Патент на изобретение №2265583

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ОКСИДА ХРОМА

(57) Реферат:

Изобретение относится к керамическому материаловедению и может быть использовано для изготовления хромоксидного огнеприпаса при производстве стекловолокна. Технический результат изобретения: получение структуры с регулируемым распределением плотности по сечению огнеупорного изделия. Формируемую рабочую поверхность огнеупорных изделий из оксида хрома подвергают воздействию восстановительной среды путем непосредственного контакта в сырце с углеродным компонентом. Обжиг ведут в газопламенных печах с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,3, при конечных температурах обжига осуществляют изотермические выдержки в пределах получения заданного соотношения слоев плотной и пористой структуры. Углеродный компонент используют в виде зернистых масс (криптоловая крошка) или плотных тел различных способов изготовления. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к керамическому материаловедению и может быть использовано для изготовления хромоксидного огнеприпаса при производстве стекловолокна.

Анализ опыта различных стран в решении проблем устранения температурной неоднородности в зонах формирования струй и стабилизации истечения струй с регулируемой температурой и вязкостью связано с использованием жаропрочных сплавов в контакте с агрессивными расплавами стекла Е или базальтовых пород и эффективной тепловой защитной конструкцией промышленного оборудования. Температурный предел использования жаропрочных сплавов ограничен диапазоном 1100-1300°С, а выше этого предела, например, в плавильных камерах при изготовлении непрерывных сверхтонких волокон используется дорогой сплав платины, а применение теплоизоляционных конструкций сложной формы не всегда оправдан на практике.

Оксид хрома является огнеупорным материалом с высокой химической устойчивостью к расплавам бесщелочных стекол. Проблемы футеровки стекловаренных печей, например, для получения шариков для двухстадийного способа изготовления стекловолокна, решаются путем использования высокоплотных огнеупоров из оксида хрома в контакте с агрессивной средой и пористыми материалами из оксида хрома для защиты от теплопотерь. Получение изделий разного целевого назначения требует использования отдельных технологий (Леонов А.И. – Известия АН СССР, Неорганические материалы, 1966 г. Т.2, №12, с.2168-2174; RU 2172726 C1).

Известна шихта и способ изготовления огнеупорных изделий, включающих окись хрома, двуокись титана, раствор метилцеллюлозы и спекающую добавку при содержании компонентов,% мас.:

а способ изготовления изделий осуществляют путем формования, обжига изделий при температуре 1600-1700°С и охлаждения, причем подъем температуры до1600°С осуществляют при парциальном давлении кислорода 10²-10 Па, в интервале 1600-1700°С при 10^-7-10^-8 Па, а охлаждение при том же парциальном давлении, что и в первом интервале (SU 992486).

Недостатком известного способа является сложность регулирования парциального давления кислорода в широком диапазоне значений в промышленном процессе и значительные потери объема огнеупора в процессе эксплуатации при открытой пористости 1,9-4,2%, а высокое содержание железа снижает качество получаемых стекловолокон.

Известен способ изготовления огнеупорных изделий из оксида хрома путем их формования и обжига в восстановительной или нейтральной атмосфере в присутствии углеродсодержащего материала, который изолирован от обжигаемых изделий, причем соотношение поверхностей углеродсодержащего материала и изделий находится в пределах от 1:1,1 до 5-10 (SU 528291).

Недостаток известного способа состоит в том, что реализация процесса уплотнения может быть осуществлена только путем диффузии через газовую фазу, которая требует высоких температур (1750°С), а процесс уплотнения замедляется, при образовании поверхностного плотного слоя, что требует длительных изометрических выдержек и трудно реализуем в известных конструкциях керамических печей при промышленном изготовлении крупногабаритных изделий.

Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности -прототипом – является способ изготовления огнеупорных изделий на основе оксида хрома, включающий формование сырца и обжиг в восстановительной среде, причем окись хрома перед формованием смачивают 2-15% суспензии тонкодисперсной сажи в растворе метилцеллюлозы при соотношении углерода и метилцеллюлозы от 1:12 до 1:7,5 (SU 876609).

Недостатком известного способа является равномерное распределение углеродной компоненты в объеме отформованного сырца, не позволяющее получать структуру с регулируемым распределением плотности по сечению изделия, которое принципиально важно при создании малогабаритных нагревательных конструкций, например, плавильных узлов для термической подготовки и плавления стекломассы при выработке стекловолокна двухстадийным методом.

Задачей авторов является разработка способа изготовления огнеупорных изделий из оксида хрома, обеспечивающего достижение цели – получение структуры с регулируемым распределением плотности по сечению огнеупорного изделия.

