ПЛАВЛЕНЫЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2009 года по МПК C04B35/657 

Описание патента на изобретение RU2371422C1

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для производства широкого ассортимента высокоглиноземистых огнеупорных масс и изделий с температурой службы до 1600-1650°С и выше.

Известен плавленый огнеупорный материал на основе оксида алюминия, содержащий, мас.%: SiO2 16,0-24,0; Na2O 1,3-2,0; Сr2O3 12,0-30,0; Аl2O3 - остальное [1].

Огнеупор указанного состава имеет повышенную термостойкость и достаточную коррозионную стойкость к сульфатно-карбонатным солевым расплавам. При этом предлагаемый огнеупорный материал обладает высокой огнеупорностью (более 1800°С), что обусловлено преобладанием в его составе оксидов хрома и алюминия с температурой плавления соответственно 2330 и 2050°С. Недостатком известного огнеупора является низкая устойчивость к расплавленным металлам с высоким химическим сродством к кислороду, в частности к алюминию, кремнию, магнию и др. Низкая металлоустойчивость данного огнеупорного материала к высокоагрессивным расплавам обусловлена высоким содержанием в его составе оксидов хрома и кремния. Избыточное содержание последнего приводит также к резкому снижению показателей термопрочности огнеупора.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является плавленый высокоглиноземистый огнеупорный материал, содержащий, мас.%:

Аl2O3 64-85 Сr2O3 13-35 Na2O 0,1-0,5 СаО 0,8-2,5 [2].

Известный огнеупорный материал имеет повышенную коррозионную стойкость в расплавах многощелочных силикатных стекол. Использование указанного состава огнеупорного материала позволяет организовать производство огнеупоров для оптической промышленности, увеличить продолжительность компании стекловаренных печей за счет большей коррозионной стойкости огнеупоров при высоком качестве стеклопродукции.

Недостатком этого плавленого материала является низкая устойчивость к высокотемпературным восстановительным газовым средам и металлическим расплавам с высоким сродством к кислороду, что обусловлено спецификой его химико-минерального состава и микроструктуры. Высокое содержание оксида хрома в известном огнеупорном материале приводит к карботермическому и металлотермическому восстановлению хрома при службе огнеупора в металлургических агрегатах по следующим химическим реакциям:

;

,

что в конечном итоге приводит к быстрому износу футеровок металлургических агрегатов.

В настоящей заявке поставлена задача - разработать состав плавленого огнеупорного материала различного назначения с высоким комплексом физико-химических свойств: устойчивости к высокоагрессивным восстановительным средам, расплавам высокоактивных легких металлов, шлаков, флюсов и солей при сохранении высокой огнеупорности, температуры размягчения под нагрузкой и износоустойчивости.

Поставленная задача решается тем, что плавленый огнеупорный материал, включающий оксиды алюминия, хрома, натрия и кальция, дополнительно содержит оксиды магния и кремния, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 0,8-3,0; СаО 6,0-12,0; Сr2O3 6,0-12,0; MgO 1,0-3,0; SiO2 0,2-0,4; Аl2O3 - остальное.

Сущность изобретения состоит в том, что за счет введения MgO, SiO2 и изменение количественного содержания компонентов в интервале заданного состава, в процессе получения плавленого материала регулируют его минеральный (фазовый) состав, а при охлаждении плавленого материала конкретного минерального состава формируют оптимальную макро- и микроструктуру, которая в конечном итоге является главным фактором, определяющим комплекс необходимых качественных характеристик, в том числе физико-химических и эксплуатационных свойств готового изделия.

Композиция заявленного плавленого огнеупорного материала установлена по результатам анализа экспериментальных данных при изучении фазового состава, структуры и свойств различных вариантов количественного содержания компонентов.

