СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЕРИКЛАЗОШПИНЕЛЬНОЙ ОГНЕУПОРНОЙ МАССЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ
METHOD FOR MANUFACTURING OF PERICLASE-SPINEL FIRE-RESISTANT MASS FOR PRODUCTION OF OBJECTS

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для производства периклазошпинельных огнеупорных изделий, предназначенных для футеровки вращающихся цементных печей, шахтных известковых печей и других высокотемпературных агрегатов.
Известен способ изготовления периклазошпинельных огнеупорных изделий, включающий приготовление алюмомагниевой композиции путем совместного помола периклаза и глинозема, увлажнения молотой смеси временным связующим, окускования ее, термообработки окускованной смеси, последующего ее дробления, смешивания полученной зернистой алюмомагниевой композиции с дисперсным и зернистым периклазом, увлажнения этой смеси временным связующим, прессования полученной увлажненной массы, сушки и обжига изделий. При этом алюмомагниевую композицию изготавливают из смеси, содержащей 28-40 мас.% периклаза и 60-72 мас.% глинозема. Помол этой смеси производят до размера частиц менее 0,2 мм. Термообработку молотой смеси после ее окускования осуществляют сушкой или кратковременным обжигом при 1450-1650°С. Изделия прессуют из массы, содержащей 45-70 мас.% зернистого периклаза, 5-20 мас.% зернистой алюмомагниевой композиции и 25-35 мас.% дисперсного периклаза. Алюмомагниевая композиция может содержать 4-72 мас.% свободного оксида алюминия. Ее линейная усадка при обжиге в составе изделий не более 5,5% (патент РФ №2116276).
Недостатком этого способа является спекание алюмомагниевой композиции из смеси порошков периклаза и глинозема с размером частиц менее 0,2 мм при кратковременном обжиге в интервале температур 1450-1650°С. В результате получаемая спеченная алюмомагниевая композиция имеет нестабильный фазовый состав, что не позволяет изготавливать с ее применением изделия со стабильными физическими и термомеханическими показателями на высоком уровне. Кроме того, такая спеченная алюмомагниевая композиция имеет мелкокристаллическую структуру, поэтому изготовленные с ее применением изделия характеризуются пониженной стойкостью против агрессивного воздействия портландцементного клинкера и металлургических шлаков при высоких температурах.
Известен также способ изготовления огнеупорных изделий, описанный в патенте РФ №2155732. Способ заключается в том, что массу, содержащую, мас.%: плавленый периклазовый порошок фракции 5-3 мм - 10; плавленый периклазовый порошок фракции 3-1 мм - 35; плавленый периклазовый порошок фракции 1-0 мм - 11; тонко дисперсную смесь фракции 0,063-0 мм плавленого периклазового порошка с металлическим алюминием и связующим фенольным порошкообразным - 32; чешуйчатый графит - 10; этиленгликоль - 1,7 (сверх 100% шихты) готовили следующим образом. В начале в двухкамерной шаровой мельнице мололи плавленый периклаз фракции 1-0 мм до размера частиц менее 0,063 мм. Взвешивали 80 мас.% полученного порошка, 11 мас.% связующего фенольного порошкообразного, 9 мас.% металлического алюминия и перемешивали их в лопастной мешалке. Изготовленную предварительную смесь использовали при изготовлении вышеуказанной массы для формования изделий. Смешивание компонентов массы осуществляли в смесительных бегунах. В бегуны в заданном количестве загружали периклаз фракции 5-3 и 3-1 мм, заливали 60% необходимого количества этиленгликоля, перемешивали 4 мин, затем загружали периклаз фракции 1-0 мм, графит, заливали оставшееся количество этиленгликоля, перемешивали 5 мин, после чего загружали тонкодисперсную смесь периклазового порошка со связующим фенольным порошкообразным и алюминиевым порошком и окончательно перемешивали все компоненты 11 мин. Из приготовленной массы формовали изделия.
Недостатком указанного способа является сложный процесс изготовления огнеупорной массы, так как временная технологическая связка вводится частями, а приготовленная масса должна иметь насыпную плотность перед засыпкой в пресс-форму, составляющую 45-52% от заданной плотности сформованного изделия. Кроме того, содержащиеся в данном огнеупорном изделии графит и связующее фенольное порошкообразное в окислительной среде при высоких температурах выгорают, что повышает пористость и снижает прочность изделий. В результате при службе этих изделий в высокотемпературных агрегатах в окислительных условиях происходит значительная пропитка их агрессивными средами и повреждение при воздействии механических нагрузок, приводящие к преждевременному износу футеровки.