Поставленная цель достигается, в отличие от известного способа, тем, что формируемую рабочую поверхность огнеупорных изделий подвергают воздействию восстановительной среды путем непосредственного поверхностного контакта в сырце с углеродным компонентом, обжиг ведут в газопламенных печах с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,3, осуществляют при конечных температурах обжига изотермические выдержки в пределах получения заданного соотношения слоев плотной и пористой структуры.

В результате реализации способа возможны варианты использования углеродного компонента в виде зернистых масс или плотных тел различных способов изготовления.

Сущность заявляемого технического решения состоит в комплексе операций и технологических параметров, принципиальным отличием которых является обжиг одновременно в окислительной и восстановительной среде различных объемов пористой заготовки, позволяющим в одном изделии совместить устойчивость огнеупора к агрессивному воздействию стекломассы и теплоизоляционную функцию и, как следствие, возникает возможность для эксплуатационников в широком диапазоне варьировать массо-габаритные характеристики огнеупорных изделий целевого назначения. Значения коэффициента избытка воздуха от 1,05-1,3 необходимы и достаточны для полного сгорания углеродсодержащего газового топлива и создания окислительной среды. Соотношение слоев плотной и пористой структуры определялось экспериментально в диапазоне температур 1400-1750°^–С, при различной пористости формованного сырца и диффузионных характеристик в плотном слое.

Пример осуществления.

1. Предложенный способ был реализован при изготовлении фильерного питателя в виде пустотелого усеченного конуса с высотой, равной 212,5 мм, и толщиной стенки 25 мм для комплектации плавильного узла при производстве стекловолокна.

2. Исходные сырье и материалы.

2.1. Оксид хрома, марки ОХМ-1, ГОСТ 2912-79.

2.2. Сульфатно-спиртовая бражка (ССБ).

2.3. Высокоплотные плиты из оксида хрома.

2.4. Криптол с размером частиц от 100 мкм до 1000 мкм.

3. Оксид хрома с дисперсностью частиц 50-70 мкм смешивали с ССБ в количестве 8% мас. сверх 100%.

Полученную шихту уплотняли в пресс-форме методом вибропрессования с пригрузом, при давлении 300-350 ^кг/_см ², получая при этом заготовку сырца с пористостью 50-60%.

4. Полученный сырец устанавливали большим основанием на плиту из оксида хрома. Пустотелый объем заполняли криптоловой крошкой с последующим уплотнением ручной вибропрессовкой. После заполнения пустотелого конуса на верх сырца помещали плиту из оксида хрома. Получали замкнутый объем внутри пустотелого конуса.

5. После предварительной сушки при температуре 80-90°С, до влажности сырца 0,1-0,2%, заготовку помещали в камерную газовую печь. Подъем температуры до 1600°С вели со скоростью 300-400°С в час по газу, с коэффициентом расхода воздуха 1,15. На основе экспериментальных данных времени прогрева заготовки и теплотехнических расчетов потребителя для получения соотношения плотного слоя к пористой структуре 1:1 была определена изотермическая выдержка в диапазоне 3-4 ч.

6. Спеченные изделия выборочно исследовали путем металлографического анализа вертикального разреза изделия и вырезки образцов из рабочего и теплоизоляционного слоя. Толщина плотного слоя составляла 12-12,5 мм, соответственно изменялись и размеры теплоизоляционного слоя. Плотность контактного слоя колебалась в пределах 5,1-5,15 г/см³, а слоя с пористой структурой 2,7-2,9 г/см³, что соответствовало общей пористости 43-47%.

Использование фильерного питателя в плавильном узле при изготовлении непрерывных нитей из бесщелочного стекла Е позволило устранить неоднородность температурного поля при повышенных температурах процесса, уменьшить вязкость расплава, при одновременной стабилизации истечение струй, повысить качество нитей, увеличить производительность в 1,5 раза и сократить расход платины на 30%, что в целом по производству составляет 63 кг, при прогнозируемой годовой экономии в 1260 тыс.$.

Практическое осуществление заявляемого способа подтверждает, что предлагаемое техническое решение является конкурентноспособным при изготовлении огнеупорных изделий из оксида хрома, приводит к рациональному использованию дорогостоящих материалов в процессе изготовления стекловолокна при значительном снижении финансовых затрат на изготовление единицы продукции.

Формула изобретения

1. Способ изготовления огнеупорных изделий из оксида хрома, включающий формование сырца и обжиг в контакте с углеродсодержащим компонентом в газовой среде, отличающийся тем, что формируемую рабочую поверхность огнеупорных изделий подвергают воздействию восстановительной среды путем непосредственного поверхностного контакта в сырце с углеродным компонентом, обжиг ведут в газопламенных печах с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,3, осуществляют при конечных температурах обжига изотермические выдержки в пределах получения заданного соотношения слоев плотной и пористой структур.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеродный компонент используют в виде зернистых масс или плотных тел различных способов изготовления.