СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОРДИЕРИТА НА ОСНОВЕ ДУНИТА Российский патент 2010 года по МПК C04B35/195 C04B35/653 

Изобретение относится к производству огнеупоров, конкретно к получению кордиерита на основе шихты из дунита и боя шамотных кирпичей, и может использоваться в промышленности огнеупорных материалов и в металлургии.

Известен способ получения кордиерита из природных материалов в присутствии Аl₂О₃-содержащих компонентов ([1] Огнеупоры №2, 1987, С.24-26 /Зобина Л.Д., Семченко Г.Д., Тарнопольская Р.А., Харитонов Ф.Я., Рудницкая В.П.), в котором синтез кордиеритовых спеков осуществляется из стехиометрической тонкомолотой смеси талька, каолина и глинозема при температуре выше 1350°С, а также дополнительной выдержкой при 1000°С. При этом фактическая объемная доля кордиеритовой фазы составляет 60%. Недостатками способа являются наличие в полученном продукте вредных примесей Сr₂O₃, NiO, Fe₂O₃ и стекла, снижающих огнеупорность изделий.

Известен способ получения кордиерита, включающий плавление шихты на основе силиката магния и алюмосиликата с добавкой угля, удаление металлической части расплава в виде железа и кремния, получение стекловидного материала с последующей термообработкой для получения кристаллического кордиерита, содержащего, мас.%: MgO 10-30; Аl₂О₃ 15-50; SiO₂ 35-70 [2] (US 2731355, опубл. 17.01.1956, (3с.). Данный способ выбран в качестве прототипа по максимальному совпадению существенных признаков.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения кордиерита в качестве силиката магния используется дунит, в качестве алюмосиликата - бой шамотного кирпича. К дуниту следующего состава, мас.%: MgO 48,55; SiO₂ 42,1; Аl₂O₃ 0,26; Fe₂О₃ 7,05; FeO 1,16; СаO 0,1; Cr₂О₃ 0,45; NiO 0,17; P₂O₅ 0,05; SO₃ 0,09; TiO₂ 0,02, добавляют бой шамотного кирпича состава, мас.%: SiO₂ 54,9; Аl₂O₃ 39,9; Fе₂O₃ 3,02; MgO 0,48; SO₃ 0,12; TiO₂ 1,58, в количестве, обеспечивающем соответствие химического содержания Аl₂O₃ в пеносиликате стехиометрическому количеству Аl₂О₃ в кордиерите, затем бурый уголь в количестве 5-10% сверх 100%. Плавят в восстановительной среде при температуре 1600°С в течение 2 часов до полного разделения расплава на металлическую и силикатную части. Расчет количества боя шамотных кирпичей осуществляется исходя из соответствия %-го содержания по массе окиси алюминия в шихте стехиометрическому содержанию ее в кордиерите. В процессе плавления с разделением расплава содержание окиси алюминия в силикатной части расплава контролируется методом рентгенофлуоресцентного анализа проб. Состав при отклонении от заданного корректируется подшихтовкой расплава.

Металлическая часть расплава состава, мас.%: Fe 68,1; Si 26,2; Ni 0,93; Cr 2,7; Ti 1,7; S 0,07; P 0,3; отделяется и сливается в изложницы.

Силикатная часть расплава охлаждается в режиме термоудара отливом в воду с получением рентгеноаморфного пеносиликата состава, аналогичного составу силикатной части расплава, мас.%: MgO 13,9; Аl₂О₃ 34,4; SiO₂ 51,1; SO₃ 0,01; TiO₂ 0,54; Fе₂O₃ 0,05, обладающего большим запасом внутренней энергии. Затем из пеносиликата формуется образец, который подвергается нагреванию со скоростью 20°С/мин до температуры 940°С, при этом происходит самораспространяющаяся кристаллизация (СК) в виде фронта тепловой волны с образованием кордиерита. Время кристаллизации составляет около 60 с.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что, находясь в аморфном состоянии, полученный пеносиликат с химическим составом, соответствующим стехиометрическому составу кордиерита, не содержащий примесей Сr₂О₃, NiO, Fе₂О₃, серы, обладает значительной величиной внутренней энергии, выделения которой в процессе нагревания до 940°С достаточно для последовательного локального самоподдерживающегося фазового перехода. При этом образуется кордиерит без вредных примесей Сr₂O₃, NiO, Fе₂O₃, серы и стекла, снижающих огнеупорность полученных изделий. Выделение железа, хрома, никеля в металлическую часть расплава на стадии плавления исключает образование железосодержащих кристаллических фаз при термообработке пеносиликата, снижающих температуру использования полученного продукта - кордиерита.

Ниже предлагаемый способ получения кордиерита поясняется конкретными примерами его осуществления.

