Шихта для производства корундовых огнеупоров и способ их изготовления
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при изготовлении высокоплотных корундовых огнеупоров специального назначения для ответственных узлов футеровки тепловых агрегатов, работающей в условиях переменной окислительно-восстановительной или восстановительной газовой среды. Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости, эрозионной устойчивости, прочности и снижение пористости, снижение брака в процессе их нагрева и последующего охлаждения на всем температурном интервале работы печи. Шихта для производства корундовых огнеупоров включает компоненты в следующем соотношении, мас.%: наполнитель: электроплавленный корунд фракции 3-1 мм 20-25%, электроплавленный корунд фракции 1-0,5 мм 30-35%, электроплавленный корунд фракции 0,5-0,1 мм 20-25%; связующая составляющая шихты: глинозем с размером частиц менее 5 мкм 15-20%, глинозем дисперсный с размером частиц менее 1 мкм, содержащий окись магния с размером частиц менее 1 мкм 5-10%; связка 2,5-2,8% на сухую часть шихты, при этом шихта содержит Al2О3 не менее 99,0%, Fe2O3 не более 0,05%, SiO2 не более 0,5%. В качестве связки используют гидрозоль Al2О3 в комбинации с лигносульфонатом и поливиниловым спиртом, взятыми в соотношении 70-74,8:25-29:0,2-1,0%. Способ изготовления корундовых огнеупоров включает приготовление шихты путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей, последующего соединения со связкой, формование изделий, включающее засыпку шихты в пресс-форму, прессование, подвяливание, сушку, обжиг и охлаждение. Все этапы формования изделий осуществляют при работающей виброприставке, установленной непосредственно на корпусе пресс-формы, при этом на этапе засыпки шихты устанавливают амплитуду колебаний 0,5-1 мм и интенсивность колебаний λ<1, прессование изделий осуществляют при давлении 80-100 МПа, амплитуде колебаний 0,25-2 мм и интенсивности колебаний λ>1, освобождение изделий из пресс-формы выполняют при амплитуде колебаний 0,1-0,5 мм и интенсивности колебаний λ<1. Обжиг ведут в периодической печи при разрежении не менее 50 Па во время ее нагрева до температуры 1730-1750°С, а охлаждение огнеупоров осуществляют в печи одновременно с ее остыванием путем естественной конвекции до достижения внутренней температуры печи 600°С и далее до полного остывания с принудительной подачей атмосферного воздуха из печного отделения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 табл.
Область техники
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при изготовлении высокоплотных корундовых огнеупоров специального назначения для ответственных узлов футеровки тепловых агрегатов, работающей в условиях переменной окислительно-восстановительной или восстановительной газовой среды, в частности, для реакторов производства технического углерода и других, для которых огнеупоры изготавливают методом полусухого формования с использованием комбинированных (органических и неорганических) вяжущих материалов.
В связи с общей интенсификацией процесса производства технического углерода, внедрением большегрузных реакторов требования к надежности футеровки и стойкости огнеупоров непрерывно повышаются. Особенно актуально это при производстве технического углерода активных марок, так как даже незначительный износ огнеупоров приводит к нарушению технологического режима и снижению качества получаемого технического углерода. В среднем стойкость футеровок с содержанием Al2О3 до 95% в производстве активного технического углерода в температурном диапазоне 1500-1600°С составляет 1,5-2 года. При повышении температуры до 1700°С работоспособность огнеупоров и футеровки реактора снижается до 1 года и ниже.
В то же время известно, что эффективность технологического процесса (выход готовой продукции, производительность реактора) повышаются при увеличении температуры в зонах горения и реакции до максимально допустимых значений, соответствующих стойкости огнеупоров, применяющихся для футеровки этих зон реактора (В.Ф.Суровикин, Л.С.Казаков, Н.К.Кореняк. Исследование печного процесса получения высокодисперсных саж. Научные труды ВНИИСП, выпуск 1. Омск. Западно-Сибирское книжное издательство, 1972 г., стр.151-178). Это обстоятельство объясняет актуальность проблемы по повышению надежности футеровки реакторов при одновременном увеличении рабочих температур и увеличении производительности реакторов, непрерывно работающих без установленного резервного оборудования.
