Шихта для изготовления композиционного металлокерамического материала или изделия

 

Использование: изобретение относится к области изготовления композиционного металлокерамического материала методом термосинтеза и может быть использовано для производства огнеупорной керамики, высокопористых материалов и материалов для строительных работ. Сущность изобретения: предлагается шихта для изготовления композиционного металлокерамического материала методом термосинтеза, содержащая реагирующую смесь, состоящую из оксида железа и порошка алюминия, взятых в стехиометрическом соотношении, инертную добавку, связующее и углеводородную добавку. Состав шихты обеспечивает регулирование протекания реакции термосинтеза, позволяющее получать композиционный металлокерамический материал с наперед заданными физико-механическими свойствами, структурой и формой изделия. Углеводородная добавка вводится в шахту в количестве 0,75-2,75 мас. %, а связующее - в количестве 1-2 мас. % для получения высокопористого композиционного металлокерамического материала. Предлагается использовать в качестве инертной компоненты окись алюминия, или глину, или песок, или их смесь. Предлагается дополнительно ввести в шихту армирующие элементы в виде сеток и стержней для получения строительных материалов. Предлагается также в качестве оксида переходного металла в реагирующей смеси использовать оксид железа в виде окалины - отхода металлургического производства. 2 табл. 6 ил.

Изобретение относится к области получения композиционного металлокерамического материала методом термосинтеза и может быть использовано для производства огнеупорной керамики в виде кирпичей, тиглей, труб и т.д. высокопористых материалов для фильтрующих элементов и элементов аэрации сточных вод в экологических системах; высокопористых низкотеплопроводных материалов для строительных работ, теплоизолирующих панелей, слоев, перекрытий; облицовочного материала в пористом и малопористом исполнении в виде блоков, плит, плиток; строительного кирпича.

Известны составы шихт для проведения окислительно-восстановительных реакций между окислами переходных металлов и металлами-восстановителями, взятых в стехиометрическом соотношении /1/. В общем виде окислительно-восстановительная реакция имеет вид: где ν_i, j, k, l стехиометрические коэффициенты; A_i оксид переходного металла, например Fe₃O₄, Fe₂O₃, Cr₃O₄ и т.д. B_j металл-восстановитель, например Al, Mg; D_k оксид металла-восстановителя; Fe восстановленный металл из оксида переходного металла.

Количество выделяющегося тепла при окислительно-восстановительной реакции в системе компонент оксид железа-алюминий составляет 3540,6 КДж на 1 кг исходной смеси. Выделяющееся тепло приводит к нагреву и плавлению продуктов реакции при температуре 2230-2670^oС.

Недостатком известных шихт является невозможность получения компактного конечного продукта из-за высокого экзотермического эффекта окислительно-восстановительной реакции, ведущего к плавлению и разбросу конечного продукта.

Известна экзотермическая огнеупорная масса, содержащая 28-32% магнезита, 23-28% оксида железа, 10-13% алюминия, 18-22% хромомагнезита, 5-6% огнеупорной глины, 6-9% жидкого стекла, взятая за прототип /2/. Недостатком этой шихты, взятой за прототип, является невозможность проведения контролируемой кинетики реакции при варьировании концентрации инертной компоненты и невозможность получения пористого материала. Этот состав может быть использован только для футеровки металлургических агрегатов в связи с тем, что при данном соотношении компонент в шихте реакция может инициироваться лишь при температурах, близких к 1000^oС.

Задачей изобретения является создание шихты, состоящей из реагирующей смеси и инертной добавки, взятых в таких количествах, которые обеспечивали бы регулирование протекания реакции термосинтеза, позволяющее получать композиционный металлокерамический материал с наперед заданными физико-механическими свойствами, структурой и формой изделия.

Задачей изобретения также является создание шихты, содержащей добавки, которые позволили бы получить, во-первых, композиционный металлокерамический материал с высокой пористостью, во-вторых, огнеупорный композиционный металлокерамический материал, в-третьих, композиционный металлокерамический материал для строительных работ.