Дополнительное введение в состав заявляемого материала оксидов MgO и SiO2 интенсифицирует формирование термопрочной исходной плавленой структуры и спекание порошкового и зернистого материала при изготовлении из него огнеупорных изделий. Снижение содержания оксида хрома до 6-12 мас.% с одновременным увеличением количества СаО до 6-12 мас.% резко повышает устойчивость материала к высокоагрессивным восстановительным средам и высокоактивным легким металлам (Al, Si, Mg, Ti и др.), что обусловлено образованием термодинамически прочных, тугоплавких соединений и твердых растворов в системе CaO-Cr2O3-Al2O3-MgO-SiO2: СаО·6(Al,Cr)2О3 (бонит), MgO·Аl2O3 (шпинель), Na2O·12(Al,Cr)2О3·(Al,Cr)2О3 (рубин) и др.

При содержании MgO менее 1,0 мас.% выход шпинели составляет менее 3,6 мас.%, что недостаточно для формирования термостойкой, устойчивой к карботермическому и металлотермическому восстановлению микроструктуры плавленого материала. При содержании MgO и Сr2О3 больше заявляемых пределов образуется повышенное количество хромшпинелида MgCr2O4, что приводит к резкому снижению устойчивости к восстановительным средам, высокоактивным металлам и термостойкости.

Функциональная роль SiO2 совместно с MgO заключается в образовании магнезиально-силикатного стекла, увеличивающего механическую прочность материала. Оптимальное количество SiO2 0,2-0,4 мас.%. При меньших содержаниях

SiO2 не формируется прочный монолитный материал. В случае превышения SiO2 0,4% существенно снижаются показатели термомеханических свойств, в частности температура начала размягчения под нагрузкой. Кроме того, более высокое содержание SiO2 отрицательно влияет на показатели химической стойкости материала к восстановительным средам.

Оксиды Na2O и СаО находятся в плавленом материале преимущественно в виде тугоплавких высокоглиноземистых алюминатов Na2O·11 Аl2O3 и СаО·6 Аl2O3, содержащих в виде твердого раствора Сr2O3. Функциональная роль их в свойствах огнеупора заключается в обеспечении достаточной термостойкости и устойчивости к высокотемпературному восстановлению. При содержании этих оксидов менее заявляемых пределов существенно снижается термостойкость и возрастает реакционная способность материала к легким металлам и углеродсодержащим реагентам (С, СО). При превышении заявляемых пределов содержаний Nа2О и СаО уменьшается шлакоустойчивость огнеупорного материала. При содержании оксида хрома более 12 мас.% снижается устойчивость к восстановительным средам. Если содержание этого оксида менее 6 мас.%, не обеспечивается достаточная термическая стойкость огнеупора.

Для получения плавленого огнеупорного материала использовали смеси оксидов: MgO, SiO2, Na2O, СаО, Сr2О3 и Аl2O3 технической чистоты, а также природное минеральное сырье, синтетические и техногенные материалы идентичного вещественного состава. Химический состав исходных шихт рассчитывали с учетом селективных потерь сырьевых материалов за счет пылеуноса, дегидратации, декарбонизации и частичного испарения в процессе плавки.

Для осуществления плавки применяли электродуговую печь РК3-3, шихты плавили при удельном расходе электроэнергии 1720 кВт·ч на 1 т, сливали расплав в изложницу и охлаждали.

Примеры составов шихты для получения заявляемого плавленого материала и материала-прототипа приведены в таблице 1. Полученный в примерах 1-5 плавленый огнеупорный материал имеет полиминеральный состав, представленный хромсодержащими бонитом СаО·6(Al,Cr)2O3, алюминатом натрия Na2O·11(Al,Cr)2O3, рубином (Al,Cr)2O3, шнипелью Mg(Al,Cr)2O4 и стеклофазой СаО·Аl2O3·nSiO2. Материал-прототип принципиально отличается от заявляемого отсутствием шпинели и стеклофазы, низким содержанием бонита, высокой концентрацией в нем и рубине Сr2O3.

