сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий

Формула изобретения

Сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая электрокорунд фракции менее 0,05 мм, плавленый муллит фракции 0,4-1 мм и этилсиликат, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм, плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Электрокорунд фракции менее 0,05 мм	45-50
Электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм	20-25
Плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм	15-22
Плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм	5-8
Этилсиликат	1-2
Графит	2-5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства огнеупоров и может быть использовано для изготовления керамических узлов высокотемпературных агрегатов, огнеприпасов, работающих при температурах до 1800°С в окислительной и восстановительной средах, а также в качестве изоляторов.

Известна огнеупорная масса (авт. св. СССР №1151529, кл. С 04 В 35/18, 33/22, 1985 г.), включающая, мас.%:

электрокорунд фракции менее 0,05 мм	9-17
аморфный кремнезем фракции менее 0,05 мм	3-4,6
муллиткорундовый шамот фракции менее 0,05 мм	остальное

Недостатком данной массы является невысокая температура службы до 1000°С и недостаточная термостойкость, т.к. изделия, имеющие высокую плотность и низкую пористость, не выдерживают перепадов температур и имеют ограниченный срок службы в условиях «нагрев - охлаждение». Наличие большого количества муллитокорундового шамота, имеющего значительное количество примесей и стеклофазы, не позволяет работать изделию при температурах выше 1000°С. При повышении температуры службы резко снижается прочность, и изделия разрушаются.

Наиболее близкой (прототипом) является сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий (ав. св. СССР №1723070, кл. С 04 В 33/22, 1992 г.), включающая, мас.%:

электрокорунд фрации менее 0,05 мм	15-20
высокоглиноземистый шамот с содержанием Al2О3
68% или плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм	35-50
этилсиликат	0,7-1,0
высокоглиноземистый шамот с содержанием
Al2О3 68% или плавленый муллит фракции
менее 0,05 мм	Остальное

Указанная сырьевая смесь не может быть использована для изготовления изделий, работающих при температурах выше 1600°С, из-за высокого содержания в ней (около 80%) высокоглиноземистого шамота или плавленого муллита, имеющих значительное количество примесей и стеклофазы, вызывающих деформацию изделий при температурах выше 1500°С.

Недостатком смеси является необходимость применения высоких температур обжига (1550-1580°С). Изделия, работающие в интервале температур 1200-1500°С, имеют невысокий срок службы.

Технической задачей изобретения является повышение огнеупорности при одновременном снижении температуры обжига и сохранении прочности и термостойкости.

Для решения этой задачи сырьевая смесь для изготовления огнеупорных изделий, включающая электрокорунд фракции менее 0,05 мм, плавленый муллит фракции 0,4-1 мм и этилсиликат, дополнительно содержит электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм, плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

электрокорунд фракции менее 0,05 мм	45-50
электрокорунд фракции 0,5-0,8 мм	20-25
плавленый муллит фракции 0,4-1,0 мм	15-22
плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм	5-8
этилсиликат	1-2
графит	2-5

Увеличение в составе материала корунда суммарно до 70% обусловлено тем, что корунд содержит Al₂О₃ до 99%, поэтому является более жаростойким материалом, чем муллит, т.к. температура его плавления составляет около 2050°С (для сравнения температура плавления плавленого муллита 1810°С), поэтому введение 45-50% корунда как связующей основы и 20-25% в виде зернистого заполнителя обеспечивает повышение огнеупорности материала до 1900°С.

При содержании корунда фракции менее 0,05 мм выше 50% увеличивается усадка материала и снижается прочность, при содержании менее 45% снижается термостойкость.

При содержании корунда фракции 0,5-0,8 мм более 25% снижается прочность и термостойкость материала, при содержании менее 20% снижается огнеупорность.

Введение в материал 23-27% муллита улучшает спекание и сохраняет прочность и термостойкость материала. Содержание муллита более 27% снижает огнеупорность материала, а содержание менее 23% снижает прочность и термостойкость. При этом содержание мелкой фракции муллита более 22% требует увеличение водной связки - корундового шликера (электрокорунд фракции менее 0,05 мм), т.к. мелкое зерно впитывает в себя больше воды, а это соответственно ведет к увеличению усадки при обжиге и снижению термостойкости.

Содержание мелкой фракции менее 15% снижает спекаемость и прочность материала.

Для сохранения термостойкости материала при общем снижении количества муллита в материал вводят графит в количестве 2-5 мас.%, который, выгорая при температуре обжига, оставляет в материале мелкие закрытые поры, способствующие увеличению термостойкости. Графит намного легче корунда и муллита, поэтому 2-5 мас.% - это значительное объемное количество. Содержание графита менее 2% не создает достаточного количества пор для сохранения термостойкости материала, а содержание графита более 5% требует увеличения водной связки - корундового шликера, т.к. графит отбирает на себя большое количество воды, и масса становится непромешиваемой.

Увеличение количества этилсиликата по сравнению с прототипом связано с увеличением в материале мелкой фракции (графит - по объему), для смачивания которой он необходим. Введение этилсиликата выше 2% нецелесообразно из-за того, что в таком случае все поры зернистого заполнителя закрываются этилсиликатом и между зерном и водной связкой не создается достаточного сцепления для образования однородной литьевой массы.