Известно, что наиболее стойким огнеупором для работы в агрессивных восстановительных газовых средах при температурах до 1900°С является высокочистый корундовый огнеупор (содержание Al2О3>99%) с минимальным содержанием нежелательных примесей, таких как SiO2, Fe2O3, активно реагирующих с углеводородами газовой смеси (К.К.Стрелов. Структура и свойства огнеупоров. Москва. Металлургия, 1982 г., стр.166-168). С другой стороны, весьма важно, чтобы структура огнеупора была максимально плотно упакована с целью обеспечения необходимых прочностных свойств, снижающих эрозионное разрушение от воздействия высокоскоростного газового потока, движущегося в реакторе при рабочих температурах 1600-1750°С со скоростью 300-350 м/сек. Сложность условий эксплуатации огнеупоров дополняет наличие в реакторе избыточного давления до 0,06 МПа. Вследствие этого для огнеупора важным является сохранение им объемопостоянства, так как малейшая разгерметизация внутреннего слоя футеровки приводит к попаданию высокотемпературных газов в изолирующие слои футеровки, не рассчитанные на эти температуры.
Таким образом, для изготовления качественных корундовых огнеупоров важным является правильный выбор как состава шихты, так и соответствующего метода формования и обжига огнеупоров, обеспечивающих достижение требуемых физико-механических параметров.
Предшествующий уровень техники
Известен корундовый огнеупор с содержанием Al2О3>96 мас.%, изготавливаемый методом полусухого формования на гидравлических прессах с усилием прессования 60-70 МПа (И.В.Григорьев, М.А.Робинович. Производство корундовых изделий на Снегиревском заводе огнеупорных изделий, ж. «Огнеупоры», 1973 г., № 1 стр.10-12). Однако он имеет ряд недостатков, главные из которых заключаются в ограничении рабочей температуры (tp<1600°C) из-за значительного содержания SiO2>1%, Fe2O3>0,5%. Использование при этом лигносульфоната (ЛСТ) в качестве временной связки для формования порошков электрокорунда не обеспечивает сохранение прочности связи ввиду улетучивания ЛСТ при рабочих температурах. В этом случае остаточная прочность связи между зернами обеспечивается лишь за счет спекания связующей части шихты (фр. менее 0,009 мм), содержание которой составляет не более 10-15%, вследствие чего эрозионная стойкость огнеупора является недостаточной.
Известен корундовый огнеупор типа «Korradtsch-99» с содержанием Al2О3>99%, изготавливаемый на основе пластинчатого корунда (Гюнтер Глаух, Ганс-Дитер Кухта. Огнеупорная футеровка реакторов для производства техуглерода. Gaswarme International (52), № 5, 2003 г., стр.290-294). При всех достоинствах этого огнеупора (высокая термостойкость - до 17 водяных теплосмен и допустимая рабочая температура до 1800°С), изготовление фасонных огнеупоров требует специального сложного оборудования для гидростатического сжатия и трудоемкой технологии по изготовлению пластинчатого корунда.
В части, касающейся шихты, прототипом изобретения является шихта для производства корундовых огнеупоров (И.С.Кайнарский, Э.В.Дегтярева, И.Г.Орлова. Корундовые огнеупоры и керамика, г.Москва, Металлургия, 1981 г., стр.65-68), состоящая из наполнителя, в качестве которого используют порошок на основе электроплавленного корунда, связующей составляющей на основе тонкоизмельченного глинозема, а также связки, в качестве которой применяют сульфитно-спиртовую бражку, метиллцеллюлозу либо их смеси, при следующем соотношении компонентов шихты:
| наполнитель: | |
| электроплавленный корунд фракции 0,2-0,5 мм | 50% |
| электроплавленный корунд фракции 0,009-0,1 мм | 20% |
| связующая составляющая шихты: | |
| тонкоизмельченный глинозем с размером частиц <5 мкм | 30% |
| связка | 2,0% на сухую часть шихты |
Основным недостатком вышеуказанного прототипа является наличие узкого фракционного размера порошков наполнителя (0,5-0,009 мм), что не обеспечивает создание микротрещиноватой структуры, способствующей релаксации термонапряжений, появляющихся в огнеупоре при изменении условий работы реактора. Вследствие этого термостойкость этого огнеупора является низкой (1-3 водяных термоцикла), что является недостаточным для условий длительной эксплуатации. Наличие сульфитно-спиртовой бражки (ССБ) в качестве временной связки обеспечивает вяжущие свойства для корундового наполнителя лишь в течение формования и сушки огнеупора. После обжига временная связка ССБ испаряется и остаточная прочность обеспечивается за счет спекания вибромолотого глинозема, содержание которого в шихте до 30%, а увеличение в составе шихты тонкомолотой составляющей (<0,06 мм) приводит, с одной стороны, при формовании изделий к их перепрессовке, с другой стороны, к быстрому накоплению остаточной деформации, что приводит к разгерметизации футеровки.
