ШИХТА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ
MIXTURE FOR MAKING REFRACTORY ARTICLES

Изобретение относится к производству огнеупорных изделий, а именно к составам для изготовления элементов футеровок, используемых в конструкции вагонеток туннельных печей для обжига керамических изделий, а также огнеупорных изделий, применяемых, в частности, при литье лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, а именно: тиглей, коробов, охранных стаканов, литейных форм и стержней сложной конфигурации, с температурой обжига 1550-1600°С.
2
3
Известен материал плит для огнеупорного слоя футеровки, представляющий собой огнеупорный бетон на фосфатном связующем с корундовым наполнителем, используемый для вагонеток размерами 2 м×3 м в печах для обжига строительных материалов при температурах до 1100°С (авторское свидетельство СССР №1242698, F27D 3/12) - аналог. Недостатком известного решения является низкая термостойкость. Известен материал футеровки вагонеток на основе огнеупорного бетона BRSB20H11 (содержание AlO - 70%) с максимальной температурой применения 1500°С и термостойкостью 80 водных теплосмен (800-20°С) («Огнеупоры в тепловых агрегатах», И.В.Тропинова, A.M.Тропинов «Метод ремонта вагонеток туннельных печей», №5 за 2007 г., с.15-19. - аналог).
Недостатком данного решения является низкая термостойкость материала и наличие в нем моноалюмината кальция, который подвержен дегидратации при повышении температуры нагрева до 800-1000°С, что постепенно разрушает материал.
*
Наиболее близким к предлагаемому решению является шихта для изготовления огнеупорных изделий с применением плавленого муллита или боя муллитокорундовых изделий, корунда и глинозема с добавками карбида кремния, содержащая, %: муллит плавленый или бой муллитокорундовых изделий 20,0-36,0; корунд - 30,0-50,0; глинозем - 27,5 -32,7; карбид кремния - 0,5 - 1,0; дисперсный алюминий - 0,8-1,6 (патент РФ №2191167, МПК: С04В 35/101, опубл. 20.10.2002. - прототип).
Огнеупорный материал, изготовленный с использованием известной шихты, отличается достаточно высокой прочностью и термостойкостью, но для длительной эксплуатации при высоких температурах (1550°С-1600°С) он не пригоден, из-за образования стеклофазы, которая вызывает подплавление материала и, как следствие, разрушение изделий из него.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, - повышение термостойкости и температуры работы материала при использовании его в качестве элементов огнеупорного слоя футеровки вагонеток для коротких туннельных печей, при обеспечении его прочности.
Заявляемый технический результат достигается тем, что используемая шихта для изготовления огнеупорных изделий, включающая муллитосодержащий материал и глинозем, дополнительно содержит отходы формовочной массы муллитокорундового состава, а в качестве муллитосодержащего материала использована смесь плавленного муллита и боя муллитокорундовых изделий при следующем соотношении компонентов: муллит плавленый, фракций менее 0,2 мм - 20-30(мас.%); бой муллитокорундовых изделий 45-65 (мас.%); глинозем Гк - 15-25 (мас.%); отходы формовочной массы муллитокорундовых изделий, фракции, не более 4,0 мм - 5-20 (сверх 100%); при этом бой муллитокорундовых изделий включает фракции, мм, мас.%:
4,0-1,0
60,0-100,0
1,0-0,2
0-40,0.
В шихте формовочная масса может содержать остатки формовочной смеси в состоянии до смешивания ее с водой, смесь формовочной массы с водой и остатки сырых заготовок - брак вибролитья по внешнему виду. В шихте содержание муллита в бое муллитокорундовых изделий может составлять (мас.%) - 15,0-30,0.
Как известно, к материалу футеровки вагонетки предъявляются следующие требования:
- обеспечивать хорошую сохранность и целостность в процессе обжига изделий, установленных на посадочную площадку вагонетки;
- верхний слой футеровки, являясь базовым элементом, должен быть огнеупорным и надежным, так как именно на него устанавливаются изделия и на него воздействует максимальная температурная нагрузка.
Верхний слой футеровки подвергается воздействию наиболее высокой температуры при нагреве, и его линейное расширение в процессе выдержки при максимальной температуре самое большое. Из-за этого возникает нестабильность размеров элементов футеровки, что является возможной причиной возникновения трещин в огнеупорном слое футеровки при многократных нагревах и охлаждениях.
Поэтому термостойкость материала футеровки является одним из определяющих факторов энергетической и экономической эффективности технологии обжига керамических изделий, особенно при обжиге керамической оснастки, используемой при литье жаропрочных сплавов, особенно в коротких печах, типа ПГ-30, где практикуется высокая скорость движения вагонеток.
Следует также учитывать, что производство огнеупорных изделий связано с большим расходом электроэнергии и топливного газа, в связи с чем себестоимость изделий высокая, поэтому целесообразно использовать отходы производства (остатки формовочных масс и бой обожженных изделий), а температуру обжига огнеупорных изделий (в рассматриваемом случае - плиты огнеупорного слоя вагонеток коротких туннельных печей) целесообразно приближать к температуре их эксплуатации.
При использовании плавленого муллита фракции более 0,2 мм спекание материала происходит менее интенсивно, что приводит к увеличению пористости материала. При использовании плавленого муллита фракции менее 0,2 мм в предлагаемом количестве (мас.%) 20-30 показатели прочности и пористости соответствуют требованиям, предъявляемым к огнеупорному материалу.