Наиболее близким по совокупности признаков (прототипом) к предлагаемому нами решению является способ изготовления периклазошпинельной огнеупорной массы для производства изделий, описанный в патенте РФ №2235701. Данный способ заключается в том, что для изготовления огнеупорной массы используют смесь зернистой и дисперсной составляющих. При этом дисперсная составляющая фракции 0,063-0 мм представлена дисперсным периклазом и цирконийсодержащей добавкой в виде продукта их совместного тонкого помола. Изготавливаемая по этому способу масса имеет следующий состав, мас.%: зернистый периклаз фракции 5-3 мм - 15,0-26,0; фракции 3-1 мм - 25,0-67,0; фракции 1-0 мм - 17,0-29,0; зернистая алюмомагниевая шпинель фракции 5-0 мм - 0,5-10,0; глиноземсодержащая добавка в виде зернистого пластинчатого корунда фракции 1-0 мм - 0,5-5,0; дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм - 21,4-34,3; дисперсная цирконийсодержащая добавка фракции 0,063-0 мм в виде бадделеита или технического диоксида циркония - 0,5-5,0. Часть периклаза дисперсной составляющей может быть заменена алюмомагниевой шпинелью в количестве 2-27 мас.%.
2
Периклазошпинельные изделия, изготавливаемые из этой массы, имеют низкую открытую пористость (13,2-17,0%). Их предел прочности при сжатии составляет 50,5-74,2 Н/мм. Недостатком этих изделий является низкий предел прочности при изгибе при 1400°С. Желательно также дополнительное повышение предела прочности при сжатии изделий. При использовании изделий в футеровке вращающейся печи они испытывают значительные механические напряжения сжатия и изгиба из-за вращения печи, деформации корпуса (особенно в районе бандажей), появления момента вращения при пуске и остановке печи. При недостаточной прочности изделий на сжатие и изгиб они разрушаются, что сокращает продолжительность службы огнеупорной футеровки. Воздействию механических нагрузок изделия подвергаются при службе и в других высокотемпературных агрегатах.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение предела прочности при сжатии и предела прочности при изгибе периклазошпинельных изделий.
Было обнаружено, что указанная задача может быть решена при использовании предлагаемого нами способа изготовления периклазошпинельной массы, включающей зернистый периклаз, зернистую алюмомагниевую шпинель, дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм и дисперсную цирконийсодержащую добавку фракции 0,063-0 мм в виде бадделеита или технического диоксида циркония.
Предлагаемый нами способ изготовления указанной массы предусматривает подготовку компонентов и смешивание в смесителе зернистой и дисперсной составляющих и отличается тем, что продолжительность смешивания обеспечивает образование части дисперсного периклаза фракции 0,063-0 мм в количестве 2-10 мас.% непосредственно в смесителе в результате истирания зернистого периклаза при следующем соотношении компонентов, мас.%:
зернистый периклаз - основа,
зернистая алюмомагниевая шпинель - 7-25,
дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм, загружаемый в смеситель - 10-32,
дисперсная цирконийсодержащая добавка фракции 0,063-0 мм в виде бадделеита или технического диоксида циркония - 0,6-5,5,
при этом суммарное содержание дисперсной составляющей фракции 0,063-0 мм в массе составляет 25-37 мас.%.
В предлагаемом способе дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм и дисперсную цирконийсодержащую добавку фракции 0,063-0 мм загружают в смеситель раздельно или в виде смеси совместного помола.
Часть периклаза дисперсной составляющей фракции 0,063-0 мм может быть заменена алюмомагниевой шпинелью фракции 0,063-0 мм в количестве 0,5-5,0 мас.%.
Для изготовления массы можно использовать как плавленый, так и спеченный периклаз, а также как плавленую, так и спеченную алюмомагниевую шпинель. Возможно также применение смеси плавленого и спеченного периклаза, а также смеси плавленой и спеченной алюмомагниевой шпинели.
Периклазошпинельные изделия, изготовленные из приготовленной таким образом массы, имеют более высокие значения предела прочности при сжатии и предела прочности при изгибе по сравнению с прототипом, а также характеризуются низкой открытой пористостью, высокой температурой начала деформации под нагрузкой и малой дополнительной линейной усадкой при 1650°С.
Для выяснения механизма повышения прочностных показателей периклазошпинельных изделий из массы, изготовленной по предлагаемому способу, требуются дополнительные специальные исследования. Однако можно предположить, что дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм, образующийся в смесителе в результате истирания зернистого периклаза при смешивании компонентов массы, имеет более плотный контакт с зернами зернистой составляющей из-за повышенной адгезии к ним и характеризуется более высокой активностью к спеканию по сравнению с дисперсным периклазом фракции 0,063-0 мм, изготовленным в отдельном агрегате и затем загружаемым в смеситель. Это улучшает спекание периклазошпинельных изделий в процессе обжига и приводит к формированию более прочной структуры с повышенными показателями предела прочности при сжатии и предела прочности при изгибе.