Задачей, решаемой изобретением, является повышение термостойкости, эрозионной устойчивости путем повышения прочности и снижения пористости, безусадочности огнеупора за счет расширения и упорядочивания фракционного состава наполнителя и связующей составляющей шихты.
Раскрытие изобретения
В части, касающейся шихты, решение поставленной задачи осуществлено за счет того, что в шихте для производства корундовых огнеупоров, состоящей из наполнителя, в качестве которого используют порошок на основе электроплавленного корунда, связующей составляющей на основе глинозема с размером частиц менее 5 мкм, а также связки, согласно изобретению, наполнитель состоит из порошков электроплавленного корунда с размером частиц в диапазоне 3-0,1 мм, связующая составляющая дополнительно содержит дисперсный глинозем с размером частиц менее 1 мкм, включающий окись магния с размером частиц менее 1 мкм, заблаговременно введенную в дисперсный глинозем в количестве 0,3-0,5% от него, а в качестве связки используют гидрозоль Al2О3 в комбинации с лигносульфонатом и поливиниловым спиртом в соотношении 70-74:25-29:0,2-1,0% при следующем соотношении компонентов шихты:
| наполнитель | |
| электроплавленный корунд фракции 3-1 мм | 20-25% |
| электроплавленный корунд фракции 1-0,5 мм | 30-35% |
| электроплавленный корунд фракции 0,5-0,1 мм | 20-25% |
| связующая составляющая шихты | |
| глинозем с размером частиц менее 5 мкм | 15-20% |
| глинозем дисперсный с размером частиц менее 1 мкм, | |
| содержащий окись магния с размером частиц менее 1 мкм | 5-10% |
| связка | 2,5-2,8% на сухую часть шихты, |
при этом шихта содержит Al2О3 не менее 99,0%, Fe2О3 не более 0,05%, SiO2 не более 0,5%.
Состав шихты по изобретению и прототипу приведены в табл.1. Показатели шихты и свойства огнеупоров по изобретению в сопоставлении с прототипом и зарубежным аналогом приведены в табл.2.
| Таблица 1 | |||||
| Компоненты шихты | Содержание компонентов в шихте, мас.%. | ||||
| прототип | аналог | изобретение | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| наполнитель | - | на основе пластинчатого корунда | 25 | 30 | 30 |
| Электроплавленный корунд фракции 3-1 мм | |||||
| электроплавленный корунд фракции 1-0,5 мм | - | - | 30 | 25 | 20 |
| электроплавленный корунд фракции 0,5-0,1 мм | - | - | 20 | 25 | 20 |
| электроплавленный корунд фракции 0,2-0,5 мм | 50 | - | |||
| электроплавленный корунд фракции 0,009-0,1 мм | 20 | - | |||
| связующая составляющая шихты | 30 | - | 15 | 15 | 20 |
| глинозем с размером частиц менее 5 мкм | |||||
| глинозем дисперсный с размером частиц менее 1 мкм, содержащий окись магния с размером частиц менее 1 мкм | - | - | 10 | 5 | 10 |
| связка | 2,0 | - | 2,5 | 2,0 | 2,8 |
| гидрозоль Al2О3 в 30% водном растворе | - | - | 70 | 75 | 74,0 |
| лигносульфонат | - | - | 29,0 | 24,5 | 25,0 |
| поливиниловый спирт | - | - | 1,0 | 0,5 | 1,0 |
| сульфитно-спиртовая бражка | 100 | - | - | - | - |
| Таблица 2 | |||||
| Наименование показателя, ед. измерения | Шихта | ||||
| прототип | Аналог «Korradtsch-99» | изобретение | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Химический состав, % | 99,1 | >99,0 | 99,0 | 99,0 | 99,0 |
| Массовая доля Al2О3 не менее | |||||
| Содержание SiO2 не более | 0,3 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Содержание Fe2О3 не более | 0,5 | 0,1 | 0,5 | 0,5 | 0,5 |
| Прочность на сжатие при температуре 20°С, МПа | 56,0 | 90,0 | 82,0 | 85,0 | 82,0 |
| Температура начала деформации под нагрузкой 0,2 Н/мм2 не ниже, °С | 1730 | >1700 | 1750 | 1750 | 1750 |
