Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
BBK 35 Химическая технология. Химические производства
Lightweight corundum products are successfully used for high-temperature insulation, applied in many industries, especially in metallurgical and refractory industries. This type of products is mainly produced by casting, which has a number of significant drawbacks. In this paper, it is proposed to use the method of vibrocompression, which would allow intensifying the technological process of production. The article presents the results of studying compositions for the preparation of corundum heat-insulating refractory materials using hydraulic binders. The main regularities of the influence of the charge components composition on the samples’ physico-mechanical characteristics are established. The optimal compositions have been identified that meet the requirements imposed in accordance with GOST 5040-2015 for KT-1,1 and KT-1,3 grades
refractories, heat-insulating materials, corundum, alumina, high-alumina cement
В настоящее время теплоизоляционные материалы широко применяются, в самых разных отраслях промышленности и потребность в них постоянно растет. Применение теплоизоляционных материалов снижает материалоемкость, экономит топливо, и способствует интенсификации тепловых процессов. Поэтому теплоизоляционные материалы входят в обязательный ассортимент огнеупорной промышленности [1–3]. Общая технологическая направленность при производстве новых теплоизоляционных материалов сводится к интенсификации процессов, снижению энергозатрат и материалоемкости, что является одним из главных критериев оценки научно-технического уровня производства. В связи с этим, особо актуальным становится вопрос совершенствование производства огнеупорной теплоизоляции различного назначения [4–5]. Легковесные корундовые изделия успешно применяют для высокотемпературной изоляции, используемой во многих отраслях промышленности, в том числе особенно широко применяются в металлургическом и огнеупорном производстве [6]. Данный вид изделий в основном производится методом литья из высокоглиноземистых дисперсных систем, мелового молочка и выгорающих веществ с последующей продолжительной сушкой и обжигом при температурах 1450–1550 ºС [7–10]. Наличие большого количества влаги (до 35 %) в формовочной системе способствует существенному увеличению технологического цикла производства (до 200 ч.), а высокая температура термообработки приводит к повышению энергозатрат. Помимо этого после обжига изделия подвергаются механической обработке для достижения заданных размеров, что также является существенным недостатком данной технологии.
В связи с выше изложенным, целью данной работы является разработка и исследования состав масс для корундовых легковесных огнеупоров с меньшей энергоемкостью производства. Для этого предлагается использовать высокоглиноземистые формовочные системы, в качестве вяжущего в которых будет использоваться глиноземистый цемент с содержанием Al2O3 не менее 70 %, что позволит существенно снизит формовочную влажность и использовать метод виброформования. Использование данного метода формовки способствует полному исключению механической обработки изделий после обжига, так как данный способ позволяет получать изделий с точными геометрическими формами в соответствии ГОСТ 5040-2015 "Изделия огнеупорные теплоизоляционные. Технические условия".
Для достижение поставленной цели в данной работе в качестве сырьевых материалов использовались электроплавленный корунд (фракция менее 500 мкм), предварительно термообработанный при 1200 ºС технический глинозем (фракция менее 40 мкм) и высокоглиноземистый цемента марки М-72 фирмы Secar, химический состав которых представлен в табл. 1. Основной минералогической фазой корунда и глинозема является α- А12O3, а высокоглиноземистый цемент представлен различными видами алюмината кальция.
Таблица 1
Химический состав сырьевых материалов
|
Наименование материала |
Содержание оксидов, % |
|||||||
|
А12O3 |
SiO2 |
K2O |
Na2O |
Fe20O3 |
MgO |
СaO |
TiO2 |
|
|
Электроплавленный корунд |
99,9 |
0,02 |
0,01 |
0,03 |
0,03 |
0,01 |
- |
0,01 |
|
Глинозем |
99,5 |
0,06 |
0,02 |
0,06 |
0,04 |
0,01 |
- |
0,02 |
|
Цемент |
72,7 |
0,24 |
- |
0,43 |
0,63 |
0,34 |
26,17 |
- |
В процессе экспериментальной работы исследовали влияние содержания высокоглиноземистого цемента на основные физико-механические свойства корундового легковеса, в соответствии с составам, представленными в табл. 2.
