Патент на изобретение №2228918

(54) МУЛЛИТОВЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ И ПОКРЫТИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к огнеупорным, а именно муллитовым материалам, соответствующим химической формуле 3Al₂О₃·3SiO₂, полученным методом экзотермического синтеза (СВС-процесс). Муллитовый материал содержит в качестве диоксида кремния смесь немолотого кварцевого песка и кварца молотого пылевидного заводского изготовления, взятых в пропорции 40:60, при следующем соотношении компонентов, мас.%: немолотый кварцевый песок 22-26, кварц молотый пылевидный 33-39, алюминий 25-30, глина 6-8, оксид алюминия 4-7. Использование полидисперсной смеси песков в качестве диоксида кремния обеспечивает получение требуемой плотности, однородности структуры, стабильности свойств конечного продукта. Приведенное соотношение компонентов исходной шихты обеспечивает методом экзотермического синтеза получение огнеупорного СВС-материала с содержанием 68-74% муллита. Реализация изобретения позволяет удешевить производство конечного продукта, расширить его сырьевую базу и области применения и также улучшить эксплуатационные характеристики огнеупорных материалов. 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к огнеупорным алюмосиликатным, а именно к муллитовым материалам, соответствующим химической формуле 3Al₂O₃·2SiO₂, получаемым методом экзотермического синтеза (методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, сокращенно СВС-процесс), и может быть использовано в огнеупорной промышленности.

Известны и широко используются алюмосиликатные, в частности муллитовые и муллитокорундовые огнеупорные материалы, получаемые спеканием технического глинозема и минералов группы саллиманит (см., например, книгу Стрелова К.К. и др. “Технология огнеупоров”. – М.: Металлургия, 1988 г., стр. 296-307). Однако физико-механические и теплофизические характеристики указанных материалов недостаточны для работы в некоторых агрессивных высокотемпературных средах. Кроме того, производство их сложное и дорогостоящее.

Близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является муллитовый материал для производства огнеупорных изделий, содержащий муллит состава 3Аl₂O₃·2SiO₂ и полученный экзотермическим синтезом исходной шихты, включающей диоксид кремния и алюминий (см., например, патент России №2101263, кл. С 04 В 35/66, 1996 г.).

Прототипом для данного изобретения является пористый огнеупорный муллитовый материал согласно патенту RU 2182569 С1, кл. С 04 В 35/65, 35/66, 2002 г., содержащий муллит состава xАl₂O₃·уSiO₂, полученный экзотермической реакцией между молотыми компонентами минеральной шихты, включающей диоксид кремния и алюминий, перемешанной с газообразователем – кристаллическим кремнием, предварительно активированным путем тонкого помола до размера частиц <100 мкм. Минеральная шихта может содержать оксиды железа, хрома, алюминия, магния или их смеси.

Недостатками известного способа является:

– патент прототипа направлен на создание только пористого материала, что ограничивает область его применения;

– использование в качестве исходного сырья только одной мелкой фракции порошкообразных компонентов не обеспечивает получение оптимальных реологических свойств композиции на этапе изготовления материала;

– необходимость включения в технологический процесс получения известного материала операции измельчения минерального сырья (кремнеземсодержащего компонента) до определенных размеров, а следовательно и фракционирование измельченного компонента, что удорожает и усложняет процесс.

Задачей предлагаемого изобретения является удешевление и расширение сырьевой базы для изготовления огнеупорного СВС-материала, улучшение характеристик получаемых изделий и покрытий.

Поставленная задача достигается тем, что муллитовый материал для производства огнеупорных изделий и покрытий, содержащий муллит состава 3Аl₂О₃·2SiO₂, полученный экзотермическим синтезом исходной шихты, включающей диоксид кремния, алюминий, глину и оксид алюминия, а в качестве диоксида кремния – смесь немолотого кварцевого песка и кварца молотого пылевидного, взятых в пропорции 40:60, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

немолотый кварцевый песок 22-26

кварц молотый пылевидный 33-39

алюминий 25-30

глина 6-8

оксид алюминия 4-7

Используемые кварцевые пески имеют следующий фракционный состав (см. табл.1).

Экспериментально доказано, что использование смеси немолотого кварцевого песка и кварца молотого пылевидного в указанном выше соотношении (40:60) обеспечивает получение полидисперсной смеси кремнеземсодержащего компонента (диоксида кремния), в которой соотношение фракций составляет в маc.%:

500-160 мкм 382

160-100 мкм 72

100 мкм и менее 552

Необходимость использования полидисперсной смеси песков в качестве диоксида кремния в таком соотношении отвечает требованиям обеспечения заданной плотности, однородной структуры и стабильности свойств конечного продукта.

Указанное соотношение компонентов исходной шихты путем использования СВС-процесса обеспечивает получение 68-74 мас.% муллита.

Эффективность предлагаемого изобретения обосновывается так же тем, что в качестве диоксида кремния используется смесь, состоящая из немолотого кварцевого песка марок С-070-1 или ВС-050-1 или формовочного песка марки 2К₂O₁O₂ и кварца молотого пылевидного заводского изготовления. Это расширяет сырьевую базу, дает возможность получения более дешевого материала и упрощает производство, так как исключает необходимость измельчения и фракционирования кремнеземсодержащего компонента.

