Плавленый форстеритосодержащий материал и способ его получения
Владельцы патента RU 2367632:
Открытое акционерное общество "Первоуральский динасовый завод" (ОАО "ДИНУР") (RU)
Группа изобретений - плавленый форстеритосодержащий материал и способ его получения относится к производству огнеупоров. Плавленый форстеритосодержащий материал, включающий, мас.%: форстерит 83-95, периклаз 2-10, алюмомагниевую шпинель 2-4, стеклофазу монтичеллитового состава 1-3, получают плавлением шихты из смеси каустического магнезита и кварцита в соотношении 57-60 к 40-43 мас.%. Предпочтительно, чтобы каустический магнезит содержал не менее 87 мас.% MgO, а кварцит - не менее 97 мас.% SiO2. Плавление шихты ведут под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами. Плавленый форстеритосодержащий материал устойчив к воздействию CO, имеет повышенные огнеупорность и температуру начала размягчения, пониженную теплопроводность. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Группа изобретений относится к производству огнеупоров, в частности к получению методом плавления материала для огнеупорных композиций.
Известен плавленый форстеритосодержащий материал, включающий, мас.%: 35-97 форстерит, 1-55 периклаз, 2-10 стеклофазу, патент RU 2149856 C1, C04B 35/043, C04B 35/20, C04B 35/657, 2000 [1]. Основным недостатком данного плавленого материала является содержание в стеклофазе до 40 мас.% Fe2O3, что значительно снижает температуру деформации под нагрузкой. Высокое содержание Fe2O3 обусловлено использованием в шихте железосодержащего компонента - дунита (среднее содержание Fe2O3 в нем 7,8 мас.%).
Способ получения этого материала заключается в плавлении смеси дунита и спеченного периклазового порошка. Для снижения в плавленом огнеупорном материале количества Fe2O3 требуется дополнительная технологическая операция - магнитная сепарация примесных соединений железа после измельчения плавленого материала, что усложняет технологию, увеличивает отходы и удорожает себестоимость производства.
Известен плавленый огнеупорный материал, содержащий, мас.%: 45-76 форстерит, 18-35 алюмомагниевую шпинель, 3-14 хромшпинелид, 3-6 мелилит или стекло аналогичного состава, а.с. SU 1133250 A, C04B 35/62, 1989[2]. Недостатками данного плавленого огнеупорного материала являются нестойкость к воздействию CO в связи с восстановлением оксидов железа и хрома в хромшпинелиде до металлического состояния в виде феррохрома, невысокие огнеупорность и температура начала размягчения, повышенная теплопроводность, а также содержание в материале экологически опасного шестивалентного хрома.
Получение известного плавленого огнеупорного материала осуществляют плавлением в электропечи смеси технически чистых оксидов MgO, SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, Cr2O3. Главным недостатком данного способа является высокая стоимость технически чистых оксидов, особенно глинозема.
По совокупности общих существенных признаков наиболее близким к патентуемому является плавленый огнеупорный материал SU 1133250 A, C04B 35/62, 1989 [2] (пример 1). Он содержит, мас.%: 76 форстерит, 18 алюмомагниевая шпинель, 3 хромшпинелид, 3 мелилит или стекло аналогичного состава. Получают его путем плавления шихты, содержащей смесь технически чистых оксидов, мас.%: 58,8 MgO, 25,0 SiO2, 13,0 Al2O3, 0,8 CaO, 0,4 Fe2O3, 2,0 Cr2O3. Недостатками его, как указывалось выше, являются невысокие термофизические свойства, нестойкость в восстановительной среде, содержание соединений хрома и высокая стоимость исходных компонентов для получения данного плавленого материала.
Задачей настоящего изобретения является получение экологически чистого плавленого форстеритосодержащего материала с повышенными термофизическими показателями, стойкого в восстановительной среде, из доступного техногенного магнезиального и природного кремнеземистого сырья.
Технический результат состоит в повышении огнеупорности, температуры начала размягчения, стойкости к воздействию CO, снижении теплопроводности и затрат на производство.
