Способ повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора



Способ повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора
Способ повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора

 


Владельцы патента RU 2474559:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный архитектурно-строительный университет" (СГАСУ) (RU)

Изобретение относится к способу повышения физико-механических показателей алюмосиликатных огнеупоров с высоким содержанием Al2O3, в частности самого распространенного шамотного огнеупора. Поставленная цель достигается пропиткой штучных огнеупоров водным раствором кислого алюмофосфата типа Al(H2PO4)3 плотностью 1,52 г/см3 в нормальных условиях в течение 6-8 часов с последующей термообработкой при 250-350°C в течение 2 часов. Пропиточный состав получают смешиванием шлама щелочного травления алюминия в количестве 35-45 мас.% с ортофосфорной кислотой 60%-ной концентрации (остальное). Техническим результатом изобретения является значительное повышение физико-термических показателей (плотности, прочности, огнеупорности термостойкости) алюмосиликатного огнеупора, а именно шамота типа ША, что положительно скажется на долговечности футеровок тепловых агрегатов. 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к способам повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатных огнеупоров с высоким содержанием Al2O3, которые затем могут быть использованы практически во всех тепловых агрегатах, футеруемых алюмосиликатными огнеупорами, с максимальной рабочей температурой 1450-1500°C.

Известен способ повышения эксплуатационных характеристик штучных шамотных огнеупоров, в котором путем пропитки изделий ортофосфорной кислотой при нормальной температуре с последующей сушкой и обжигом повышаются плотность и прочность изделий. /Хлыстов А.И. Физико-химические основы применения фосфатных связок при ремонте футеровок тепловых агрегатов. Ж., Огнеупоры и техническая керамика, 2008, №3, с.41/ [1].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе в порах огнеупоров образуется недостаточное количество алюмофосфата AlPO4, способствующего повышению их эксплуатационных характеристик.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ упрочнения обожженных алюмосиликатных огнеупоров, содержащих 30-40% Al2O3, в котором пропитку производят кипячением в течение 20-40 минут в водном растворе ортофосфорной кислоты, плотностью 1,335-1,579 г/см3 с последующей сушкой, принят за прототип /Авторское свидетельство СССР №763298, кл. C04B 41/06, C04B 35/18, 1980/ [2].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относятся сложность и дороговизна способа упрочнения алюмосиликатных огнеупоров таким методом пропитки, как кипячение.

В известном способе образование алюмофосфата AlPO4 в порах огнеупора идет за счет химической реакции минералов алюмосиликатной группы (силлиманит Al2O3·SiO2, муллит 3Al2O3·SiO2), слагающих кристаллический каркас исходного огнеупора, с ортофосфорной кислотой. Прохождение данных реакций требует применения таких весьма сложных и вредных для здоровья процессов, как кипячение огнеупорных изделий в растворе ортофосфорной кислоты с последующими сушкой и обжигом. Однако применение в совокупности всех этих технологических приемов не способствует образованию достаточного количества алюмофосфата AlPO4, приводящего к максимальному повышению эксплуатационных характеристик.

Техническим результатом изобретения является повышение физико-термических показателей и эксплуатационных свойств штучных шамотных огнеупоров, содержащих 30-40% Al2O3, упрощение технологического процесса (исключение процесса кипячения) и снижение материальных затрат на осуществление процесса упрочнения шамотного огнеупора.

Технический результат достигается тем, что в известном способе повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора, содержащего 30-40% Al2O3, включающем пропитку водным раствором фосфатных связующих с последующей термообработкой, особенностью является то, что пропитку осуществляют в нормальных условиях в течение 6-8 часов водным раствором кислого алюмофосфата типа Al(H2PO4)3 плотностью 1,52 г/см3, синтезированного на базе ортофосфорной кислоты и шлама щелочного травления алюминия, содержащего, мас.%: Al2O3 - 48-59; СаО - 0,3-1; Fe2O3 - 1,5-2,5; SiO2 - 0-1,3; MgO - 0-4; Na2O - 2,5-10; SO3 - 0-4; п.п.п. - 33-35, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

шлам щелочного травления алюминия - 35-40,

ортофосфорная кислота 60%-ной концентрации - 60-65,

а термообработку проводят при температуре 250-350°C в течение двух часов.

В начале получали концентрированный состав кислых алюмофосфатов путем затворения сухого шлама щелочного травления алюминия ортофосфорной кислотой определенной концентрации. Так. для получения алюмофосфатной связки типа Al(H2PO4)3 на каждые 100 г 60%-ной ортофосфорной кислоты берем 15,9 г тонкомолотого шлама щелочного травления алюминия, химический состав которого представлен в таблице 1.

