Фосфатное вяжущее для получения огнеупорных композиций

 

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов и может быть использовано для получения шлако-, стале-, чугуностойких композиций, применяемых для ремонта сталелитейных ковшей, а также для изготовления и ремонта огнеупорной футеровки печных агрегатов, в т.ч. и теплоизоляционных бетонов. Технический результат изобретения: уменьшение себестоимости огнеупорной композиции с обеспечением высокого уровня клеящих свойств, химической стойкости и физико-механических характеристик. Фосфатное вяжущее для получения огнеупорных композиций содержит двуокись титана, фосфорную кислоту и добавки: боро- и магнийсодержащий компоненты при следующем соотношении ингредиентов относительно двуокиси титана, взятой в количестве 10 мас.ч.: фосфорная кислота- 20-70; боросодержащая добавка в пересчете на борную кислоту- 0,5-2; магнийсодержащая добавка в пересчете на окись магния- 1,5-4,5. В состав вводят также хромо-, алюмо- и цирконийсодержащие компоненты в пересчете на их окиси - по 4-10 маc.ч. каждого. Для получения огнеупорной композиции фосфатное вяжущее в количестве 3-10 % смешивают с наполнителем. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к производству огнеупорных материалов и может быть использовано для получения шлако-, стале-, чугуностойких композиций, применяемых для ремонта сталелитейных ковшей, а также для изготовления и ремонта огнеупорной футеровки печных агрегатов, в т.ч. и теплоизоляционных бетонов.

Известна сырьевая смесь для изготовления фосфатной связки, которая применяется в различных областях промышленности в качестве связующего, например, при футеровке вагонеток, кладке футеровочного кирпича в огнеупорной промышленности, производстве для изготовления форм по выплавляемым моделям и в качестве добавок в противопригарные краски [1]. Изобретение позволяет устранить деформации и разрушения керамических модельных форм за счет повышения прочности при изгибе во время термической обработки при 120 -130^oC. Это достигается тем, что сырьевая смесь для изготовления фосфатной связки, включающая ортофосфорную кислоту, хромовый ангидрид, гидроокись алюминия, магнийсодержащий компонент и формалин, содержит дополнительно кремнекислотосодержащий компонент при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Ортофосфорная кислота - 52-64 Хромовый ангидрид - 5-10 Гидроокись алюминия - 8-18 Магнийсодержащий компонент в пересчете на MgO - 2-4 Формалин - 2-6 Кремнекислотосодержащий компонент в пересчете на SiO₂ - 2-6 Вода - Остальное Недостаток смеси в невысокой адгезионности и низкой термостойкости.

Известно также связующее, используемое в высокопрочных огнеупорных материалах [2] . Изобретение направлено на повышение клеящей способности и стабилизацию свойств связующего при длительном хранении. Это достигается тем, что связующее, включающее ортофосфорную кислоту, гидрат окиси алюминия и хромовый ангидрид, дополнительно содержит отход производства шарикоподшипниковых заводов при следующем соотношении компонентов, мас.%: Ортофосфорная кислота - 54,8 - 75,3
Хромовый ангидрид - 0,2- 4,2
Отход производства шарикоподшипниковых заводов - 14,0 - 28,7
Гидрат окиси алюминия - Остальное
Отход производства шарикоподшипниковых заводов образуется в процессе производства шариков и в своем составе содержит, %: хромовая кислота 10-40; моно- и бихроматы железа 0,5-5; магний 0,01-0,1; никель 0,02-0,5 и гидросульфаты типа Mⁿ(HSO₄)₂ остальное.

Данное связующее обладает недостаточно высокими клеящей способностью и термостойкостью.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является сырьевая смесь для получения фосфатного вяжущего [3] , включающая двуокись титана, фосфорную кислоту и фосфат титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Двуокись титана - 50-65
Фосфорная кислота - 12-30
Фосфат титана - 5-28
Недостатком данной сырьевой смеси является ее высокая дороговизна, а также недостаточная стойкость в расплавах стали и чугуна при применении вяжущего для ремонта литейных ковшей.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в уменьшении себестоимости огнеупорной композиции с обеспечением высокого уровня клеящих свойств, химической стойкости и физико-механических характеристик. Одним из факторов, обеспечивающих снижение себестоимости, является снижение транспортных расходов на доставку компонентов композиции, их разгрузку, погрузку, хранение, доставку готовой композиции потребителю. Согласно заявляемому решению основная часть огнеупорной композиции - фосфатное вяжущее - готовится отдельно в условиях специализированного производства, затем транспортируется на любое расстояние к месту использования, где смешивается с имеющимися в данном регионе наполнителями, после чего получается готовая к применению композиция.

