Жакупова А.Н., Евсеева Е.Ю.

Инновационный Евразийский Университет, Павлодар, Казахстан

Определение фазового состава магнезиальносиликатных огнеупоров путем петрографического анализа

Аннотация. Рассмотрены физико-керамические свойства составов полученных магнезиальносиликатных огнеупоров, определен их фазовый состав путем петрографического анализа. В результате петрографического анализа установлено, что магнезиальносиликатные огнеупоры предложенного состава обеспечивают рациональную службу футеровки зоны спекания вращающихся печей цементной промышленности с учетом промежуточных ремонтов.

Ключевые слова: Самораспространяющийся высокотемпературный синтез, фазовый состав, петрографический анализ.

В настоящее время алюмосиликатные и магнезиальные огнеупоры завозятся в Республику Казахстан из России, Украины, Китая, Австрии и других стран по высокой цене. Для обеспечения Республики Казахстан импортозамещающей огнеупорной продукцией, необходимо создавать собственную огнеупорную промышленность, обеспечивающую внутренний и мировой рынок конкурентоспособной продукцией.

Анализируя научно-исследовательские работы ученых можно прийти к выводу, что традиционная технология получения огнеупорных материалов не обеспечивает высокого качества огнеупорных кирпичей и растворов, а характеризуется преждевременным разрушением стойкости футеровки высокотемпературных узлов металлургических агрегатов, оказывая отрицательное влияние на качество производимой продукции цветной и черной металлургии. Таким образом, проблема разработки и создания новых огнеупорных материалов способных выдерживать значительные силовые и тепловые нагрузки в условиях высоких температур, обеспечивающих максимальную стойкость футеровки металлургических агрегатов обладающих высокими эксплуатационными свойствами, является актуальной.

Развитие огнеупорной промышленности заключается в переходе на производство ресурсосберегающих огнеупоров нового поколения, изготовленных по СВС-технологии. Огнеупорные материалы, полученные по данной технологии, отличаются повышенной экологической безопасностью и износоустойчивостью. Целесообразность создания огнеупоров нового поколения обусловлена возрастающими требованиями потребителей, а также необходимостью улучшения условий службы огнеупоров и снижения энергетических затрат при их изготовлении [1]. Разработка технологии изготовления огнеупоров на основе СВС - технологии решает эту задачу.

Формованные и неформованные огнеупорные изделия, 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.

Наиболее доступными металлами для экзотермических магнезиальных смесей являются алюминий, магний, кремний, титан, поскольку они обладают высокой теплотворной способностью.

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; существенное повышение качества 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. Впервые возможность использования СВС для получения огнеупорных изделий была показана в работах А.Г.Мержанова, М.Д.Нерсесяна, И.В.Боровинской [2, 3]. Дальнейшее развитие получило в работах Г.И. Ксандопуло, М.Б. Исмаилова и сотрудников Института проблем горения [4, 5].

Отличительной особенностью СВС-процесса является то, что в нем целевым продуктом являются все продукты горения в совокупности.

Для создания износоустойчивого магнезиальносиликатного огнеупора, обеспечивающего рациональную службу футеровки тепловых агрегатов, исходные компоненты (спеченный дунит с содержанием, мас.%: MgO 48,8; Fe₂O₃ 10,2; SiO₂ 39,9; спеченный периклазовый порошок с содержанием, мас.%: MgO 92,2; CaO 2,6; SiO₂ 3,3; Fe₂O₃ 1,9; хромалюможелезистый концентрат с содержанием, мас.%: Cr₂O₃ 36,4; Al₂O₃ 19,6; Fe₂O₃ + FeO 19,1; MgO 14,2; SiO₂ 6,8; CaO 2,2) смешивали в соотношениях, указанных в таблице 1.