Таблица 2
Составы исследуемых высокоглиноземистых масс
|
№ состава |
Содержание цемента, % |
Содержание глинозема, % |
Влажность массы, % |
Содержание Al2O3, % |
|
1.1 |
3 |
97 |
8,1 |
98,1 |
|
1.2 |
5 |
95 |
8,9 |
97,6 |
|
1.3 |
7 |
93 |
9,3 |
97,0 |
|
1.4 |
10 |
90 |
10,4 |
96,1 |
|
1.5 |
20 |
80 |
12,1 |
93,2 |
На основе представленных в табл. 2 составов были отформованы образцы методом вибропрессования с последующими сушкой при температуре 100 °С в течении 6–8 часов и термообработкой при 300 ºС и 1300 °С с выдержкой при максимальной температуре 1 час. После термообработки были определены основные физико-механические характеристики, которые представлены на рис. 1–2.
Рис. 1. Зависимость плотности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной температуре, от содержания цемент
Рис. 2. Зависимость предела прочности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной температуре, от содержания цемент
Анализ представленных графических зависимостей показал, что повышение содержание цемента с 3 до 20 % в системе приводит к увеличению плотности образцов на 7-–16 % (рис. 1) в зависимости от температуры термообработки, при этом максимальной плотностью 0,93–
1,02 г/см3 характеризуются образцы, содержащие 20 % цемента. Повышение температуры предварительной термообработки также приводят к незначительному увеличению плотности материала на 5–9 %. Из анализа прочностных характеристик (рис. 2) следует, что рост концентрации высокоглиноземистого цемента приводи к повышению прочностных показателей образцов в 2–3 раза. Изменение температуры с 100 ºС до 300 ºС приводит к незначительному росту прочности, а при повышении температуры до 1300 ºС прочность образцов увеличивается в 5–8 раз в зависимости от содержания цемента в системе. Максимальными прочностными характеристиками (2,8–2,9 МПа) обладают образцы термообработанные при 1300 ºС и содержащие 20 % цемента. Из выше изложенного следует, что наиболее оптимальным составом корундового легковесного огнеупора является образцы состава № 1.5 (табл. 1), термообработанные при 1300 ºС, которые содержат 80 % глинозема и
20 % цемента, содержание Al2O3 составляет
93,2 %, что полностью удовлетворяет требования ГОСТ 5040-2015 и соответствует марки КТ-1,1.
Для получения теплоизоляционных корундовых материалов марки КТ-1,3, в соответствии с ГОСТ 5040-2015, необходимо получить материал характеризующейся плотностью не выше 1,3 г/см3, прочностью не ниже 3,5 МПа и содержание Al2O3 должно превышать 95 %. Разработанный выше материал не соответствует предъявляемым требованиям по прочности и содержанию Al2O3. В связи с этим на дальнейшем этапе работы были проведены исследования направленные на создание более прочного каркаса за счет введение в состав более крупнодисперсной составляющей в виде порошка электроплавленного корунда фракции менее 0,5 мм. Составы экспериментальных образцов с электрокорундом представлены в табл. 3.
Таблица 3
Составы исследуемых высокоглиноземистых масс
|
№ состава |
Содержание цемента,% |
Содержание глинозема% |
Содержание элетрокорунда,% |
Влажность массы, % |
Содержание Al2O3, % |
|
1.6 |
10 |
90 |
- |
10,4 |
96,1 |
|
1.7 |
10 |
85 |
5 |
10,1 |
96,1 |
|
1.8 |
10 |
80 |
10 |
9,8 |
96,1 |
|
1.9 |
10 |
75 |
15 |
9,6 |
96,1 |
Образцы формовали и термообрабатывали по аналогичной методике, как и предыдущие составы. После определения основных физико-механических характеристик были построены графики зависимостей, которые представлены на рис. 3–4.
Рис. 3. Зависимость плотности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной температуре, от содержания электрокорунда
Из анализа представленных зависимостей следует (рис. 3), что увеличение содержания электрокорунда до 10 % в формовочной массе практически не приводит к изменению плотности образцов, которая составляет 0,90–0,97 г/см3 в зависимости от температуры термообработки. При повышении концентрации корунда до 15 % наблюдается незначительный рост плотности на 1–7 % до значений 0,97–1,04 г/см3 при соответствующих температурах термообработки. Увеличение температуры предварительно обработки образцов приводит к росту плотности на 6–12 % во всем диапазоне содержания электрокорунда. Из выше изложенного следует, что плотность экспериментальных составов с добавлением электрокорунда не превышает 1,04 г/см3, что соответствует требованиям ГОСТ 5040-2015.