Для достижения этого, согласно п.1 формулы изобретения, плавленый огнеупорный материал, содержит, мас.%: 83-95 форстерит, 2-10 периклаз, 2-4 алюмомагниевую шпинель, 1-3 стеклофазу монтичеллитового состава.
Сущность изобретения по п.1 состоит в том, что полученный минеральный (фазовый) состав плавленого форстеритосодержащего материала, включающий в оптимальном соотношении форстерит, периклаз, алюмомагниевую шпинель, а также небольшое количество монтичеллитовой (CaO·MgO·SiO2) стеклофазы, не содержащей оксидов железа, обеспечивает плавленому материалу повышенные температуру начала размягчения, огнеупорность и устойчивость в восстановительной атмосфере. Кроме этого, заявляемый плавленый форстеритосодержащий материал имеет более низкую теплопроводность, чем прототип, что расширяет возможности его применения в металлургии.
Критерием оптимальности фазового состава является величина магнезиально-форстеритового модуля (МФМ), равного отношению суммы содержания форстерита (Mg2SiO4) и периклаза (MgO) в плавленом огнеупорном материале к суммарному содержанию алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4) и монтичеллита (CaMgSiO4): МФМ=(Mg2SiO4+MgO)/(MgAl2O4+CaMgSiO4).
Для обеспечения высоких термофизических показателей и хорошей спекаемости плавленого форстеритосодержащего материала величина МФМ должна быть в пределах 13-33. При значении магнезиально-форстеритового модуля менее 13 резко снижается температура начала размягчения и увеличивается теплопроводность, а при значении МФМ более 33 - возрастают температура плавления и открытая пористость при спекании материала. В патентуемом плавленом форстеритосодержащем материале МФМ находится в пределах 13,3-32,3, что позволяет достичь заявляемые термофизические свойства.
Технический результат в способе, согласно п.2 формулы изобретения, достигается путем плавления шихты, состоящей из смеси каустического магнезита с содержанием MgO не менее 87 мас.% и кварцита с содержанием SiO2 не менее 97 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 57-60 указанный каустический магнезит, 40-43 указанный кварцит, а плавление шихты ведут под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами.
При введении в шихту кварцита менее 40 мас.% снижается спекаемость материала, а при введении его более 43 мас.% резко возрастает количество эвтектического расплава в системе MgO-Al2O3+CaO-SiO2, что вызывает снижение огнеупорности и температуры начала размягчения.
Ограничение содержания примесей в каустическом магнезите и кварците исключает загрязнение стеклофазы легкоплавкими компонентами.
При плавке шихты под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами снижаются теплопотери, пылеунос сырья и расход электродов.
Для получения плавленого форстеритосодержащего материала заявляемого состава использовали каустический магнезит марки ПМК-87 по ГОСТ 1216-87 с содержанием, мас.%: 94,1 MgO; 1,7 CaO; 1,9 SiO2; 1,7 Al2O3; 0,6 Fe2O3 (на прокаленное вещество) и кварцит марки ПКМИ по ТУ 1511-022-00190495-2003 с содержанием, мас.%: 98,2 SiO2; 1,2 Al2O3; 0,6 Fe2O3.
Указанные компоненты в количествах, приведенных в формуле изобретения, загружали в электродуговую печь РКЗ-4, шихту плавили при удельном расходе электроэнергии 1670 кВт·ч на 1 т под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами, сливали расплав в изложницу и охлаждали.
Примеры составов шихты для получения плавленого форстеритосодержащего материала:
1-й состав, мас.%: 60,0 каустический магнезит, 40,0 кварцит
2-й состав, мас.%: 58,5 каустический магнезит, 41,5 кварцит
3-й состав, мас.%: 57,0 каустический магнезит, 43,0 кварцит
Минеральный (фазовый) состав полученного плавленого форстеритосодержащего материала указан в таблице 1, а свойства в таблице 2.
Полученный в примерах 1-3 плавленый материал имеет следующий минеральный (фазовый) состав, мас.%: 83,6-95,0 форстерит, 2,1-9,8 периклаз, 1,9-3,7 алюмомагниевая шпинель, 1,0-2,9 монтичеллит. При этом он содержит, мас.%: 57,5-59,0 MgO, 37,8-40,7 SiO2, 1,4-2,9 Al2O3, 0,4-0,9 CaO.
