Способ получения плавленой алюмомагнезиальной шпинели Российский патент 2024 года по МПК C04B35/443 C04B35/653 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам получения плавленых материалов на основе алюмомагнезиальной шпинели MgAl₂O₄ путем плавки в среде термической плазмы атмосферного давления сырьевых материалов с высоким содержанием оксидов алюминия Al₂O₃ и магния MgO, которые используются для производства высококачественных огнеупоров.

Наиболее близким по технической сути (прототип) является способ получения алюмо-магниевой шпинели (патент № 2143412 опубл. 27.12.1999), включающий последовательную загрузку исходных оксидов MgO и Al₂O₃ при избыточном количестве последнего, плавку под слоем избыточного количества Al₂O₃ в электропечи. Затем производиться слив расплава в изложницу, который засыпают исходным оксидом Al₂O₃ и охлаждают расплав под этим слоем. Время охлаждения слитка 24 - 36 часов. Кажущая плотность полученного алюмо-магниевой шпинели составляет 3,27 г/см³.

Существенными недостатками известного способа являются плавление исходных оксидов MgO и Al₂O₃ в условиях градиентного нагрева в электропечи, что существенно влияет на растворение твердой фазы в расплаве, а также использование избыточного количества оксида Al₂O₃ в процессе охлаждения расплава.

Задачей предлагаемого изобретения является получение качественной алюмомагнезиальной шпинели из распространённых сырьевых материалов методом плазменной плавки, устраняющего недостатки аналогов.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного технического результата способ получения алюмомагнезиальной шпинели методом плазменной плавки, включающий предварительную подготовку шихты и ее плавление, согласно предложенному решению, сырьевые материалы на основе алюмомагнезиальной группы предварительно подвергают изотермической выдержке. Затем их смешивают в стехиометрическом соотношении, получая композиционную шихту стехиометрического состава. Следующим этапом шихту измельчают, а потом гранулируют. Подготовленные гранулы засыпают в графитовую плавильную камеру, где осуществляется ее плавление при турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,5 г/с до полного расплавления гранул и формирования гомогенного расплава за счет развития рециркуляционных полей в жидкой фазе, далее осуществляется переход работы плазмотрона на ламинарный режим истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,9 г/с при котором происходит релаксация гомогенного расплава до температуры (0,4-0,5)·Т_пл (где Т_пл- температура плавления алюмомагнезиальной шпинели) с целью минимизации остаточных напряжений при кристаллизации расплава.

Способ получения алюмомагнезиальной шпинели осуществляется следующим образом. Сырьевые материалы на основе алюмомагнезиальной группы предварительно подвергают изотермической выдержке. затем их смешивают в стехиометрическом соотношении, получая композиционную шихту. Следующим этапом, для получения порошка, шихту измельчают до фракции ≤50 мкм и проводят влажное гранулирование до фракции 2-3 мм. Полученные гранулы засыпают в графитовую плавильную камеру, где осуществляется ее плавление при турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,5 г/с до полного расплавления гранул и формирования гомогенного расплава. Затем осуществляется переход работы плазмотрона на ламинарный режим истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,9 г/с при котором происходит релаксация конденсированного материала до температуры (0,4-0,5)·Т_пл с целью минимизации остаточных напряжений при кристаллизации расплава.

В результате синтеза методом плазменной плавки получена алюмомагнезиальная шпинель с открытой пористостью ≤ 5 % при истинной плотности материала 3.56 г/см³ с элементным составом О=42 мас.%, Mg=16 мас.%, Al=42 мас.% (таблица 1), с текстурно-структурными признаками: поверхность продукта – призматические кристаллы медианным размером 220 мкм; внутренний каркас – плотная упаковка октаэдрических кристаллов с медианным размером 50 мкм (таблица 1,2).

Таблица 1. Элементный состав

Материалы Элементы, мас. % С O Mg Si Al Ca Fe Магнезит 20.71 50.76 26.73 0.16 - 0.48 1.16 Бёмит - 45.80 - - 54.20 - - Полученный материал по заявленному способу - 41.89 16.01 - 42.10 - - Теоретический состав алюмомагнезиальной шпинели - 44,98 17,08 - 37,9 - -

Таблица 2. Характеристики алюмомагнезиальной шпинели

Плотность, г/см³ 3,56 Пористость, % 5 Размер кристаллов, мкм:
- на поверхности
- внутри материала 220
50

Пример.

