ГРАФИТСОДЕРЖАЩИЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГРАФИТСОДЕРЖАЩЕГО ОГНЕУПОРНОГО МАТЕРИАЛА
GRAPHITE-CONTAINING REFRACTORY MATERIAL AND METHOD OF PRODUCING GRAPHITE-CONTAINING REFRACTORY MATERIAL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к графитсодержащему огнеупорному материалу, в котором расположен пучок углеродных волокон, и к способу получения графитсодержащего огнеупорного материала.
Уровень техники
Оборудование (рафинировочные котлы, транспортные тележки, и др.), используемое в процессе производства чугуна или стали на металлургических заводах, имеет футеровку из огнеупорного материала для того, чтобы выдерживать высокие температуры в течение длительного периода применения оборудования. Магнезиально-углеродные огнеупорные материалы применяются в конвертерах в процессе рафинирования. Литейные ковши сигарообразной формы и литейные ковши для жидкого металла, используемые в процессе предварительной обработки жидкого металла, облицованы алюмооксидно-кремниевым огнеупорным материалом с карбидным углеродом. Эти огнеупорные материалы применяются в очень жестких условиях, включающих механические удары при загрузке, истирание под действием смешивания расплавленной стали и расплавленного шлака, шлаковую эрозию расплавленным шлаком, и резкие скачки температуры при эксплуатации. Поэтому для стабильной работы желательно использовать долговечные огнеупорные материалы, которые могут выдерживать жесткие условия.
В патентной литературе 1 раскрыт, в качестве методики для улучшения долговечности огнеупора, огнеупорный материал, в котором пучок стержнеобразных или сетчатых высокопрочных волокон усилен синтетической смолой или тому подобным и расположен без деформации пучка высокопрочных волокон. Установлено, что размещение пучка высокопрочных волокон внутри огнеупорного материала без деформации может улучшать механическую прочность и сопротивление растрескиванию огнеупорного материала. В патентной литературе 2 описан огнеупорный материал, в котором однонаправленный пучок, шпагат, или ткань, выполненные из высокопрочных волокон, связан с частью или всей поверхностью огнеупорного материала с помощью термостойкого связывающего вещества. Установлено, что указанный однонаправленный пучок, шпагат, или ткань, выполненные из высокопрочных волокон и связанные с частью или всей поверхностью огнеупорного материала, могут улучшать предел прочности при растяжении, снижать вероятность образования трещин или разрыва, и таким образом, увеличивают срок службы огнеупорного материала.
Список цитирования
Патентная литература
Патентная литература 1: Заявка на патент Японии, опубликованная без экспертизы № 2005-320196
Патентная литература 2: Заявка на патент Японии, опубликованная без экспертизы № 2007-106618
Раскрытие сущности изобретения
Техническая проблема
Углеродные волокна, расположенные в огнеупорном материале, описанном в патентной литературе 1 и патентной литературе 2, имеют длину 90 мм или меньше, и огнеупорные материалы имеют недостаточную стойкость, как огнеупорные материалы для использования в конвертерах или тому подобном, работающих в жестких условиях. Учитывая эти проблемы, целью настоящего изобретения является получение графитсодержащего огнеупорного материала, который обладает повышенной прочностью при изгибе, причем для его разрушения требуется более высокая энергия (в последующем называется "энергия разрушения"), чем для известных огнеупорных материалов, и разработка способа получения графитсодержащего огнеупорного материала.
Решение проблемы
Для решения указанной проблемы в настоящем изобретении имеются следующие признаки.
(1) Графитсодержащий огнеупорный материал, имеющий содержание графита в диапазоне от 1% до 80% по массе, содержащий внутри огнеупора пучок углеродных волокон длиной 100 мм или больше, причем пучок углеродных волокон образуется из 1000-300000 углеродных волокон, имеющих диаметр волокон в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно/волокно.
(2) Графитсодержащий огнеупорный материал по пункту (1), в котором пучок углеродных волокон образуется из 1000-60000 углеродных волокон.
(3) Графитсодержащий огнеупорный материал по пункту (1) или (2), содержащий магнезиальный исходный материал, составляющий от 20% до 99% по массе графитсодержащего огнеупорного материала.
(4) Графитсодержащий огнеупорный материал по пункту (1) или (2), содержащий глиноземный исходный материал, составляющий от 10% до 95% по массе графитсодержащего огнеупорного материала и карбидокремниевый исходный материал, составляющий от 1% или больше по массе графитсодержащего огнеупорного материала.
(5) Графитсодержащий огнеупорный материал по пункту (4), дополнительно содержащий кремнеземный исходный материал, составляющий от 1% до 50% по массе графитсодержащего огнеупорного материала.
(6) Графитсодержащий огнеупорный материал по пункту (1) или (2), содержащий отходы огнеупорных материалов, составляющие от 10% до 90% по массе графитсодержащего огнеупорного материала, причем отходы огнеупорных материалов представляют собой измельченный использованный огнеупорный материал.
(7) Графитсодержащий огнеупорный материал по любому одному из пунктов (1) - (6), где пучок углеродных волокон формируется путем связывания с использованием по меньшей мере одного связывающего вещества, которое выбирают из фенольной смолы, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, битума и гудрона.
(8) Графитсодержащий огнеупорный материал по любому одному из пунктов (1) - (6), где пучок углеродных волокон формируется путем связывания с использованием по меньшей мере одного связывающего вещества, выбранного из фенольной смолы, эпоксидной смолы, меламиновой смолы, мочевиновой смолы, алкидной смолы, ненасыщенной полиэфирной смолы, полиуретана, термореактивного полиимида, an золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, золя диоксида циркония, золя оксида хрома, золя диоксида титана, золя оксида магния, золя оксида кальция, золя оксида иттрия, битума, гудрона и крахмальной пасты.
(9) Графитсодержащий огнеупорный материал по любому одному из пунктов (1) - (8), дополнительно содержащий короткие углеродные волокна, составляющие от 0.10% до 10% по массе в расчете на 100% по массе графитсодержащего огнеупорного материала, причем короткие углеродные волокна имеют диаметр волокон в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, длину волокон 1 мм или меньше, и отношение длины волокна к диаметру волокна (длина волокна/диаметр волокна) в диапазоне от 2 до 1000.
(10) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала, в котором расположен пучок углеродных волокон, графит, составляющий от 1% до 80% по массе, причем способ включает: стадию обвязывания связки углеродных волокон с образованием пучка углеродных волокон; стадию смешивания смеси исходного огнеупорного материала с графитом, чтобы получить исходный графитсодержащий огнеупорный материал; стадию прессования сжатого исходного графитсодержащего огнеупорного материала, в котором расположен пучок углеродных волокон, чтобы получить спрессованный продукт; и стадию сушки спрессованного продукта, в котором стадия обвязывания включает связки из 1000 - 300000 углеродных волокон, имеющих диаметр волокон в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, с образованием пучка углеродных волокон длиной 100 мм или больше.
(11) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по пункту (10), в котором стадия обвязывания включает связки из 1000 - 60000 углеродных волокон.
(12) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по пункту (10) или (11), в котором исходный огнеупорный материал представляет собой исходный магнезиальный материал, и стадия смешивания включает добавление исходного магнезиального материала в диапазоне от 20% до 99% по массе.
(13) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по пункту (10) или (11), в котором исходный огнеупорный материал включает глиноземный исходный материал и карбидокремниевый исходный материал, и стадия смешивания включает добавление глиноземного исходного материала в диапазоне от 10% до 95% по массе и добавление карбидокремниевого исходного материала на 1% или больше по массе.
(14) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по пункту (13), в котором исходный огнеупорный материал включает глиноземный исходный материал, карбидокремниевый исходный материал, и кремнеземный исходный материал, стадия смешивания включает добавление глиноземного исходного материала в диапазоне от 10% до 95% по массе, добавление карбидокремниевого исходного материала на 1% или больше по массе, и добавление кремнеземного исходного материала в диапазоне от 1% до 50% по массе.
(15) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по пункту (10) или (11), в котором исходный огнеупорный материал представляет собой отходы огнеупорных материалов, которые представляют собой измельченный использованный огнеупорный материал, и стадия смешивания включает добавление отходов огнеупорных материалов в диапазоне от 10% до 90% по массе.
(16) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по любому одному из пунктов (10) - (15), в котором стадия обвязывания включает связывание углеродных волокон по меньшей мере с одним связывающим веществом, выбранным из фенольной смолы, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, битума и гудрона.
(17) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по любому одному из пунктов (10) - (15), в котором стадия обвязывания включает связывание углеродных волокон по меньшей мере с одним связывающим веществом, выбранным из фенольной смолы, эпоксидной смолы, меламиновой смолы, мочевиновой смолы, алкидной смолы, ненасыщенной полиэфирной смолы, полиуретана, термореактивного полиимида, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, золя диоксида циркония, золя оксида хрома, золя диоксида титана, золя оксида магния, золя оксида кальция, золя оксида иттрия, битума, гудрона и крахмальной пасты.
(18) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по любому одному из пунктов (10) - (17), дополнительно включающий, до стадии прессования: стадию замешивания исходного графитсодержащего огнеупорного материала; и стадию заполнения пресс-формы для прессования исходного графитсодержащего огнеупорного материал с тестообразным исходным графитсодержащим огнеупорным материалом и пучком углеродных волокон.