| Дополнительная линейная усадка при т-ре 1600°С, % | 0,60 | 0,30 | 0,30 | 0,40 | 0,45 |
| Огнеупорность не менее, С | 1800 | 1850 | 1850 | 1800 | 1900 |
| Термостойкость, кол-во термоциклов вода-1300°С-вода | 1-3 | до 17 | 8-10 | 12-14 | 10-12 |
| Открытая пористость, % | 20 | 16 | 16 | 18 | 17 |
В части, касающейся способа изготовления корундового огнеупора, за прототип принят способ изготовления корундовых огнеупоров методом полусухого формования с использованием машинного прессования (гидравлического пресса или фрикционного пресса ударного действия, обеспечивающих номинальное прессующее давление до 100 МПа) (И.С.Кайнарский, Э.В.Дегтярева, И.Г.Орлова. Корундовые огнеупоры и керамика, г.Москва, Металлургия, 1981 г. стр.65-68).
Согласно прототипу при изготовлении корундовых огнеупоров приготовление шихты ведут путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей, с последующим увлажнением связкой, далее осуществляют дозированную засыпку шихты в форму, соответствующую размеру изготавливаемого изделия, формование ведут на машинном прессе с использованием подпрессующих пружин, обеспечивающих равномерную пропрессовку на всю высоту изделия за счет реактивного усилия пружин, установленных между нижней опорной поверхностью пресс-формы и столом пресса. Прессование изделий осуществляют после изготовления контрольного образца изделия с определением по подготовленному составу шихты требуемой массы навески, величины фактического прессующего усилия (для гидравлического пресса) или требуемое количество ударов в случае использования фрикционных прессов ударного действия. Изготовленное изделие механическим или ручным способом укладывают на приготовленный открытый поддон, где осуществляют первичную сушку (подвяливание) изделий в условиях атмосферы производственного цеха (температура воздуха +10-+15°С) в течение 8-10 часов. Сушку огнеупоров осуществляют методом вентиляции воздухом при температуре +100°С в условиях автономной сушильной камеры или по программе условий сушки при использовании для сушки и обжига проходной туннельной печи. Обжиг огнеупоров осуществляют посредством постепенного разогрева огнеупоров по специальной программе, обеспечивающей возможность достижения нормируемых температур обжига (1650-1700°С) с равномерным распределением температурных полей по всему рабочему объему печи. Охлаждение огнеупоров осуществляют посредством регулируемого снижения расхода топлива.
Недостатком прототипа является то, что стремление получить максимально плотную упаковку электрокорундовых порошков путем увеличения давления прессования до 100 МПа и выше приводит к возрастанию упругого расширения, что ведет к повышению пористости прессовок и перепрессовке (или расслаиванию), являющейся основным и трудно устраняемым видом брака (Р.Я.Попильский, Ю.Е.Пивинский. Прессование керамических порошков, г.Москва, Металлургия, 1977 г. стр.190-193). При прессовании этот дефект является основным препятствием для получения прессовок высокой плотности. С другой стороны, ограничение давления прессования влияет на снижение спекания сырца огнеупора, что вызывает увеличенное эрозионное разрушение огнеупора от воздействия высокоскоростного газового потока. Кроме того, использование в прототипе при обжиге корундовых изделий туннельных печей приводит на стадии охлаждения изделий к неравномерному распределению температурных полей, что вызывает появление в огнеупорах опасных растягивающих напряжений, влияющих на возникновение термотрещин по периферийному контуру изделий.