При уменьшении количества фракции муллита менее 0,2 мм менее 20(мас.%) интенсивность спекания шихты снижается, вызывая уменьшение прочности при увеличении пористости. Увеличение количества указанной фракции более 30 (мас.%) приводит к увеличению интенсивности спекания и соответственно к повышению величины усадки, что вызывает появление трещин в крупногабаритных изделиях.
Использование боя муллитокорундовых изделий в количестве менее 45 (мас.%) приводит к снижению термостойкости изделий и уменьшению срока их службы. При увеличении содержания указанной фракции более 65 (мас.%) заметно снижается прочность. Заявляемый гранулометрический состав боя муллитокорундовых изделий обусловлен качеством получаемой формовочной массы для вибролитья изделий. При наличии в нем фракции более 4 мм не обеспечивается прочность заготовок при твердении массы и соответственно затруднена выемка заготовки из формы.
Оптимальные результаты по качеству формовочной массы подтверждены экспериментами и обеспечиваются размерами используемых фракций боя, которые обуславливают хорошую текучесть массы при вибролитье, отсутствие расслоения и комкования ее при вылеживании в рабочей таре после смешивания шихты с водой. При отсутствии в формовочной массе фракции 1-0,2 мм может быть вызвано некоторое расслоение массы при вылежке в рабочей таре, но это не снизит литейные свойства массы при последующей формовке. Используемый состав боя обеспечивает технологическое твердение массы в форме и достаточную прочность заготовки для выемки ее из формы.
При изменении указанного в формуле количественного соотношения 2-х фракций в смеси боя муллитокорундовых изделий не обеспечивается достаточная транспортабельная прочность крупногабаритной плиты во время выдержки ее в оснастке после формования, что не позволяет обеспечить выемку заготовки из оснастки без нарушения ее целостности.
Заявляемые количественные соотношения глинозема 15-25 (мас.%) выбираются из условия, что состав и количественные соотношения компонентов плавленого муллита, боя муллитокорундовых изделий и глинозема должны обеспечивать спекаемость массы шихты при более низкой температуре обжига, а также обеспечить прочность и термостойкость обожженного материала.
Вводимое количество отходов формовочной массы муллитокорундовых изделий зависит от качества (формуемости) получаемой формовочной массы, которая определяется по шариковой пробе, растекаемой без трещин на вибростоле при нормальном качестве массы.
Указанные пределы гранулометрического и количественного соотношения компонентов подобраны для обеспечения, в совокупности с остальными составляющими шихты, достижения заявляемого технического результата, причем в данном случае для достижения технического результата не является существенным вид отходов формовочной массы муллитокорундовых изделий.
Условие, что в заявляемой шихте формовочная масса может содержать остатки формовочной смеси до смешивания ее с водой, смесь формовочной массы с водой и остатки сырых заготовок - брака вибролитья по внешнему виду, служит для достижения максимальной подвижности формовочной массы в процессе вибрации, что в свою очередь обеспечивает оптимальную укладку массы в форме и достижение оптимального технического результата.
2
3
2
Изготовление формовочной смеси и изделий из заявляемой шихты осуществляют следующим образом: осуществляют подготовку исходных компонентов, а именно дробление и рассев боя, помол глинозема марки Гк, содержание а-AlO в котором целесообразно не менее 95(мас.%) до достижения его удельной поверхности 6500-7200 см/г, смешение компонентов с водой, формование методом вибролитья, сушку и обжиг.
Компоненты шихты для изготовления огнеупорных изделий, а именно муллит плавленный, бой муллитокорундовых изделий и глинозем смешивают в заявляемых пропорциях в сухом виде в лопастном смесителе. Затем добавляют отходы формовочной массы в любом виде в заявляемых количествах, смешивают, добавляют воду в количестве 6,5-9,0 (мас.%) (сверх 100%) и дополнительно перемешивают. Экспериментальные образцы и элементы футеровки в виде стандартного кирпича формуют на вибростенде. После затвердевания массы, формы разбирают, а заготовки сушат и обжигают при 1550-1600°С.
В таблицах 1 и 2 приведены примеры конкретного выполнения.
Таблица 1
Компоненты
Составы, мас.%
1
2
3
прототип
Плавленый муллит,
фракции, мм:
3,0-0,8
0,8-0,2
-
-
-
20
менее 0,2
-
-
-
14
20
25
30
-
Бой муллитокорунд. изделий,
фракции, мм:
3,0-0,8
-
-
-
20
0,8-0,2
-
-
-
16
смесь фракций
65
55
45
-
(4,0-1,0)-60%
(1,0-0,2)-40%;
Молотый глинозем Гк
15
20
25
28
Электрокорунд (№20, №80, №10)
-
-
-
45
Карбид №10
-
-
-
0,8
Дисперсный алюминий
-
-
-
1,1
Отходы формовочной массы муллитокорунд.
5-20 (сверх 100%)
изделий, фракции, мм
не более 4,0
Таблица 2
Технические характеристики
Состав 1
Состав 2
Состав 3
прототип
Температура обжига, °С
1550
1550
1550
1360
Открытая пористость, %
20
25
20
25
Предел прочности при сжатии, МПа
30
45
60
30
Термостойкость, количество теплосмен (воздух-вода) при перепаде температур 1000-20°С
60
87
94
42
Рабочая температура, °С
1550
1600
1600
1400
Заявляемый технический результат достигается при использовании количественного, качественного и гранулометрического состава заявляемой шихты.
Заявляемый состав шихты апробирован в качестве материала для изготовления плит со сквозными отверстиями для огнеупорного слоя вагонеток коротких туннельных печей типа ПГ-30, работающих при температурах 1530-1580°С.