(19) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по пункту (18), в котором стадия заполнения включает заполнение 5% или больше от объема пресс-формы исходным графитсодержащим огнеупорным материалом, затем размещение пучка углеродных волокон с интервалом по 3 мм или больше, и повторно проводят заполнение и размещение, чтобы заполнить пресс-форму исходным графитсодержащим огнеупорным материалом и пучком углеродных волокон.
(20) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по любому одному из пунктов (10) - (17), дополнительно включающий, до стадии прессования: стадию замешивания исходного графитсодержащего огнеупорного материала; и стадию заполнения резервуара прессования исходного графитсодержащего огнеупорного материала тестообразным исходным графитсодержащим огнеупорным материалом и пучком углеродных волокон, где стадия прессования включает воздействие давления в камере прессования с помощью рабочей среды, чтобы получить спрессованный продукт.
(21) Способ получения графитсодержащего огнеупорного материала по любому одному из пунктов (10) - (20), в котором стадия смешивания включает добавление коротких углеродных волокон, составляющих от 0.10% до 10% по массе в расчете на 100% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала, причем короткие углеродные волокна имеют диаметр волокон в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, длину волокон 1 мм или меньше, и отношение длины волокна к диаметру волокна (длина волокна/диаметр волокна) в диапазоне от 2 до 1000.
Полезные эффекты изобретения
Графитсодержащий огнеупорный материал с более высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем в уровне техники, может быть получен путем размещения пучка углеродных волокон длиной 100 мм или больше внутри графитсодержащего огнеупорного материала. Применение указанного графитсодержащего огнеупорного материала с повышенной прочностью при изгибе и энергией разрушения, например, в качестве огнеупорного материалa конвертера обеспечивает стабильную работу конвертера и может продлить срок службы графитсодержащего огнеупорного материала.
Краткое описание чертежей
Фигура 1 включает вид в перспективе и вид сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 согласно настоящему изобретению.
Фигура 2 представляет собой вид в перспективе пучка углеродных волокон 14.
Фигура 3 представляет схематическое изображение в перспективе магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, использованного в качестве огнеупорного материалa конвертера.
Фигура 4 включает вид в перспективе и вид сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, в котором угол θ2 между направлением, перпендикулярным поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14 составляет 45 градусов.
Фигура 5 включает вид в перспективе и вид сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, в котором угол θ2 между направлением, перпендикулярным поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14 составляет 135 градусов.
Фигура 6 представляет схему технологического процесса получения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 согласно настоящему изобретению.
Фигура 7 включает поясняющие виды метода холодного изостатического сжатия (CIP).
Фигура 8 представляет схематические виды в поперечном разрезе эрозионного испытания в высокочастотной индукционной печи 50.
На фигуре 9 приведена кривая «нагрузка-сдвиг», полученная методом испытания трехточечного изгиба.
Фигура 10 представляет схематические виды в поперечном разрезе, иллюстрирующие изменения угла наклона пучков углеродных волокон в Примерах от 9-1 до 9-3.
Фигура 11 представляет схематический вид в поперечном разрезе состояния сжатия в устройстве CIP.
Фигура 12 представляет схематические виды в поперечном разрезе, иллюстрирующие изменения угла наклона пучков углеродных волокон в Примерах от 10-1 до 10-3.
Фигура 13 представляет схематический вид в поперечном разрезе состояния сжатия в устройстве CIP.
Осуществление изобретения
Магнезиально-углеродные огнеупорные материалы, применяемые для футеровки конвертеров, эксплуатируются в весьма жестких условиях, включающих механические удары при загрузке, истирание под действием смешивания расплавленной стали и расплавленного шлака, шлаковую эрозию расплавленным шлаком, и внезапные изменения температуры при эксплуатации конвертеров. Таким образом, для использования требуются магнезиально-углеродные огнеупорные материалы, которые могут выдерживать указанные жесткие условия для стабильной эксплуатации. Подобным образом, алюмооксидно-кремниевые огнеупорные материалы с карбидным углеродом, применяемые для футеровки резервуаров для предварительной обработки расплавленного чугуна, такие как ковши сигарообразной формы или литейные ковши с жидким металлом, также эксплуатируются в очень жестких условиях. Таким образом, предпочтительно применяются долговечные алюмооксидно-кремниевые карбид-углеродные огнеупорные материалы, которые могут выдерживать указанные условия.
Авторы настоящего изобретения выполнили настоящее изобретение, обнаружив, что размещение пучка углеродных волокон длиной 100 мм или больше, состоящего из 1000 - 300000 углеродных волокон, имеющих диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, внутри графитсодержащего огнеупорного материала, может увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения огнеупорного материала, по сравнению с известными графитсодержащими огнеупорными материалами. Настоящее изобретение дополнительно описано ниже, на примере магнезиально-углеродного огнеупорного материала согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Фигура 1 включает вид в перспективе и вид сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 согласно настоящему изобретению. Фигура 1(a) представляет собой вид в перспективе магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, и фигура 1(b) является видом сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10. Этот магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 согласно настоящему изобретению включает множество пучков углеродных волокон 14, расположенных в продольном направлении внутри магнезиально-углеродного исходного материала 12, который представляет собой смесь графита и исходного магнезиального материала. Это увеличивает прочность при изгибе и энергию разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10.
Графит составляет от 1% до 80% по массе магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 согласно настоящему изобретению, и магнезиальный исходный материал составляет от 20% до 99% по массе магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10. Это может предотвратить расщепление огнеупорного материала, вызванное термическим растрескиванием, и улучшать сопротивление эрозии под действием конвертерного шлака. Напротив, содержание графита меньше, чем 1% по массе приводит к расщеплению огнеупорного материала, вызванному термическим растрескиванием, и приводит к значительному снижению трещиностойкости. Содержание исходного магнезиального материала меньше, чем 20% по массе приводит к снижению эрозионной стойкости под действием конвертерного шлака и приводит к повышенной эрозии.
Фигура 2 представляет собой вид в перспективе одного из пучков углеродных волокон 14. Пучок углеродных волокон 14 формируется путем связывания множества углеродных волокон. Пучок углеродных волокон 14 имеет длину L1 100 мм или больше, которая меньше или равна длине магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 в продольном направлении пучка углеродных волокон 14, размещенных внутри магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10. Пучок углеродных волокон 14 состоит из 1000 - 300000 углеродных волокон, имеющих диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, причем волокна собраны в пучок таким образом, что торцевая поверхность пучка углеродных волокон 14 имеет ширину L2 в диапазоне от 1,0 до 20,0 мм и толщину L3 в диапазоне от 0,001 до 6,0 мм, где размер L2 больше, чем L3.
Как показано выше, в настоящем варианте осуществления, пучок углеродных волокон 14 формируется путем связывания от 1000 до 300000 углеродных волокон, имеющих диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно. Это приводит к эффекту подавления пучком углеродных волокон 14 развития трещины в том месте, где размещаются пучки углеродных волокон 14, и повышению прочности при изгибе и энергии разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10. Напротив, когда углеродные волокна имеют диаметр волокон меньше, чем 1 мкм/волокно, и число углеродных волокон меньше, чем 1000, пучок углеродных волокон является слишком узким, чтобы предотвратить развитие трещины и увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения. Когда углеродные волокна имеют диаметр волокон больше, чем 45 мкм/волокно, и число углеродных волокон больше, чем 300000, пучок углеродных волокон становится настолько толстым, что ухудшается сплетение пучков углеродных волокон между собой, и исходный огнеупорный материал повреждается, таким образом, происходит обратный отскок при сжатии, что затрудняет прессование. Пучок углеродных волокон 14 может быть сформирован путем связывания от 1000 до 60000 углеродных волокон.
Предпочтительно пучок углеродных волокон 14 путем связывания пучка углеродных волокон по меньшей мере с одним связывающим веществом, выбранным из фенольной смолы, эпоксидной смолы, меламиновой смолы, мочевиновой смолы, алкидной смолы, ненасыщенной полиэфирной смолы, полиуретана, термореактивного полиимида, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, золя диоксида циркония, золя оксида хрома, золя диоксида титана, золя оксида магния, золя оксида кальция, золя оксида иттрия, битума, гудрона и крахмальной пасты. Связывание пучка углеродных волокон может улучшать адгезию между углеродными волокнами и адгезию между пучком углеродных волокон и исходным огнеупорным материалом, повышая плотность спрессованного продукта, и таким образом, увеличивается прочность при изгибе и энергия разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10.
Ширина L2 торцевой поверхности пучка углеродных волокон 14 больше, чем толщина L3 торцевой поверхности. Такая плоская форма с шириной L2 торцевой поверхности пучка углеродных волокон 14, которая длиннее, чем толщина L3 торцевой поверхности может обеспечить анизотропию прочности при изгибе пучка углеродных волокон 14. Когда пучок углеродных волокон 14 с такой анизотропией прочности при изгибе однонаправленно размещен внутри огнеупорного материала, магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 также имеет анизотропную прочность при изгибе.
Магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 согласно настоящему изобретению является огнеупорным материалом, который получен путем прессования в направлении, перпендикулярном поверхности сжатия 16. Как показано на фигуре 1, пучки углеродных волокон 14 размещены таким образом, что продольное направление торцевых поверхностей пучка углеродных волокон 14 является одинаковым и что угол θ1 между поверхностью сжатия 16 и продольным направлением каждой торцевой поверхности составляет 90 градусов. На фигуре 1(b), пунктирная линия 18 является линией, параллельной поверхности сжатия 16, которая проведена для обозначения угла θ1 между поверхностью сжатия 16 и продольным направлением торцевой поверхности пучка углеродных волокон 14.
Когда пучки углеродных волокон 14 размещены таким образом, что продольное направление торцевых поверхностей пучков углеродных волокон 14 является одинаковым и что угол θ1 между поверхностью сжатия 16 и продольным направлением каждой торцевой поверхности составляет 90 градусов, это способствует тому, что магнезиально-углеродный исходный материал 12 легко проникает между пучками углеродных волокон 14 в процессе прессования, и таким образом, улучшается формуемость магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10. Кроме того, такое размещение пучка углеродных волокон 14, когда продольное направление торцевых поверхностей является одинаковым, также обеспечивает анизотропию прочности при изгибе магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, и такое размещение пучка углеродных волокон 14, что угол θ1 между каждым продольным направлением и поверхностью сжатия 16 составляет 90 градусов, может увеличить прочность при изгибе в продольном направлении торцевой поверхности пучков углеродных волокон 14, по сравнению с прочностью при изгибе в продольном направлении торцевой поверхности пучков углеродных волокон 14 в магнезиально-углеродном огнеупорном материале 10. Хотя угол θ1 между продольным направлением и поверхностью сжатия 16 предпочтительно составляет 90 градусов, угол θ1 приблизительно может быть равен 90 ± 45 градусов принимая во внимание точность процесса обработки.
Фигура 3 представляет собой схематическое изображение в перспективе магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, использованного в качестве огнеупорного материалa конвертера. Как показано на фигуре 3, когда магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 применяется в конвертере, магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 размещен таким образом, что направление поверхности сжатия 16 соответствует периферическому направлению конвертера (стрелка 20 на фигуре 3). В этом случае, магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 неоднократно расширяется и сжимается из-за внезапных изменений температуры при эксплуатации конвертера, таким образом, в периферическом направлении вызывается напряжение, то есть, в направлении, перпендикулярном поверхности сжатия 16.
Как описано выше, магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 согласно настоящему изобретению обладает анизотропной прочностью при изгибе, и прочность при изгибе, перпендикулярно поверхности сжатия 16, является выше, чем прочность при изгибе параллельно поверхности сжатия 16. Таким образом, магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 имеет поверхность сжатия 16, направление которой соответствует периферическому направлению, в котором вызывается напряжение в конвертере и, таким образом, обладает высокой прочностью при изгибе и выдерживает напряжение, вызванное в конвертере. Согласно настоящему изобретению, такое размещение магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 с анизотропной прочностью при изгибе, что направление, в котором повышается прочность при изгибе, является направлением напряжения в конвертере, может улучшать долговечность магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10.
Как показано на фигуре 1, магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 согласно настоящему изобретению расположен таким образом, что угол θ2 между направлением, перпендикулярным к поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14 составляет 90 градусов. Прочность при изгибе и энергия разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 навстречу усилию в направлении, перпендикулярном к поверхности сжатия 16 повышается, когда пучки углеродных волокон 14 размещаются таким образом, что направление, перпендикулярно поверхности сжатия 16 является параллельным направлению вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14.
Фигура 4 включает вид в перспективе и вид сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, в котором угол θ2 между направлением перпендикулярно поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14 составляет 45 градусов. Фигура 5 включает вид в перспективе и вид сбоку магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, в котором угол θ2 между направлением, перпендикулярным к поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14 составляет 135 градусов. Как показано на фигурах 4 и 5, пучки углеродных волокон 14 предпочтительно размещаются таким образом, что угол θ2 между направлением, перпендикулярным к поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14 находится в диапазоне от 45 до 135 градусов. Это может увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, по сравнению с вариантом, где пучки углеродных волокон 14 размещены таким образом, что направление, перпендикулярное поверхности сжатия 16 магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10, является параллельным направлению вдоль длины L1 пучка углеродных волокон 14. Хотя пучки углеродных волокон 14 параллельны друг другу и параллельны плоскости AEHD на фигурах 4 и 5, прочность при изгибе и энергия разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 увеличиваются до тех пор, пока углы θ1 и θ2 находятся в диапазоне от 45 до 135 градусов, даже если пучки углеродных волокон 14 не параллельны друг другу.
Магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 согласно настоящему изобретению дополнительно может содержать короткие углеродные волокна, составляющие от 0,10% до 10% по массе, в расчете на 100% по массе исходного магнезиально-углеродного материала 12. Эти короткие углеродные волокна имеют диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, длину волокон 1 мм или меньше, и отношение длины волокна к диаметру волокна (длина волокна/диаметр волокна) в диапазоне от 2 до 1000. Короткие углеродные волокна ограничивают развитие трещины в магнезиально-углеродном огнеупорном материале 10 и, таким образом, увеличивается прочность при изгибе и энергия разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10.
На фигуре 6 показана схема технологического процесса получения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 согласно настоящему изобретению. Способ получения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 описан ниже, со ссылкой на фигуру 6. Магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10 получают с помощью стадии обвязывания углеродных волокон, стадии смешивания исходного магнезиально-углеродного материала 12, стадии замешивания исходного магнезиально-углеродного материала 12, стадии заполнения, стадии прессования и стадии сушки.
Например, на стадии обвязывания углеродных волокон (S101) сначала промышленно доступную углеродную ткань с диаметром углеродных волокон в диапазоне от 1 мкм/волокно или больше до 45 мкм/волокно или меньше разделяют на волокна, удаляя нитевидные углеродные волокна длиной 100 мм или больше. Промышленно доступные углеродные волокна включают углеродные волокна различной формы, такие как нити углеродных волокон, жгуты углеродных волокон, и полотно углеродных волокон. Могут быть использованы любые из указанных углеродных волокон. Главным образом, связывают в пучок от 1000 до 300000 нитевидных углеродных волокон, чтобы получить пучок углеродных волокон длиной 100 мм или больше. Затем пучок углеродных волокон погружают в связывающее вещество, такое как фенольную смолу, приблизительно на 1 - 2 минуты. Пучок углеродных волокон удаляют из связывающего вещества, такого как фенольная смола, и сушат на воздухе в течение 24 часов или больше.
В магнезиально-углеродном исходном материале 12, на стадии смешения (S102) получают исходный магнезиально-углеродный материал 12 путем смешения вместе графита и исходного магнезиального материала, таким образом, чтобы содержание графита в магнезиально-углеродном исходном материале 12 находилось в диапазоне от 1% до 80% по массе, и содержание исходного магнезиального материала в магнезиально-углеродном исходном материале 12 находилось в диапазоне от 20% до 99% по массе. На стадии смешения добавляют заданное количество отвердителя и связующего в расчете на внешнюю долю.
На стадии смешения, кроме графита, дополнительно могут быть введены короткие углеродные волокна, имеющие диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, длину волокон 1 мм или меньше, и отношение длины волокна к диаметру волокна (длина волокна/диаметр волокна) в диапазоне от 2 до 1000, для смешивания с магнезиально-углеродным исходным материалом 12.
На стадии замешивания (S103) магнезиально-углеродный исходный материал 12 замешивается в месильной машине. На стадии заполнения (S104), 5% или больше от объема пресс-формы огнеупорного материала заполняют тестообразным магнезиально-углеродным исходным материалом 12, и затем размещаются пучки углеродных волокон 14 с интервалом 3 мм или больше. Впоследствии, 5% или больше от объема пресс-формы заполняют тестообразным магнезиально-углеродным исходным материалом 12, и затем размещаются пучки углеродных волокон 14 с интервалом 3 мм или больше. Заполнение магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и размещение пучков углеродных волокон 14 проводится многократно, чтобы заполнить пресс-форму магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и пучками углеродных волокон 14.
Таким образом, размещение пучков углеродных волокон 14, бок о бок, с интервалом по 3 мм или больше и многократное осуществление заполнения магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и размещение пучков углеродных волокон, чтобы рассредоточить углеродные волокна в поперечном направлении и способом по высоте, может увеличить площадь контакта между магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и пучком углеродных волокон и, таким образом, увеличивается прочность при изгибе и энергия разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала. Напротив, когда пучки углеродных волокон размещены таким образом, что они не рассредоточены в поперечном направлении и по высоте, площадь контакта между магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и пучком углеродных волокон не может увеличиться, и поэтому прочность при изгибе и энергия разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала 10 не может увеличиться. Предпочтительно пучки углеродных волокон 14 размещены с интервалом 100 мм или меньше. Когда пучки углеродных волокон 14 размещены с интервалом больше, чем 100 мм, число размещенных пучков углеродных волокон 14 слишком мало, поэтому снижается эффект увеличения прочности при изгибе и энергии разрушения.
