RU2129110C1 - Способ изготовления огнеупоров для разливки металла - Google Patents

Abstract

Способ заключается в том, что сначала приготовляют огнеупорный компонент массы для изготовления огнеупора, который представляет собой тонкомолотую смесь совместного помола глинозeма и кремния в соотношении 80:20 - 60:40, затем готовят массу состава, мас. %: зернистый наполнитель с содержанием Al₂O₃>98%, фр. 2-1 мм - 20 - 28, фр. 1-0,5 мм - 15 - 20, фр. 0,5-0 мм - 12 - 18, графит - 3 - 8, тонкомолотая смесь совместного помола глинозeма и кремния в соотношении 80:20 - 60:40 - 30 - 38 и временное связующее, сверх 100% - 3 - 5, следующим образом: в смеситель засыпают зернистый наполнитель фр. 2-1 и 1-0,5 мм, перемешивают, увлажняют половиной временного связующего, перемешивают, засыпают приготовленную ранее смесь совместного помола глинозeма и кремния, перемешивают, сформованные изделия сушат до остаточной влажности не более 0,5% и обжигают в реакционноспособной среде не менее 4 ч, при этом скорость подъeма температуры в интервале 1000 - 1400^oС составляет не более 50^oС/ч с не менее чем одной выдержкой в течение не менее одного часа. Способ обеспечивает создание экологически безопасной технологии изготовления корундографитовых огнеупоров. 1 табл.

Description

Изобретение относится к производству огнеупоров и может быть использовано при изготовлении изделий для разливки металла, в частности плит шиберных затворов.

Плиты для шиберных затворов должны характеризоваться высокой стойкостью к коррозии металлами и шлаками, прочностью и термостойкостью.

Таким комплексом свойств обладает корундоуглеродистые плиты. В последнее время такие плиты используются за рубежом. В России корундоуглеродистые плиты не изготавливаются.

Для получения корундоуглеродистых материалов, как правило, используют метод реакционного спекания, в результате чего получают равномерно распределенные вновь образовавшиеся соединения, скрепляющие матрицу из наполнителя.

Известен материал, полученный из Al₂O₃, кремния, алюминия и углерода, обожженный в среде азота до получения в матрице сиалона (заявка N 4109375 ФРГ, C 04 B 35/68, 1991).

Аналогичен материал в заявке PCT 92/07806, C 04 B 35/66, B 22 D 41/54, 41/35, 1992.

Технология получения сиалонов, особенно в промышленных условиях, сложна, при этом эксплуатационные показатели таких изделий уступают изделиям, содержащим нитриды и карбиды.

Возможно использование в качестве наполнителя не только Al₂O₃, но и его смеси с различными оксидами: с ZrO₂ (заявка 0298860 ЕПВ, С 04 B 35/48, B 22 D 41/08, 1989), с SiO₂ и/или ZrO₂ (патент 4775504, США, C 04 B 35/64, 1985).

Использование в составе материала ZrO₂ приводит к удорожанию продукции без улучшения эксплуатационных показателей. Кроме того, изделия, содержащие ZrO₂, характеризуются повышенным весом, что нежелательно для конструкционных материалов, работающих в качестве огнеупоров для разливки металла.

Введение в состав материала нитевидных кристаллов или волокна, также используется с целью повышения эксплуатационных показателей плит (заявка Японии 61-146754, С 04 В 35/00, С 04 В 35/80, 1984).

Действительно, нитевидные кристаллы (волокно) повышают эксплуатационные показатели плит. Однако, во-первых, рентабельность продукции, изготовленной с использованием кристаллов, будет низкой из-за высокой стоимости исходных материалов и отсутствия их промышленного изготовления в России, во-вторых, производство изделий с волокнами требует использования технологического оборудования, отсутствующего на отечественных предприятиях.

В качестве технологического связующего используют, как правило, органические соединения (заявка N 61-41861, С 04 В 35/10, 35/04, 35/44, 35/48// B 22 D 11/10, 1980, заявка N 4109375, ФРГ, С 04 В 35/68, 1991) или различные смолы, например, фенольные (патент 4775504, США, С 04 В 35/64, 1986). Как смолы, так и органические соединения являются веществами токсичными и экологически небезопасными.

Спекание отформованного материала может быть проведено в потоке азота (заявка N 61-68374, Япония, С 04 В 35/58, С 04 В 35/58, С 04 В 35/10, 1984) или в азотирующей атмосфере (заявка Японии 61-41861).

Известны способы обжига в неокислительной (аргон или коксовая засыпка) (заявка Японии N 60-200866, С 04 В 35/76, B 22 D 11/10, 1984) или в восстановительной среде (заявка Японии N 62-46951, С 04 В 35/10, 1985).

