ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1996 года по МПК C04B35/52 C04B35/56 C04B35/66 

Изобретение относится к металлургическому и огнеупорному производству, в частности к составам масс для изготовления огнеупорных изделий, преимущественно графитосодержащих тиглей для плавки и раздачи цветных металлов и сплавов, муфелей для получения окиси цинка, подставок и надставок тиглей и другой аналогичной продукции.

Известен огнеупорный материал, содержащий, мас. графит 40-47,8; карбид кремния 2,7-8,6; огнеупорная глина 4 32,7-36,5; антиокислитель (кремний или ферросилиций) 5,4-8,6; кислый золь кремнезема 9,0-13.

Недостатком данного материала является низкое содержание кристаллического карбида кремния, что приводит к относительно пониженной прочности и теплопроводности изделий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является огнеупорный материал, содержащий, мас. графит 27-42; карбид кремния - 18-50; глина огнеупорная 15-28; кремния или ферросилиций 8-12.

Карбид кремния вводится в шихту с целью придания конечному материалу тигля более высокой огнеупорности, и химической стойкости к расплавам металлов, сплавов и других веществ.

Кремний (или ферросилиций) вводится в шихту с целью снижения нежелательного процесса окисления естественного графита, также входящего в состав шихты.

Недостатком данного материала являются его пониженная огнеупорность и недостаточно высокая прочность. Пониженная огнеупорность является следствием использования в шихте естественного графита, в котором зольная часть по массе составляет обычно 8-15% и может достигать 25% Огнеупорность глины, используемой обычно в огнеупорных материалах этого класса, составляет 1580-1730^oС, а огнеупорность зольной составляющей графита - 1360-1390^oC. В итоге после изготовления материала на основе огнеупорной глины и естественного графита, его огнеупорность составляет 1510-1670^oC (вместо огнеупорности 1580-1730^oC, целиком определяемой огнеупорностью глинистой составляющей). Кроме того, материалы, содержащие естественный графит, обладают низкой прочностью из-за низких механических характеристик последнего.

Задачей изобретения является повышение эксплуатационной стойкости огнеупорного материала. Эта задача решается применением в качестве углеродистого компонента порошка искусственного графита, а также использованием в качестве глинистого компонента каолина с добавками огнеупорной глины. Искусственный графит при его производстве проходит высокотемпературную обработку, а следовательно, и термическую очистку в процессе графитации, вследствие чего практически не имеет золы (его зольность по массе составляет лишь сотые доли процента).

Кроме того, прочность отдельных зерен искусственного графита выше, чем прочность зерен естественного графита. Это объясняется более высокой степенью метаморфизма естественного графита и, как следствие этого, меньшей силой взаимодействия соседних графитовых сеток. У искусственного графита такая степень метаморфизма выражена слабее, степень трехмерного упорядочения атомов углерода меньше и поэтому, прочность зерен, а следовательно, и всего конечного материала больше. Установлено, что оптимальное содержание в шихте искусственного графита лежит в диапазоне от 25-39% При содержании графита меньше 25% конечный материал обладает недостаточной термостойкостью, при содержании, большем 39% огнеупорные изделия не обладают необходимым уровнем стойкости к окислению кислородом воздуха при работе в условиях воздействия повышенных температур.

Огнеупорный материал с искусственным графитом в качестве углеродистого компонента массы обладает высоким уровнем физико-механических и эксплуатационных свойств. Дальнейшее повышение этих свойств достигается использованием в качестве глинистого компонента массы каолина с добавками огнеупорной глины.

Качественные каолины, например Просяновский, как правило, имеют более высокое содержание глинозема (по сравнению с огнеупорными глинами) и, как следствие этого, обладает более высокой огнеупорностью. Необходимо отметить, что обычно каолины обладают недостаточно высокой пластичностью, что затрудняет их использование в производстве тиглей в чистом виде, однако введение в состав каолина даже небольшого количества пластичных глин делает всю композицию достаточно пластичной. Оптимальным является содержание каолина в шихте, равное 15-33% При содержании каолина, меньшем 15% его введение не приводит к заметному повышению огнеупорности материала. При содержании каолина, большем 33% происходит снижение термостойкости этого материала.