После замешивания магнезиально-углеродного исходного материала 12 на стадии замешивания, предпочтительно пучки углеродных волокон 14 размещаются на тестообразном магнезиально-углеродном исходном материале 12 на стадии заполнения. Если стадия замешивания проводится после размещения пучков углеродных волокон 14, эти пучки углеродных волокон 14 разрезаются лопатками крыльчатки месильной машины, и эффекты увеличения прочности при изгибе и энергии разрушения магнезиально-углеродного огнеупорного материала нежелательно снижаются.
На стадии прессования (S105) огнеупорный материал сжимается в направлении, перпендикулярном поверхности сжатия 16, чтобы передать внутреннюю форму пресс-формы магнезиально-углеродному исходному материалу 12, который загружен в пресс-форму огнеупорного материала, таким образом, получается спрессованный продукт. Пресс-форм может быть выполнена из металла, древесины, синтетической смолы, или резины. Спрессованный продукт сушат при 230°C в течение 18 часов на стадии сушки (S106), чтобы получить магнезиально-углеродный огнеупорный материал 10, внутри которого размещены пучки углеродных волокон 14.
Хотя в настоящем варианте осуществления магнезиальный исходный материал используется в качестве исходного огнеупорного материала, вместо магнезиального исходного материала, может быть использован глиноземный исходный материал и карбидокремниевый исходный материал, или может быть использован глиноземный исходный материал, карбидокремниевый исходный материал, и кремнеземный исходный материал. При использовании глиноземного исходного материала и карбидокремниевого исходного материала, глиноземный исходный материал составляет от 10% до 95% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала, и карбидокремниевый исходный материал составляет от 1% или больше по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала. Когда используются глиноземный исходный материал, карбидокремниевый исходный материал, и кремнеземный исходный материал, глиноземный исходный материал составляет от 10% до 95% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала, карбидокремниевый исходный материал составляет от 1% или больше по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала, и кремнеземный исходный материал составляет от 1% до 50% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала.
Глиноземный исходный материал, составляющий от 10% до 95% по массе, может улучшать эрозионную стойкость к шлаку при предварительной обработке расплавленного чугуна и предотвращать расщепление, вызванное термическим растрескиванием. Напротив, глиноземный исходный материал, составляющий меньше 10% по массе, приводит к нежелательному снижению эрозионной стойкости к шлаку предварительной обработки расплавленного чугуна. Глиноземный исходный материал, составляющий более 95% по массе, не может предотвращать расщепление, вызванное термическим растрескиванием и приводит к нежелательному к снижению трещиностойкости.
Карбидокремниевый исходный материал, составляющий 1% или больше по массе может предотвращать окисление графита на воздухе и поддерживать высокую трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. Напротив, карбидокремниевый исходный материал, составляющий меньше 1% по массе, не может предотвращать окисление графита на воздухе, что приводит к нежелательному снижению трещиностойкости графитсодержащего огнеупорного материала.
Кремнеземный исходный материал, составляющий от 1% до 50% по массе может обеспечить высокую трещиностойкость, а также высокую эрозионную стойкость графитсодержащему огнеупорному материалу. Напротив, кремнеземный исходный материал, составляющий меньше 1% по массе, не может повысить сопротивление разрушению, вызванному термическим ударом, из-за малого расширения и отсутствия образования микротрещин, что приводит к нежелательному снижению трещиностойкости. Кремнеземный исходный материал, составляющий больше 50% по массе, приводит к нежелательному значительному снижению эрозионной стойкости.
Таким образом, глиноземный исходный материал и карбидокремниевый исходный материал, или глиноземный исходный материал, карбидокремниевый исходный материал, и кремнеземный исходный материал, смешанные с графитом, могут улучшать эрозионную стойкость графитсодержащего огнеупорного материала к шлаку предварительной обработки расплавленного чугуна и увеличивать прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала. Таким образом, этот огнеупорный материал можно удобно использовать в качестве огнеупорной облицовки резервуаров для предварительной обработки расплавленного чугуна, таких как ковши сигарообразной формы и литейные ковши с горячим металлом
Хотя в настоящем варианте осуществления магнезиальный исходный материал используется в качестве исходного огнеупорного материала, вместо магнезиального исходного материала, может быть использован глиноземный исходный материал и цирконий-диоксидный исходный материал. Размещение пучков углеродных волокон согласно настоящему изобретению на листе огнеупорного материала, содержащего глиноземный исходный материал, цирконий-диоксидный исходный материал и графит, также может увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения листа огнеупорного материала.
Хотя в настоящем варианте осуществления магнезиальный исходный материал используется в качестве исходного огнеупорного материала, вместо магнезиального исходного материала, могут быть использованы отходы огнеупорных материалов, полученные путем измельчения алюмооксидно-кремниевого огнеупорного материала с карбидным углеродом. При использовании отходов огнеупорных материалов, отходы огнеупорных материалов составляют от 10% до 90% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала. При этом может быть достигнута почти такая же трещиностойкость и эрозионная стойкость как у графитсодержащего огнеупорного материала, полученного только из неиспользованного, чистого исходного материала.
2
3
2
3
Хотя исходные материалы, состоящие из отходов огнеупорных материалов, имеют меньшую чистоту, чем неиспользованные исходные материалы, чистый исходный материал, содержащий 10% или больше по массе отходов огнеупорных материалов, может устранять значительное снижение эрозионной стойкости, вызванное компонентом AlO в исходном огнеупорном материале. Напротив, исходный материал с отходами огнеупорных материалов, составляющими больше, чем 90% по массе, не может устранять значительное снижение эрозионной стойкости, вызванное компонентом AlO, в исходном материале с отходами огнеупорных материалов из-за чрезмерно малого содержания чистого исходного материала. Исходный материал с отходами огнеупорных материалов, составляющими меньше, чем 10% по массе, приводит к значительному увеличению стоимости обработки отходов огнеупорных материалов, как промышленных отходов, благодаря чрезмерно низкой степени повторного использования отходов огнеупорного материала.
Хотя в настоящем варианте осуществления пресс-форма заполнена исходным графитсодержащим огнеупорным материалом и пучками углеродных волокон 14, с целью образования спрессованного продукта, настоящее изобретение не ограничено этим вариантом осуществления. Например, спрессованный продукт может быть сформирован методом CIP прессования, с использованием резервуара сжатия, иллюстрированного на фигуре 7. Фигура 7 включает поясняющие виды метода CIP прессования. На фигуре 7(a) показан резервуар сжатия 36, заполненный магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и пучком углеродных волокон 14, и фигура 7(b) иллюстрирует резервуар сжатия 36 в устройстве CIP 38, заполненным средой сжатия 40.
Сначала здесь будет описан способ заполнения резервуара сжатия 36 магнезиально-углеродным исходным материалом 12 и пучками углеродных волокон 14. В несущем элементе 30, включающем металлический стержень 32, верхнюю несущую пластину 34, и нижнюю несущую пластину 35, пучок углеродных волокон 14 простирается параллельно металлическому стержню 32 между верхней несущей пластиной 34 и нижней несущей пластиной 35. Несущий элемент 30, в котором простирается пучок углеродных волокон 14, расположен в резервуаре сжатия 36, который выполнен из резины. Пространство, образовавшееся между несущим элементом 30 и резервуаром сжатия 36, заполняется магнезиально-углеродным исходным материалом 12, причем отверстие в резервуаре сжатия 36 закрывается, герметично уплотняя резервуар сжатия 36. Герметично уплотненный резервуар сжатия 36 расположен в устройстве CIP 38, заполненным средой сжатия 40, такой как вода или масло, и на среду сжатия 40 воздействует давление от 49 до 490 МПа. Это обеспечивает равномерное воздействие давления на резервуар сжатия 36 через среду сжатия 40, и посредством этого получается спрессованный продукт. Предпочтительно CIP прессование используется для получения большой фурмы из огнеупорного материала. Длина металлического стержня 32, диаметр металлического стержня 32, размеры верхней несущей пластины 34 и нижней несущей пластины 35, и размер резервуара сжатия 36 можно определить надлежащим образом, в соответствии с желательным размером, таким как диаметр фурмы из огнеупорного материала. Для CIP прессования резервуар сжатия 36 предпочтительно выполнен из резинового материала.
Примеры
Примеры описаны ниже. Графитсодержащий огнеупорный материал, содержащий, в совокупности, магнезиально-углеродный исходный материал для использования в конвертере, исследуют нижеследующим методом. Сначала, для изучения магнезиального исходного материала и содержания графита, изменяют содержание магнезиального исходного материала и содержание графита, как показано в таблице 1, и графитсодержащий огнеупорный материал получают в соответствии со схемой технологического процесса на фигуре 6. Оценивают эрозионную стойкость и трещиностойкость.
Эрозионную стойкость определяют методом распределения футеровки в высокочастотной индукционной печи, как показано на фигуре 8.
Фигура 8 представляет схематические виды в поперечном разрезе, иллюстрирующие эрозионное испытание в высокочастотной индукционной печи 50. Как показано на фигуре 8, графитсодержащий огнеупорный материал 60 помещают как цилиндр на нижнюю пластину 54 высокочастотной индукционной печи 50, снабженной индукционной катушкой 52. Температура испытания оставляет 1500°C, и время выдерживания при этой температуре равно 4 часам. Расплавленный чугун 56 или синтетический шлак 58, имеющий состав, приведенный в таблице 2, выливают в высокочастотную индукционную печь 50 каждый час. После охлаждения измеряют интенсивность эрозии. Эрозионная стойкость в таблице 1 приведена как показатель эрозии, причем интенсивность эрозии для Смеси примера 1-3 принята за 100. Таким образом, показатель эрозии меньше, чем 100 означает, что интенсивность эрозии меньше, чем интенсивность для Смеси примера 1-3, и показатель эрозии больше, чем 100 означает, что интенсивность эрозии больше, чем интенсивность для Смеси примера 1-3.