Физико-химические свойства определяли на образцах, выпиленных из слитков плавленого материала, после сушки при 110°С в течение 4 ч. Огнеупорность определяли по ГОСТ 4069-69, температуру начала деформации под нагрузкой - по ГОСТ 4070-2000, предел прочности при сжатии - по ГОСТ 4071.1-94. Для определения термостойкости образцы подвергали термоциклированию по режиму: нагрев до 1300°С - резкое охлаждение на воздухе.

Устойчивость к расплавам легким металлов выполняли тигельным методом. С этой целью в образцах высверливали цилиндрическое углубление диаметром 24 и глубиной 32 мм, которое заполняли алюминием марки АПВ. Тигли с алюминием нагревали до температуры 850°С. После термообработки при этой температуре в течение 24 ч образцы охлаждали вместе с печью, разрезали и подвергали петрографическому и рентгенофазовому анализам.

Для оценки устойчивости к газовой восстановительной среде образцы обжигали в коксовой засыпке при температуре 1200°С в течение 4 ч. После охлаждения в образцах определяли содержание восстановленного металлического хрома аналогичными методами.

Физико-химические свойства плавленого огнеупорного материала приведены в таблице 2. Из данных таблицы 2 видно, что заявленный плавленый огнеупорный материал имеет значительно более высокие показатели устойчивости к металлотермическому и карботермическому восстановлению. При этом огнеупорность и термопрочные свойства заявляемого материала сохраняются на достаточно высоком уровне.

Данные свойства дают возможность использовать заявляемый плавленый огнеупорный материал в качестве эффективного синтетического минерального сырья для производства широкого ассортимента высокоглиноземистых огнеупоров с температурой службы до 1600-1650°С, в том числе в агрессивных газовых средах и металлических расплавах.

Для организации промышленного производства плавленого огнеупорного материала не требуется специально металлургического оборудования и дефицитных сырьевых материалов.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. А.с. SU 1512956 A1, С04В 35/10.

2. А.с. SU 893962, С04В 35/10, С04В 35/62.

Таблица 1 Химический состав плавленого огнеупорного материала № состава Содержание компонентов, мас.% MgO SiO2 Na2O СаО Сr2O3 Аl2O3 1 0,5 0,1 0,5 5,6 5,5 87,8 2 1,0 0,4 0,8 6,0 6,0 85,8 3 2,0 0,3 1,8 10,5 10,7 74,7 4 3,0 0,2 3,0 12,0 12,0 69,8 5 3,5 0,5 3,5 12,5 13,0 67,0 6*) - - 0,5 2,5 15,0 82,0 *)- прототип [2].

