ПЛАВЛЕНЫЙ ФОРСТЕРИТОСОДЕРЖАЩИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
FUSED FORSTERITE-CONTAINING MATERIAL AND METHOD OF OBTAINMENT

Группа изобретений относится к производству огнеупоров, в частности к получению методом плавления материала для огнеупорных композиций.
2
3
2
3
2
3
Известен плавленый форстеритосодержащий материал, включающий, мас.%: 35-97 форстерит, 1-55 периклаз, 2-10 стеклофазу, патент RU 2149856 C1, C04B 35/043, C04B 35/20, C04B 35/657, 2000 [1]. Основным недостатком данного плавленого материала является содержание в стеклофазе до 40 мас.% FeO, что значительно снижает температуру деформации под нагрузкой. Высокое содержание FeO обусловлено использованием в шихте железосодержащего компонента - дунита (среднее содержание FeO в нем 7,8 мас.%).
2
3
Способ получения этого материала заключается в плавлении смеси дунита и спеченного периклазового порошка. Для снижения в плавленом огнеупорном материале количества FeO требуется дополнительная технологическая операция - магнитная сепарация примесных соединений железа после измельчения плавленого материала, что усложняет технологию, увеличивает отходы и удорожает себестоимость производства.
Известен плавленый огнеупорный материал, содержащий, мас.%: 45-76 форстерит, 18-35 алюмомагниевую шпинель, 3-14 хромшпинелид, 3-6 мелилит или стекло аналогичного состава, а.с. SU 1133250 A, C04B 35/62, 1989[2]. Недостатками данного плавленого огнеупорного материала являются нестойкость к воздействию CO в связи с восстановлением оксидов железа и хрома в хромшпинелиде до металлического состояния в виде феррохрома, невысокие огнеупорность и температура начала размягчения, повышенная теплопроводность, а также содержание в материале экологически опасного шестивалентного хрома.
2
2
3
2
3
2
3
Получение известного плавленого огнеупорного материала осуществляют плавлением в электропечи смеси технически чистых оксидов MgO, SiO, AlO, CaO, FeO, CrO. Главным недостатком данного способа является высокая стоимость технически чистых оксидов, особенно глинозема.
2
2
3
2
3
2
3
По совокупности общих существенных признаков наиболее близким к патентуемому является плавленый огнеупорный материал SU 1133250 A, C04B 35/62, 1989 [2] (пример 1). Он содержит, мас.%: 76 форстерит, 18 алюмомагниевая шпинель, 3 хромшпинелид, 3 мелилит или стекло аналогичного состава. Получают его путем плавления шихты, содержащей смесь технически чистых оксидов, мас.%: 58,8 MgO, 25,0 SiO, 13,0 AlO, 0,8 CaO, 0,4 FeO, 2,0 CrO. Недостатками его, как указывалось выше, являются невысокие термофизические свойства, нестойкость в восстановительной среде, содержание соединений хрома и высокая стоимость исходных компонентов для получения данного плавленого материала.
Задачей настоящего изобретения является получение экологически чистого плавленого форстеритосодержащего материала с повышенными термофизическими показателями, стойкого в восстановительной среде, из доступного техногенного магнезиального и природного кремнеземистого сырья.
Технический результат состоит в повышении огнеупорности, температуры начала размягчения, стойкости к воздействию CO, снижении теплопроводности и затрат на производство.
Для достижения этого, согласно п.1 формулы изобретения, плавленый огнеупорный материал, содержит, мас.%: 83-95 форстерит, 2-10 периклаз, 2-4 алюмомагниевую шпинель, 1-3 стеклофазу монтичеллитового состава.
2
Сущность изобретения по п.1 состоит в том, что полученный минеральный (фазовый) состав плавленого форстеритосодержащего материала, включающий в оптимальном соотношении форстерит, периклаз, алюмомагниевую шпинель, а также небольшое количество монтичеллитовой (CaO·MgO·SiO) стеклофазы, не содержащей оксидов железа, обеспечивает плавленому материалу повышенные температуру начала размягчения, огнеупорность и устойчивость в восстановительной атмосфере. Кроме этого, заявляемый плавленый форстеритосодержащий материал имеет более низкую теплопроводность, чем прототип, что расширяет возможности его применения в металлургии.
2
4
2
4
4
2
4
2
4
4
Критерием оптимальности фазового состава является величина магнезиально-форстеритового модуля (МФМ), равного отношению суммы содержания форстерита (MgSiO) и периклаза (MgO) в плавленом огнеупорном материале к суммарному содержанию алюмомагниевой шпинели (MgAlO) и монтичеллита (CaMgSiO): МФМ=(MgSiO+MgO)/(MgAlO+CaMgSiO).
Для обеспечения высоких термофизических показателей и хорошей спекаемости плавленого форстеритосодержащего материала величина МФМ должна быть в пределах 13-33. При значении магнезиально-форстеритового модуля менее 13 резко снижается температура начала размягчения и увеличивается теплопроводность, а при значении МФМ более 33 - возрастают температура плавления и открытая пористость при спекании материала. В патентуемом плавленом форстеритосодержащем материале МФМ находится в пределах 13,3-32,3, что позволяет достичь заявляемые термофизические свойства.
