Шихта и легированный шпинельный материал, полученный из нее

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов, а именно к составу шихты и легированного шпинельного материала из шихты, и может быть использовано для изготовления высококачественных шпинельных и шпинельсодержащих огнеупоров. Техническим результатом изобретения является повышение плотности и прочности и снижение пористости изделий. Шихта для получения легированного шпинельного материала включает глинозем, периклаз, магнезиально-глиноземистую шпинель, оксид хрома и диоксид циркония, при следующем соотношении компонентов, мас.%: глинозем - 52,8-64,3; периклаз - 22,7-25,2; магнезиально-глиноземистая шпинель - 8,0-10,0; оксид хрома - 2,0-6,0; диоксид циркония - 3,0-6,0. Легированный шпинельный материал содержит фазу легированной шпинели состава Mg_0,91-1,08(Al_0,91-1,01Cr_0,019-0,061)₂O₄ и фазу диоксида циркония ZrO₂, при следующем соотношении фаз, мас.%: Mg_0,91-1,08(Al_0,91-1,01Cr_0,019-0,061)₂O₄ - 94,0-97,0; ZrO₂ - 3,0-6,0. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов, а именно к составу шихты и легированного шпинельного материала из шихты, и может быть использовано для изготовления высококачественных шпинельных и шпинельсодержащих огнеупоров.

Известен шпинельный материал, полученный плавкой каустического магнезита и глинозема в электродуговых печах (Плавленая шпинель - перспективный материал для производства новых огнеупоров. Перепелицын В.А., Кормина И.В., Коптелов В.Н. и др. Новые огнеупоры №4, 2002, стр.89-95).

Недостатком этого материала является химическая неоднородность материала по слитку, наличие большого количества низкотемпературных силикатных пленок, что резко снижает температуру эксплуатации огнеупоров с использованием данного материала и приводит к уменьшению выхода годного продукта.

Известен шпинельный материал, основными фазами которого являются периклаз, хромит и магнезиальная шпинель (патент США №4657878, кл. С04В 35/04, 1987).

Недостатком известного технического решения являются большие энергетические затраты на получение плавленого материала, неоднородность материала, большое содержание оксида хрома до 35 мас.%, что усложняет процесс утилизации отработанного материала.

Наиболее близким к заявляемым шихте и материалу из нее является плавленый шпинельсодержащий материал, полученный плавкой смеси технического глинозема с MgO-содержащим компонентом (Патент RU 2076850, С1 от 10.04.1987).

Недостатками известного технического решения являются: неоднородный состав шихты из-за использования предварительно несвязанных в гранулы оксидов магния и алюминия, отдельно загружаемых непосредственно в плавильный агрегат; отсутствие условий для выравнивания состава шихты и расплава в плавильном агрегате; присутствие в больших количествах примесей; нестабильность размеров кристаллов материала вследствие неоднородности расплава и условий кристаллизации расплава; невысокая плотность и химическая неоднородность получаемого материала, что приводит к значительному снижению выхода годного продукта; большие энергетические затраты на получение плавленого материала. Кроме того, изделия, изготовленные с применением известного материала, имеют недостаточно высокую прочность и химическую устойчивость.

Задачей предлагаемого изобретения является получение легированного шпинельного материала с улучшенными физико-техническими и физико-химическими свойствами и уменьшение энергетических затрат на его получение.

Поставленная задача достигается тем, что шихта для получения легированного шпинельного материала, включающая глинозем и периклаз, согласно изобретению дополнительно содержит добавки магнезиально-глиноземистой шпинели, оксида хрома и диоксида циркония, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

глинозем	52,8-64,3
периклаз	22,7-25,2
магнезиально-глиноземистая шпинель	8,0-10,0
оксид хрома	2,0-6,0
диоксид циркония	3,0-6,0

Поставленная задача достигается также тем, что легированный шпинельный материал, полученный из вышеуказанной шихты, содержит фазу легированной шпинели состава Mg_0,91-1,08(Al_0,91-1,01Cr_0,019-0,061)₂O₄ и фазу диоксида циркония ZrO₂, при следующем соотношении фаз, мас.%:

Mg0,91-1,08(Al0,91-1,01Cr0,019-0,06l)2O4	94,0-97,0
ZrO2	3,0-6,0

Легированный шпинельный материал, состоящий из фазы Mg_0,91-1,08(Al_0,91-0,01Cr_0,019-0,061)₂O₄ 94,0-97,0 мас.%, и диоксида циркония 3,0-6,0 мас.%, получают: вариант 1 плавлением при температуре 2050÷2100°С или вариант 2 спеканием при температуре 1900÷1950°С предварительно подготовленной гранулированной шихты. Гранулированную шихту готовят из предварительно смешанных ингредиентов в соотношении, мас.%: глинозем 52,8-64,3, периклаз 22,7-25,2, магнезиально-глиноземистая шпинель 8,0-10,0, оксид хрома 2,0-6,0, диоксид циркония 3,0-6,0, в грануляторах или на брикетном прессе.

Преимуществами использования предварительно подготовленной шихты заявляемого состава для получения легированного шпинельного материала является точный вещественный и химический состав шихты, подлежащей плавлению, формирование однородного фазового состава и микроструктуры слитка легированного шпинельного материала с диоксидом циркония, улучшение физико-технических и физико-химических свойств легированного шпинельного материала.

К преимуществам следует также отнести снижение затрат на получение легированного шпинельного материала за счет снижения температуры расплава и повышения часовой выработки по готовому продукту.

Заявляемый состав легированного шпинельного материала из шихты, при переработке ее плавлением или спеканием, предназначен для использования при производстве огнеупоров с повышенными показателями физико-технических свойств и повышенным ресурсом эксплуатации в огнеупорных футеровках печных агрегатов черной и цветной металлургии, цементной промышленности, с применением известных компонентов и технических средств, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость». Предлагаемое изобретение обладает также новизной и изобретательским уровнем.

Свойства легированного шпинельного материала из заявляемой шихты обеспечиваются при соблюдении компонентного состава в заявленных соотношениях.

Введение в состав шихты глинозема менее 52,8 мас.% приводит к образованию в составе легированного шпинельного материала больших количеств второй фазы - оксида магния, что сопровождается повышением энергетических затрат при плавлении шихты. Увеличение содержания в шихте оксида алюминия более 64,3 мас.% приводит к появлению легированного шпинельного материала, насыщенного оксидом алюминия, и фазы в виде свободного корунда, что резко снижает трещиноустойчивость и теплопроводность материала, а также существенно снижает размер кристаллов легированного шпинельного материала.

При содержании в шихте периклаза менее 22,7 мас.% легированный шпинельный материал обладает пониженными термомеханическими и прочностными свойствами. При содержании в шихте периклаза более 25,2 мас.% увеличивается химическая неоднородность легированного шпинельного материала и его температура плавления, что является экономически неэффективным, а также снижается размер кристаллов легированного шпинельного материала.

Содержание в шихте оксида хрома менее 2,0 мас.% приводит к увеличению пористости образцов, что отрицательно сказывается на химической стойкости и прочности изделий с использованием легированного шпинельного материала. Повышение в шихте количества оксида хрома более 6,0 мас.% снижает прочность легированного шпинельного материала, а также возникают проблемы с эффективной утилизацией шпинельного материала после службы.

При содержании в шихте диоксида циркония менее 3,0 мас.% легированный шпинельный материал становится менее прочным и термостойким, увеличивается зона пропитки расплавами шлаков. Содержание в шихте диоксида циркония в количестве свыше 6,0 мас.% приводит к снижению размеров кристалла легированного шпинельного материала и снижению прочностных характеристик образцов с его применением.

Содержание в шихте магнезиально-глиноземистой шпинели менее 8,0 мас.% способствует увеличению температуры плавления шихты, большой неоднородности легированного шпинельного материала по размеру кристалла. Увеличение количества магнезиально-глиноземистой шпинели в шихте свыше 10,0 мас.% приводит к увеличению химической неоднородности легированного шпинельного материала и резкому снижению размеров кристалла легированного материала.