Кроме этого, целью изобретения является утилизация отходов металлургического производства.

Задача решается тем, что предлагается шихта для изготовления композиционного металлокерамического материала методом термосинтеза, содержащая экзотермическую смесь, состоящую из окислов железа и алюминия, взятых в стехиометрическом соотношении, инертной добавки, углеводородной добавки и связующего, в которой, согласно изобретению, указанные компоненты содержатся в следующих количествах, мас.

инертная добавка 20-70 связующее 1-2 углеводородная добавка 0,75-2,75 экзотермическая смесь остальное.

Добавление инертной компоненты в реагирующую смесь в таком количестве позволяет осуществить управление реакцией термосинтеза путем связывания части тепла, выделяющегося в ходе реакции. Забирая часть тепла на нагрев, инертная добавка снижает температуру продуктов реакции, предотвращая их разброс.

На фиг. 1 приведено графическое представление процесса термосинтеза, сделанное с допущением, что влияние инертной компоненты в тепловом балансе осуществляется по линейному закону. Для данной массы исходной реагирующей смеси, взятой за константу, количество тепла Q_эф, выделяемое в ходе экзотермической реакции, тоже постоянно. В координатах количество тепла Q и концентрация инертной компоненты С это отражает горизонтальная линия 1. При изменении концентрации инертной компоненты (ее росте) количество тепла, связываемое ею, растет по линейному закону. На фиг.1 этому соответствует прямая 2, тангенс угла наклона которой пропорционален удельной теплоемкости инертной добавки. Пересечение прямой 2 с горизонтальной прямой 1 позволяет определить критическое значение концентрации инертной добавки С_кр, при котором в шихте полностью прекращается процесс структурирования. Промежуточное значение концентрации инертной добавки C_i позволяет лишь частично связывать количество тепла Q_св, остальное количество тепла Q_стр идет на структурирование, т.е. либо на плавление, либо на спекание, либо на спекание с частичным плавлением микрообъемов. С помощью внешнего источника тепла можно получить горизонтальную прямую 3, смещенную вверх по отношению к прямой 1. Это означает, что общее количество тепла в исходной шихте возрастает за счет тепла внешнего источника, что приводит при постоянной концентрации инертной компоненты к увеличению тепла, идущего на структурирование, на Q_вн. В то же время критическое значение концентрации инертной добавки увеличивается до значения . Структурирование в интервале концентрации идет лишь за счет внешнего источника тепла. На фиг.3, 4, 5, 6 приведены физико-механические характеристики и структура полученного материала.

В таблице 1 приведены в соответствии с расчетом и экспериментом температуры предварительного подогрева шихты перед реакцией и кинетика реакции. Эти данные показывают, что существует жесткая связь между составом шихты и температурой предварительного подогрева.

Таким образом, содержание инертной добавки и температура внешнего источника выступают в качестве эффективных регулируемых параметров, с помощью которых можно целенаправленно формировать структуру и свойства синтезируемого материала и изделия.

Влияние содержания инертной добавки на физико-механические свойства композиционного металлокерамического материала показано на фиг.2, где приведены обобщенные данные по физико-механическим свойствам синтезируемых материалов. Основными физико-механическими свойствами получаемого материала являются: прочность на сжатие σ_сж, пористость П и форм-фактор ФФ, характеризующий способность получаемого материала сохранять форму. Форм-фактор оценивается по семибалльной системе, согласно которой 1 балл соответствует полной потере заданной формы шихты в ходе термосинтеза из-за плавления продуктов реакции, а 7 баллов соответствуют полному сохранению заданной формы.

Из графического представления влияния содержания инертной компоненты на физико-механические свойства получаемого композиционного материала следует, что при содержании инертной компоненты менее 20 мас. материал плавится, форм-фактор равен 1 баллу, а при содержании выше 70 мас. снижается прочность получаемого материала ниже требуемого. Пористость получаемого материала снижается с ростом инертной компоненты.