Исследованный уровень техники позволяет объяснить подход к решению поставленной задачи.

В известных решениях, как и в заявляемом, клеящие свойства вещества обеспечиваются фосфатной связкой, которая образуется при взаимодействии ортофосфорной кислоты с соединениями металлов (окислами, гидроокисями и др.). В техническом решении [1] фосфатная связка образуется при взаимодействии фосфорной кислоты с соединениями хрома и алюминия. Чтобы повысить прочность изделий из сырьевой смеси, вводят дополнительно кремнекислотосодержащий компонент, т.е. одна из проблем хромо-алюминиевой фосфатной связки - низкая прочность готовых изделий.

В другом примере [2], где также для получения фосфатной связки используются фосфорная кислота, хромовый ангидрид и гидроокись алюминия, решается еще одна проблема - недостаточная клеящая способность и нестабильность связки из-за выпадения составляющих в осадок при непродолжительном хранении. Для решения проблемы в смесь дополнительно вводят отход производства шарикоподшипниковых заводов, содержащий хромовую кислоту, моно- и бихроматы железа, магний, никель и гидросульфаты металлов.

Наконец, найден состав связки, свободный от вышеупомянутых проблем, это фосфатная связка на основе титана, например [3]. Смеси с фосфаттитановой связкой имеют стабильные огнеупорные свойства и химически стойки, обладают высокими физико-механическими характеристиками. Основной их недостаток - дороговизна двуокиси титана.

Опытным путем найдено, а затем многократно подтверждено решение, позволяющее значительно удешевить фосфатную связку на основе титаносодержащих. При этом выявлен ряд обстоятельств:
- определено оптимальное соотношение количеств фосфорной кислоты и двуокиси титана, необходимое и достаточное для получения фосфатной связки;
- установлено, что избыток компонента - двуокиси титана - не участвует в образовании связки и по сути является дорогостоящим наполнителем;
- используя фосфаттитановую связку, можно изготовлять полноценные огнеупорные композиции с дешевыми наполнителями и минимальным количеством связки (в некоторых случаях не более 3 %).

Сущность изобретения заключается в следующем.

Фосфатное вяжущее для получения огнеупорных композиций содержит двуокись титана, фосфорную кислоту и добавки. В качестве добавок включает боро- и магнийсодержащий компоненты при следующем соотношении ингредиентов относительно двуокиси титана, взятой в количестве 10 мас. ч.:
Фосфорная кислота - 20 - 70
Боросодержащая добавка в пересчете на борную кислоту - 0,5-2
Магнийсодержащая добавка в пересчете на окись магния - 1,5-4,5
Кроме того, в состав вводят соединения хрома, алюминия и циркония,- порознь или вместе в разных сочетаниях, т.к. опыты показали, что наличие в фосфаттитановом вяжущем дополнительно фосфатов хрома, алюминия, циркония улучшает свойства смеси. Образуются фосфаты сложного состава, которые увеличивают адгезию, прочность и долговечность огнеупорных композиций. Оптимальные количества хромо-, алюмо- и цирконийсодержащих компонентов в пересчете на их окиси - по 4-10 мас. ч. каждого.

Приготовление вяжущего осуществляют следующим образом.

Двуокись титана смешивают с фосфорной кислотой, тщательно перемешивая добавляют борную кислоту и магнезию. При необходимости добавляют хромо-, алюмо- и цирконийсодержащие соединения.

Варианты составов с различным по количеству сочетанием компонентов приведены в таблице.