Для получения алюмомагнезиальной шпинели используют магнезит и бёмит. С целью разложения и удаление химической связанной воды в исходных материалах проводят изотермическую выдержку при температуре 1200 °С в течении 3 часов. Стоит отметить, что исходные материалы, находящиеся в высокотемпературных модификациях MgO и α-Al₂O₃ или класса Ч, ЧДА и ХЧ не нуждаются в изотермической выдержке, к остальным материалам подбирается режим согласно природе происхождения сырья с целью минимизирования содержания примесей и соблюдения стехиометрического состава, MgAl₂O₄ в конечном продукте. После этого материалы смешивают в массовом стехиометрическом соотношении Al₂O₃/MgO ~ 2.54, что соответствует теоретическому составу MgAl₂O₄. Затем подготовленную шихту измельчают в планетарной шаровой мельнице до фракции менее 50 мкм, а для исключения выдувания ее из зоны плазменного воздействия проводят влажное гранулирование через лабораторное сито с размером ячейки 2 мм. В качестве связующего используют поливиниловый спирт марки 6/1. Готовый гранулы массой 100 г засыпают в графитовую плавильную камеру, где осуществляется ее плавление при турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,5 г/с при мощности плазменного генератора 10 кВт в течении 5 минут. Далее осуществляется переход работы плазмотрона на ламинарный режим истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,9 г/с при котором происходит релаксация конденсированного материала до температуры 0,5·Т_пл которая контролируется пирометром. При достижении требуемой температуры осуществляется отключение плазменного генератора, остывание продукта плавления протекает при комнатной температуре в естественных условиях.

На выходе, согласно данным электронной микроскопии (Фиг.1), получается алюмомагнезиальная шпинель с открытой пористостью ≤ 5 % при истинной плотности материала 3.56 г/см³, с текстурно-структурными признаками: поверхность продукта – призматические кристаллы медианным размером 220 мкм; внутренний каркас – плотная упаковка октаэдрических кристаллов с медианным размером 50 мкм.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к способам получения плавленых материалов на основе алюмомагнезиальной шпинели MgAl₂O₄ для производства высококачественных огнеупоров. Способ получения плавленой алюмомагнезиальной шпинели включает подготовку шихты и ее плавление. В качестве сырьевых материалов шихты используют магнезит и бёмит, которые предварительно подвергают изотермической выдержке при 1200°С для разложения и удаления химически связанной воды, смешивают в стехиометрическом соотношении. Шихту гранулируют и осуществляют плавление в графитовой плавильной камере методом плазменной плавки при турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,5 г/с для формирования гомогенного расплава. Затем осуществляют переход работы плазмотрона на ламинарный режим истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,9 г/с, при котором происходит релаксация расплава до температуры (0,4-0,5)⋅Т_пл для минимизации остаточных напряжений при кристаллизации расплава. Полученная алюмомагнезиальная шпинель характеризуется открытой пористостью ≤ 5% при истинной плотности материала 3,56г/см³ с элементным составом О=42 мас.%, Mg=16 мас.%, Al=42 мас.%, где поверхность продукта представляет собой призматические кристаллы медианным размером 220 мкм, а внутренний каркас представляет собой плотную упаковку октаэдрических кристаллов с медианным размером 50 мкм. 1 ил., 2 табл., 1 пр.

Способ получения плавленой алюмомагнезиальной шпинели, включающий подготовку шихты и ее плавление, отличающийся тем, что в качестве сырьевых материалов шихты используют магнезит и бёмит, которые предварительно подвергают изотермической выдержке при 1200°С для разложения и удаления химически связанной воды, смешивают в стехиометрическом соотношении, шихту гранулируют и осуществляют плавление в графитовой плавильной камере методом плазменной плавки при турбулентном режиме истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 2,5 г/с для формирования гомогенного расплава; затем осуществляют переход работы плазмотрона на ламинарный режим истечения плазменной струи с расходом плазмообразующего газа 0,9 г/с, при котором происходит релаксация расплава до температуры (0,4-0,5)⋅Т_пл для минимизации остаточных напряжений при кристаллизации расплава с получением алюмомагнезиальной шпинели, которая характеризуется открытой пористостью ≤5% при истинной плотности материала 3,56 г/см³ с элементным составом О=42 мас.%, Mg=16 мас.%, Al=42 мас.% и с текстурно-структурными признаками: поверхность продукта - призматические кристаллы медианным размером 220 мкм, внутренний каркас - плотная упаковка октаэдрических кристаллов с медианным размером 50 мкм.