Таблица 1
Химический состав шлама щелочного травления алюминия
Содержание оксидов в шламе, %
Al2O3 СаО Fe2O3 SiO2 MgO Na2O SO3 П.П.П.
48-59 0,3-1 1,5-2,5 0-1,3 0-4 2,5-10 0-4 33-35

Таким образом, состав раствора был следующим:

шлам щелочного травления алюминия - 37,1%,

ортофосфорная кислота 60%-ной концентрации - 62,9%.

Присутствие щелочного компонента в шламе, а именно Na2O, ускоряет процесс образования концентрированного раствора Al(H2PO4)3 при нормальной температуре.

Водный раствор получали путем введения воды в ранее приготовленный концентрированный состав алюмофосфатных связующих, синтезированных на основе высокоглиноземистого шлама (отхода цветной металлургии - шлама щелочного травления алюминия) и ортофосфорной кислоты с определенной плотностью.

При сушке и обжиге происходит превращение водорастворимых алюмофосфатов, находящихся в порах огнеупоров, в кристаллические соединения типа метафосфата Al(H2PO3)3 с последующим переходом в стабильный и высокоогнеупорный трехзамещеный алюмофосфат AlPO4. Одновременно протекает и химическая реакция между минералами шамотного огнеупора (силлиманита Al2O3·SiO2, муллит 3Al2O3·SiO2) с кислыми алюмофосфатами Al(H2PO4)3 и Al2(HPO4)3 с образованием на конечном этапе трехзамещенного алюмофосфата AlPO4. Данные физико-химические превращения в порах огнеупоров приводят к образованию значительно большего количества алюмофосфата AlPO4. В основе научного подхода к применению водорастворимых алюмофосфатов в процессе пропитки шамотных огнеупоров лежит их химическая активность к взаимодействию со многими неорганическими соединениями (оксидами, силикатами и т.д.) и способность жидких растворов кристаллизоваться в процессе нагревания, переходя из метастабильного соединения Al(РО3)3 в стабильный алюмофосфат AlPO4. Фосфаты по условию образования представляют собой неорганические полимеры. Основным структурным элементом фосфатов служит группа PO43-, которая на поверхности имеет один атом кислорода, соединенный двойной связью с центральным атомом фосфора. Такое строение придает поверхности штучных шамотных огнеупоров способность несмачиваемости различными расплавами. Поэтому жидкие водорастворимые кислые алюмофосфаты предпочтительно применять в качестве раствора для пропитки в нормальных условиях штучных шамотных огнеупоров алюмосиликатного состава.

Пример

Водорастворимые кислые алюмофосфаты готовили путем смешивания нанотехногенного сырья в виде высокоглиноземистого шлама (отход цветной металлургии - шлам щелочного травления алюминия), состоящий в основном из гидроксида алюминия Al(ОН)3 с ортофосфорной кислотой в определенном соотношении:

шлам щелочного травления алюминия - 35-40,

ортофосфорная кислота 60%-ной концентрации - 60-65.

Образование кислых алюмофосфатов происходило по следующим реакциям /Будников П.П., Хорошавин Л.Б. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках, Изд. "Металлургия", М., 1971, с.42/ [3].

Образцы штучного шамотного огнеупора размером 5×5×5 см погружались в емкости с водорастворимыми алюмофосфатами на 6-8 часов при нормальной температуре t=20°C:

I серия - в раствор однозамещенного алюмофосфата Al(H2PO4)3 с плотностью ρ=1,52 г/см3;

II серия - в раствор двузамещенного алюмофосфата Al2(HPO4)3 с плотностью р=1,45 г/см3. После этого образцы шамотного огнеупора подвергались термической обработке при температуре 250-350°C в течение 2 часов.

При пропитке огнеупоров растворами Al(H2PO4)3 и Al2(HPO4)3 происходит полное заполнение всех пор материала. В процессе термообработки протекают активные химические реакции между минералами шамотного огнеупора (силлиманита Al2O3·SiO2, муллита 3Al2O3·2SiO2) с кислыми алюмофосфатами Al(H2PO4)3 и Al2(HPO4)3 с образованием на конечном этапе трехзамещенного алюмофосфата AlPO4. Также при нагревании пропитанных огнеупоров происходит превращение кислых алюмофосфатов Al(H2PO4)3 и Al2(HPO4)3, не вступивших в реакцию с минералами Al2O3·SiO2 и 3Al2O3·2SiO2, в метафосфат Al(РО3)3 с последующим переходом его в стабильный и высокоогнеупорный трехзамещеный алюмофосфат AlPO4.

Свойства огнеупоров, полученных по данному способу, представлены в таблице 2.