Технология изготовления изделий из предлагаемой сырьевой смеси заключается в следующем.

Вначале мокрым помолом в шаровых мельницах с корундовой футеровкой и корундовыми мелющими телами приготавливают корундовый шликер, для чего в мельницу загружают соответствующее количество воды и электрокорунда (№50, 63 или 80) и в присутствии специально подобранного электролита - ортофосфорной кислоты - ведут помол в течение 36-48 часов до получения шликера плотностью 2,7-3,0 г/см³, рН 8-10, вязкостью 4-9°Е и остатка на сите 005-10%. Затем приготовленный шликер смешивают с зернистым заполнителем, состоящим из электрокорунда, муллита разных фракций и графита, предварительно смоченным этилсиликатом, после чего литьевую смесь выливают в активные (гипсовые) формы и оставляют в них до формообразования. Затем готовые изделия извлекают из формы и сушат либо на воздухе при комнатной температуре, либо в сушильном шкафу при температуре 60-100°С. По окончании сушки изделия обжигают в туннельной газовой печи при температуре 1450-1550°С.

Предлагаемый состав сырьевой смеси позволяет повысить огнеупорность до 1900°С при сохранении прочности и термостойкости материала, а также снизить температуру обжига до 1450-1500°С.

Изделия, обожженные при более низкой температуре, имея изначально меньшую плотность, чем спеченные при температуре 1550-1580°С, будут иметь большую термостойкость и устойчивость к перепадам температур в процессе эксплуатации.

Из предлагаемой сырьевой смеси изготавливают изделия массой от 0,5 до 25 кг различной конструкции, работающие в промышленных условиях.

В настоящее время при работе в проходных печах для спекания таблеток нитридной керамики и твердых сплавов применяется технологическая оснастка и детали внутренней арматуры печи, изготовленные из молибдена и вольфрама, которые интенсивно корродируют в условиях увлажненной водородной атмосферы печи (спекание таблеток), азотной, насыщенной углеродом (спекание нитридной керамики) и в вакууме с избытком углерода (спекание твердых сплавов). Кроме того, при высоких температурах (до 1800°С), характерных для этих процессов, молибден и вольфрам рекристаллизуются, что приводит к катастрофическому охрупчиванию, изменению размеров деталей оснастки и искажению их формы. Расход материалов для восстановления покоробившихся и прогоревших деталей только из молибдена вакуумной переплавки составляет до 1 т в год.

Заявляемая сырьевая смесь используется для изготовления технологической оснастки и деталей внутренней арматуры печи взамен существующих дорогостоящих материалов молибдена и вольфрама.

Кроме того, из сырьевой смеси были изготовлены электроизоляторы (рабочая температура - 1200°С, работают уже 1,5 года и продолжают работать), комплект керамических изделий, работающих под нагрузкой в печи при обжиге крупногабаритных изделий (рабочая температура -1260°С), футеровка для печей (рабочая температура до 1600°С), горелочные камни для газовых печей (рабочая температура 1600-1650°С), поддоны для тиглей и тиглей для варки стекла (рабочая температура 1500-1570°С) и т.п. Все они испытаны и успешно работают в промышленных условиях.

В таблице 1 приведены составы предлагаемой и известной масс, а в таблице 2 - сравнительные свойства из указанных масс.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сырьевая смесь позволяет повысить огнеупорность до 1900°С по сравнению с прототипом при сохранении прочностных свойств, снизить температуру обжига изделий до 1450-1500°С, увеличить срок службы изделий при температурах 1200-1500°С в 1,5-2 раза.

Таблица 1
Состав сырьевой смеси	Содержание компонентов, мас.%
	Известный	1	2	3	Запредельные значения
					4	5
Электрокорунд фракции менее 0,05 мм	15-20	45	47	50	43	53
Плавленый муллит или высокоглиноземистый шамот с содержанием Al2О 3 68% фракции 0,4-1 мм	35-50	22	17	15	26	13
Плавленый муллит или высокоглиноземистый шамот с содержанием Al2О 3 фракции менее 0,05 мм	остальное
Этилсиликат	0,7-1,0	1	1,5	2	1	1
Электрокорунд фракции менее 0,5-0,8 мм		25	23	20	17	27
Плавленый муллит фракции 1,0-2,5 мм		5	8	8	11	4
Графит		2	3,5	5	2	2
только плавленый муллит

Таблица 2
Свойства	Состав
	Известный	1	2	3	Запредельные значения
					4	5
Температура обжига, °С	1550-1580	1450-1500	1450-1500	1450-1500	1450-1500	1450-1500
Открытая пористость	10-15	14-16	15-16	16-18	13-15	16-18
Кажущаяся плотность, г/см 3	2,7	2,9	3,1	3,0	2,9	3,2
Прочность на сжатие, 20°С, МПа	250-320	240-320	240-320	250-310	250-320	240-280
Термостойкость, к-во теплосмен 1000°С - вода	20-25	20-25	20-25	20-23	20-25	15-17
Огнеупорность, °С	1600	1900	1900	1900	1700	1900
Количество рабочих теплосмен при 1200-1500°С	890		более 1600