Для получения изделий из муллитового СВС-материала исходную смесь порошкообразных компонентов (шихту) смешивают со связующим, например с раствором жидкого стекла определенной концентрации. Из полученной массы формуют изделия, сушат их, после чего далее нагревают в электропечи до температуры инициирования экзотермического синтеза СВС-муллитового огнеупорного материала (700-800С). Далее реакция образования муллитового материала идет без дополнительного подвода тепла, завершается за 50-70 секунд за счет экзоэффекта в 1400-1600С от взаимодействия компонентов исходной шихты.

При изготовлении огнеупорных покрытий порошкообразная смесь компонентов может содержать тетрафторборат калия в количестве 2-3% от веса исходной шихты.

При использовании исходной шихты в виде покрытий операция формования исключается и заменяется операцией нанесения покрытия на требуемую поверхность при соблюдении всех последующих операций.

Для обеспечения полноты реакции синтеза, однородности структуры конечного продукта, стабильности его свойств используются мелкодисперсные порошкообразные компоненты: немолотые кварцевые пески марки С-070-1 в соответствии с ГОСТ 22551-77 или марки ВС-050-1 в соответствии с ГОСТ 22551-77 или формовочный песок марки 2К2O₁O₂ в соответствии с ГОСТ 2138-91; кварц молотый пылевидный марки “Б” в соответствии с ГОСТ 9077-82; глина фракций 160-50 мкм и менее; оксид алюминия, порошкообразный алюминий марок АСД-1 или АСД-4 в соответствии с действующими на них ГОСТами.

Ниже приведены конкретные примеры исходных составов шихты, используемых в рамках предлагаемого изобретения для получения огнеупорного СВС-материала.

Пример 1. Муллитовый материал, изготовленный путем смешения исходной шихты, содержащей: немолотый кварцевый песок марки С-070-1 26 мас.%, кварц молотый пылевидный марки “Б” 39 мас.%, алюминий 25 мас.%, глину 6 мас.%, оксид алюминия 4 мас.%, смешанные с 15%-ным раствором жидкого стекла, взятом в количестве 17% от массы исходной шихты.

Пример 2. Муллитовый материал, изготовленный путем смешения исходной шихты, содержащей: немолотый кварцевый песок марки ВС-050-1 25 мас.%, кварц молотый пылевидный марки “Б” 37 мас.%, алюминий 26 мас.%, глину 7 мас.%, оксид алюминия 5 мас.%, смешанные с 15%-ным раствором жидкого стекла в количестве 15 % от массы исходной шихты.

Пример 3. Муллитовый материал, изготовленный путем смешения исходной шихты, содержащей формовочный песок марки 2К₂O₁O₂ 22 мас.%, кварц молотый пылевидный марки “Б” 33 мас.%, алюминий 30 мас.%, глину 8 мас.%, оксид алюминия 7 мас.%, смешанные с 15%-ным раствором жидкого стекла, взятым в количестве 13% от веса исходной шихты.

Опытным путем установлено, что приведенные выше составы имеют близкие между собой физико-механические и эксплуатационные характеристики, не уступающие стандартным алюмосиликатным огнеупорам с содержанием Аl₂О₃ не выше 35% и материалу-прототипу. Ниже приведена сравнительная таблица характеристик огнеупорных материалов (см. табл.2).

Поскольку проводить прямое сравнение характеристик муллитового материала по прототипу и предлагаемому способу некорректно в виду того, что материалы относятся к совершенно разным классам по плотности их структуры, то в табл.2 для сравнения приводятся данные по близкому аналогу патента России № 2101263, кл. С 04 В 35/66, 1996 г).

За пределами заявленных составов не достигается поставленная цель.

Предлагаемое изобретение удешевляет производство конечного материала, расширяет область его применения, обеспечивает доступность основного сырья и расширение его базы, улучшение качества и эксплуатационных характеристик создаваемых материалов, прочность сцепления муллитовых СВС-материалов с основой.

Разработанные муллитовые СВС-материалы прошли лабораторные испытания, подтверждающие их целевое назначение в качестве изделий и в качестве футеровочных покрытий на высокоглиноземистые, шамотные (марок ША и ШБ), периклазовые и кварцевые огнеупоры, а также испытания в производственных условиях Череповецкого металлургического комбината ОАО “Северсталь”, Новолипецкого металлургического комбината и на предприятии малой металлургии ООО НПО “Метпроммаш” Московской области, о чем составлены акты.

Формула изобретения

Муллитовый материал для производства огнеупорных изделий и покрытий, содержащий муллит, соответствующий химической формуле 3Аl₂О₃·2SiO₂, полученный экзотермическим синтезом исходной шихты, включающей диоксид кремния, алюминий, глину, оксид алюминия, отличающийся тем, что в качестве диоксида кремния используется смесь немолотого кварцевого песка и кварца молотого пылевидного, взятых в пропорции 40:60 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Немолотый кварцевый песок 22-26

Кварц молотый пылевидный 33-39

Алюминий 25-30

Глина 6-8

Оксид алюминия 4-7