Задачей, решаемой изобретением в части, касающейся способа изготовления корундовых огнеупоров, является исключение упругого расширения корундовых порошков при прессовании изделий, а также осуществление эффективного обжига высокоплотных корундовых огнеупоров с минимальной возможностью появления брака в процессе их нагрева и последующего охлаждения на всем температурном интервале работы печи.
Раскрытие изобретения
В части, касающейся способа, решение поставленной задачи осуществлено за счет того, что в способе изготовления корундовых огнеупоров, включающем приготовление шихты путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей и последующего соединения со связкой, все этапы формования изделий, начиная от засыпки шихты в пресс-форму до извлечения готового изделия, осуществляют при работающей виброприставке, установленной непосредственно на корпусе пресс-формы. При этом во время засыпки шихты в пресс-форму устанавливают амплитуду колебаний 0,5÷1 мм и интенсивность колебаний λ<1, прессование изделий осуществляют при давлении 80÷100 МПа, амплитуде колебаний 0,25÷2 мм и интенсивности колебаний λ>1, a освобождение изделий из пресс-формы выполняют при амплитуде колебаний 0,1÷0,5 мм и интенсивности колебаний λ<1. Последующий после подвяливания и сушки изделий обжиг ведут в периодической печи при разрежении не менее 50 Па во время ее нагрева до температуры 1730÷1750°С, а охлаждение огнеупоров осуществляют в печи одновременно с ее остыванием путем естественной конвекции до достижения внутренней температуры печи 600°С (с учетом стандартных допусков на существующие системы измерения температуры) и далее до полного остывания с принудительной подачей атмосферного воздуха из печного отделения.
Интенсивность колебаний оценивают величиной отношения амплитуды ускорения к ускорению свободного падения:
где λ - интенсивность колебаний, величина безразмерная;
А - амплитуда колебаний, м;
- угловая частота, 1/с
(см. В.Д.Варсонофьев, Э.Э.Кольман-Иванов, Вибрационная техника в химической промышленности, Москва, Химия, 1985, с.237). При λ=1 - критическая интенсивность колебаний.
Приготовление шихты в предпочтительных вариантах может быть осуществлено путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей последовательно в порядке возрастания размера частиц электроплавленного корунда при перемешивании после введения каждой фракции наполнителя не менее 20-30 мин.
Соединение со связкой может быть осуществлено путем последовательного введения гидрозоля Al2О3, лигносульфоната и поливинилового спирта при перемешивании после введения каждой части связки в течение 15-20 мин.
Нагрев печи может быть осуществлен при переменной скорости изменения температуры по формуле:
на интервале 0-13 ч до достижения t1=400°C
t=τVt1+140
на интервале 14-54 ч до достижения t2=1400°C
t=(τ-14)·Vt2+400
на интервале 54-74 ч до достижения t3=1740°С
t=(τ-54)·Vt3+1400,
где t1 - текущая температура нагрева печи, °С;
τ - текущий интервал времени, час; Vt1, Vt2, Vt3 - скорость изменения температуры, °С/ч.
Наилучший вариант осуществления изобретения
- Этап приготовления шихты
Заблаговременно готовят смесь дисперсного глинозема с окисью магния путем измельчения в шаровой мельнице вибромолотого глинозема размером до 5 мкм совместно с окисью магния (MgO) (0,3-0,5% мас.%) в течение 5-10 часов до размера частиц <1 мкм. Смесь выгружают, высушивают и хранят отдельно.
Далее подготовку шихты осуществляют в шаровой мельнице посредством последовательной подачи:
связующей части шихты, включающей глинозем вибромолотый с размером частиц до 5 мкм, заблаговременно приготовленную смесь дисперсного глинозема с окисью магния с размером частиц до 1 мкм и наполнителя:
электроплавленного корунда фракции 0,1-0,5 мм с перемешиванием в течение 20 мин;
электроплавленного корунда фракции 0,5-1 мм с перемешиванием в течение 30 мин;
электроплавленного корунда фракции 1-3 мм с перемешиванием в течение 30 мин.
После проведения контроля на равномерность распределения наполнителя в шихте подготовленную смесь выгружают в смеситель, где осуществляют ее соединение со связкой при последовательной подаче:
раствора гидрозоля Al2О3 концентрацией 30% по сухому остатку плотностью γ=1,25 г/см3 с перемешиванием в течение 15 мин;
раствора ЛСТ концентрации 50% по сухому остатку плотностью γ=1,4 г/см3 с перемешиванием в течение 15 мин;
поливинилового спирта ПВС с перемешиванием в течение 15 мин.