2
Технический результат в способе, согласно п.2 формулы изобретения, достигается путем плавления шихты, состоящей из смеси каустического магнезита с содержанием MgO не менее 87 мас.% и кварцита с содержанием SiO не менее 97 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 57-60 указанный каустический магнезит, 40-43 указанный кварцит, а плавление шихты ведут под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами.
2
3
2
При введении в шихту кварцита менее 40 мас.% снижается спекаемость материала, а при введении его более 43 мас.% резко возрастает количество эвтектического расплава в системе MgO-AlO+CaO-SiO, что вызывает снижение огнеупорности и температуры начала размягчения.
Ограничение содержания примесей в каустическом магнезите и кварците исключает загрязнение стеклофазы легкоплавкими компонентами.
При плавке шихты под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами снижаются теплопотери, пылеунос сырья и расход электродов.
2
2
3
2
3
2
2
3
2
3
Для получения плавленого форстеритосодержащего материала заявляемого состава использовали каустический магнезит марки ПМК-87 по ГОСТ 1216-87 с содержанием, мас.%: 94,1 MgO; 1,7 CaO; 1,9 SiO; 1,7 AlO; 0,6 FeO (на прокаленное вещество) и кварцит марки ПКМИ по ТУ 1511-022-00190495-2003 с содержанием, мас.%: 98,2 SiO; 1,2 AlO; 0,6 FeO.
Указанные компоненты в количествах, приведенных в формуле изобретения, загружали в электродуговую печь РКЗ-4, шихту плавили при удельном расходе электроэнергии 1670 кВт·ч на 1 т под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами, сливали расплав в изложницу и охлаждали.
Примеры составов шихты для получения плавленого форстеритосодержащего материала:
1-й состав, мас.%: 60,0 каустический магнезит, 40,0 кварцит
2-й состав, мас.%: 58,5 каустический магнезит, 41,5 кварцит
3-й состав, мас.%: 57,0 каустический магнезит, 43,0 кварцит
Минеральный (фазовый) состав полученного плавленого форстеритосодержащего материала указан в таблице 1, а свойства в таблице 2.
2
2
3
Полученный в примерах 1-3 плавленый материал имеет следующий минеральный (фазовый) состав, мас.%: 83,6-95,0 форстерит, 2,1-9,8 периклаз, 1,9-3,7 алюмомагниевая шпинель, 1,0-2,9 монтичеллит. При этом он содержит, мас.%: 57,5-59,0 MgO, 37,8-40,7 SiO, 1,4-2,9 AlO, 0,4-0,9 CaO.
Свойства определяли на образцах, сформованнох из дробленого плавленого форстеритосодержащего материала полифракционного состава и обожженных при температуре 1500°С в течение 6 час. Огнеупорность определяли по ГОСТ 4069-69, открытую пористость по ГОСТ 2409-95, температуру начала деформации под нагрузкой (температуру начала размягчения) по ГОСТ 4070-2000, теплопроводность по ГОСТ 12170-85. Для оценки устойчивости к СО образец обжигали в коксовой засыпке при 1200°С в течение 4 часов и затем определяли содержание в нем восстановленного металла рентгенофазовым анализом.
Из таблицы 2 видно, что патентуемый плавленый форстеритосодержащий материал имеет более высокие, чем у образца по прототипу, показатели основных термофизических свойств (огнеупорность, температуру начала размягчения, устойчивость к CO) и меньшую теплопроводность.
Данные свойства позволяют использовать предложенный плавленый форстеритосодержащий материал в качестве сырья для производства ковшевых огнеупоров, что подтвердили результаты промышленных испытаний. Себестоимость его ниже, чем у прототипа, вследствие снижения стоимости шихты и меньшего расхода электроэнергии и материалов на плавку.
Таблица 1
Минеральный и химический состав плавленого форстеритосодержащего материала
Компоненты массы
Содержание, мас.%
Заявляемый состав
Известный
1
2
3
4
Форстерит
83,6
88,0
95,0
76,0
Периклаз
9,8
6,7
2,1
-
Алюмомагниевая шпинель
3,7
3,1
1,9
18,0
Монтичеллит
2,9
2,2
1,0
-
Хромшпинелид
3,0
Мелилит
3,0
Содержание, мас.%:
MgO
58,4
59,0
57,5
49,5
SiO<sub>2</sub>
37,8
38,2
40,7
33,4
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
2,9
2,1
1,4
14,0
CaO
0,9
0,7
0,4
1.4
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
-
-
-
1,2
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
-
-
-
0,5
Магнезиально-форстеритовый модуль (МФМ)
13,3
19,0
32,3
-
Таблица 2
Свойства плавленого форстеритосодержащего материала
Показатели
Заявляемый состав
Известный
1
2
3
4
Огнеупорность, °С
1690
1700
>1730
1640
Температура начала размягчения, °С
1570
1590
1650
1520
Теплопроводность, Вт/(м·К)
3,4
3,1
2.8
3,6
Открытая пористость, %
14,8
16,7
19,1
13,8
Устойчивость к СО (содержание восстановленных металлов), мас.%
менее 0,1
1,2
Fe
Cr+Fe
Источники информации
1. Патент RU 2149856 C1, C04B 35/043, C04B 35/20, C04B 35/657, 2000 [1].
2. А.с. SU 1133250 А, C04B 35/62, 1989[2].