Таким образом, композиционный металлокерамический материал с необходимыми свойствами можно получить при содержании инертной добавки в 20-70 мас. Оптимальный набор свойств ограничен интервалом 40-60 мас. Однако, в зависимости от условий эксплуатации и требований к материалу, необходимы варианты с преобладанием плавления над спеканием и, наоборот, спекания над плавлением. Тогда в интервале 20-40 мас. можно выбрать шихту и режим структурирования для получения материала с преимущественным плавлением микрообъемов, а в интервале 60-70 мас. для получения материала с преимущественным спеканием.

Предлагается также ввести в шихту углеводородную добавку в количестве 0,75-2,75 мас. и связующее в количестве 1 2 мас.

Углеводородная добавка в ходе термосинтеза выгорает (разлагается), и выделения газов формируют открытую пористую структуру. В качестве углеводородной добавки можно использовать машинное масло, веретенное масло, солярку и др. В качестве связующего можно использовать жидкое стекло, сульфитно-спиртовую барду и др. Кроме этого, предлагается использовать в качестве инертной компоненты окись алюминия и ввести в шихту связующее в количестве 1-2 мас. Это позволяет в ходе реакции термосинтеза получать огнеупорные материалы, представляющие собой Al₂O₃-матрицу и дисперсно-распределенное восстановленное железо.

Предлагается использовать глину или песок или песок и глину в качестве инертной добавки и дополнительно ввести в шихту армирующие элементы в виде сеток и стержней, а также связующее в количестве 1-2 мас.

Использование в качестве инертной компоненты песка, глины позволяет удешевить получение высокопористых металлокерамических материалов.

Предлагается также в качестве оксида переходного металла в реагирующей смеси использовать оксид железа в виде окалины отхода металлургического производства.

Пример Для получения высокопористой структуры синтезируемого композиционного металлокерамического материала готовят шихту, состоящую из окиси железа и алюминия, взятых в соответствии со стехиометрией 3Fe₃O₄+8Al ___→4Al₂O₃+9Fe инертной компоненты, связующего и углеводородной компоненты. В качестве инертной компоненты берут порошок Al₂O₃, в качестве связующего жидкое стекло, а углеводородной добавки машинное масло или веретенное масло. Процентное содержание компонент, а также пористость получаемого материала приведены в таблице 2. Синтез вели либо в режиме СВС, либо термосинтеза. Как следует из таблицы, величина пористости четко коррелирует с содержанием углеводородной добавки. Верхняя граница диапазона ограничена 2,75 мас. т.к. большее ее содержание ведет к потере тепла на возгонку и разложение, что затрудняет проведение реакции в режиме СВС. Ниже 0,75 мaс. содержания углеводородной добавки в шихте снижает пористость конечного агрегата и не позволяет использовать его как высокопористый (пористость ниже 15% см. табл.2).

Кроме этого, из оптимального концентрационного интервала выбирали составы исходных шихт и готовили образцы в форме параллелепипеда размерами 20х40х65 мм неармированные и армированные металлическими (стальными) стержнями и сеткой. Диаметр стержней 2,5 мм, размер ячейки сетки составляет 2,0 мм, диаметр проволоки сетки 1 мм.

В процессе синтеза при указанных концентрациях компонент восстановленное железо в виде капель разных размеров приваривалось к армирующему стержню, что повышало поверхность взаимодействия армирующего элемента с матрицей и увеличивало прочность сцепления. ТТТ1

Формула изобретения

1. Шихта для изготовления композиционного металлокерамического материала или изделия методом термосинтеза, содержащая экзотермическую смесь, содержащую оксиды железа и алюминий, взятые в стехиометрическом соотношении, инертную добавку и связующее, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит углеводородную добавку при следующем соотношении компонентов, мас.

Инертная добавка 20 70 Связующее 1 2 Углеводородная добавка 0,75 2,75
Указанная экзотермическая смесь Остальное
2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве инертной добавки она содержит оксид алюминия, или глину, или песок, или смесь песка и глины.

3. Шихта по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит армирующие элементы в виде сеток или стержней.

4. Шихта по пп. 1-3, отличающаяся тем, что в качестве окислов железа содержит отходы металлургического производства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7