Таблица 2
Состав шлака (масс.%)
CaO
SiO<sub>2</sub>
FeO
30
40
30
0
3
3
0
3
0
Для оценки трещиностойкости, определяют динамический модуль упругости E в продольном направлении образца 40 x 40 x 200 мм, используя ультразвуковой импульсный метод, описанный в промышленном стандарте Японии (JIS) R 1605. Испытание на термостойкость, которое заключается в цикле нагревания при 1500°C в течение 10 минут, охлаждения водой в течение 5 минут, и охлаждения воздухом в течение 10 минут проводят три раза. Впоследствии, снова измеряют динамический модуль упругости E. В результате испытания определяют относительное изменение динамического модуля упругости E/E, используемое для оценки трещиностойкости. Уменьшение относительного изменения динамического модуля упругости E/E означает снижение трещиностойкости.
В таблице 1 показано, что смеси Примеров 1-2 - 1-8 с содержанием графита в диапазоне от 1% до 80% по массе и содержанием исходного магнезиального материала в диапазоне от 20% до 99% по массе, обладают постоянной эрозионной стойкостью и трещиностойкостью. Напротив, Смесь примера 1-1 с содержанием графита 0,5% по массе, имеет значительно меньшую трещиностойкость, и Смесь примера 1-9 с содержанием исходного магнезиального материала 10,0% по массе, имеет значительно меньшую эрозионную стойкость. Эти результаты демонстрируют, что при использовании магнезиального исходного материала в качестве исходного огнеупорного материала, содержание графита в диапазоне от 1% до 80% по массе и содержание исходного магнезиального материала в диапазоне от 20% до 99% по массе, обеспечивает высокую эрозионную стойкость, а также высокую трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала.
В последующем, описано влияние длины пучка углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкости графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 3 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 3, когда от 990 до 12000 углеродных волокон, имеющих диаметр в диапазоне от 0,8 до 7 мкм/волокно/волокно, связаны в пучок таким образом, что пучок углеродных волокон 14 имеет плоскую торцевую поверхность, причем торцевая поверхность пучка углеродных волокон 14 имеет ширину в диапазоне от 1,0 до 20,0 мм и толщину в диапазоне от 0,001 до 10,0 мм. Продукт Torayca (зарегистрированный товарный знак) номер CK6261C, произведенный фирмой Toray Industries, Inc. разделяют на волокна и используют в качестве углеродных волокон. Пучки углеродных волокон нарезают длиной 90, 100, 200, 400, 600, 800 или 1000 мм. С целью улучшения адгезии между углеродными волокнами и адгезии между пучками углеродных волокон и магнезиально-углеродным исходным материалом, пучки углеродных волокон погружают в фенольную смолу на 1 минуту для плотного сцепления с фенольной смолой, и затем эти пучки углеродных волокон и магнезиально-углеродный исходный материал загружают в форму следующим способом.
Нижнюю часть пресс-формы для огнеупорного материала, размером 1000 мм в продольном направлении, 300 мм в поперечном направлении, и высотой 90 мм, заполняют магнезиально-углеродным исходным материалом в количестве 10% от объема пресс-формы. Пучки углеродных волокон размещают с интервалом 5 мм таким образом, чтобы угол θ2 между направлением, перпендикулярным к поверхности сжатия, и направлением вдоль длины L1 пучка углеродных волокон составлял 90 градусов. Магнезиально-углеродный исходный материал, которым заполняют пресс-форму, представляет собой магнезиально-углеродный исходный материал Смеси примера 1-5, указанной в таблице 1.
Заполнение магнезиально-углеродным исходным материалом и размещение пучков углеродных волокон проводят многократно, для того чтобы заполнить пресс-форму магнезиально-углеродным исходным материалом и пучками углеродных волокон. По окончании заполнения, проводят прессование и сушку в соответствии со схемой технологического процесса на фигуре 6, чтобы получить графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 2-1 - 2-7 и Сравнительному примеру 2-1. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов.
Прочность при изгибе графитсодержащего огнеупорного материала определяют методом испытания трехточечного изгиба в соответствии с промышленным стандартом Японии (JIS) R 2213. Размер испытуемого образца составляет 40 x 40 x 140 мм, межцентровое расстояние равно 100 мм, и скорость нагрузки равна 0,5 мм/мин.
Фигура 9 представляет кривую нагрузка-сдвиг, полученную методом испытания трехточечного изгиба. Энергию разрушения можно рассчитать из кривой нагрузка-сдвиг, полученной методом испытания трехточечного изгиба. Перемещение значения первого пика на кривой нагрузка-сдвиг принято за стандартное положение, и рассчитанная площадь между стандартным положением и перемещением на 1 мм от стандартного положения считается энергией разрушения.
Как показано в таблице 3, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 2-1 - 2-7, содержащие пучки углеродных волокон длиной 100 мм или больше, обладают очень высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Сравнительному примеру 2-1, содержащий пучок углеродных волокон длиной меньше 100 мм, имеет прочность при изгибе и энергию разрушения меньше, чем графитсодержащие огнеупорные материалы по Примерам 2-1 - 2-7. Вероятно, это связано с тем, что графитсодержащий огнеупорный материал по Сравнительному примеру 2-1 содержит пучки коротких углеродных волокон и поэтому не проявляется эффект подавления пучком углеродных волокон развития трещины в огнеупорном материале. Эти результаты демонстрируют, что длина углеродных волокон, составляющая 100 мм или больше, позволяет увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние диаметра углеродных волокон и числа пучков углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 4 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 4, графитсодержащие огнеупорные материалы, соответствующие Примерам 3-1 - 3-5 и Сравнительным примерам 3-1 и 3-2, представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещены пучки углеродных волокон, причем каждый состоит из 900, 1000, 10000, 12000, 30000, 60000, 300000 или 400000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром волокон 1, 7, 23, 45, или 50 мкм/волокно. Компоненты исходных материалов этих графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смесях примеров 1-5, и размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 3-1 - 3-5 и Сравнительным примерам 3-1 и 3-2.
Как показано в таблице 4, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 3-1 - 3-5 и Примеру 2-5, содержащие пучки углеродных волокон, причем каждый состоит из 1000 - 300000 углеродных волокон, имеющих диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Сравнительному примеру 3-1, содержащий пучки углеродных волокон, причем каждый состоит из менее, чем 1000 углеродных волокон, имеющих диаметр меньше, чем 1 мкм/волокно, обладают меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 2-5 и Примерам 3-1 - 3-5. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Сравнительному примеру 3-2, содержащий пучки углеродных волокон, причем каждый состоит из более, чем 300000, более конкретно 400000, углеродных волокон, имеющих диаметр больше, чем 45 мкм/волокно, более конкретно 50 мкм/волокно, подвергается расслоению в процессе прессования, которое затруднено из-за того, что пучки углеродных волокон выдаются из боковой поверхности огнеупорного материала. Вероятно, это связано с тем, что пучки углеродных волокон являются слишком толстыми, чтобы сплетаться c магнезиально-углеродным исходным материалом и вызывают обратный отскок при сжатии материал. Эти результаты показывают, что пучки углеродных волокон, каждый из которых состоит из 1000 - 300000 углеродных волокон, имеющих диаметр в диапазоне от 1 до 45 мкм/волокно, могут быть использованы для увеличения прочности при изгибе и энергии разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние присутствия или отсутствия адгезии в пучках углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 5 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 5, графитсодержащие огнеупорные материал согласно Примерам 4-1 - 4-11 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещены пучки углеродных волокон, причем каждый пучок состоит из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно/волокно, связанных вместе с использованием фенольной смолы, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, битума, гудрона или крахмальной пасты, в качестве связывающего вещества, или каждый пучок углеродных волокон состоит из углеродных волокон, не связанных вместе. Компоненты исходных материалов указанных графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смеси Примера 1-5, размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 4-1 - 4-11.
Как показано в таблице 5, графитсодержащие огнеупорные материал согласно Примерам 2-5 и 4-1 - 4-5, содержащие пучки углеродных волокон, соединенные с помощью фенольной смолы, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, битума, гудрона или крахмальной пасты, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 4-6 - 4-10, содержащие пучки углеродных волокон, соединенные с помощью фенольной смолы и золя оксида алюминия, фенольной смолы и золя оксида алюминия, фенольной смолы и золя диоксида кремния, фенольной смолы и битума, фенольной смолы и гудрона, или фенольной смолы и крахмальной пасты, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения.
Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 4-11, содержащий пучки углеродных волокон без связывания, обладал пониженной прочностью при изгибе и энергией разрушения по сравнению с графитсодержащим огнеупорным материалом согласно Примеру 2-5 и Примерам 4-1 - 4-10. Вероятно, это связано с тем, что каждый связанный пучок углеродных волокон улучшает адгезию между углеродными волокнами и адгезию между пучками углеродных волокон и магнезиально-углеродным исходным материалом. Эти результаты показывают, что углеродные волокна предпочтительно связываются вместе путем использования по меньшей мере одного связывающего вещества, выбранного из фенольной смолы, золя оксида алюминия, золя диоксида кремния, битума, гудрона и крахмальной пасты, с образованием пучка углеродных волокон, для того чтобы повысить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала. Предполагается, что такой же эффект может быть достигнут с использованием эпоксидной смолы, меламиновой смолы, мочевиновой смолы, алкидной смолы, ненасыщенной полиэфирной смолы, полиуретана, термореактивного полиимида, золя диоксида циркония, золя оксида хрома, золя диоксида титана, золя оксида магния, золя оксида кальция, или золя оксида иттрия, которые подобны указанным выше связывающим веществам.
Следующий текст описывает влияние угла наклона пучков углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 6 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Таблица 6
Единицы
Пример 5-1
Пример 2-5
Пример 5-2
Пример 5-3
Углеродные волокна
Форма волокон
Длина
мм
600
Диаметр волокон
мкм/волокно
7
Число пучков волокон
волокна
12000
Предварительная обработка
Связывание фенольной смолой
Выполнено
Способ загрузки
Количество первой загрузки огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
10
Количество второй и последующих загрузок огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
15
Угол размещения пучка углеродных волокон (θ2)
градус
45
90
135
0
Интервалы между пучками углеродных волокон
мм
5
Многократность загрузки исходного материала и размещения пучков углеродных волокон
Да
Момент времени размещения пучков углеродных волокон
После замешивания исходных материалов
Прочностью при изгибе
МПа
18,0
19,0
18,1
12,2
Энергия разрушения
кДж/м<sup>2</sup>
20
22
21
11
Эрозионная стойкость
-
101
101
101
101
Трещиностойкость
E<sub>3</sub>/E<sub>0</sub>
0,51
0,53
0,52
0,46
Как показано в таблице 6, графитсодержащие огнеупорные материал согласно Примерам 5-1 - 5-3 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых каждый пучок углеродных волокон, состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно/волокно, размещены под углом θ2 равным 0, 45, 90, или 135 градусов, относительно поперечного направления огнеупорных материалов. Компоненты исходных материалов этих графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смеси Примера 1-5, размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3.
Графитсодержащий огнеупорный материал, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 90 градусов относительно поперечного направления огнеупорного материала, соответствует графитсодержащему огнеупорному материалу, показанному на фигуре 1. Графитсодержащий огнеупорный материал, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 45 градусов, соответствует графитсодержащему огнеупорному материалу, показанному на фигуре 4. Графитсодержащий огнеупорн материал, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 135 градусов, соответствует графитсодержащему огнеупорному материалу, показанному на фигуре 5. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 5-1 - 5-3.
Как показано в таблице 6, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 2-5, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 90 градусов относительно поперечного направления, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 5-1, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 45 градусов относительно поперечного направления, и графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 5-2, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 135 градусов относительно поперечного направления, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 5-3, в котором пучки углеродных волокон размещены под углом θ2 0 градусов относительно поперечного направления, обладают меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 2-5 и Примерам 5-1 и 5-2. Эти результаты показывают, что пучки углеродных волокон предпочтительно размещаются под углом θ2 в диапазоне от 45 до 135 градусов относительно поперечного направления графитсодержащего огнеупорного материала, для того чтобы повысить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние интервалов между пучками углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 7 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Таблица 7
Единицы
Пример 6-1
Пример 6-2
Пример 6-3
Пример 6-4
Углеродные волокна
Форма волокон
Длина
мм
600
Диаметр волокон
мкм/волокно
7
Число пучков волокон
волокна
12000
Предварительная обработка
Связывание фенольной смолой
Выполнено
Способ загрузки
Количество первой загрузки огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
10
Количество второй и последующих загрузок огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
15
Угол размещения пучка углеродных волокон (θ2)
градус
90
Интервалы между пучками углеродных волокон
мм
3
30
100
1
Многократность загрузки исходного материала и размещения пучков углеродных волокон
Да
Момент времени размещения пучков углеродных волокон
После замешивания исходных материалов
Прочностью при изгибе
МПа
19,5
18,1
18,0
10,8
Энергия разрушения
кДж/м<sup>2</sup>
23
21
20
10
Эрозионная стойкость
-
101
101
101
107
Трещиностойкость
E<sub>3</sub>/E<sub>0</sub>
0,57
0,53
0,51
0,43
Как показано в таблице 7, графитсодержащие огнеупорные материал согласно Примерам 6-1 - 6-4 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых каждый пучок углеродных волокон, состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно/волокно, размещен с интервалом в 1, 3, 30, или 100 мм. Компоненты исходных материалов этих графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смеси Примера 1-5, размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергия разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 6-1 - 6-4.
Как показано в таблице 7, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 6-1 и 6-2, в которых пучки углеродных волокон размещены с интервалами в 3 или 30 мм, обладают немного более высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 6-3, в котором пучки углеродных волокон размещены с интервалом по 100 мм. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 6-4, в котором пучки углеродных волокон размещены с интервалом в 1 мм имеет тенденцию к расслоению в процессе прессования из-за чрезмерно узких интервалов между пучками углеродных волокон. Таким образом, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 6-4 обладает пониженной прочностью при изгибе и энергией разрушения, а также пониженной эрозионной стойкостью и сопротивлением растрескиванию. Прочность при изгибе и энергия разрушения в случае, когда интервалы между пучками углеродных волокон составляют 100 мм, являются немного более низкими, но почти такими же показателями в случае, когда интервалы между пучками углеродных волокон находятся в диапазоне от 3 до 30 мм. Эти результаты показывают, что интервалы между пучками углеродных волокон предпочтительно находятся в диапазоне от 3 до 100 мм, более предпочтительно от 3 до 30 мм, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние интервалов между пучками углеродных волокон в направлении сжатия на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 8 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Таблица 8
Единицы
Пример 2-5
Пример 7-1
Углеродные волокна
Форма волокон
Длина
мм
600
Диаметр волокон
мкм/волокно
7
Число пучков волокон
волокна
12000
Предварительная обработка
Связывание фенольной смолой
Выполнено
Способ загрузки
Количество первой загрузки огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
10
Количество второй и последующих загрузок огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
15
Угол размещения пучка углеродных волокон (θ2)
градус
90
Интервалы между пучками углеродных волокон
мм
5
Многократность загрузки исходного материала и размещения пучков углеродных волокон
Да
Нет
Момент времени размещения пучков углеродных волокон
После замешивания исходных материалов
Прочность при изгибе
МПа
19,0
12,9
Энергия разрушения
кДж/м<sup>2</sup>
22
12
Эрозионная стойкость
-
101
102
Трещиностойкость
E<sub>3</sub>/E<sub>0</sub>
0,53
0,47
Как показано в таблице 8, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 7-1 является графитсодержащим огнеупорным материалом, в котором каждый пучок углеродных волокон, состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно/волокно, размещен в единственном слое, вместо заполнения с магнезиально-углеродным исходным материалом, причем размещение пучков углеродных волокон осуществляется многократно. Компоненты исходных материалов указанного графитсодержащего огнеупорного материалы являются такими же, как в смеси Примера 1-5, и размер графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала.
Как показано в таблице 8, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 2-5, в котором пучки углеродных волокон разделены на слои, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 7-1, в котором пучки углеродных волокон размещены в единственном слое, обладает пониженной прочностью при изгибе и энергией разрушения. Эти результаты показывают, что пучки углеродных волокон предпочтительно разделяются слоями путем проведения многократного заполнения магнезиально-углеродным исходным материалом, с последующим размещением пучка углеродных волокон, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние момента времени размещения пучков углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 9 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Таблица 9
Единицы
Пример 8-1
Пример 8-2
Углеродные волокна
Форма волокон
Длина
мм
1200
Диаметр волокон
мкм/волокно
7
Число пучков волокон
волокон
24000
Предварительная обработка
Связывание фенольной смолой
Выполнено
Способ загрузки
Количество первой загрузки огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
10
Количество второй и последующих загрузок огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
15
Угол размещения пучка углеродных волокон (θ2)
градус
90
90
Интервалы между пучками углеродных волокон
мм
5
Многократность загрузки исходного материала и размещения пучков углеродных волокон
Да
Момент времени размещения пучков углеродных волокон
После замешивания исходных материалов
До замешивания исходных материалов
Прочность при изгибе
МПа
24,7
14,8
Энергия разрушения
кДж/м<sup>2</sup>
48
29
Эрозионная стойкость
-
101
101
Трещиностойкость
E<sub>3</sub>/E<sub>0</sub>
0,70
0,50
Как показано в таблице 9, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 8-1 является графитсодержащим огнеупорным материалом, полученным путем размещения пучков углеродных волокон, каждый из которых состоит из 24000 углеродных волокон длиной 1200 мм и диаметром 7 мкм/волокно/волокно, на магнезиально-углеродный исходный материал после замешивания. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 8-2 представляет собой графитсодержащий огнеупорный материал, полученный путем размещения таких же пучков углеродных волокон на магнезиально-углеродный исходный материал до замешивания и с последующим замешиванием магнезиально-углеродного исходного материала. Компоненты исходных материалов этих графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смеси Примера 1-5, и размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 8-1 и 8-2.