Пример 1. Подготавливается шихта, содержащая:

- 100 г дунита, состава, мас.%: MgO 48,55; SiO₂ 42,1; Аl₂О₃ 0,26; Fе₂O₃ 7,05; FeO 1,16; СаO 0,1; Сr₂O₃ 0,45; NiO 0,17; P₂O₅ 0,05; SO₃ 0,09; TiO₂ 0,02;

- 20 г бурого угля;

- 250 г боя шамотного кирпича состава, мас.%: SiO₃ 54,9; Аl₂О₃ 39,9; Fе₂O₃ 3,02; MgO 0,48; SO₃ 0,12; TiO₂ 1,58.

Расчет количества боя шамотных кирпичей осуществляется без учета содержания окислов, переходящих в металлическую часть расплава. При этом суммарное содержание окислов алюминия, мас.%, в бое шамотных кирпичей и в дуните соответствует стехиометрическому содержанию Аl₂О₃ в кордиерите. В процессе плавления шихты с разделением расплава содержание окислов в силикатной части расплава контролируется методом рентгенофлуоресцентного анализа.

Шихта плавится при температуре 1600°С в течение 2 часов до полного разделения расплава. После этого металлическую часть расплава на основе железа состава, мас.%: Fe 68,1; Si 26,2; Ni 0,93; Cr 2,7; Ti 1,7; S 0,07; P 0,3, сливают в изложницы.

Полученную силикатную часть расплава состава, мас.%: MgO 13,9; SiO₂ 51,1; Аl₂O₃ 34,4; Fе₂O₃ 0,05; SO₃ 0,01; TiO₂ 0,85, охлаждают в режиме термоудара отливом в воду и получают рентгеноаморфный пеносиликат этого же состава. Из пеносиликата формуется образец диаметром 10 мм, высотой 50 мм, который нагревается в печи со скоростью 20°С/мин до температуры 940°С. При этом происходит процесс самораспространяющейся кристаллизации в виде фронта тепловой волны. Время кристаллизации образца около 60 с. Результаты рентгенофазового анализа продукта показывают наличие только кристаллической фазы кордиерита.

Пример 2. Подготавливается шихта, содержащая:

- 100 г дунита, состава, как в примере 1;

- 20 г бурого угля;

- 150 г боя шамотного кирпича состава, как в примере 1, но количество его не соответствует стехиометрическому составу кордиерита по окиси алюминия. Затем шихта плавится в условиях примера 1, после чего металлическая часть расплава на основе железа состава, мас.%: Fe 66,05; Si 29,5; Ni 0,574; Cr 1,89; Ti 1,67; S 0,086; P 0,23, сливается в изложницы.

Силикатная часть расплава состава, мас.%: MgO 21,7; SiO₂ 48,8; Аl₂O₃ 28,6; Fе₂O₃ 0,036; СаО 0,05; Р₂O₅ 0,033; SO₃ 0,07; TiO₂ 0,711, охлаждается в режиме термоудара отливом в воду с получением рентгеноаморфного пеносиликата. Из пеносиликата формуется образец диаметром 10 мм, высотой 50 мм, который нагревается в условиях примера 1. При этом происходит процесс самораспространяющейся кристаллизации. Время кристаллизации образца 63 с. Результаты рентгенофазового анализа продукта показывают наличие кристаллических фаз кордиерита, силиката магния (MgSiO₃) и периклаза.

Изобретение относится к производству огнеупоров и может использоваться в промышленности огнеупорных материалов и в металлургии. Способ получения кордиерита осуществляют путем восстановительного плавления шихты из дунита, бурого угля и боя шамотных кирпичей, обеспечивающего содержание оксида алюминия в пеносиликате стехиометрическому количеству оксида алюминия в кордиерите, с выделением и отделением металлической части расплава на основе железа. Силикатную часть расплава охлаждают отливом в воду с получением рентгеноаморфного пеносиликата, формуют из нее образцы и нагревают их со скоростью 20°С/мин до температуры 940°С, при которой происходит самораспространяющаяся кристаллизация кордиерита. Металлическая часть расплава используется в металлургии. Технический результат изобретения - получение кордиерита из дунита без вредных примесей железа, хрома, никеля, серы и легкоплавких фаз. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения кордиерита путем плавления в восстановительной среде шихты, содержащей дунит, бурый уголь, бой шамотных кирпичей в количестве, обеспечивающем соответствие химического содержания Аl₂О₃ в пеносиликате стехиометрическому количеству Аl₂О₃ в кордиерите, в процессе которого происходит восстановление примесей в металлическую часть расплава, отлив в воду силикатной части расплава с образованием рентгеноаморфного пеносиликата, формование образцов на его основе, нагревание их со скоростью 20°С/мин до температуры 940°С, при которой происходит самораспространяющаяся кристаллизация с образованием кордиерита следующего состава, мас.%: MgO - 13,9; Аl₂O₃ - 34,4; SiO₃ - 51,1; SO₃ - 0,01; TiO₂ - 0,54; Fе₂O₃ - 0,05.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что металлическая часть расплава при следующем соотношении компонентов, мас.%: Fe - 68,1; Si - 26,2; Ni - 0,93; Cr - 2,7; Ti - 1,7; S - 0,07; P - 0,3 сливается в изложницы.