Шихта для получения огнеупорного конструкционного керамического материала Российский патент 2020 года по МПК C04B35/567 C04B35/599 C04B35/591 

Изобретение относится к огнеупорным материалам, которые могут быть использованы в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей.

В шахтных печах для плавки катодной меди огнеупорных слой карбидкремниевой футеровки также подвергается не только коррозии, но и интенсивному абразивному и эрозионному износу загружаемой через верхнее загрузочное отверстие шихтой. Огнеупорный конструкционный керамический материал из шихты более грубодисперсного состава будет лучше противостоять абразивному и эрозионному износу.

В алюминиевых электролизерах бортовая футеровка их карбидкремниевого огнеупорного материала подвергается как эрозионному износу частицами в расплаве циркулирующего электролита, но и газовой коррозии паров фтористых солей натрия в верхней части борта. Огнеупорный конструкционный керамический материал из шихты более грубодисперсного состава и содержащей помимо порошка карбида кремния порошок кремния, пудру алюминиевую и глинозём, будет лучше противостоять газовой коррозии парами фтористых солей натрия в верхней части борта.

В котлах мусоросжигательных заводов футеровка из карбидкремниевого огнеупора подвергается абразивному и эрозионному износу загружаемым в котлы мусором, коррозии парами щелочей и окислительному воздействию воздуха и топочных газов. Огнеупорный конструкционный керамический материал из шихты более грубодисперсного состава и содержащей помимо порошка карбида кремния порошок кремния, пудру алюминиевую и глинозём, будет лучше противостоять газовой коррозии парами щелочей, окислительному воздействию воздуха и топочных газов, абразивному и эрозионному износу загружаемым мусором.

Известна композиция для получения сиалонсодержащего материала, включающая сиалонсодержащий порошок, состоящий из 35-70 мас.% Si₃Al₃O₃N₅, 15-35 мас.% SiAl₄O₂N₄, 10-20 мас.% 3С-SiC, 5-10 мас.% Al₂O₃ с размером частиц не более 150 нм, дополнительно гексагональный карбид кремния 6H-SiC 20-40% в размерном состоянии 5000-50000 нм и оксид иттрия Y₂O₃, при следующем соотношении компонентов, мас.%: сиалонсодержащий порошок 50-75, 6Н-SiC 20-40, Y₂O₃ 5-10 (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации № 2359944 «Сиалонсодержащий материал и композиция для его получения», МПК C04B35/599, C04B35/569, опубл. 27.06.2009).

Недостатками этого изобретения являются:

- высокая температура получения материала (1750-1850°С);

- невысокая стойкость к коррозионному воздействию, абразивному и эрозионному износу из-за малого размера частиц в шихтовом составе;

- использование в шихте нанодисперсных и дефицитных сверхчистых материалов, что приводит к очень высокой себестоимости продукции и невозможности производства огнеупорных материалов в массовом масштабе.

Наиболее близкой к заявленной шихте для получения огнеупорного конструкционного керамического материала является шихтовая смесь для получения огнеупорного материала из карбида кремния на связке из преимущественно β-сиалона, состоящая из 60-90 мас.% карбидокремниевых порошков с размером менее 200 мкм, до 5 мас.% оксида кремния, от 8 до 25 мас.% порошка кремния, от 1,5 до 5,5 мас.% алюминия, как в виде чистого металла, так и в виде соединений или смесей соединений: нитрида алюминия, оксида алюминия, гидроксида алюминия и солей алюминия, и 2-17 мас.% временной связки (см. описание изобретения к патенту US № 5521129, МПК C04B35/565, C04B35/599, опубл. 28.05.1996 г.).

Заготовку получают шликерным литьем, затем заготовку обжигают в азотирующей среде при температурах от 1300 до 1600°С и получают огнеупорный материал из карбида кремния на сиалоновой связке.

Недостатками такой шихтовой смеси являются многофазность получаемого целевого огнеупорного материала и слишком тонкий зерновой состав смеси. Максимальный размер зерен карбидкремниевых порошков составляет 200 мкм, что ограничивает область использования огнеупорного материала, например, в доменных печах, где огнеупорные материалы подвергаются не только действию высоких температур, а также коррозии расплавами шлаков, жидкого металла, и абразивному износу, и эрозии от перемещающихся нерастворенных кусков загружаемой шихты.