При содержании в периклазошпинельной массе менее 2 мас.% дисперсного периклаза фракции 0,063-0 мм, являющегося продуктом истирания зернистого периклаза в смесителе, не наблюдается повышение прочностных показателей изготовленных из этой массы изделий.
При изготовлении периклазошпинельной массы, содержащей более 10 мас.% дисперсного периклаза фракции 0,063-0 мм, являющегося продуктом истирания зернистого периклаза в смесителе, происходит значительное измельчение зернистой составляющей массы, что снижает физико-механические показатели выпускаемых из нее изделий.
Не найдено сведений об изготовлении периклазошпинельной массы, содержащей 2-10 мас.% дисперсного периклаза фракции 0,063-0 мм в виде продукта истирания зернистого периклаза в смесителе в предлагаемой нами композиции, для повышения прочностных показателей выпущенных из нее изделий.
На основании этого считаем, что предлагаемое решение является новым и имеет изобретательский уровень.
Пример.
Составы шихт, загружаемых в смеситель для изготовления увлажненных масс, представлены в табл.1. В шихте 1 дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм и дисперсную цирконийсодержащую добавку фракции 0,063-0 мм загружали в смеситель раздельно, а в шихтах 2, 3 и 6 указанные компоненты подавали в смеситель в виде смеси совместного помола. В шихте 4 дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм и дисперсную алюмомагниевую шпинель фракции 0,063-0 мм загружали в смеситель в виде смеси совместного помола, а дисперсную цирконийсодержащую добавку фракции 0,063-0 мм подавали в смеситель раздельно. В шихте 5 и в прототипе дисперсный периклаз фракции 0,063-0 мм, дисперсную алюмомагниевую шпинель фракции 0,063-0 мм и дисперсную цирконийсодержащую добавку фракции 0,063-0 мм загружали в смеситель в виде смеси совместного помола. В шихте 6 тонкомолотую алюмомагниевую шпинель фракции 0,063-0 мм подавали в смеситель раздельно. Однокомпонентные дисперсные материалы и смеси совместного помола были изготовлены в вибромельнице.
2
Количество дисперсных материалов фракции 0,063-0 мм, загружаемых в смеситель, определяли с учетом их наличия не только в дисперсных компонентах, но и в зернистых материалах фракции 1-0 мм. Эти показатели представлены в табл.2. Компоненты шихты смешивали в смесителе периодического действия при увлажнении их временным связующим. Перемешивание осуществляли до образования в массе от 2 до 10 мас.% дисперсного периклаза фракции 0,063-0 мм в результате истирания зернистого периклаза в смесителе. При этом суммарное содержание дисперсных материалов фракции 0,063-0 мм в готовой массе составляло 25-37 мас.% (табл.3). Количество периклаза фракции 0,063-0 мм, образовавшегося в смесителе в результате истирания зернистого периклаза, определяли по разности между суммарным количеством дисперсных материалов фракции 0,063-0 мм в готовой массе (табл.3) и суммарным количеством дисперсных материалов фракции 0,063-0 мм, загружаемых в смеситель (табл.2). Наиболее вероятно, что образование в смесителе периклаза фракции 0,063-0 мм происходит за счет истирания зернистого периклаза самой мелкой фракции 1-0 мм. Уменьшение содержания зернистой алюмомагниевой шпинели за счет истирания ее до фракции 0,063-0 мм при смешивании компонентов массы, по результатам химического анализа зернистой составляющей, не наблюдается. Из увлажненных масс прессовали изделия на гидравлическом прессе при удельном давлении 130 Н/мм. Сырец сушили, затем обжигали в печи при 1600°С с выдержкой в течение 6 часов.
Для обожженных изделий определяли открытую пористость, предел прочности при сжатии, предел прочности при изгибе при 1400°С, температуру начала деформации под нагрузкой и дополнительную линейную усадку при 1650°С согласно соответствующим ГОСТам. Указанные показатели приведены в табл.4.
2
2
2
2
Приведенные в табл.4 данные показывают, что периклазошпинельные изделия из шихт 1-6, изготовленные по предлагаемому способу, по сравнению с прототипом имеют более высокие значения предела прочности при сжатии (103-121 Н/мм против 60 Н/мм) и предела прочности при изгибе при 1400°С (4,8-7,8 Н/мм против 2,3 Н/мм), а также характеризуются низкой открытой пористостью (13,2-15,2%), высокой температурой начала деформации под нагрузкой (>1700°С) и малой дополнительной линейной усадкой при 1650°С (0,0-0,1%).
Таким образом, изготовление периклазошпинельной массы по предлагаемому нами способу позволяет выпускать изделия, которые по сравнению с прототипом имеют в 1,7-2,0 раза выше предел прочности при сжатии и в 2,1-3,4 раза выше предел прочности при изгибе при 1400°С. При этом указанные изделия не уступают прототипу по значениям открытой пористости, температуры начала деформации под нагрузкой и дополнительной линейной усадки при 1650°С.