Свойства определяли на образцах, сформованнох из дробленого плавленого форстеритосодержащего материала полифракционного состава и обожженных при температуре 1500°С в течение 6 час. Огнеупорность определяли по ГОСТ 4069-69, открытую пористость по ГОСТ 2409-95, температуру начала деформации под нагрузкой (температуру начала размягчения) по ГОСТ 4070-2000, теплопроводность по ГОСТ 12170-85. Для оценки устойчивости к СО образец обжигали в коксовой засыпке при 1200°С в течение 4 часов и затем определяли содержание в нем восстановленного металла рентгенофазовым анализом.
Из таблицы 2 видно, что патентуемый плавленый форстеритосодержащий материал имеет более высокие, чем у образца по прототипу, показатели основных термофизических свойств (огнеупорность, температуру начала размягчения, устойчивость к CO) и меньшую теплопроводность.
Данные свойства позволяют использовать предложенный плавленый форстеритосодержащий материал в качестве сырья для производства ковшевых огнеупоров, что подтвердили результаты промышленных испытаний. Себестоимость его ниже, чем у прототипа, вследствие снижения стоимости шихты и меньшего расхода электроэнергии и материалов на плавку.
| Таблица 1 | ||||
| Минеральный и химический состав плавленого форстеритосодержащего материала | ||||
| Компоненты массы | Содержание, мас.% | |||
| Заявляемый состав | Известный | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Форстерит | 83,6 | 88,0 | 95,0 | 76,0 |
| Периклаз | 9,8 | 6,7 | 2,1 | - |
| Алюмомагниевая шпинель | 3,7 | 3,1 | 1,9 | 18,0 |
| Монтичеллит | 2,9 | 2,2 | 1,0 | - |
| Хромшпинелид | 3,0 | |||
| Мелилит | 3,0 | |||
| Содержание, мас.%: | ||||
| MgO | 58,4 | 59,0 | 57,5 | 49,5 |
| SiO2 | 37,8 | 38,2 | 40,7 | 33,4 |
| Al2O3 | 2,9 | 2,1 | 1,4 | 14,0 |
| CaO | 0,9 | 0,7 | 0,4 | 1.4 |
| Cr2O3 | - | - | - | 1,2 |
| Fe2O3 | - | - | - | 0,5 |
| Магнезиально-форстеритовый модуль (МФМ) | 13,3 | 19,0 | 32,3 | - |
| Таблица 2 | ||||
| Свойства плавленого форстеритосодержащего материала | ||||
| Показатели | Заявляемый состав | Известный | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Огнеупорность, °С | 1690 | 1700 | >1730 | 1640 |
| Температура начала размягчения, °С | 1570 | 1590 | 1650 | 1520 |
| Теплопроводность, Вт/(м·К) | 3,4 | 3,1 | 2.8 | 3,6 |
| Открытая пористость, % | 14,8 | 16,7 | 19,1 | 13,8 |
| Устойчивость к СО (содержание восстановленных металлов), мас.% | менее 0,1 | 1,2 | ||
| Fe | Cr+Fe |
Источники информации
1. Патент RU 2149856 C1, C04B 35/043, C04B 35/20, C04B 35/657, 2000 [1].
2. А.с. SU 1133250 А, C04B 35/62, 1989[2].
1. Плавленый форстеритосодержащий материал, включающий форстерит, периклаз, алюмомагниевую шпинель и стеклофазу, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| форстерит | 83-95 |
| периклаз | 2-10 |
| алюмомагниевая шпинель | 2-4 |
| стеклофаза | 1-3 |
а стеклофаза имеет монтичеллитовый состав.
2. Способ получения плавленого форстеритосодержащего материала путем плавления в дуговой электропечи шихты, содержащей оксиды магния, кремния и алюминия, отличающийся тем, что шихта состоит из смеси каустического магнезита с содержанием MgO не менее 87 мас.% и кварцита с содержанием SiO2 не менее 97 мас.%, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 57-60 - указанный каустический магнезит, 40-43 - указанный кварцит, а плавление шихты ведут под слоем каустического магнезита с погруженными в расплав электродами.