Для повышения стойкости к коррозии, к абразивному износу и эрозии, огнеупорных материалов, которые необходимы для использования в металлургии, целесообразно использовать более крупнодисперсный шихтовой состав.

Технической задачей и результатом предлагаемого изобретения является повышение коррозионной стойкости к абразивному и эрозионному износу путем получения огнеупорного конструкционного керамического материала с постоянным фазовым и крупнодисперсным зерновым составом каркаса.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что шихта для получения огнеупорного конструкционного керамического материала включает карбидкремниевые порошки, порошок кремния, алюминий и временное связующее, при этом что она содержит карбидокремниевые порошки следующих фракций 4,0 – 1,5мм, 1,5 – 0,5 мм, 0,5 – 0,25мм, 0,25 – 0,07мм и 0,07 – 0,001мм, алюминий в виде пудры алюминиевой и глинозём, а в качестве временного связующего - декстрин и/или лингосульфонат кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбидкремниевые порошки 60 -92 порошок кремния технический молотый 5,0-25,0 пудра алюминиевая 0,1-5,0 глинозём 0,1-20,0 декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 0,5-5,0,

при этом фракции карбидокремниевых порошков взяты от их общего количества в следующих мас.%:

4,0 – 1,5 мм 10-50 1,5 – 0,5 мм 5-50 0,5 – 0,25 мм 3-25 0,25 – 0,07 мм 2-25 0,07 – 0,001 мм 2-20

Состав предлагаемой шихты обеспечивает получение огнеупорного конструкционного керамического материала, характеризующегося необходимым постоянным фазовым составом и крупнодисперсным зерновым составом каркаса. Такой огнеупорный конструкционный керамический материал обладает повышенной коррозионной стойкостью и стойкостью к абразивному и эрозионному износу.

Приготовление шихты и получение из неё огнеупорного конструкционного керамического материала осуществляется следующим образом.

Производство огнеупорного конструкционного керамического материала начинают с приготовления формовочной массы. Приготовление формовочной массы включает в себя дозирование компонентов с последующим перемешиванием.

Основными этапами перемешивания является сухое смешивание и смешивание с затворителем, в качестве которого используют воду или другие затворители, получая формовочную массу.

Для приготовления формовочной массы используют следующий шихтовой состав:

-карбид кремния чёрный или зелёный фракции 7/12 (4,0– 1,5 мм);

-карбид кремния чёрный или зелёный фракции 14/30 (1,5 – 0,5 мм);

- карбид кремния чёрный или зелёный фракции 36/70 (0,5 – 0,25 мм);

-карбид кремния чёрный или зелёный фракции 80/180 (0,25 – 0,07 мм); -карбид кремния чёрный или зелёный фракции 220F (0,07 – 0,001мм);

-кремний технический молотый;

-пудра алюминиевая марки ПАП-1, ПАП-2 или иных ГОСТ 5494;

-декстрин кукурузный кислотный желтого или палевого цвета ГОСТ 6034;

-лигносульфонат кальция марки Лигнобонд ДД или Wafex Ca 122 или других марок;

-глинозём металлургический марок Г000 до Г0 ГОСТ 30558 или глинозём неметаллургический марки ГК ГОСТ 30559.

После приготовления формовочную массу вылеживают.

Из полученной формовочной массы осуществляют формование заготовок изделий огнеупорного конструкционного керамического материала путем прессования, вибропрессования, вибротрамбования, шликерным литьем, литьем по бетонной технологии или вибролитьем. Затем изделия выдерживают в течение не менее 12 часов в помещении цеха, после чего осуществляют их сушку. Сушку изделий осуществляют в тепловых агрегатах камерного или туннельного типа. Теплоносителем при сушке могут являться продукты горения природного газа, регенерированный теплоноситель или электрическая энергия. Температура сушки 110 - 150°С. Время сушки 12 - 120 часов в зависимости от габаритных размеров изделий, особенно толщины, и способа формования.

