Нухулы А., Сатбаев Б.Н., Свидерский А.К., Цхай С.Г., Филосин А.И.

Павлодарский университет, г. Павлодар, Республика Казахстан

* ТОО «Бахус-Огнеупор», г. Караганда, Республика Казахстан

Современные подходы к синтезу огнеупорных материалов нового поколения на основе СВС - технологий

Общеизвестно, что научно-теоретической основой металлургических процессов является термодинамический анализ, так как с помощью законов химической термодинамики решается целый ряд производственных задач. Отсутствие научно обоснованных сведений об этих важнейших характеристиках затрудняет не только создание общих закономерностей синтеза огнеупорных материалов, но и определение физико-химического и компьютерного моделирования (прогнозирования) управляемого синтеза в широком диапазоне температур и, в особенности, при высоких температурах, что связано с потребностями развития современной науки и техники. Такое положение дел объясняется также не только сложностью самих технологических процессов, но и трудностью проведения экспериментов в условиях высоких температур.

Анализ научно-исследовательских работ ученых и исследователей-практиков из СНГ и из зарубежных стран показывает, что традиционная теория твердофазного горения не только не обеспечивает качество разработки технологий огнеупорных изделий, но и при преждевременном разрушении футеровки высокотемпературных узлов металлургических агрегатов, созданных на ее основе, отрицательно влияет на качество производимой продукции цветной и черной металлургии.

Разработка научно-теоретических основ проведения технологических процессов металлургической и других отраслей промышленности невозможно без систематических и всесторонних исследований термодинамических и термохимических закономерностей этих процессов. Зная термодинамические и термохимические закономерности, умея анализировать и рассчитывать отдельно типовые стадии процессов, можно построить оптимальную модель технологического процесса.

До настоящего времени исследования огнеупорных материалов заключались в эмпирическом поиске только путем подбора, что объясняется отсутствием научно-теоретической базы. Отсутствие экспериментальных термохимических данных и целенаправленных исследований по огнеупорным материалам вызывает необходимость проведения фундаментального научного исследования (в частности методами высокотемпературной калориметрии, термогравиметрии, рентгенофазового и химического анализа), так как оно вполне может представить не только исходные данные для точного прогнозирования поведения огнеупорных материалов при высоких температурах, но и явиться мощной научной базой для создаваемой огнеупорной промышленности Республики Казахстан. Экспериментальное определение кинетических, термодинамических и термохимических характеристик (в частности энергий активации и теплоты образования синтезируемых материалов) методом высокотемпературной калориметрии (в интервале 298 К-1500 К) позволит прогнозировать физико-химическое и технологическое свойства исходных компонентов и конечных продуктов, получить их энергетический тепловой баланс, тем самым установить зависимости между термодинамическими свойствами материала и его составом.

Назрела необходимость в разработке научно обоснованных подходов к решению данной проблемы, которые позволили бы выявить закономерности образования неформованных и формованных огнеупоров, что в свою очередь даст ценную информацию для эффективного управления сложными физико-химическими и технологическими процессами получения новых марок огнеупоров. Это, несомненно, окажет громадную помощь при моделировании (прогнозировании) состава новых высокоэффективных огнеупорных материалов и тем самым восполнит пробел в этой области.

Определение термохимических и термодинамических данных также позволяет установить зависимость выхода продуктов реакций от условий проведения процесса, а также выявить наиболее оптимальные условия образования новых продуктов, и следовательно, научно обоснованно решать задачу разработки высокопроизводительных и экономически эффективных технологических процессов. Определение, накопление и систематизация информации о термодинамических и термохимических свойствах новых огнеупорных веществ также будут способствовать распространению термодинамических расчетов, выполняемых на компьютере.

Ярким примером технологического процесса нового типа является СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез), основанный на способности целого ряда неорганических веществ и соединений вступать в экзотермическую реакцию, распространяющуюся по объему реакционной среды в волновом режиме. Высокое качество и относительно невысокая стоимость СВС - продуктов, обусловленное утилизацией химической энергии компонентов, а также возможность быстрого получения широкой номенклатуры материалов в требуемых количествах способствует их успешному применению для решения различных практических задач.

Как технологический подход, метод СВС по комплексу показателей превосходит традиционные методы синтеза с использованием высокотемпературных печей и имеет большие перспективы в промышленности современных материалов, интерметаллидов и композитов. СВ - синтез позволяет развить технологические и экономические предпосылки производства материалов, получение которых с помощью других приемов невыгодно, а порой и невозможно. Например, метод СВС позволит развернуть активные исследования по использованию интерметаллических соединений перспективного класса материалов, отличающихся высокими прочностными показателями, характеристиками сопротивления термоокислительной и коррозионной деструкции.

Поэтому единый комплексный научный подход (теоретические и технологические исследования) позволит провести полный цикл работ, а именно от разработки теории управления технологическими процессами до промышленного производства огнеупорных материалов и тем самым обеспечить эффективное решение насущной для Республики проблемы.

Создание огнеупорных материалов на основе СВС - техологий предполагает снижение доли сырьевой составляющей в импорте Республики Казахстан за счет выпуска конкурентоспособной высокодоходной продукции, что явилось бы одним из реальных шагов в достижении высоких экономических показателей в рыночных условиях.