плавленый форстеритосодержащий материал и способ его получения

Формула изобретения

1. Плавленый форстеритосодержащий материал, включающий форстерит, периклаз, алюмомагниевую шпинель и стеклофазу, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:

форстерит	83-95
периклаз	2-10
алюмомагниевая шпинель	2-4
стеклофаза	1-3

а стеклофаза имеет монтичеллитовый состав.

2. Способ получения плавленого форстеритосодержащего материала путем плавления в дуговой электропечи шихты, содержащей оксиды магния, кремния и алюминия, отличающийся тем, что шихта состоит из смеси каустического магнезита с содержанием MgO не менее 87 мас.% и кварцита с содержанием SiO₂ не менее 97 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 57-60 - указанный каустический магнезит, 40-43 - указанный кварцит, а плавление шихты ведут под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к производству огнеупоров, в частности к получению методом плавления материала для огнеупорных композиций.

Известен плавленый форстеритосодержащий материал, включающий, мас.%: 35-97 форстерит, 1-55 периклаз, 2-10 стеклофазу, патент RU 2149856 C1, C04B 35/043, C04B 35/20, C04B 35/657, 2000 [1]. Основным недостатком данного плавленого материала является содержание в стеклофазе до 40 мас.% Fe ₂O₃, что значительно снижает температуру деформации под нагрузкой. Высокое содержание Fe₂O₃ обусловлено использованием в шихте железосодержащего компонента - дунита (среднее содержание Fe₂O₃ в нем 7,8 мас.%).

Способ получения этого материала заключается в плавлении смеси дунита и спеченного периклазового порошка. Для снижения в плавленом огнеупорном материале количества Fe ₂O₃ требуется дополнительная технологическая операция - магнитная сепарация примесных соединений железа после измельчения плавленого материала, что усложняет технологию, увеличивает отходы и удорожает себестоимость производства.

Известен плавленый огнеупорный материал, содержащий, мас.%: 45-76 форстерит, 18-35 алюмомагниевую шпинель, 3-14 хромшпинелид, 3-6 мелилит или стекло аналогичного состава, а.с. SU 1133250 A, C04B 35/62, 1989[2]. Недостатками данного плавленого огнеупорного материала являются нестойкость к воздействию CO в связи с восстановлением оксидов железа и хрома в хромшпинелиде до металлического состояния в виде феррохрома, невысокие огнеупорность и температура начала размягчения, повышенная теплопроводность, а также содержание в материале экологически опасного шестивалентного хрома.

Получение известного плавленого огнеупорного материала осуществляют плавлением в электропечи смеси технически чистых оксидов MgO, SiO₂, Al₂O₃, CaO, Fe₂ O₃, Cr₂O₃. Главным недостатком данного способа является высокая стоимость технически чистых оксидов, особенно глинозема.

По совокупности общих существенных признаков наиболее близким к патентуемому является плавленый огнеупорный материал SU 1133250 A, C04B 35/62, 1989 [2] (пример 1). Он содержит, мас.%: 76 форстерит, 18 алюмомагниевая шпинель, 3 хромшпинелид, 3 мелилит или стекло аналогичного состава. Получают его путем плавления шихты, содержащей смесь технически чистых оксидов, мас.%: 58,8 MgO, 25,0 SiO₂, 13,0 Al ₂O₃, 0,8 CaO, 0,4 Fe₂O₃ , 2,0 Cr₂O₃. Недостатками его, как указывалось выше, являются невысокие термофизические свойства, нестойкость в восстановительной среде, содержание соединений хрома и высокая стоимость исходных компонентов для получения данного плавленого материала.

Задачей настоящего изобретения является получение экологически чистого плавленого форстеритосодержащего материала с повышенными термофизическими показателями, стойкого в восстановительной среде, из доступного техногенного магнезиального и природного кремнеземистого сырья.

Технический результат состоит в повышении огнеупорности, температуры начала размягчения, стойкости к воздействию CO, снижении теплопроводности и затрат на производство.

Для достижения этого, согласно п.1 формулы изобретения, плавленый огнеупорный материал, содержит, мас.%: 83-95 форстерит, 2-10 периклаз, 2-4 алюмомагниевую шпинель, 1-3 стеклофазу монтичеллитового состава.

Сущность изобретения по п.1 состоит в том, что полученный минеральный (фазовый) состав плавленого форстеритосодержащего материала, включающий в оптимальном соотношении форстерит, периклаз, алюмомагниевую шпинель, а также небольшое количество монтичеллитовой (CaO·MgO·SiO ₂) стеклофазы, не содержащей оксидов железа, обеспечивает плавленому материалу повышенные температуру начала размягчения, огнеупорность и устойчивость в восстановительной атмосфере. Кроме этого, заявляемый плавленый форстеритосодержащий материал имеет более низкую теплопроводность, чем прототип, что расширяет возможности его применения в металлургии.

Критерием оптимальности фазового состава является величина магнезиально-форстеритового модуля (МФМ), равного отношению суммы содержания форстерита (Mg ₂SiO₄) и периклаза (MgO) в плавленом огнеупорном материале к суммарному содержанию алюмомагниевой шпинели (MgAl ₂O₄) и монтичеллита (CaMgSiO₄): МФМ=(Mg ₂SiO₄+MgO)/(MgAl₂O₄+CaMgSiO ₄).

Для обеспечения высоких термофизических показателей и хорошей спекаемости плавленого форстеритосодержащего материала величина МФМ должна быть в пределах 13-33. При значении магнезиально-форстеритового модуля менее 13 резко снижается температура начала размягчения и увеличивается теплопроводность, а при значении МФМ более 33 - возрастают температура плавления и открытая пористость при спекании материала. В патентуемом плавленом форстеритосодержащем материале МФМ находится в пределах 13,3-32,3, что позволяет достичь заявляемые термофизические свойства.