Формование изделия выполняют следующим образом.
- Этап засыпки шихты в форму
Согласно габаритов изделия и планируемой плотности огнеупора определяют массу исходной навески сырьевой смеси, которую загружают в форму при одновременном включении виброприставки с установкой амплитуды колебаний 0,5÷1 мм и интенсивности колебаний λ<1, обеспечивающих псевдоожижение сырьевой смеси и ее уплотнение вследствие разрушения арок, сводов и ликвидации пустот. При этом повышение относительной подвижности частиц способствует дегазации смеси, более плотной и регулярной укладке частиц твердой фазы рабочей смеси шихты.
- Этап прессования изделия
Прессование изделий осуществляют при давлении 80-100 МПа. При включении рабочего хода верхнего плунжера пресса увеличивают интенсивность колебаний виброприставки, устанавливая λ>1 и амплитуду колебаний 0,25÷2 мм, что облегчает процессы формования и прессования. При этом достигается максимально плотная упаковка прессовки изделия без повышения прессующего давления более 100 МПа.
- Этап освобождения изделия
После окончания прессования изделия уменьшают интенсивность колебаний виброприставки, устанавливая λ<1 и амплитуду колебаний 0,1÷0,5 мм. За счет низкоамплитудной вибрации с более высокой частотой снижается трение между изделием и корпусом формы при освобождении изделия и уменьшается упругое расширение изделия после его полного освобождения из пресс-формы.
- Этап подвяливания и сушки
Отформованное огнеупорное изделие после подвяливания (первичной сушки) подвергают сушке в автономной сушилке при температуре воздуха до 100°С. Высушенное изделие до остаточной влажности не более 0,5% подготавливают к обжигу в периодической печи, которая обеспечивает возможность эффективного обжига практически любой партии огнеупоров.
- Этап обжига огнеупоров
Подготовка печи. Высушенные изделия равномерно укладывают на насадку по поду печи. Материал насадки по химическому составу соответствует материалу изготавливаемых огнеупоров. При этом количество насадки определяется размером рабочего пространства печи и величиной партии изготавливаемого огнеупора. Основным критерием оптимизации является достижение равномерности заполнения рабочего объема печи с целью достижения равномерных температурных полей как по высоте, так и по поперечному сечению подготовленной партии огнеупоров.
Обжиг огнеупоров. По завершении укладки огнеупоров закрывают люк печи и производят розжиг запальной горелки, обеспечивающей первичный разогрев печи до достижения температуры дымовых газов 120÷140°С. При достижении этой температуры осуществляют розжиг основной горелки, которая обеспечивает подъем температуры в печи по специальной программе. Включение основной горелки в работу определяет начало этапа разогрева печи-обжига изделий. Измерение температуры в печи осуществляют по термопаре, установленной в рабочей зоне печи, а начиная с 1100°С, контроль температуры осуществляют посредством измерения температуры по показаниям радиационного оптического пирометра, фиксирующего температуру разогреваемых огнеупоров.
Обжиг изделия ведут во время нагрева печи до температуры 1730÷1750°С в условиях полного горения топлива с разрежением в рабочем пространстве не менее 50 Па, что исключает возможность появления химнедожога, ухудшающего внешний вид изделия и снижающего экономичность работы печи.
Для определения точного отсчета времени обжига в рабочем пространстве печи устанавливают стандартные пироскопические призмы, по изменению формы которых фиксируют достижение в рабочем пространстве температуры обжига. Длительность обжига не менее 10 ч, но уточняется в каждом отдельном случае в зависимости от размеров изготавливаемых изделий и объема заполнения ими рабочего пространства печи.
Нагрев печи до температуры обжига может быть осуществлен по графику при переменной скорости изменения температуры по формуле:
на интервале 0-13 ч до достижения t1=400°C
t=τ·Vt1+140 - на этом этапе Vt1=20°C/ч;
на интервале 14-54 ч до достижения t2=1400°C;
t=(τ-14)·Vt2+400 - на этом этапе Vt2=25°С/ч;
на интервале 54-74 ч до достижения t3=1740°С.
t=(τ-54)·Vt3+1400 - на этом этапе Vt3=17°C/ч,
где ti - текущая температура нагрева печи, °С.