Как показано в таблице 9, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 8-1, в котором пучки углеродных волокон размещены на магнезиально-углеродном исходном материале после замешивания обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 8-2, в котором пучки углеродных волокон смешивают до замешивания с последующим замешиванием, обладают меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 8-1. Вероятно, это связано с тем, что замешивание после размещения пучков углеродных волокон приводит к разрезанию пучков углеродных волокон лопатками крыльчатки месильной машины в ходе замешивания, и уменьшение длины волокон приводит к снижению эффекта подавления развития трещины пучком углеродных волокон. Эти результаты показывают, что пучки углеродных волокон желательно размещать на исходном огнеупорном материале после замешивания исходного огнеупорного материала и до стадии прессования, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние угла пучка углеродных волокон, относительно поперечного направления, на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала, полученного методом CIP прессования. В таблице 10 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Таблица 10
Едини-цы
Пример 9-1
Пример 9-2
Пример 9-3
Пример 9-4
Углеродные волокна
Форма волокон
Длина
мм
800
Диаметр волокон
мкм/волокно
7
Число пучков волокон
волокна
24000
Предварительная обработка
Связывание фенольной смолой
Выполнено
Способ загрузки
Количество первой загрузки огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
10
Количество второй и последующих загрузок огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
15
Угол размещения пучка углеродных волокон (θ3)
градус
45
90
135
5
Интервалы между пучками углеродных волокон
мм
5
Многократность загрузки исходного материала и размещения пучков углеродных волокон
Да
Момент времени размещения пучков углеродных волокон
После замешивания исходных материалов
Прочностью при изгибе
МПа
23,0
23,8
23,1
16,7
Энергия разрушения
кДж/м<sup>2</sup>
43
45
44
27
Эрозионная стойкость
-
101
101
101
101
Трещиностойкость
E<sub>3</sub>/E<sub>0</sub>
0,65
0,67
0,66
0,58
Фигура 10 представляет схематические виды в поперечном разрезе, иллюстрирующие изменения угла наклона пучков углеродных волокон в Примерах от 9-1 до 9-3. Как показано в таблице 10 и на фигурах 10(a), (b), и (c), пучки углеродных волокон, каждый из которых состоит из 2400 углеродных волокон длиной 800 мм и диаметром 7 мкм/волокно/волокно, и которые связаны таким же способом, как описано в таблице 3, размещены между верхней несущей пластиной 34 и нижней несущей пластиной 35 в несущем элементе 30 таким образом, что угол θ3 между направлением длины каждого пучка углеродных волокон и поперечным направлением каждого графитсодержащего огнеупорного материала составляет 45 градусов (фигура 10(b)), 90 градусов (фигура 10(a)), 135 градусов (фигура 10(c)), или 5 градусов и интервалы между пучками равны 5 мм. Несущий элемент 30, в котором размещены пучки углеродных волокон 14, устанавливают в резервуаре сжатия 36. Пространство, образовавшееся между несущим элементом 30 и резервуаром сжатия 36, заполняется магнезиально-углеродным исходным материалом 12. Затем отверстие закрывается, герметично уплотняя резервуар сжатия 36.
Фигура 11 представляет схематический вид в поперечном разрезе состояния сжатия в устройстве CIP. Как показано на фигуре 11, герметично уплотненный резервуар сжатия 36 помещают в устройство CIP 38, заполненное средой сжатия 40, и сжимают через среду сжатия 40. После воздействия давления в течение заданного времени, спрессованный продукт удаляют из резервуара сжатия 36, получая графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примерам 9-1 - 9-4. Компоненты исходных материалов этих графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смеси Примера 1-5, и размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 9-1 - 9-4.
Как показано в таблице 10, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 9-1 - 9-3, в которых угол θ3 составляет 45, 90 или 135 градусов относительно поперечного направления каждого графитсодержащего огнеупорного материала, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения против напряжения в поперечном направлении. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 9-4, в котором угол θ3 составляет 5 градусов относительно поперечного направления графитсодержащего огнеупорного материала, обладает меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения против напряжения в поперечном направлении, чем графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примерам 9-1 - 9-3. Эти результаты показывают, что, как и в случае графитсодержащего огнеупорного материала, сжимаемого методом CIP прессования, пучки углеродных волокон желательно размещать под углом θ3 в диапазоне от 45 до 135 градусов относительно поперечного направления графитсодержащего огнеупорного материала, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние угла относительно продольного направления каждого пучка углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов, полученных методом CIP прессования, где направление, в котором размещены пучки углеродных волокон в графитсодержащих огнеупорных материалах, как показано на фигуре 10, изменяется относительно продольного направления каждого графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 11 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Таблица 11
Единицы
Пример 10-1
Пример 10-2
Пример 10-3
Пример 10-4
Углеродные волокна
Форма волокон
Длина
мм
1200
Диаметр волокон
мкм/волокно
7
Число пучков волокон
волокна
24000
Предварительная обработка
Связывание фенольной смолой
Выполнено
Способ загрузки
Количество первой загрузки огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
10
Количество второй и последующих загрузок огнеупорного исходного материала относительно объема пресс-формы
Об.%
15
Угол размещения пучка углеродных волокон (θ4)
градус
45
90
135
5
Интервалы между пучками углеродных волокон
мм
5
Многократность загрузки исходного материала и размещения пучков углеродных волокон
Да
Момент времени размещенияпучков углеродных волокон
После замешивания исходных материалов
Прочность при изгибе
МПа
24,1
24,7
24,2
17,3
Энергия разрушения
кДж/м<sup>2</sup>
47
48
46
29
Эрозионная стойкость
-
101
101
101
101
Трещиностойкость
E<sub>3</sub>/E<sub>0</sub>
0,68
0,70
0,69
0,61
Фигура 12 представляет схематические виды в поперечном разрезе, иллюстрирующие изменения угла наклона пучков углеродных волокон в Примерах от 10-1 до 10-3. С использованием резервуара сжатия длиной 1500 мм в продольном направлении, 150 мм в поперечном направлении, и высотой 150 мм, как показано в таблице 11 и фигурах 12(a), (b), и (c), каждый пучок углеродных волокон, состоящий из 24000 углеродных волокон длиной 1200 мм и диаметром 7 мкм/волокно, и связанный таким же способом, как описано в таблице 3, размещается между верхней несущей пластиной 34 и нижней несущей пластиной 35, таким образом, что угол θ4 между направлением длины каждого пучка углеродных волокон и продольным направлением каждого графитсодержащего огнеупорного материала составляет 45 градусов (фигура 12(b)), 90 градусов (фигура 12(a)), 135 градусов (фигура 12(c)), или 5 градусов, и интервалы между пучками равны 5 мм. Несущий элемент 30, в котором пучки углеродных волокон 14 размещены таким образом, разворачивают на 90 градусов и устанавливают в резервуаре сжатия 36. Пространство, образовавшееся между несущим элементом 30 и резервуаром сжатия 36, заполняется магнезиально-углеродным исходным материалом 12. Затем отверстие закрывается, герметично уплотняя резервуар сжатия 36.
Фигура 13 представляет схематический вид в поперечном разрезе состояния сжатия в устройстве CIP. Как показано на фигуре 13, герметично уплотненный резервуар сжатия 36 помещают в устройство CIP 38, заполненное средой сжатия 40, и сжимают через среду сжатия 40. После воздействия давления в течение заданного времени, спрессованный продукт удаляют из резервуара сжатия 36, получая графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примерам 10-1 - 10-4. Компоненты исходных материалов этих графитсодержащих огнеупорных материалов являются такими же, как компоненты в смеси Примера 1-5, и размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 10-1 - 10-4.
Как показано в таблице 11, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 10-1 - 10-3, в которых угол θ4 составляет 45, 90 или 135 градусов относительно продольного направления каждого графитсодержащего огнеупорного материала, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения против напряжения в продольном направлении. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 10-4, в котором угол θ4 составляет 5 градусов относительно продольного направления графитсодержащего огнеупорного материала, обладает меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения против напряжения в продольном направлении, чем графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примерам 10-1 - 10-3. Эти результаты показывают, что пучки углеродных волокон желательно размещать под углом θ4 в диапазоне от 45 до 135 градусов относительно продольного направления графитсодержащего огнеупорного материала, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние количества глиноземного исходного материала, карбидокремниевого исходного материала и кремнеземного исходного материала, для использования в огнеупорной футеровке для резервуара предварительной обработки расплавленного чугуна, на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 12 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 12, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 11-1 - 11-11 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещен каждый пучок углеродных волокон, состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно, где изменяются количества глиноземного исходного материала, карбидокремниевого исходного материала, кремнеземного исходного материала и графита в исходном графитсодержащем огнеупорном материале. Размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 11-1 - 11-11.
