05 мм | остальное | |||||
| Этилсиликат | 0,7-1,0 | 1 | 1,5 | 2 | 1 | 1 |
| Электрокорунд фракции менее 0,5-0,8 мм | 25 | 23 | 20 | 17 | 27 | |
| Плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм | 5 | 8 | 8 | 11 | 4 | |
| Графит | 2 | 3,5 | 5 | 2 | 2 | |
| * только плавленый муллит |
| Таблица 2 | ||||||
| Свойства | Состав | |||||
| Известный | 1 | 2 | 3 | Запредельные значения | ||
| 4 | 5 | |||||
| Температура обжига, °С | 1550-1580 | 1450-1500 | 1450-1500 | 1450-1500 | 1450-1500 | 1450-1500 |
| Открытая пористость | 10-15 | 14-16 | 15-16 | 16-18 | 13-15 | 16-18 |
| Кажущаяся плотность, г/см3 | 2,7 | 2,9 | 3,1 | 3,0 | 2,9 | 3,2 |
| Прочность на сжатие, 20°С, МПа | 250-320 | 240-320 | 240-320 | 250-310 | 250-320 | 240-280 |
| Термостойкость, к-во теплосмен 1000°С - вода | 20-25 | 20-25 | 20-25 | 20-23 | 20-25 | 15-17 |
| Огнеупорность, °С | 1600 | 1900 | 1900 | 1900 | 1700 | 1900 |
| Количество рабочих теплосмен при 1200-1500°С | 890 | более 1600 |
Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая электрокорунд фракции менее 0,05 мм, плавленый муллит фракции 0,4-1 мм и этилсиликат, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм, плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Электрокорунд фракции менее 0,05 мм | 45-50 |
| Электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм | 20-25 |
| Плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм | 15-22 |
| Плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм | 5-8 |
| Этилсиликат | 1-2 |
| Графит | 2-5 |