τ - текущий интервал времени, час.
Vt1, Vt2, Vt3 - скорость изменения температуры, °С/ч.
- Этап охлаждения огнеупоров.
После окончания обжига огнеупорных изделий останавливают работу основной горелки и начинают процесс охлаждения печи и изделий посредством естественной конвекции без принудительной вентиляции внутреннего объема печи. Режим естественного остывания печи и изделий осуществляют до достижения внутренней температуры печи 600°С, которая допускает более высокие скорости изменения температуры в связи со снижением температурной зависимости теплофизических параметров корундовых огнеупоров (теплопроводности и объемного расширения) в этом температурном диапазоне. Дальнейшее охлаждение печи осуществляют с принудительной подачей через горелку атмосферного воздуха из печного отделения.
Влияние параметров осуществления способа на свойства огнеупоров приведены в табл.3.
Использование композиции шихты по изобретению в сочетании с предлагаемым методом формования изделий позволяет получать корундовые огнеупоры с высокими термомеханическими показателями при низкой пористости, что способствует снижению проникания в структуру огнеупора пылевидного углерода, золы, щелочных металлов и других компонентов газовой среды, способствующих разрушению огнеупора в рабочих условиях. Снижению пористости способствует использование в шихте тонкомолотого глинозема фракции <1 мкм, в состав которого предварительно вводят оксид магния, усиливающий процессы спекания во время высокотемпературного обжига изделий при температуре до 1750°С. Достижению высокой плотности способствует пластифицирующее действие связки и комбинированный метод формования огнеупоров, обеспечивающий за счет вибрационного течения корундового наполнителя создание плотных упаковок при прессующем усилии не более 100 МПа. Одновременно вибрационная обработка во время всех этапов формования изделий позволяет повысить качество огнеупора за счет исключения упругого расширения порошков при освобождении изделий из пресс-формы. Одним из принципиальных условий является обеспечение удовлетворительной термостойкости огнеупора (до 15 водяных теплосмен), так как процесс разрушения в реальных условиях связан с интенсивностью роста термотрещин и способностью огнеупора к релаксации возникающих термонапряжений.
| Таблица 3 | ||||||
| Способ изготовления огнеупора | ||||||
| Физико-механические свойства огнеупора и эксплуатационные характеристики процесса изготовления огнеупоров, ед. измерения | ||||||
| По прототипу | По аналогу «Korradtsch-99» | По изобретению | ||||
| По п.2 формулы изобретения | По п.3 формулы изобретения | По п.5 формулы изобретения | По п.8 формулы изобретения | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Прочность на сжатие при температуре 20°С, МПа | 56,0 | 90,0 | 80,0 | 82,0 | 82,0 | 85 |
| Кажущаяся плотность, г/см3 | 3,1 | 3,15 | 3,15 | 3,2 | 3,2 | 3,2 |
| Открытая пористость, % | 20 | 16 | 18 | 17 | 16 | 16 |
| Внешний вид изделий (наличие пятен, трещин) | Наличие термотрещин, имеются пятна | отсутств. | отсутсв. | отсутств. | отсутств. | отсут. |
| Время прессования сырца изделий, мин. | 3-5 | Сведений нет | 1-2 | 1-2 | 1-2 | 1-2 |
| Давление прессования, МПа | Свыше 100 | Сведений нет | 80-90 | 80-90 | 80-90 | 80-90 |
Предложенные режимы сушки и обжига изделий способствуют получению качественных корундовых огнеупоров.
Использование изобретения позволит уменьшить энергозатраты за счет снижения усилий механического прессования и ускорить процесс формования огнеупорного изделия за счет вибротечения электрокорундовых порошков.