Затем осуществляют высокотемпературный обжиг изделий в среде газообразного азота при температурах 1200 - 1600°С. В результате обжига получают огнеупорный конструкционный керамический материал, характеризующийся необходимым постоянным фазовым составом, и крупнодисперсным зерновым составом каркаса, представленным, по крайней мере, пятью фракциями карбида кремния, из которых наиболее крупная фракция имеет размер зерен 1,5-4 мм. Зерна карбида кремния размером 1,5-4 мм практически совершенны, в них сохранены грани роста кристаллов, соответственно поверхность их мала и коррозионная стойкость высока.

Огнеупорный конструкционный материал может иметь пористость 1 - 19 % и более в зависимости от применения и выбранной технологии формования заготовок.

Полученный огнеупорный конструкционный материал используют в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей. Он может применяться в виде бортовой футеровки алюминиевых и магниевых электролизеров и других тепловых агрегатов цветной металлургии, а также для мусоросжигательных заводов и в машиностроении, и в других областях промышленности в качестве огнеупорного, термостойкого, коррозионностойкого, конструкционного, износостойкого и ударостойкого материала.

Пример 1

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 60,0 Кремний молотый технический 17,5 Глинозём Г00 12,0 Алюминиевая пудра ПАП-2 3,0 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 60%):

4,0 – 1,5 мм 19,0 1,5 – 0,5 мм 15,0 0,5 – 0,25 мм 8,5 0,25 – 0,07 мм 2,0 0,07 – 0,001 мм 15,5

Пример 2

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 60,0 Кремний молотый технический 25,0 Глинозём Г00 5,5 Алюминиевая пудра ПАП-2 2,0 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 60%):

4,0 – 1,5 мм 18,0 1,5 – 0,5 мм 20,0 0,5 – 0,25 мм 10,0 0,25 – 0,07 мм 10,0 0,07 – 0,001 мм 2,0

Пример 3

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 60,0 Кремний молотый технический 10,0 Глинозём Г00 15,5 Алюминиевая пудра ПАП-2 5,0 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 5,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 60%):

4,0 – 1,5 мм 20,0 1,5 – 0,5 мм 15,0 0,5 – 0,25 мм 8,0 0,25 – 0,07 мм 12,0 0,07 – 0,001 мм 5,0

Пример 4

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 60,0 Кремний молотый технический 8,0 Глинозём Г00 20,0 Алюминиевая пудра ПАП-2 5,0 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,0

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 60%):

4,0 – 1,5 мм 18,0 1,5 – 0,5 мм 20,0 0,5 – 0,25 мм 10,0 0,25 – 0,07 мм 10,0 0,07 – 0,001 мм 2,0

Пример 5

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 80,0 Кремний молотый технический 8,5 Глинозём Г00 3,5 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,5 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 80%):

(4,0 – 1,5 мм) 50,0 (1,5 – 0,5 мм) 11,0 (0,5 – 0,25 мм) 12,5 (0,25 – 0,07 мм) 2,0 (0,07 – 0,001 мм) 4,5

Пример 6

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 80,0 Кремний молотый технический 8,5 Глинозём Г00 3,5 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,5 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 80%):

(4,0 – 1,5 мм) 10,0 (1,5 – 0,5 мм) 50,0 (0,5 – 0,25 мм) 8,0 (0,25 – 0,07 мм) 10,0 (0,07 – 0,001 мм) 2,0

Пример 7

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 80,0 Кремний молотый технический 8,5 Глинозём Г00 3,5 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,5 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 80%):

(4,0 – 1,5 мм) 12,0 (1,5 – 0,5 мм) 30,0 (0,5 – 0,25 мм) 3,0 (0,25 – 0,07 мм) 25,0 (0,07 – 0,001 мм) 10,0

Пример 8

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 80,0 Кремний молотый технический 8,5 Глинозём Г00 3,5 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,5 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 3,0 Вода 4,5

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 80%):

(4,0 – 1,5 мм) 40,0 (1,5 – 0,5 мм) 5,0 (0,5 – 0,25 мм) 25,0 (0,25 – 0,07 мм) 2,0 (0,07 – 0,001 мм) 8,0

Пример 9

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 85,0 Кремний молотый технический 6,0 Глинозём Г00 2,0 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,5 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 2,5 Вода 4,0

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 85%):

(4,0 – 1,5 мм) 50,0 (1,5 – 0,5 мм) 10,0 (0,5 – 0,25 мм) 15,5 (0,25 – 0,07 мм) 5,0 (0,07 – 0,001 мм) 4,5