Рис. 4. Зависимость предела прочности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной температуре, от содержания электрокорунда
Анализирую прочностные характеристики экспериментальных образцов корундового легковеса, представленных на рис. 4, можно отметить, что введение электрокорунда практически не изменяет или незначительно повышает прочность при низких температурах предварительной обработки (100-300 оС), которая не превышает 1 МПа. Составы обожженные при температуре 1300 ºС отличаются резким повышением прочности в 3–6 раз во всем диапазоне изменения содержание электрокорунда. Максимальными значениями прочности при сжатии 3,5-4,0 МПа характеризуются образцы содержащие 10–15 % электрокорунда, что удовлетворяет марки КТ-1,3 в соответствии с ГОСТ 5040-2015.
В табл. 4 представлены сопоставительные характеристики экспериментальных образцов и требования, предъявляемые к данному виду изделий в соответствии с ГОСТ 5040-2015.
Таблица 4
Характеристики корундовых теплоизоляционных материалов
|
Показатели |
Требования ГОСТ 5040-2015 (марки КТ-1,1 и КТ-1,3) |
Экспериментальные составы |
|
1. Массовая доля Al2O3, %, не менее |
90–95 |
93–96 |
|
2. Массовая доля Fe2O3, %, не более |
0,3–1,0 |
0,2 |
|
3. Массовая доля SiO2, %, не более |
0,5 |
0,1 |
|
4. Плотность кажущаяся, г/см, не более |
1,1–1,3 |
1,0–1,1 |
|
5. Предел прочности при сжатии, МПа, не менее |
2,5–3,5 |
2,5–4,0 |
Из представленных в табл. 4 данных следует, что разработанные экспериментальные составы полностью удовлетворяют требованием ГОСТ 5040-2015 и соответствует маркам корундовых теплоизоляционных огнеупоров КТ-1,1 и КТ-1,3. Оптимальные составы могут содержать 10–20 % высокоглиноземистого цемента, 75–
90 % глинозема и до 15 % электроплавленного корунда. При этом следует отметить, что переход от классического способа формования методом литья к вибропрессованию позволил снизить формовочную влажность более чем в 3 раза и температуру обжига на 150–250 ºС, что существенным образом сокращает производственные затраты на весь технологически цикл. Таким образом, разработанные в данной работе материалы могут быть рекомендованы к промышленному выпуску на предприятиях по производству огнеупорных материалов.
1. Gorlov Yu.P., Merkin A.P., Ustenko A.A. Tehnologiya teploizolyacionnyh materialov. M.: Stroyizdat, 1980. 396 s.
2. Goryaynov K. E., Goryaynova S. K. Tehnologiya teploizolyacionnyh materialov i izdeliy. M.: Stroyizdat, 1982. 376 s.
3. Voronov G.V., Starcev V.A. Ogneupornye materialy i izdeliya v promyshlennyh pechah i ob'ektah vspomogatel'nogo naznacheniya. Ekaterinburg: UGTU-UPI, 2006. 303 s.
4. Shubin V.N. Proizvodstvo korundovogo legkovesa// Ogneupory. 1971. №3. S 30-32.
5. Andrianov N.T., Balkevich V.L., Belyakov A.V., Vlasov A.S., Guman I.Ya., Lukin E.S., Mosin Yu.M., Skidan B.S. Himicheskaya tehnologiya keramiki. M.: OOO RIF "Stroimaterialy", 2012. 496 s.
6. Peretokina N.A., Doroganov V.A. Devel-opment and study of the compositions of un-shaped fireclay-based heat-insulating refracto-ries and a technology for making them// Refrac-tories and Industrial Ceramics. 2011. Vo. 52, №1. P. 52-54.
7. Peretokina N.A., Doroganov V.A. Light-weight foam products based on diatomite// Refractories and Industrial Ceramics. 2011. Vol. 52. № 3. P. 191-194.
8. Evtushenko E.I., Peretokina N.A., Doroganov V.A., Suleymanova L.A., Sysa O.K., Bedina V.Yu., Mizhenina O.V. Teploizolyacionnye materialy na osnove iskusstvennyh keramicheskih vyazhuschih razlichnogo sostava// Vestnik BGTU im. V.G. Shuhova. 2013. № 6. S. 149-151.
9. Kascheev I.D., Strelov K.K., Mamykin P.S. Himicheskaya tehnologiya ogneuporov. M: Intermet Inzhiniring, 2007. 752 s.
10. Lur'e M.A., Goncharenko V.P. Legkovesnye ogneupory v promyshlennyh pechah. M.: Metallurgiya, 1974. 239 s.