1. Шихта для производства корундовых огнеупоров, состоящая из наполнителя, в качестве которого используют порошок на основе электроплавленного корунда, связующей составляющей на основе глинозема с размером частиц менее 5 мкм, а также связки, отличающаяся тем, что наполнитель состоит из 3-х фракций порошка электроплавленного корунда с размером частиц в диапазоне 3-0,1 мм, связующая составляющая дополнительно содержит дисперсный глинозем с размером частиц менее 1 мкм и окись магния с размером частиц менее 1 мкм, заблаговременно введенную в дисперсный глинозем в количестве 0,3-0,5% от него, а в качестве связки используют гидрозоль Al2O3 в комбинации с лигносульфонатом и поливиниловым спиртом, взятыми в соотношении 70-74,8:25-29:0,2-1,0%, при следующем соотношении компонентов шихты, мас.%:
| Наполнитель | |
| Электроплавленный корунд фракции 3-1 мм | 20-25 |
| Электроплавленный корунд фракции 1-0,5 мм | 30-35 |
| Электроплавленный корунд фракции 0,5-0,1 мм | 20-25 |
| Связующая составляющая шихты | |
| Глинозем с размером частиц менее 5 мкм | 15-20 |
| Глинозем дисперсный с размером частиц | |
| менее 1 мкм, содержащий окись магния | |
| с размером частиц менее 1 мкм | 5-10 |
| Связка | 2,5-2,8 на сухую часть шихты |
при этом шихта содержит Al2О3 не менее 99,0%, Fe2O3 не более 0,05%, SiO2 не более 0,5%.
2. Способ изготовления корундовых огнеупоров, включающий приготовление шихты путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей, последующего соединения со связкой, формование изделий, включающее засыпку шихты в пресс-форму, прессование, подвяливание, сушку, обжиг и охлаждение, отличающийся тем, что все этапы формования изделий осуществляют при работающей виброприставке, установленной непосредственно на корпусе пресс-формы, при этом на этапе засыпки шихты устанавливают амплитуду колебаний 0,5-1 мм и интенсивность колебаний λ<1, прессование изделий осуществляют при давлении 80-100 МПа, амплитуде колебаний 0,25-2 мм и интенсивности колебаний λ>1, освобождение изделий из пресс-формы выполняют при амплитуде колебаний 0,1-0,5 мм и интенсивности колебаний λ<1, последующий после подвяливания и сушки изделий обжиг ведут в периодической печи при разрежении не менее 50 Па во время ее нагрева до температуры 1730-1750°С, а охлаждение огнеупоров осуществляют в печи одновременно с ее остыванием путем естественной конвекции до достижения внутренней температуры печи 600°С и далее до полного остывания с принудительной подачей атмосферного воздуха из печного отделения.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что нагрев печи осуществляют при переменной скорости изменения температуры по формуле
на интервале 0-13 ч до достижения t1=400°C
t=τVt1+140
на интервале 14-54 ч до достижения t2=1400°C
t=(τ-14)·Vt2+400
на интервале 54-74 ч до достижения t3=1740°С
t=(τ-54)·Vt3+1400
где t1 - текущая температура нагрева печи, °С;
τ - текущий интервал времени, ч;
vt1, Vt2, Vt3 - скорость изменения температуры, °С/ч.
4. Способ по п.2, отличающийся тем, что приготовление шихты осуществляют путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей последовательно в порядке возрастания размера частиц электроплавленного корунда при перемешивании после введения каждой фракции наполнителя не менее 20-30 мин.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что приготовление шихты осуществляют путем смешения компонентов наполнителя со связующей составляющей последовательно в порядке возрастания размера частиц электроплавленного корунда при перемешивании после введения каждой фракции наполнителя не менее 20-30 мин.
6. Способ по п.2, отличающийся тем, что соединение со связкой осуществляют путем последовательного введения гидрозоля Al2O3, лигносульфоната и поливинилового спирта при перемешивании после введения каждой части связки в течение 15-20 мин.
7. Способ по п.3, отличающийся тем, что соединение со связкой осуществляют путем последовательного введения гидрозоля Al2O3, лигносульфоната и поливинилового спирта при перемешивании после введения каждой части связки в течение 15-20 мин.
8. Способ по п.4, отличающийся тем, что соединение со связкой осуществляют путем последовательного введения гидрозоля Al2O3, лигносульфоната и поливинилового спирта при перемешивании после введения каждой части связки в течение 15-20 мин.
9. Способ по 5, отличающийся тем, что соединение со связкой осуществляют путем последовательного введения гидрозоля Al2O3, лигносульфоната и поливинилового спирта при перемешивании после введения каждой части связки в течение 15-20 мин.