При получении шихты для легированного шпинельного материала использованы следующие сырьевые материалы: глинозем по ГОСТ 30558-98 марки Г-00, с содержанием Al₂O₃ не менее 98 мас.%, периклаз по ТУ 14-8-480-91 с содержанием MgO не менее 98 мас.%, плавленая магнезиально-глиноземистая шпинель с содержанием мас.%: MgO 34-38, Al₂O₃ 60-64, оксид хрома по ТУ 6-09-4272-84, диоксид циркония по ГОСТ 21907-76 марки Цр0, с содержанием ZrO₂ + HfO₂ не менее 99,3 мас.%.

В примерах 1-5 приводится реализация изобретения.

Пример 1. В смеситель (вибромельницу) загружают, мас.%: глинозем 52,8, периклаз 25,2, магнезиально-глиноземистую шпинель 10,0, оксид хрома 6,0, диоксид циркония 6,0. После смешения смесь подвергают гранулированию или брикетированию и сушке при температуре 20±5°С. Далее подготовленную шихту подвергают плавлению при 2100°С.

Состав шихты и свойства материала из заявляемой шихты приведены в таблице.

Пример 2. В смеситель (вибромельницу) загружают, мас.%: глинозем 58,0, периклаз 23,0, магнезиально-глиноземистую шпинель 10,0, оксид хрома 4,5, диоксид циркония 4,5. После смешения смесь подвергают гранулированию или брикетированию и сушке при температуре 20±5°С. Далее подготовленную шихту подвергают плавлению при 2050°С.

Состав шихты и свойства материала из заявляемой шихты приведены в таблице.

Пример 3. В смеситель (вибромельницу) загружают, мас.%: глинозем 58,1, периклаз 23,9, магнезиально-глиноземистую шпинель 9,0, оксид хрома 5,0, диоксид циркония 4,0. После смешения смесь подвергают гранулированию или брикетированию и сушке при температуре 20±5°С. Далее подготовленную шихту подвергают плавлению 2100°С.

Состав шихты и свойства материала из заявляемой шихты приведены в таблице.

Пример 4. В смеситель (вибромельницу) загружают, мас.%: глинозем 58,3, периклаз 23,7, магнезиально-глиноземистую шпинель 10,0, оксид хрома 3,0, диоксид циркония 5,0. После смешения смесь подвергают гранулированию или брикетированию и сушке при температуре 20±5°С. Далее подготовленную шихту подвергают плавлению 2100°С.

Состав шихты и свойства материала из заявляемой шихты приведены в таблице.

Пример 5. В смеситель (вибромельницу) загружают, мас.%: глинозем 64,3, периклаз 22,7, магнезиально-глиноземистую шпинель 8,0, оксид хрома 2,0, диоксид циркония 3,0. После смешения смесь подвергают гранулированию или брикетированию и сушке при температуре 20±5°С. Далее подготовленную шихту подвергают плавлению 2100°С.

Состав шихты и свойства материала из заявляемой шихты приведены в таблице.

Заявляемый состав шихты и фазовый состав легированного шпинельного материала из нее (таблица) обеспечивают более высокие значения прочностных характеристики материала (предел прочности при сжатии до 94 Н/мм²). Материал отличается от материала-прототипа крупными и однородными по размеру кристаллами, максимальный размер которых 450 мкм.

1. Шихта для получения легированного шпинельного материала, включающая глинозем и периклаз, отличающаяся тем, что дополнительно содержит добавки магнезиально-глиноземистой шпинели, оксида хрома и диоксида циркония при следующем соотношении компонентов, мас.%:

глинозем	52,8-64,3
периклаз	22,7-25,2
магнезиально-глиноземистая шпинель	8,0-10,0
оксид хрома	2,0-6,0
диоксид циркония	3,0-6,0

2. Легированный шпинельный материал, полученный из шихты по п.1, отличающийся тем, что содержит фазу легированной шпинели состава Mg_0,91-1,08(Al_0,91-1,01Cr_0,019-0,061)₂O₄ и фазу диоксида циркония ZrO₂ при следующем соотношении фаз, мас.%:

Mg0,91-1,08(Al0,91-1,01Cr0,019-0,061)2O4	94,0-97,0
ZrO2	3,0-6,0