МУЛЛИТОВЫЙ СВС-МАТЕРИАЛ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК C04B35/185 C04B35/65 C04B41/87 

Изобретение относится к огнеупорным алюмосиликатным материалам, содержащим оксид алюминия и диоксид кремния, а именно к огнеупорным муллитовым материалам со стехиометрическим соотношением указанных оксидов, соответствующих химической формуле 3Al₂О₃•2SiO₂, и может широко использоваться в промышленности для изготовления огнеупорных футеровочных покрытий и изделий.

Известны и широко используются в различных областях промышленности алюмосиликатные, в том числе высокоглиноземистые, в частности муллитовые и муллитокорундовые огнеупорные материалы, получаемые спеканием технического глинозема (для синтеза муллита) - (см. Стрелов К.К. и др. Технология огнеупоров. - М.: Металлургия, 4-е изд., перераб. и доп., 1988, с. 296-307).

Однако их физико-механические и теплофизические характеристики недостаточно высоки для работы во многих агрессивных высокотемпературных средах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому изобретению является муллитовый материал для производства огнеупорных изделий, содержащий муллит состава 3Al₂О₃•2SiO₂ и полученный экзотермическим синтезом (методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, сокращенно СВС-процесс) исходной смеси, включающей диоксид кремния и алюминий с раствором жидкого стекла при следующем составе исходной смеси, мас.%:
Диоксид кремния - 70-80
Алюминий - 20-30
30-50%-ный Раствор жидкого стекла, % от массы шихты - 16-18
(См. Патент России 2101263, С 04 В 35/66 - ПРОТОТИП).

Недостатком указанного состава является его высокая стоимость, связанная с использованием в качестве кремнеземсодержащего сырья песка высокой марки С 070-1, предназначенного для стекольной промышленности, а также большого количества дорогостоящего порошкообразного алюминия.

Задачей предлагаемого изобретения является удешевление и расширение сырьевой базы при создании состава муллитовый СВС-материал для производства огнеупорных изделий и покрытий за счет утилизации промотходов.

Поставленная задача достигается тем, что в муллитовом СВС-материале, содержащем муллит состава 3Al₂О₃•2SiO₂, включающий диоксид кремния и алюминий, смешанные с раствором жидкого стекла, в качестве диоксида кремния используется зола-унос ТЭЦ и дополнительно введена глина при следующем составе исходной смеси, мас.%:
Зола-унос ТЭЦ - 74-85
Алюминий - 12-18
Глина - 3-5
20%-ный Раствор жидкого стекла, % от массы смеси - 10-13
Указанный муллитовый материал для шликерного покрытия может дополнительно содержать тетрафторборат калия в количестве 2-3% от массы исходной шихты.

Указанное соотношение компонентов исходной смеси путем использования СВС-процесса обеспечивает получение огнеупорного материала с содержанием в нем 65-68% муллита.

Экономическая целесообразность этого предложения в составе предлагаемого изобретения обосновывается тем, что зола-унос ТЭЦ в зависимости от природы своего происхождения содержит от 48 до 53 мас.% диоксида кремния и от 15 до 36 мас. % оксида алюминия, которые в композиции с мелкодисперсным алюминием участвуют в экзотермическом самораспространяющемся синтезе муллитового СВС-материала.

В прототипе по данным термодинамического расчета наиболее благоприятные условия образования муллита (61-72 мас.%) соответствуют исходным шихтовым композициям, содержащим 25-35 мас.% алюминия.

Анализ результатов термодинамических расчетов показал, что в ходе экзотермического СВС-процесса зольных композиций при меньшем содержании в них мелкодисперсного алюминия, лишь 12-18 мас.%, при температуре 1400^oС образуется сопоставимое количество муллита, а именно 65-68%.

Для получения муллитового СВС-материала исходную смесь порошкообразных компонентов смешивают с раствором жидкого стекла. Из полученной массы формуют изделия, сушат их и далее нагревают в электропечи до температуры инициирования реакции образования муллита (670-800^oС). Далее процесс синтеза муллита идет без дополнительного подвода тепла за 50-70 с за счет самораспространяющейся экзотермической реакции взаимодействия компонентов исходной смеси при температуре 1300-1600^oС.

При использовании исходной смеси для нанесения шликерных покрытий операция формования исключается и заменяется операцией нанесения покрытия на требуемую поверхность.