Известные решения предполагают проведение обжига в какой-либо одной реакционноспособной среде (или азот, или коксовая засыпка). Специфика отечественных предприятий выявляет необходимость разработки технологии изготовления качественных огнеупоров обжигом как в азотной среде, так и в коксовой засыпке.

Снижение пористости в обожженных изделиях обычно достигают путем пропитки смолой или пеком (заявка N 60-200866, Япония, С 04 В 35/76, B 22 D 11/10, 1984). Однако при эксплуатации плит важно не только значение пористости, но в большей степени важен размер пор. Известно, что в поры размером меньше 3,5 мкм не проникают металлы и шлаки и, следовательно, плиты, имеющие такую поровую структуру, меньше подвержены коррозии металлами и шлаками в процессе эксплуатации.

Наиболее близким является огнеупор для плиты скользящего затвора, включающий (мас. ч. ): Al₂O₃ - 60 (размер зерен < 2 мм), муллит - 30 (зерно 3-1 мм), кремний - 2 (зерно < 0,074 мм), углерод - 8 (зерно < 0,1 мм). Исходные материалы смешивают со связующим, формуют на фрикционном прессе и обжигают в восстановительной среде при 1200^oC. После обжига изделия могут пропитываться углеродсодержащим веществом (пек), содержащим серу. Материал, полученный по данному способу, характеризуется следующими свойствами:
Пористость - 14,2%
Плотность - 2,71 г/см³
Предел прочности:
при изгибе (20^oC) - 18 Н/мм²
(1400^oC) - 24 Н/мм²
при сжатии - 102 Н/мм²
(заявка 63-103856, Япония, С 04 В 35/00, С 04 В 35/10, 1986).

К недостаткам прототипа можно отнести следующее:
- использование в качестве одного из зернистых наполнителей муллита снижает прочность (особенно при изгибе), химическую и термическую стойкость изделий;
- использование крупнозернистой шихты (от 3 мм) не обеспечивает плотную упаковку зерен;
- обжиг при температуре 1200^oC не реализует все возможности карбидo- и нитродообразования;
- в технологию изготовления изделий включена экологически небезопасная пропитка пеком.

Задачей данного изобретения является создание экологически безопасной технологии изготовления отечественных корундоуглеродистых огнеупоров, в частности плит для шиберных затворов, обеспечивающих многократную разливку металла.

Поставленная задача решается за счет следующей последовательности операций: сначала приготовляют огнеупорный компонент массы для изготовления огнеупора, который представляет собой тонкомолотую смесь совместного помола глинозема и кремния в соотношении 80:20 - 60:40, затем готовят массу состава, мас.%:
Зернистый наполнитель с содержанием Al₂O₃ > 98%
фр. 2-1 мм - 20 - 28
фр. 1-0,5 мм - 15 - 20
фр. 0,5-0 мм - 12 - 18
Графит - 3 - 8
Tонкомолотая смесь совместного помола глинозема и кремния в соотношении 80:20-60:40 - 30 - 38,
Временное связующее, сверх 100% - 3 - 5
следующим образом: в смеситель засыпают зернистый наполнитель фр.2-1 мм и 1-0,5 мм, перемешивают, увлажняют половиной временного связующего, перемешивают, засыпают графит и зернистый наполнитель фр.0,5-0 мм, перемешивают, затем добавляют оставшееся связующее, перемешивают, засыпают приготовленную ранее смесь совместного помола глинозема и кремния, перемешивают, сформованные изделия сушат до остаточной влажности не более 0,5% и обжигают при температуре не ниже 1400^oC в реакционноспособной среде не менее 4 ч, при этом скорость подъема температуры в интервале 1000-1400^oC составляет не более 50^oC/ч c не менее чем одной выдержкой в течение не менее одного часа.

В результате получают мелкопористый материал из корундовой матрицы, скрепленный оксинитридом, нитридом и карбидом кремния.

Обжиг изделий может быть осуществлен как в восстановительной, так и в азотной среде, причем физико-технические свойства изделий практически не зависят от среды обжига.

Как правило, корундовые материалы спекают при температуре не менее 1700^oC.

Именно совокупность признаков, указанных в формуле изобретения: состав массы, ее приготовление, режимы и среда обжига сформованных изделий, позволяет получить огнеупоры с необходимыми физико-техническими свойствами и оптимальной пoровой структурой.

Пример (см. таблицу, пример N 7а).