Похожие патенты RU2371422C1

название год авторы номер документа
ПЛАВЛЕНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ МАГНЕЗИАЛЬНОЙ ШПИНЕЛИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2009
  • Перепелицын Владимир Алексеевич
  • Куталов Виктор Геннадьевич
  • Арзамасцев Николай Николаевич
  • Рытвин Виктор Михайлович
  • Юмагулов Марат Хабибулович
  • Гильварг Сергей Игоревич
  • Игнатенко Владимир Геннадьевич
RU2417201C2
ПЛАВЛЕНЫЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ 2014
  • Перепелицын Владимир Алексеевич
  • Рытвин Владимир Михайлович
  • Гильварг Сергей Игоревич
  • Кузьмин Николай Владимирович
  • Куталов Виктор Геннадьевич
  • Кочетков Виктор Викторович
  • Мерзляков Виталий Николаевич
  • Панов Евгений Валерьевич
RU2574236C2
ПЛАВЛЕНЫЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ 2010
  • Перепелицын Владимир Алексеевич
  • Рытвин Виктор Михайлович
  • Гришпун Ефим Моисеевич
  • Гильварг Сергей Игоревич
  • Гороховский Александр Михайлович
  • Карпец Людмила Алексеевна
RU2431626C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРДИЕРИТА НА ОСНОВЕ ДУНИТА 2008
  • Павлов Игорь Вячеславович
  • Шабанов Василий Филиппович
  • Нефедов Борис Николаевич
  • Павлов Вячеслав Фролович
RU2378225C2
МАГНЕЗИАЛЬНО-СИЛИКАТНЫЙ ОГНЕУПОР 2001
  • Савченко Ю.И.
  • Савченко И.Ю.
RU2182140C1
ПЛАВЛЕНОЛИТОЙ ВЫСОКОХРОМИСТЫЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ 2015
  • Соколов Владимир Алексеевич
  • Гаспарян Микаэл Давидович
  • Ремезов Михаил Борисович
  • Ивлев Сергей Алексеевич
RU2581182C1
МАГНЕЗИАЛЬНО-ШПИНЕЛИДНЫЙ ОГНЕУПОР 2002
  • Савченко Ю.И.
  • Шевцов А.Л.
  • Солодова Л.И.
  • Протасов В.В.
  • Вислогузова Э.А.
  • Шубин В.И.
RU2198859C1
ОГНЕУПОРНЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ХРОМИСТОГО ГЕКСААЛЮМИНАТА КАЛЬЦИЯ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ 2009
  • Замятин Степан Романович
  • Гельфенбейн Владимир Евгеньевич
  • Журавлев Юрий Леонидович
  • Матвеева Оксана Львовна
RU2401820C1
ПЛАВЛЕНОЛИТОЙ ХРОМСОДЕРЖАЩИЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ 2012
  • Соколов Владимир Алексеевич
  • Гаспарян Микаэл Давидович
  • Савкин Александр Евгеньевич
  • Глаговский Эдуард Михайлович
RU2495000C2
ФУТЕРОВКА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РЕАКТОРА ГАЗИФИКАТОРА 2006
  • Шампион Тибо Пьер Поль
  • Ис Кристиан Клод
  • Вийермо Франселина Маргарита Луиза
RU2403229C2

Реферат патента 2009 года ПЛАВЛЕНЫЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ

Изобретение относится к высокоглиноземистым огнеупорным массам и изделиям с температурой службы до 1600-1650°С и выше. Технический результат изобретения заключается в повышении устойчивости огнеупорного материала к высокоагрессивным восстановительным средам, расплавам высокоактивных легких металлов. Плавленый огнеупорный материал содержит следующие компоненты, мас.%: Na2O - 0,8-3,0; СаО - 6,0-12,0; Сr2О3 - 6,0-12,0; MgO - 1,0-3,0; SiO2 - 0,2-0,4; Аl2О3 - остальное. 2 табл.

Формула изобретения RU 2 371 422 C1

Плавленый огнеупорный материал, включающий оксиды натрия, кальция, хрома и алюминия, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оксиды магния и кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na2O 0,8-3,0; СаО 6,0-12,0; Сr2О3 6,0-12,0; MgO 1,0-3,0; SiO2 0,2-0,4; Аl2О3 - остальное.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2371422C1

Электроплавленый огнеупорный материал 1980
  • Попов Олег Николаевич
  • Рыбалкин Петр Тихонович
  • Соколов Владимир Алексеевич
  • Иванов Сергей Дмитриевич
SU893962A1
ПЛАВЛЕНОЛИТОЙ ГЛИНОЗЕМИСТЫЙ ОГНЕУПОРНЫЙ МАТЕРИАЛ 1992
  • Соколов Владимир Алексеевич
RU2039025C1
JP 8034666 А, 06.02.1996
US 3844803 А, 29.10.1974
Стенд для испытания бульдозерного оборудования 1981
  • Зоробян Сурен Рубенович
  • Симятицкий Исаак Лейбович
SU989005A1

RU 2 371 422 C1

Авторы

Перепелицин Владимир Алексеевич

Рытвин Виктор Михайлович

Гильварг Сергей Игоревич

Игнатенко Владимир Геннадьевич

Абызов Александр Николаевич

Даты

2009-10-27Публикация

2008-06-06Подача