Технический результат в способе, согласно п.2 формулы изобретения, достигается путем плавления шихты, состоящей из смеси каустического магнезита с содержанием MgO не менее 87 мас.% и кварцита с содержанием SiO₂ не менее 97 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 57-60 указанный каустический магнезит, 40-43 указанный кварцит, а плавление шихты ведут под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами.

При введении в шихту кварцита менее 40 мас.% снижается спекаемость материала, а при введении его более 43 мас.% резко возрастает количество эвтектического расплава в системе MgO-Al₂ O₃+CaO-SiO₂, что вызывает снижение огнеупорности и температуры начала размягчения.

Ограничение содержания примесей в каустическом магнезите и кварците исключает загрязнение стеклофазы легкоплавкими компонентами.

При плавке шихты под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами снижаются теплопотери, пылеунос сырья и расход электродов.

Для получения плавленого форстеритосодержащего материала заявляемого состава использовали каустический магнезит марки ПМК-87 по ГОСТ 1216-87 с содержанием, мас.%: 94,1 MgO; 1,7 CaO; 1,9 SiO₂; 1,7 Al₂O₃ ; 0,6 Fe₂O₃ (на прокаленное вещество) и кварцит марки ПКМИ по ТУ 1511-022-00190495-2003 с содержанием, мас.%: 98,2 SiO₂; 1,2 Al₂O₃; 0,6 Fe₂O₃.

Указанные компоненты в количествах, приведенных в формуле изобретения, загружали в электродуговую печь РКЗ-4, шихту плавили при удельном расходе электроэнергии 1670 кВт·ч на 1 т под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами, сливали расплав в изложницу и охлаждали.

Примеры составов шихты для получения плавленого форстеритосодержащего материала:

1-й состав, мас.%: 60,0 каустический магнезит, 40,0 кварцит

2-й состав, мас.%: 58,5 каустический магнезит, 41,5 кварцит

3-й состав, мас.%: 57,0 каустический магнезит, 43,0 кварцит

Минеральный (фазовый) состав полученного плавленого форстеритосодержащего материала указан в таблице 1, а свойства в таблице 2.

Полученный в примерах 1-3 плавленый материал имеет следующий минеральный (фазовый) состав, мас.%: 83,6-95,0 форстерит, 2,1-9,8 периклаз, 1,9-3,7 алюмомагниевая шпинель, 1,0-2,9 монтичеллит. При этом он содержит, мас.%: 57,5-59,0 MgO, 37,8-40,7 SiO₂, 1,4-2,9 Al₂O₃, 0,4-0,9 CaO.

Свойства определяли на образцах, сформованнох из дробленого плавленого форстеритосодержащего материала полифракционного состава и обожженных при температуре 1500°С в течение 6 час. Огнеупорность определяли по ГОСТ 4069-69, открытую пористость по ГОСТ 2409-95, температуру начала деформации под нагрузкой (температуру начала размягчения) по ГОСТ 4070-2000, теплопроводность по ГОСТ 12170-85. Для оценки устойчивости к СО образец обжигали в коксовой засыпке при 1200°С в течение 4 часов и затем определяли содержание в нем восстановленного металла рентгенофазовым анализом.

Из таблицы 2 видно, что патентуемый плавленый форстеритосодержащий материал имеет более высокие, чем у образца по прототипу, показатели основных термофизических свойств (огнеупорность, температуру начала размягчения, устойчивость к CO) и меньшую теплопроводность.

Данные свойства позволяют использовать предложенный плавленый форстеритосодержащий материал в качестве сырья для производства ковшевых огнеупоров, что подтвердили результаты промышленных испытаний. Себестоимость его ниже, чем у прототипа, вследствие снижения стоимости шихты и меньшего расхода электроэнергии и материалов на плавку.

Таблица 1
Минеральный и химический состав плавленого форстеритосодержащего материала
Компоненты массы	Содержание, мас.%
Заявляемый состав	Известный
1	2	3	4
Форстерит	83,6	88,0	95,0	76,0
Периклаз	9,8	6,7	2,1	-
Алюмомагниевая шпинель	3,7	3,1	1,9	18,0
Монтичеллит	2,9	2,2	1,0	-
Хромшпинелид				3,0
Мелилит				3,0
Содержание, мас.%:
MgO	58,4	59,0	57,5	49,5
SiO 2	37,8	38,2	40,7	33,4
Al2O 3	2,9	2,1	1,4	14,0
CaO	0,9	0,7	0,4	1.4
Cr2O 3	-	-	-	1,2
Fe 2O3	-	-	-	0,5
Магнезиально-форстеритовый модуль (МФМ)	13,3	19,0	32,3	-

Таблица 2
Свойства плавленого форстеритосодержащего материала
Показатели	Заявляемый состав	Известный
1	2	3	4
Огнеупорность, °С	1690	1700	>1730	1640
Температура начала размягчения, °С	1570	1590	1650	1520
Теплопроводность, Вт/(м·К)	3,4	3,1	2.8	3,6
Открытая пористость, %	14,8	16,7	19,1	13,8
Устойчивость к СО (содержание восстановленных металлов), мас.%	менее 0,1	1,2
	Fe	Cr+Fe

Источники информации

1. Патент RU 2149856 C1, C04B 35/043, C04B 35/20, C04B 35/657, 2000 [1].

2. А.с. SU 1133250 А, C04B 35/62, 1989[2].