Как показано в таблице 12, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам от 11-3 до 11-5 и Примерам от 11-7 до 11-10, в которых глиноземный исходный материал составляет от 10% до 95% по массе, кремнеземный исходный материал составляет от 1% до 50% по массе, и карбидокремниевый исходный материал составляет 1% или больше по массе, обладают высокой энергией разрушения и имеют высокую трещиностойкость, а также высокую эрозионную стойкость. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 11-1, в котором глиноземный исходный материал составляет 9,0% по массе и кремнеземный исходный материал составляет 0,6% по массе, обладают пониженной прочностью при изгибе и эрозионной стойкостью. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 11-2, в котором кремнеземный исходный материал составляет 0,6% по массе, имеет пониженную эрозионную стойкость. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 11-6, в котором кремнеземный исходный материал составляет 55,0% по массе, также имеет пониженную эрозионную стойкость. Кроме того, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру11-11, в котором глиноземный исходный материал составляет 99,0% по массе, обладает пониженной прочностью при изгибе и энергией разрушения. Эти результаты показывают, что при использовании глиноземного исходного материала, карбидокремниевого исходного материала, кремнеземного исходного материала и графита в исходном графитсодержащем огнеупорном материале, предпочтительно глиноземный исходный материал составляет от 10% до 95% по массе, карбидокремниевый исходный материал предпочтительно составляет 1% или больше по массе, и кремнеземный исходный материал предпочтительно составляет от 1% до 50% по массе, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние количества отходов огнеупорных материалов, полученных путем измельчения использованных отходов алюмооксидно-кремниевого огнеупорного материала с карбидным углеродом, для применения в огнеупорной футеровке для резервуара предварительной обработки расплавленного чугуна на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 13 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 13, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 12-1 - 12-4 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещены пучки углеродных волокон, каждый состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно, при этом изменяются количества отходов огнеупорных материалов, глиноземного исходного материала, карбидокремниевого исходного материала, кремнеземного исходного материала, и графита в исходном графитсодержащем огнеупорном материале. Размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 12-1 - 12-4.
В таблице 13 показано, что графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примерам 12-1 - 12-3, в котором отходы огнеупорных материалов составляют от 10% до 90% по массе, имеет почти такую же трещиностойкость и эрозионную стойкость, как графитсодержащий огнеупорный материал, полученный только из неиспользованных исходных материалов. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 12-4, в котором отходы огнеупорных материалов составляют 95,0% по массе, имеет пониженную эрозионную стойкость. Эти результаты показывают, что при использовании отходов огнеупорных материалов, полученных путем измельчения отходов алюмооксидно-кремниевых огнеупорных материалов с карбидным углеродом, в исходном графитсодержащем огнеупорном материале, отходы огнеупорных материалов предпочтительно составляют от 10% до 90% по массе, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние количеств глиноземного исходного материала и карбидокремниевого исходного материала в глиноземно-углеродном графитсодержащем огнеупорном материале на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 14 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 14, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 13-1 - 13-6 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещены пучки углеродных волокон, каждый состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно, причем изменяются количества глиноземного исходного материала, карбидокремниевого исходного материала и графита в исходном графитсодержащем огнеупорном материале. Размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 13-1 - 13-6.
В таблице 14 показано, что графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам от 13-2 до 13-5, в которых глиноземный исходный материал составляет от 10% до 95% по массе, сохраняют высокую прочность при изгибе и энергию разрушения и обладают высокой трещиностойкостью, а также высокой эрозионной стойкостью. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 13-1, в котором глиноземный исходный материал составляет 6,0% по массе, обладает пониженной прочностью при изгибе и энергией разрушения. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 13-6, в котором глиноземный исходный материал составляет 98% по массе, не может предотвращать расщепление, вызванное термическим растрескиванием, графитсодержащем огнеупорном материале и имеет пониженную трещиностойкость и эрозионную стойкость. Эти результаты показывают, что при использовании графитсодержащего огнеупорного материала глиноземно-углеродной системы, предпочтительно глиноземный исходный материал составляет от 10% до 95% по массе, и карбидокремниевый исходный материал предпочтительно составляет 1% или больше по массе, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние количеств кремнеземного исходного материала и карбидокремниевого исходного материал в графитсодержащем огнеупорном материале кремнеземно-углеродной системы на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала. В таблице 15 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 15, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 14-1 - 14-4 и сравнительному Примеру 14-1 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещены пучки углеродных волокон, каждый состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно, причем изменяются количества кремнеземного исходного материала, карбидокремниевого исходного материала и графита в исходном графитсодержащем огнеупорном материале. Размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 14-1 - 14-4 и сравнительному Примеру 14-1.
В таблице 15 показано, что графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 14-2 и 14-3, в которых кремнеземный исходный материал составляет от 1% до 50% по массе, сохраняют высокую прочность при изгибе и энергию разрушения и имеют высокую трещиностойкость и высокую эрозионную стойкость. Напротив, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 14-1, в котором кремнеземный исходный материал составляет меньше 1% по массе, имеет значительно меньшую эрозионную стойкость из-за малого количества кремнеземного исходного материала и большого количества графит, доходящего до 99.0% по массе. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 14-4, в котором кремнеземный исходный материал составляет 98.0% по массе, не может предотвращать расщепление, вызванное термическим растрескиванием, и обладает пониженной трещиностойкостью и энергией разрушения. Эти результаты показывают, что при использовании графитсодержащего огнеупорного материала кремнеземно-углеродной системы, предпочтительно кремнеземный исходный материал составляет от 1% до 50% по массе, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Следующий текст описывает влияние коротких углеродных волокон на прочность при изгибе, сопротивление разрыву, эрозионную стойкость и трещиностойкость графитсодержащего огнеупорного материала, содержащего короткие углеродные волокна. В таблице 16 приведены условия производства и результаты оценки испытанных графитсодержащих огнеупорных материалов.
Как показано в таблице 16, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-9 представляют собой графитсодержащие огнеупорные материалы, в которых размещены пучки углеродных волокон, каждый состоящий из 12000 углеродных волокон длиной 600 мм и диаметром 7 мкм/волокно, где используются исходные графитсодержащие огнеупорные материалы, содержащие различное количество коротких углеродных волокон, имеющих различный диаметр и длину волокон. Размер каждого графитсодержащего огнеупорного материала является таким же, как в Примере 2-1, и способ получения является таким же, как способ, описанный в таблице 3. Определяют прочность при изгибе, энергию разрушения, эрозионную стойкость, и трещиностойкость графитсодержащих огнеупорных материалов согласно Примерам 15-1 - 15-9.
Как показано в таблице 16, графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-4, в которых короткие углеродные волокна, имеющие диаметр в диапазоне от 1 до 25 мкм/волокно, длину волокон в диапазоне от 2 до 1000 мкм, и отношение длины волокна к диаметру волокна в диапазоне от 2 до 40, составляют от 0,10% до 10% по массе в расчете на 100% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала, обладают высокой прочностью при изгибе и энергией разрушения. Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-5, содержащий короткие углеродные волокна, имеющие диаметр больше, чем 45 мкм/волокно, более конкретно 50 мкм/волокно, подвергается расслоению в процессе прессования из-за большого диаметра коротких углеродных волокон. Таким образом, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-5 обладает меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-4.
Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-6, содержащий короткие углеродные волокна длиной больше, чем 1000 мкм (1 мм), более конкретно 2000 мкм (2 мм), подвергается расслоению в процессе прессования из-за плохого сплетения между углеродными волокнами и исходным огнеупорным материалом. Таким образом, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-6 обладает меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-4.
Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-7 содержащий короткие углеродные волокна с отношением длины волокон к диаметру волокон меньше, чем 2, более конкретно 1, обладают меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-4 из-за плохого сплетения между углеродными волокнами и исходным огнеупорным материалом.
Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-8, в котором короткие углеродные волокна составляют меньше 0,10% по массе, более конкретно 0,05% по массе, не обладает эффектом подавления пучком углеродных волокон развития трещины в огнеупорном материале из-за чрезмерно малого количества углеродных волокон. Таким образом, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-8 обладает меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-4.
Графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-9, в котором короткие углеродные волокна составляют больше, чем 10% по массе, более конкретно 15% по массе, подвергается расслоению в процессе прессования из-за отсутствия сплетения между углеродными волокнами и исходным огнеупорным материалом. Таким образом, графитсодержащий огнеупорный материал согласно Примеру 15-9 обладает меньшей прочностью при изгибе и энергией разрушения, чем графитсодержащие огнеупорные материалы согласно Примерам 15-1 - 15-4.
Эти результаты показывают, что короткие углеродные волокна, имеющие диаметр в диапазоне от 1 до 25 мкм/волокно, длину волокон в диапазоне от 2 до 1000 мкм, и отношение длины волокна к диаметру волокна в диапазоне от 2 до 40 предпочтительно составляют 0,10% до 10% по массе в расчете на 100% по массе исходного графитсодержащего огнеупорного материала, для того чтобы увеличить прочность при изгибе и энергию разрушения графитсодержащего огнеупорного материала.
Перечень ссылочных позиций
10 магнезиально-углеродный огнеупорный материал
12 магнезиально-углеродный исходный материал
14 пучок углеродных волокон
16 поверхность сжатия
18 пунктирная линия
20 стрелка
30 несущий элемент
32 металлический стержень
34 верхняя несущая пластина
35 нижняя несущая пластина
36 резервуар сжатия
38 устройство CIP
40 среда сжатия
50 высокочастотная индукционная печь
52 индукционная катушка
54 нижняя пластина
56 расплавленный чугун
58 синтетический шлак
60 графитсодержащий огнеупорный материал.