СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОГНЕУПОРНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ОКСИДА ХРОМА Российский патент 2005 года по МПК C04B35/12 

Изобретение относится к керамическому материаловедению и может быть использовано для изготовления хромоксидного огнеприпаса при производстве стекловолокна.

Анализ опыта различных стран в решении проблем устранения температурной неоднородности в зонах формирования струй и стабилизации истечения струй с регулируемой температурой и вязкостью связано с использованием жаропрочных сплавов в контакте с агрессивными расплавами стекла ″Е″ или базальтовых пород и эффективной тепловой защитной конструкцией промышленного оборудования. Температурный предел использования жаропрочных сплавов ограничен диапазоном 1100-1300°С, а выше этого предела, например, в плавильных камерах при изготовлении непрерывных сверхтонких волокон используется дорогой сплав платины, а применение теплоизоляционных конструкций сложной формы не всегда оправдан на практике.

Оксид хрома является огнеупорным материалом с высокой химической устойчивостью к расплавам бесщелочных стекол. Проблемы футеровки стекловаренных печей, например, для получения шариков для двухстадийного способа изготовления стекловолокна, решаются путем использования высокоплотных огнеупоров из оксида хрома в контакте с агрессивной средой и пористыми материалами из оксида хрома для защиты от теплопотерь. Получение изделий разного целевого назначения требует использования отдельных технологий (Леонов А.И. - ″Известия АН СССР″, ″Неорганические материалы″, 1966 г. Т.2, №12, с.2168-2174; RU 2172726 C1).

Известна шихта и способ изготовления огнеупорных изделий, включающих окись хрома, двуокись титана, раствор метилцеллюлозы и спекающую добавку при содержании компонентов,% мас.:

Окись хрома 81,85-88,95Двуокись титана 3-6Раствор метилцеллюлозы 0,05-0,15Окись железа 5-15

а способ изготовления изделий осуществляют путем формования, обжига изделий при температуре 1600-1700°С и охлаждения, причем подъем температуры до1600°С осуществляют при парциальном давлении кислорода 10²-10 Па, в интервале 1600-1700°С при 10^-7-10^-8 Па, а охлаждение при том же парциальном давлении, что и в первом интервале (SU 992486).

Недостатком известного способа является сложность регулирования парциального давления кислорода в широком диапазоне значений в промышленном процессе и значительные потери объема огнеупора в процессе эксплуатации при открытой пористости 1,9-4,2%, а высокое содержание железа снижает качество получаемых стекловолокон.

Известен способ изготовления огнеупорных изделий из оксида хрома путем их формования и обжига в восстановительной или нейтральной атмосфере в присутствии углеродсодержащего материала, который изолирован от обжигаемых изделий, причем соотношение поверхностей углеродсодержащего материала и изделий находится в пределах от 1:1,1 до 5-10 (SU 528291).

Недостаток известного способа состоит в том, что реализация процесса уплотнения может быть осуществлена только путем диффузии через газовую фазу, которая требует высоких температур (1750°С), а процесс уплотнения замедляется, при образовании поверхностного плотного слоя, что требует длительных изометрических выдержек и трудно реализуем в известных конструкциях керамических печей при промышленном изготовлении крупногабаритных изделий.

Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности -прототипом - является способ изготовления огнеупорных изделий на основе оксида хрома, включающий формование сырца и обжиг в восстановительной среде, причем окись хрома перед формованием смачивают 2-15% суспензии тонкодисперсной сажи в растворе метилцеллюлозы при соотношении углерода и метилцеллюлозы от 1:12 до 1:7,5 (SU 876609).

Недостатком известного способа является равномерное распределение углеродной компоненты в объеме отформованного сырца, не позволяющее получать структуру с регулируемым распределением плотности по сечению изделия, которое принципиально важно при создании малогабаритных нагревательных конструкций, например, плавильных узлов для термической подготовки и плавления стекломассы при выработке стекловолокна двухстадийным методом.

Задачей авторов является разработка способа изготовления огнеупорных изделий из оксида хрома, обеспечивающего достижение цели - получение структуры с регулируемым распределением плотности по сечению огнеупорного изделия.

Поставленная цель достигается, в отличие от известного способа, тем, что формируемую рабочую поверхность огнеупорных изделий подвергают воздействию восстановительной среды путем непосредственного поверхностного контакта в сырце с углеродным компонентом, обжиг ведут в газопламенных печах с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,3, осуществляют при конечных температурах обжига изотермические выдержки в пределах получения заданного соотношения слоев плотной и пористой структуры.

В результате реализации способа возможны варианты использования углеродного компонента в виде зернистых масс или плотных тел различных способов изготовления.