Полученное фосфатное вяжущее может применяться самостоятельно без наполнителей, однако главное его достоинство в том, что, будучи смешано с наполнителями, оно позволяет получать очень дешевые огнеупорные смеси (композиции) с высокоэффективными свойствами. При этом собственно фосфатного вяжущего на получение композиции расходуется не более 3-10% от общей полученной массы.

Фосфатное вяжущее указанных в таблице составов смешивалось с наполнителями: мертелем, мелкозернистым шамотом и огнеупорной глиной - по 9 вариантов композиций с каждым наполнителем. По количеству компонентов композиции состояли из (мас. %); 1) 3% фосфатного вяжущего и 97% мертеля; 2) 5% фосфатного вяжущего и 95% мелкозернистого шамота; 3) 10% фосфатного вяжущего и 90% огнеупорной глины.

Возможность получения огнеупорной композиции с высокоэффективными клеящими и огнеупорными свойствами объясняется физическими процессами, происходящими при смешивании фосфатного вяжущего с наполнителем (например, мелкозернистым шамотом). Мелкозернистая структура наполнителя обуславливает большую эффективную площадь поверхности (суммарная площадь поверхности частиц наполнителя), обволакиваемой клеящим составом - фосфатным вяжущим. Благодаря высоким адгезионным свойствам фосфатного вяжущего частицы наполнителя оказываются надежно покрытыми клеящим составом и, в конечном счете, из небольшого количества фосфатного вяжущего получается большой объем полноценной огнеупорной смеси - такой же термостойкой и клейкой, как вяжущая основа, и с высокими физико-механическими характеристиками.

Фосфатное вяжущее без наполнителя и композиции с упомянутыми наполнителями (36 вариантов) наносились на плитки из огнеупорного шамота КШУ-39 ГОСТ 6137-80 размером 50х45х20, которые после этого попарно склеивались друг с другом по меньшей грани (45х20), затем подвергались термообработке при температуре 1050-1100^oC в течение 2-х часов.

Полученные образцы подвергались механическому воздействию до разрушения. Испытывались по 2-3 попарно склеенные каждым составом плитки. Во всех случаях разрушение происходило только по телу огнеупора.

Поскольку прочность применяемого для испытаний огнеупорного шамота 100-160 кг/см², то можно сделать вывод о том, что заявляемое фосфатное вяжущее и огнеупорные композиции на его основе обладают более высокими физико-механическими свойствами, обеспечивающими эффективное использование данных материалов для огнеупорных футеровок.

Указанный принцип получения огнеупорных композиций - смешивание небольшого объема фосфатного вяжущего с большим количеством наполнителя - открывает широкие возможности применения вяжущего. В качестве наполнителя может использоваться ряд веществ: огнеупорная глина, шамот, мертель, каолин. Применяется тот наполнитель, который находится в непосредственной близости от объекта, потребителя композиции. Таким образом, фосфатное вяжущее приготовляется заранее на специализированном производстве, а затем в необходимых количествах доставляется на любые расстояния к объектам - потребителям, где происходит приготовление собственно огнеупорной композиции с использованием доступного в данной местности наполнителя.

Значительно снижается себестоимость огнеупорных композиций за счет сокращения транспортных расходов на перевозку компонентов.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 996380, C 04 B 29/02.

2. Авторское свидетельство СССР N 996383, C 04 B 29/02.

3. Авторское свидетельство СССР N 1114654, C 04 B 29/02.

Формула изобретения

1. Фосфатное вяжущее для получения огнеупорных композиций, содержащее двуокись титана, фосфорную кислоту и добавки, отличающееся тем, что в качестве добавок оно включает боро- и магнийсодержащий компоненты при следующем соотношении ингредиентов относительно двуокиси титана, взятой в количестве 10 мас.ч.:
Фосфорная кислота - 20 - 70
Боросодержащая добавка в пересчете на борную кислоту - 0,5 - 2
Магнийсодержащая добавка в пересчете на окись магния - 1,5 - 4,5
2. Фосфатное вяжущее по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит окись хрома в количестве 4 - 10 мас.ч.

3. Фосфатное вяжущее по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит окись алюминия в количестве 4 - 10 мас.ч.

4. Фосфатное вяжущее по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит окись циркония в количестве 4 - 10 мас.ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1