Для обеспечения однородности структуры конечного продукта, стабильности его свойств используются мелкодисперсные порошкообразные компоненты. Зола-унос и глина имеют размер частиц 160-50 мкм и менее; порошок алюминия и тетрафторборат калия используют в соответствии с действующими на них ГОСТами. Тетрафторборат калия при наличии признаков слеживаемости измельчается до исчезновения комков.

Ниже приведены конкретные примеры исходных смесей, используемых в рамках предлагаемого изобретения для получения муллитового СВС-материала.

Пример 1. Муллитовый СВС-материал, изготовленный путем смешения исходной смеси, содержащей золу-уноса ТЭЦ 85 мас.%, алюминия 12 мас.%, глины 3 мас.%, с 20%-ным раствором жидкого стекла в количестве 10% от веса исходной смеси.

Пример 2. Муллитовый СВС-материал, изготовленный путем смешения исходной смеси, содержащей золу-уноса ТЭЦ 80 мас.%, алюминия 15 мас.%, глины 5 мас.%, с 20%-ным раствором жидкого стекла в количестве 10% от веса исходной смеси.

Пример 3. Муллитовый СВС-материал, изготовленный путем смешения исходной смеси, содержащей золу-уноса ТЭЦ 74 мас.%, алюминия 18 мас.%, глины 5 мас.%, тетрафторборат калия 3 мас.%, с 20%-ным раствором жидкого стекла в количестве 25% от веса исходной смеси.

Опытным путем установлено, что приведенные выше составы имеют близкие между собой физико-химические и эксплуатационные характеристики, не уступающие стандартным высокоглиноземистым огнеупорам с содержанием Al₂О₃ выше 45% и материалу прототипа. Ниже приведена сравнительная таблица характеристик огнеупорных материалов.

За пределами заявленных составов не достигается поставленная цель.

Предлагаемое изобретение обеспечивает дешевизну и доступность основного сырья за счет снижения количества вводимого алюминия и использования в качестве кремнеземсодержащего компонента золы-уноса ТЭЦ, что открывает новые пути утилизации промотходов, позволяет экономить энергоресурсы за счет малого времени протекания процесса синтеза конечного продукта -муллитового СВС-материала, способствует улучшению экологической обстановки в регионах.

Разработанные огнеупорные муллитовые СВС-материалы прошли лабораторные испытания, подтверждающие их целевое предназначение, в частности, в качестве футеровочных покрытий на высокоглиноземистые и шамотные огнеупоры типа ША-5 и ШБ-1.

Изобретение относится к огнеупорным алюмосиликатным материалам, а именно к огнеупорным муллитовым материалам со стехиометрическим соотношением указанных оксидов, соответствующих химической формуле 3Al₂O₃•SiO₂, и может широко использоваться в промышленности для изготовления огнеупорных футеровочных покрытий и изделий. СВС-материал имеет следующий состав исходной смеси, мас. %: зола-унос ТЭЦ 74-85; алюминий 12-18; глина 3-5; 20%-ный раствор жидкого стекла, % от массы смеси 10-15. Указанный муллитовый материал для шликерного покрытия может дополнительно содержать тетрафторборат калия в количестве 2-3% от массы исходной смеси. Соотношение компонентов исходной смеси обеспечивает получение огнеупорного материала с содержанием в нем 65-68% муллита. Использование в больших количествах золы-уноса ТЭЦ в качестве исходного сырья способствует удешевлению продукции за счет снижения количества вводимого алюминия и расширению сырьевой базы за счет утилизации промотходов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Муллитовый СВС-материал для производства огнеупорных материалов, содержащий муллит состава 3Al₂O₃•2SiO₂, полученный экзотермическим синтезом исходной смеси шихты, содержащей диоксид кремния и алюминий с раствором жидкого стекла, отличающийся тем, что в исходной смеси в качестве диоксида кремния используется зола-уноса ТЭЦ, дополнительно вводится глина при следующем их соотношении, мас. %:
Зола-унос ТЭЦ - 74-85
Алюминий - 12-18
Глина - 3-5
20%-ный раствор жидкого стекла, % от массы шихты - 10-15
2. Муллитовый материал по п. 1, отличающийся тем, что исходная смесь дополнительно содержит тетрафторборат калия в количестве 2-3% от массы исходной смеси.