Пример 10

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 85,0 Кремний молотый технический 6,0 Глинозём Г00 2,0 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,5 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 2,5 Вода 4,0

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 85%):

(4,0 – 1,5 мм) 30,0 (1,5 – 0,5 мм) 23,0 (0,5 – 0,25 мм) 10,0 (0,25 – 0,07 мм) 2,0 (0,07 – 0,001 мм) 20,0

Пример 11

Готовят шихту следующего состава, мас. %:

Карбид кремния 92,0 Кремний молотый технический 5,0 Глинозём Г00 0,1 Алюминиевая пудра ПАП-2 0,1 Декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 0,5 Вода 2,3

При этом фракции карбида кремния взяты от их общего количества в следующих мас.% (от 92%):

(4,0 – 1,5 мм) 50,0 (1,5 – 0,5 мм) 12,0 (0,5 – 0,25 мм) 15,0 (0,25 – 0,07 мм) 10,0 (0,07 – 0,001 мм) 5,0

Получаемые материалы имеют высокую стойкость к окислению по стандарту ASTM C863 – 2010 и коррозионную стойкость по стандарту ASTM C864 – 2010 и по методу Беттелхем Стил Bettleham Steel.

Примеры готовых изделий с указанием конкретных величин их открытой пористости, предела прочности при сжатии при комнатной температуре, стойкости к эрозионному износу приведены в таблице.

Таблица

Показатель Пример 1 Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример 5 Пример 6 Пример 7 Пример 8 Пример 9 Пример 10 Пример 11 Открытая пористость, % 15 16 17 17 13 16 16 15 16 12 18 Предел прочности при сжатии при комнатной температуре, МПа 180-190 175-185 160-170 180-190 190-200 170-180 170-180 180-190 190-200 230-240 150-160 Стойкость к окислению по методу ASTM-C 863 при окислении в парах воды при 1000^оС 0,25-0,30% 0,25-0,35 % 0,40-0,50% 0,40-0,50 % 0,25-0,35 % 0,45-0,55 % 0,50-0,60% 0,35-0,45 % 0,35-0,45 % 0,10-0,15% 0,30-0,50%

Изобретение относится к огнеупорным материалам, которые могут быть использованы в черной и цветной металлургии в качестве футеровки доменных, шахтных и других печей. Шихта для получения огнеупорного конструкционного керамического материала включает, мас.%: карбидкремниевые порошки фракций 4,0-1,5 мм, 1,5-0,5 мм, 0,5-0,25 мм, 0,25-0,07 мм и 0,07-0,001 мм - 60-92; порошок кремния технический молотый 5,0-25,0; пудра алюминиевая 0,1-5,0; глинозём 0,1-20,0; декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 0,5-5,0, при этом фракции карбидокремниевых порошков взяты от их общего количества в следующих мас.%: 4,0-1,5мм - 10-0, 1,5-0,5 мм - 5-50, 0,5-0,25 мм - 3-25, 0,25-0,07 мм - 2-25, 0,07-0,001 мм - 2-20. Технический результат – повышение коррозионной стойкости и стойкости к абразивному и эрозионному износу. 1 табл., 11 пр.

Шихта для получения огнеупорного конструкционного керамического материала, включающая карбидкремниевые порошки, порошок кремния, алюминий и временное связующее, отличающаяся тем, что она содержит карбидокремниевые порошки следующих фракций 4,0-1,5 мм, 1,5-0,5 мм, 0,5-0,25 мм, 0,25-0,07 мм и 0,07-0,001 мм, алюминий в виде пудры алюминиевой и глинозём, а в качестве временного связующего – декстрин и/или лингосульфонат кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

карбидкремниевые порошки 60–92 порошок кремния технический молотый 5,0–25,0 пудра алюминиевая 0,1–5,0 глинозём 0,1–20,0 декстрин и/или лингосульфонат кальциевый 0,5–5,0

при этом фракции карбидокремниевых порошков взяты от их общего количества в следующих мас.%:

4,0-1,5 мм 10–50 1,5-0,5 мм 5–50 0,5-0,25 мм 3–25 0,25-0,07 мм 2–25 0,07-0,001 мм 2–20