Сущность заявляемого технического решения состоит в комплексе операций и технологических параметров, принципиальным отличием которых является обжиг одновременно в окислительной и восстановительной среде различных объемов пористой заготовки, позволяющим в одном изделии совместить устойчивость огнеупора к агрессивному воздействию стекломассы и теплоизоляционную функцию и, как следствие, возникает возможность для эксплуатационников в широком диапазоне варьировать массо-габаритные характеристики огнеупорных изделий целевого назначения. Значения коэффициента избытка воздуха от 1,05-1,3 необходимы и достаточны для полного сгорания углеродсодержащего газового топлива и создания окислительной среды. Соотношение слоев плотной и пористой структуры определялось экспериментально в диапазоне температур 1400-1750°^-С, при различной пористости формованного сырца и диффузионных характеристик в плотном слое.

Пример осуществления.

1. Предложенный способ был реализован при изготовлении фильерного питателя в виде пустотелого усеченного конуса с высотой, равной 212,5 мм, и толщиной стенки 25 мм для комплектации плавильного узла при производстве стекловолокна.

2. Исходные сырье и материалы.

2.1. Оксид хрома, марки ОХМ-1, ГОСТ 2912-79.

2.2. Сульфатно-спиртовая бражка (ССБ).

2.3. Высокоплотные плиты из оксида хрома.

2.4. Криптол с размером частиц от 100 мкм до 1000 мкм.

3. Оксид хрома с дисперсностью частиц 50-70 мкм смешивали с ССБ в количестве 8% мас. сверх 100%.

Полученную шихту уплотняли в пресс-форме методом вибропрессования с пригрузом, при давлении 300-350 ^кг/_см ², получая при этом заготовку сырца с пористостью 50-60%.

4. Полученный сырец устанавливали большим основанием на плиту из оксида хрома. Пустотелый объем заполняли криптоловой крошкой с последующим уплотнением ручной вибропрессовкой. После заполнения пустотелого конуса на верх сырца помещали плиту из оксида хрома. Получали замкнутый объем внутри пустотелого конуса.

5. После предварительной сушки при температуре 80-90°С, до влажности сырца 0,1-0,2%, заготовку помещали в камерную газовую печь. Подъем температуры до 1600°С вели со скоростью 300-400°С в час по газу, с коэффициентом расхода воздуха 1,15. На основе экспериментальных данных времени прогрева заготовки и теплотехнических расчетов потребителя для получения соотношения плотного слоя к пористой структуре 1:1 была определена изотермическая выдержка в диапазоне 3-4 ч.

6. Спеченные изделия выборочно исследовали путем металлографического анализа вертикального разреза изделия и вырезки образцов из рабочего и теплоизоляционного слоя. Толщина плотного слоя составляла 12-12,5 мм, соответственно изменялись и размеры теплоизоляционного слоя. Плотность контактного слоя колебалась в пределах 5,1-5,15 г/см³, а слоя с пористой структурой 2,7-2,9 г/см³, что соответствовало общей пористости 43-47%.

Использование фильерного питателя в плавильном узле при изготовлении непрерывных нитей из бесщелочного стекла ″Е″ позволило устранить неоднородность температурного поля при повышенных температурах процесса, уменьшить вязкость расплава, при одновременной стабилизации истечение струй, повысить качество нитей, увеличить производительность в 1,5 раза и сократить расход платины на 30%, что в целом по производству составляет 63 кг, при прогнозируемой годовой экономии в 1260 тыс.$.

Практическое осуществление заявляемого способа подтверждает, что предлагаемое техническое решение является конкурентноспособным при изготовлении огнеупорных изделий из оксида хрома, приводит к рациональному использованию дорогостоящих материалов в процессе изготовления стекловолокна при значительном снижении финансовых затрат на изготовление единицы продукции.

Изобретение относится к керамическому материаловедению и может быть использовано для изготовления хромоксидного огнеприпаса при производстве стекловолокна. Технический результат изобретения: получение структуры с регулируемым распределением плотности по сечению огнеупорного изделия. Формируемую рабочую поверхность огнеупорных изделий из оксида хрома подвергают воздействию восстановительной среды путем непосредственного контакта в сырце с углеродным компонентом. Обжиг ведут в газопламенных печах с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,3, при конечных температурах обжига осуществляют изотермические выдержки в пределах получения заданного соотношения слоев плотной и пористой структуры. Углеродный компонент используют в виде зернистых масс (криптоловая крошка) или плотных тел различных способов изготовления. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления огнеупорных изделий из оксида хрома, включающий формование сырца и обжиг в контакте с углеродсодержащим компонентом в газовой среде, отличающийся тем, что формируемую рабочую поверхность огнеупорных изделий подвергают воздействию восстановительной среды путем непосредственного поверхностного контакта в сырце с углеродным компонентом, обжиг ведут в газопламенных печах с коэффициентом избытка воздуха 1,05-1,3, осуществляют при конечных температурах обжига изотермические выдержки в пределах получения заданного соотношения слоев плотной и пористой структур.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеродный компонент используют в виде зернистых масс или плотных тел различных способов изготовления.