Содержание огнеупорной глины в массе должно составлять 3-32% Содержание глины менее 3% не позволяет достичь требуемой пластичности массы. При ее содержании, большем 32% не удается достичь необходимой термостойкости материала, так как суммарное содержание в шихте глинистых компонентов (глины и каолина) не должно превышать 38% При больших содержаниях глинистых компонентов материала также обладает недостаточной термостойкостью.

В результате проведенных экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях был выявлен следующий оптимальный состав графитокерамических материалов на основе каолина, огнеупорных глин и тонкодисперсных порошков искусственного графита, мас.

Графит искусственный 25-39
Глина огнеупорная 3-32
Каолин 15-33
Карбид кремния 21-40
Кремний или ферросилиций 7-15.

Содержание в шихте кремния (или ферросилиция) в количестве, меньшем 7% не дает заметного вклада в повышении химической стойкости материала изделия, а в количестве, большем 15% приводит к ухудшению прочностных характеристик этого материала.

Содержание карбида кремния в шихте должно лежать в пределах 21-40. При меньших содержаниях карбида кремния материал не обладает требуемыми уровнями огнеупорности и химической стойкости. При содержании в массе SiC больше 40% материал не обладает достаточной связностью, а следовательно, и прочностью.

Огнеупорный материал в соответствии с настоящим изобретением получают следующим образом (ниже по ходу описания приемов получения материала будут приведены общие сведения по практическому воспроизведению способа для всех вариантов).

Вначале все компоненты подвергаются дроблению с последующим измельчением до фракции 0,2 мм на щековых дробилках, шаровых мельницах или ну другом аналогичном оборудовании. Затем, производится смешение компонентов шихты, например в смесительной машине. После этого в массу вводится связующее - водный раствор сульфитно-спиртовой барды в количестве 6-8% при полусухом прессовании, или 20-25% при пластичном формовании изделий, и производится окончательное смешение массы. Затем, осуществляется прессование или формование изделий, их сушка и обжиг. В случае производства глазурованных тиглей перед обжигом (после сушки) на поверхность тиглей каким-либо из известных способов (окунанием, с использованием краскораспылителя или с применением кисти) наносится суспензия глазури, которая после обжига приобретает свойства твердого покрытия.

В нижеприведенной таблице представлены технологические параметры изготовления (количественный состав компонентов массы) и физико-механические свойства различных вариантов огнеупорного материала, изготовленных в соответствии с формулой настоящего изобретения и вне ее.

Как видно из приведенных данных, содержание компонентов именно в указанных пределах обеспечивает достижение высокого уровня физико-механических свойств предлагаемого огнеупорного материала. Прежде всего это относится к прочностным характеристикам (пределам прочности при сжатии и изгибе) и к огнеупорности, в первую очередь определяющей предел практического использования тигля по параметру рабочей температуры.

При этом, предел прочности при сжатии повышается в среднем на 22% предел прочности при изгибе на 18% и огнеупорности на 43^oC. Это повышение физико-механических характеристик приводит к повышению эксплуатационной стойкости тиглей примерно на 20% относительно прототипа.

Использование: материал предназначен для металлургических и огнеупорных производств, в частности как основа огнеупорных изделий, преимущественно графитосодержащих тиглей для плавки и раздачи цветных металлов и сплавов, муфелей для получения окиси цинка, подставок и надставок тиглей и другой аналогичной продукции. Сущность изобретения: задача изобретения заключается в повышении характеристик предлагаемого материала (в частности огнеупорности и прочности). Это достигаются путем использования в качестве углеродистой составляющей искусственного графита (вместо естественного графита) и использованием в качестве глинистого компонента каолина с добавками огнеупорной глины. 1 табл.

Огнеупорный материал на основе композиции из огнеупорного глинистого и тонкодисперсного углеродистого компонентов с добавками кремния или ферросилиция и карбида кремния, отличающийся тем, что в качестве тонкодисперсного углеродистого компонента он содержит искусственный графит, а в качестве гилинистых компонентов каолин и огнеупорную глину при их суммарном содержании не более 38 мас. при следующем содержании компонентов в композиции, мас.

Графит искусственный 25 39
Каолин 15 33
Глина огнеупорная 3 32
Кремний или ферросилиций 7 15
Карбид кремния 21 40