Таблица 1.
Составы шихт, загружаемых в смеситель.
Наименование компонентов
Содержание компонентов, мас.%
1
2
3
4
5
6
прототип
Периклаз (MgO≥96 мас.%) фр. 5-3 мм
-
-
11
-
-
11
17
Периклаз (MgO≥96 мас.%) фр. 3-1 мм
30
28
16
30
28
16
29
Периклаз (MgO≥96 мас.%) фр. 1-0 мм (с содержанием зерен размером 0,063-0 мм в количестве 9%)
47,5
33
15,4
47,5
33
15,4
17
Алюмомагниевая шпинель фр. 3-1 мм
7
15
-
7
15
-
-
Алюмомагниевая шпинель фр. 3-0,5 мм
-
-
25
-
-
25
-
Алюмомагниевая шпинель фр. 5-0 мм (с содержанием зерен размером 0,063-0 мм в количестве 1%)
5
Глиноземсодержащая добавка в виде пластинчатого корунда фр. 1-0 мм (с содержанием зерен размером 0,063-0 мм в количестве 1,5%)
4
Дисперсный периклаз (MgO≥96 мас.%) фр. 0,063-0 мм
10
22
32
9,5
20
27
22
Дисперсная алюмомагниевая шпинель фр. 0,063-0 мм
0,5
2,0
5,0
4
Дисперсная цирконийсодержащая добавка (ZrO<sub>2</sub>+HfO<sub>2</sub>≥97,5 мас.%) фр. 0,063-0 мм
5,5
2,0
0,6
5,5
2,0
0,6
2,0
Временное связующее (раствор лигносульфонатов технических), сверх 100%
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
Таблица 2.
Количество дисперсных материалов фракции 0,063-0 мм, загружаемых в смеситель в составе зернистых и дисперсных компонентов.
Наименование дисперсного материала
Содержание в шихтах, мас.%
1
2
3
4
5
6
прототип
Периклаз (MgO≥96 мас.%)
14,3
25,0
33,4
13,8
23,0
28,4
23,5
фр. 0,063-0 мм, в том числе:
загружаемый в составе фр. 1-0 мм
4,3
3,0
1,4
4,3
3,0
1,4
1,5
загружаемый в составе дисперсного материала фр. 0,063-0 мм
10
22
32
9,5
20
27
22,0
Алюмомагниевая шпинель фр 0,063-0 мм, в том числе:
-
-
-
0,5
2,0
5,0
4,05
загружаемая в составе фр. 5-0 мм
-
-
-
-
-
-
0,05
загружаемая в составе дисперсного материала фр. 0,063-0 мм
<sup>-</sup>
<sup>-</sup>
<sup>-</sup>
0,5
2,0
5,0
4,0
Глиноземсодержащая добавка в виде пластинчатого корунда фр. 0,063-0 мм, загружаемая в составе фр. 1-0 мм
0,06
Цирконийсодержащая добавка (ZrO<sub>2</sub>+HfO<sub>2</sub>≥97,5 мас.%) фр. 0,063-0 мм
5,5
2,0
0,6
5,5
2,0
0,6
2,0
Сумма всех дисперсных материалов фр. 0,063-0 мм, загружаемых в смеситель (кроме лигносульфонатов технических)
19,8
27,0
34,0
19,8
27,0
34,0
29,6
Таблица 3.
Содержание дисперсной составляющей фракции 0,063-0 мм в перемешанной массе.
Наименование дисперсной составляющей
Содержание в перемешанной массе, мас.%
1
2
3
4
5
6
прототип
Все дисперсные материалы фр. 0,063-0 мм (кроме лигносульфонатов технических)
25,0
37,0
36,0
25,3
36,8
36,1
30,7
В том числе периклаз фр. 0,063-0 мм, являющийся продуктом истирания зернистого периклаза в смесителе
5,2
10,0
2,0
5,5
9,8
2,1
1,1
Таблица 4.
Физико-механические показатели изделий.
Показатели
Значения показателей
1
2
3
4
5
6
прототип
Открытая пористость, %
15,2
13,2
13,3
14,8
13,3
13,4
16,0
Предел прочности при сжатии, Н/мм<sup>2</sup>
111
118
103
112
121
105
60
Предел прочности при изгибе при 1400°С, Н/мм<sup>2</sup>
5,9
6,7
4,8
6,9
7,8
5,6
2,3
Температура начала деформации под нагрузкой, °С
>1700
>1700
>1700
>1700
>1700
>1700
1700
Дополнительная линейная усадка при 1650°С, %
0,0
0,1
0,1
0,0
0,1
0,1
0,2