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.