СОВРЕМЕННАЯ
КОНЦЕПЦИЯ РАЗВИТИЯ ОГНЕУПОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Кажикенова
С.Ш., Кажикенов Д.Ш.
Современная концепция развития огнеупорной
промышленности заключается в переходе на производство ресурсосберегающих
огнеупоров нового поколения, изготовленных по СВС-технологии и отличающихся
повышенной экологической безопасностью и износоустойчивостью, а также
обеспечивающих повышение качества конечной продукции. Целесообразность создания
огнеупоров нового поколения обусловлена возрастающими требованиями потребителей,
а также необходимостью улучшения условий службы огнеупоров и снижения
энергетических затрат при их изготовлении. Разработка технологии изготовления
огнеупоров на основе СВС - технологии решает эту задачу.
Огнеупорные изделия (как формованные, так и неформованные),
изготовленные методом СВС, превосходят по качеству изделия печного синтеза вследствие
воздействия высокой температуры, полноты реакций и интенсивной самоочистки в
процессе горения. Этим методом получают различные порошки, пасты, мертели,
нагреватели с высокой термостойкостью, прокатные валики, торкрет-массы и
огнеупоры. При этом процесс наиболее целесообразен при использовании
экзотермических связок. Наиболее доступными металлами для экзотермических
магнезиальных смесей являются алюминий, магний, кремний, титан, поскольку они
обладают высокой теплотворной способностью. Разрабатываемая авторами
СВС-технология производства огнеупоров, по сравнению с традиционными методами,
имеет следующие преимущества:
- существенное сокращение температуры обжига изделий;
- резкое сокращение затрат времени на производство изделий;
- высококачественное формирование структуры и состава
изделий вследствие высокой температуры самих металлотермических процессов (до
2400°С). При этой температуре резко ускоряется синтез соединений, существенно повышается
качество огнеупорных изделий вследствие формирования связующей части изделий
при высокой температуре;
- технология является экологически чистой;
- организация производства огнеупоров по предлагаемой
технологии не требует значительных капитальных затрат и может быть организована
на существующем оборудовании любого огнеупорного завода.
В основу СВС-технологии
огнеупоров положены твердофазные окислительно-восстановительные реакции в
режиме горения между восстановителями-металлами (алюминий, магний) и
окислителями-оксидами, солями кислородсодержащих кислот, смешанными оксидами.
Горение в системе осуществляется в режиме СВС. Принципиально положительным качеством получаемых по данной технологии
огнеупорных материалов является то, что тело огнеупора синтезируется в
результате окислительно-восстановительных реакций горения алюминия как с
окислителями, так и со связующим. После сгорания шихты связующего уже нет,
огнеупор имеет стабильные свойства при температурах и условиях эксплуатации.
Экзотермические реакции можно представить в виде следующих схем:
;
;
;
;
Алюминий является восстановителем, хромит -
окислителем и одновременно наполнителем, сульфат магния - связующим и
окислителем. В свою очередь активные оксиды , бентонита, вступая во
взаимодействие с , способствуют образованию кристаллических фаз форстерита и
магнезиально-глиноземистой шпинели. Это стабилизирует прочность огнеупора во
всем интервале температур, приводит к хорошему спеканию и получению ровного
плотного изделия без трещин. Влияние бентонита как пластификатора проявляется и
в способности увеличивать подвижность частиц хромитового концентрата и шамота,
создавая условия для плотной их упаковки, что снижает пористость изделий.
Выбранное оптимальное содержание бентонита в смеси обуславливает необходимое
максимальное количество форстеритовой связки между частицами наполнителя, что
также улучшает прочностные и огнеупорные свойства материала. Фактический состав
продуктов сгорания, по данным рентгенофазового анализа, более сложен, так как
элементные фазы образуют шпинелиды, твердые растворы и даже интерметаллиды.
Процесс осложняется неравновесностью стадий. С термодинамической точки зрения, первые
три реакции являются главными. Температура горения в зависимости от соотношения
компонентов колеблется в пределах от 1200 до 1900°С. При нагревании
сформованной шихты до температуры 950°С масса самовоспламеняется и сгорает с
линейной скоростью порядка 1 мм/с. Синтезированный в результате горения
огнеупорный материал имеет предел прочности на сжатие до 40 МПа, пористость от
10 до 27%, кажущуюся плотность от 2,7 до 3,2 г/см3, огнеупорность 1850°С. Ввиду экзотермичности реакций,
процесс спекания огнеупорной смеси протекает очень активно. В результате
получаются продукты реакции в расплавленном состоянии. Поэтому введение
наполнителей - хромитового концентрата и шамота позволяет разбавить продукты
реакции и снизить температуру до параметров необходимых для самоспекания.
Исследование проводили с целью изучения кинетики спекания
и определения оптимальных составов композиций. Анализ проведенных поисковых
исследований по изучению гранулометрического состава наполнителя, природы
связующих, кинетики процесса, а также тепловых, физико-химических и
физико-механических свойств композиций позволил определить оптимальные составы
композиций с целью их дальнейшего использования в производственных условиях.
Приведенное в таблице 1 соотношение компонентов в огнеупорном составе
продиктовано достижением технического результата и определено экспериментально.
Таблица 1 - Оптимальные составы шихт для синтеза огнеупорных изделий по СВС
Наименование компонентов и показатели шихты |
Содержание компонентов в шихте различного состава, % |
||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
7 |
6 |
7 |
6 |
7 |
|
7 |
8 |
7 |
9 |
9 |
|
16 |
18 |
16 |
18 |
17 |
|
9 |
7 |
10 |
7 |
8 |
Хромитoвый концентрат |
30 |
32 |
27 |
25 |
32 |
Бентонит |
15 |
16 |
16 |
15 |
17 |
Шамот |
16 |
13 |
17 |
20 |
10 |
Прочность, МПа |
40 |
38 |
37 |
35 |
35 |
Кажущаяся плотность, г/см3 |
2,9 |
2,7 |
2,7 |
2,8 |
2,7 |
В результате экспериментальных исследований
установлено, что содержание сульфата магния в составе менее 6% масс., алюминия
- менее 7 % масс., оксида железа - менее 16% масс., хромитового концентрата -
более 32% масс. не обеспечивает протекания реакции с достаточной полнотой. При
проведении идентичных экспериментов, но с увеличением в смеси содержания
сульфата магния - более 7% масс., алюминия - более 12 % масс., оксида железа -
более 18% масс., хромитового концентрата - менее 25% масс. обнаружено, что
экзотермическая смесь сгорает и огнеупорный материал получается оплавленным и
пористым. При содержании бентонита менее 15% масс. огнеупорный состав теряет
прочность, повышается пористость, а при содержании более 17% масс. отсутствуют
условия для полной упаковки частиц, что влечет понижение плотности огнеупора.
В связи с вышеизложенным самостоятельный интерес
представляет исследование механизмов горения СВС-шихты, приводящих в конечном
итоге к сочетанию необходимых свойств огнеупорного материала в экстремальных условиях.
Ввиду этого одной из важных задач является разработка мертеля и защитного
покрытия на основе СВС-технологии для футеровки сталеплавильных агрегатов,
которые позволили бы продлевать сроки службы огнеупоров эксплуатируемых в
агрессивных средах, в расплаве металла и шлака.