Для приготовления тонкомолотой составляющей шихты исходные материалы (глинозем и технический кремний) загружают в вибромельницу в соотношении 70: 30. Остаток на сетке N 0,063 после помола не более 0,1%.

Массу готовили в смесительном бегуне.

Состав шихты, мас.%:
Корунд фр.мм: 2-1 - 25
1-0,5 - 20
0,5-0 - 15
Графит - 5
Смесь совместного помола - 35
В качестве связующего использовали лигносульфонат плотностью 1,24 г/см³.

В смеситель засыпали корунд фракций 2-1 и 1-0,5 мм, перемешивали 2 мин, увлажняли 1/2 части лигносульфоната, продолжали перемешивание в течение 5 мин, после чего засыпали графит и корунд фракции 0,5-0 мм и снова перемешивали 2 мин. Затем в смеситель добавляли оставшуюся половину лигносульфоната, перемешивали 4 мин, после чего засыпали смесь совместного помола и продолжали перемешивание 10-15 мин.

Смешение осуществляли в смесительных бегунах при ручной загрузке, при этом засыпание порций компонентов осуществляли при неработающем агрегате. При условии засыпания компонентов через автоматические дозаторы - отключения смесителя не требуется. Время смешения подбирается экспериментально для каждого вида смесительного оборудования.

Количество связующего 3-5 мас.%, влажность массы 1,5-2,5%.

Плиты размером 320х154х30 мм формовали на фрикционном прессе до получения кажущейся плотности сырца 2,98-3,02 г/см³.

Сушку проводили при 40^oC в течение 3 суток, а затем при 110^oC в течение 5 суток до остаточной влажности не более 0,5%. Сушку проводили в промышленных сушилках по режиму, принятому на заводе.

Обжиг изделий осуществляли в промышленной туннельной печи, имеющей 30 позиций. Условия обжига: максимальная температура в печи 1500^oC, 6 прогонок в сутки (выдержка на каждой позиции 4 ч, изменение температуры 30^oC). Изделия загружали в муфели, засыпали коксовой засыпкой и закрывали крышками.

Физико-технические показатели шиберных плит:
Пористость открытая - 14,3%
Плотность - 2,9 г/см³
Предел прочности:
при изгибе, 20^oC - 28 н/мм²
при сжатии - 128 н/мм²
Преобладающий размер пор (90%) менее 1 мкм.

Плиты, изготовленные по описанному примеру, прошли испытания на заводе "Днепроспецсталь". Кратность опытных затворов составила 4 плавки.

Разница в структуре материала, обожженного в коксовой засыпке и азоте, отсутствует: количество пор размером менее 1 мкм в обоих случаях превышает 90%. Незначительное уменьшение прочности при уменьшении пористости плит, обожженных в азоте, объясняется образованием в засыпке немного большего количества SiC и Si₂ON₂, а в азотной среде - дополнительно Si₃N₄.

Предложенным способом можно изготавливать плиты для шиберных затворов по эксплуатационным характеристикам, не уступающим зарубежным плитам, без использования пропитки.

Claims (1)

1. Способ изготовления плиты шиберного затвора путем приготовления массы, содержащей огнеупорный и углеродсодержащий компоненты и временное связующее, формования изделия, его сушки и обжига, отличающийся тем, что масса содержит в качестве огнеупорного компонента тонкомолотую смесь совместного помола глинозема и кремния в соотношении 80:20 - 60:40 и зернистый наполнитель с содержанием Al₂O₃ > 98%, а в качестве углеродсодержащего компонента - графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
   Зернистый наполнитель с содержанием Al₂O₃ > 98%
   фр.2-1 мм - 20 - 28
   фр.1-0,5 мм - 15 - 20
   фр.0,5 - 0 мм - 12 - 18
   Графит - 3 - 8
   Тонкомолотая смесь совместного помола глинозема и кремния в соотношении 80:20 - 60:40 - 30 - 38
   Временное связующее, сверх 100% - 3 - 5
   при этом массу приготавливают следующим образом: в смеситель засыпают зернистый наполнитель фр.2-1 и 1-0,5 мм, перемешивают, увлажняют половиной временного связующего, перемешивают, засыпают графит и зернистый наполнитель фр.0,5-0 мм, перемешивают, затем добавляют оставшееся связующее, перемешивают, засыпают приготовленную ранее смесь совместного помола глинозема и кремния, перемешивают, сформованные изделия сушат до остаточной влажности не более 0,5% и обжигают при температуре не ниже 1400^oС в реакционноспособной среде не менее 4 ч, при этом скорость подъема температуры в интервале 1000 - 1400^oС составляет не более 50^oС/ч с не менее, чем одной выдержкой в течение не менее одного часа.

Images