Таблица 1 - Составы шихт для изготовления магнезиальносиликатных огнеупоров

Компоненты	Содержание, мас.%
	Примеры выполнения
	Предлагаемый			Известный
	1	2	3	4
Спеченный дунит, фракции 3-0 мм	60	60	55	50
Хромалюможелезистый концентрат, фракции 4-0,5 мм	18	15	12	18
Спеченный периклазовый порошок, фракции менее 0,063 мм	22	25	30	-
Периклазошпинелидный клинкер, фракции менее 0,063 мм	-	-	-	28
Кварцит, фракции менее 0,063 мм	-	-	-	4

Затем их увлажняли раствором лигносульфоната в количестве 5-6 мас. %. Раствор лигносульфоната имеет плотность 1,22 г/см³. Из полученной шихты под давлением 100 Н/мм² прессовали изделия и сушили до остаточной влажности менее 1% [6].

Важнейшей и завершающей стадией производства огнеупорных изделий, при которой происходит формирование качественных характеристик и эксплуатационных свойств, является обжиг. В процессе обжига происходит синтез магнезиальнохромалюможелезистого шпинелида. Данный магнезиальногосиликатный огнеупор является более устойчивым в условиях эксплуатации, обеспечивает рациональную службу футеровки с учетом промежуточных ремонтов, обладает высокой клинкероустойчивостью и износостойкостью.

С помощью петрографического анализа был определен фазовый состав полученных магнезиальносиликатных огнеупоров. Результаты петрографического анализа образцов огнеупоров представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Фазовый состав магнезиальносиликатных огнеупоров

№ примера	Минеральные фазы, мас.%
	Форстерит	Магнезиальнохром-алюможелезистый шпинелид	Периклаз	Клиноэнстатит
1	54	26	20	-
2	54	24	22	-
3	54	21	25	-
4	58	30	10	2

Согласно данным таблицы 2 огнеупоры предлагаемого (примеры 1-3) и известного (пример 4) составов имеют значительное различие в фазовом составе огнеупоров, что определяет их клинкероустойчивость и срок службы.

Значения коэффициентов износа показывает, что предлагаемые магнезиальносиликатные огнеупоры (примеры 1-3) более устойчивы в футеровке зоны спекания, чем известный огнеупор (пример 4).

В результате петрографического анализа образцов огнеупоров после службы, установлено следующее:

- толщина рабочей контактной зоны ПХЦ огнеупоров составляла 23-26 мм;

- открытая пористость 22-28%.

Рабочая зона предложенного состава огнеупоров составляет 30-36 мм, открытая пористость 26-37% [6]. Рабочей зоной у известного огнеупора является практически вся остаточная толщина 22-43 мм с открытой пористостью до 50%.

Значительное повышение открытой пористости в рабочей зоне огнеупора по сравнению с исходной обусловлено химической коррозией силикатных фаз, вследствие взаимодействия с портландцементным клинкером. Интенсивное замещение силикатов магния силикатами кальция приводит к повышению пористости и падению прочности рабочей зоны огнеупора и тем самым является основной причиной химической коррозии.

Таким образом, сопоставление остаточных толщин участков, отремонтированных изделиями составов 1-3, и данных петрографического анализа по клинкероустойчивости позволяет констатировать, что указанные участки характеризуются относительной равностойкостью, а предлагаемый огнеупор обеспечивает рациональную службу футеровки с учетом промежуточных ремонтов, позволяет снизить стоимость ремонтов без сокращения срока эксплуатации футеровки.

Литература:

1. Рябов А.И., Примаченко В.В., Мартынснко В.В., Питак Н.В. Состояние и основные задачи по созданию современных огнеупоров для металлургической промышленности. // Металлург. и горнорудн. промышленность. 1998. №2. С69-71.

2. А.с. СССР. №1144338. Способ получения огнеупорных покрытий. / Нерсесян М.Д., Мержанов А.Г., Боровинская И.П. 1984.

3. А.с. СССР. №1187410. Способ получения огнеупорных покрытий. / Нерсесян М.Д., Мержанов А.Г., Боровинская И.П. и др. 1985.

4. А.с. СССР. №1369211.Способ получения огнеупорных изделий. / Исмаилов М.Б., Сатбаев Б.Н. и др. ДСП. 1987. С 04 В 35/02.

5. А.с. СССР. №1725543. Раствор для кладки огнеупорных изделий. / Ксандопуло Г.И., Исмаилов М.Б. и др. 1991.

6. http://www.freepatent.ru/patents/2165396