Пропитка образцов шамотного огнеупора водными растворами специально синтезированных кислых алюмофосфатов типа Al(H2PO4) и Al2(HPO4) и дальнейшая термообработка позволили повысить их эксплуатационную прочность в 2,5-3 раза. Кроме того, предлагаемый способ по сравнению с прототипом имеет и другие преимущества:

- заявляемый способ позволяет проводить процесс пропитки штучных огнеупоров при нормальной температуре, что исключает весьма небезопасный процесс "кипячения";

- применяемые сырьевые материалы для приготовления растворов фосфатных связующих являются недефицитными и многие взяты из промышленных отходов, поэтому предлагаемый способ является недорогим среди известных способов;

- использование предлагаемого способа позволяет повысить качество огнеупоров и способствует утилизации промышленных отходов.

Источники информации

1. Хлыстов А.И. Физико-химические основы применения фосфатных связок при ремонте футеровок тепловых агрегатов. Ж., Огнеупоры и техническая керамика, 2008, №3, с.41.

2. Авторское свидетельство СССР №763298, кл. C04B 41/06, C04B 35/18, 1980.

3. Будников П.П., Хорошавин Л.Б. Огнеупорные бетоны на фосфатных связках, Изд. "Металлургия", М., 1971, с.42.

Способ повышения эксплуатационных характеристик алюмосиликатного огнеупора, содержащего 30-40% Al2O3, путем пропитки водным раствором фосфатных связующих с последующей термообработкой, отличающийся тем, что пропитку осуществляют в нормальных условиях в течение 6-8 ч водным раствором кислого алюмофосфата типа Al(H2PO4)3 плотностью 1,52 г/см3, синтезированного на базе ортофосфорной кислоты и шлама щелочного травления алюминия, содержащего в мас.%: Al2O3 - 48-59; СаО - 0,3-1; Fe2O3 - 1,5-2,5; SiO2 - 0-1,3; MgO - 0-4; Na2O - 2,5-10; SO3 - 0-4; п.п.п. - 33-35, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

шлам щелочного травления алюминия 35-40
ортофосфорная кислота 60%-ной концентрации 60-65,

а термообработку проводят при температуре 250-350°C в течение двух часов.



 

Похожие патенты:
Ангоб // 2430073
Ангоб // 2430072
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и касается составов шихты для получения защитно-декоративных покрытий на керамической черепице. .

Изобретение относится к защите против окисления детали из пористого материала, содержащего углерод, в частности из композитного углерод-углеродного (С/С) материала, и может быть использовано при изготовлении тормозных дисков, используемых в авиационной промышленности.
Изобретение относится к упрочненным керамическим изделиям с высокой пористостью, пригодным для изготовления фильтров. .
Изобретение относится к производству огнеупоров и может быть использовано при изготовлении шамотных огнеупоров различного назначения, в том числе для разливки сталей и жаропрочных никелевых сплавов.
Изобретение относится к производству керамических изделий, преимущественно панно, сувениров, посуды. .
Изобретение относится к области производства защитных покрытий, которые могут быть использованы при эксплуатации неорганических волокнистых композиционных материалов (КМ) конструкционного назначения в изделиях авиационно-космической и машиностроительной промышленностей.
Изобретение относится к композиционной поверхностной системе на материалах, содержащих натуральные и синтетические алмазы, обладающей высокой адгезионной способностью к связке в алмазных инструментах или изделиях, износостойкостью и химстойкостью.
Изобретение относится к области получения огнеупорных материалов и их использования в металлургии. .

Изобретение относится к области химической технологии и материаловедения и может быть использовано для получения керамических материалов на основе муллита. .
Огнеупор // 2448927
Изобретение относится к области производства огнеупоров с высокой излучательной способностью и предельной температурой длительного использования и может найти применение в металлургической теплотехнике, высокотемпературных установках и камерах сгорания.

Изобретение относится к составам огнеупорных безводных композиционных материалов (ОБКМ), предназначенных для уплотнения, разделения и герметизации кладок высокотемпературных агрегатов и узлов транспортирования высокотемпературных расплавов в металлургической промышленности.
Изобретение относится к производству огнеупорных изделий, а именно к составам для изготовления элементов футеровок, используемых в конструкции вагонеток туннельных печей для обжига керамических изделий, а также огнеупорных изделий, применяемых, в частности, при литье лопаток из жаропрочных сплавов для газотурбинных двигателей, а именно: тиглей, коробов, охранных стаканов, литейных форм и стержней сложной конфигурации, с температурой обжига 1550-1600°С.
Изобретение относится к упрочненным керамическим изделиям с высокой пористостью, пригодным для изготовления фильтров. .
Изобретение относится к области теплозащитных материалов. .
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при изготовлении футеровки тепловых агрегатов в металлургии, котлов, горелочных камней и др.

Изобретение относится к технологии получения огнеупорных керамических материалов, в частности кирпича для кладки различных тепловых агрегатов. .
Изобретение относится к области химической технологии, технологии силикатных и тугоплавких неметаллических материалов. .
Изобретение относится к производству огнеупорных материалов, может быть использовано при производстве фасонных изделий для работы в области средних и высоких температур, в агрессивных средах, в расплавах
Наверх