Исследование процессов горения систем шамот - алюминий, муллитокорунд - алюминий Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

N«1, 2003 г.

75

УДК 669.04:66:76

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ СИСТЕМ ШАМОТ-АЛЮМИНИЙ, МУЛЛИТОКОРУНД - АЛЮМИНИЙ

А. Нухулы, С .А. Шарипова, Б.Н. Сатбаев

РГКП «Институт металлургии и обогащения», г. Алматы

Термо анализ edicmen шамот - алюминий жене муллитокорунд -алюминий жуйеЫнде жанудыц ypdicin зерттеу жург1з1лд1. Жану темпер атурасыныц т&уелдичш мен ж а ну. жылдамдыгы жене компоненттердщ неггзгi есер ету цатынасы аньщталды. Аталмыш реакцияга мумктдш бар сейкес механизмдер усынылды.

Проведены исследования процессов горения в системах шамот-алюминий и муллитокорунд-алюминий методом термического анализа. Определены зависимости температуры горения Г и скорости горения и от соотношения основных реагирующих компонентов. Предложен возможный механизм протекающих реакций.

According to the method of thermal analysis the researchers of combustion processes in chamotte - aluminium and mullitocorundum — aluminium system were carried out. The dependencies of the combustion temperature Тг and burning rate on the correlation of the main reacting components are determined. The article suggests the possible mechanism of the current reaction.

Алюмосиликатные системы 2А1203- БЮ2 являются основой наиболее распространенных типов огнеупоров. Сырьем для производства алюмоси-ликатных огнеупоров являются огнеупорные глины - материал достаточно широко распространенный. При горении алюмосиликата с алюминием основной фазой конечного продукта опять же должен быть алюмосиликат, ввиду этого изучение закономерностей горения таким систем представляет большой интерес.

Для исследования использовались Аркалыкская огнеупорная (шамотная) глина с дисперсностью 10-40 мкм и муллитокорундовый мертель марки ММК-72 с дисперсностью 10-30 мкм. Химический состав мертелей приведен в таблице 1.

■т ГШ

76

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

Таблица 1

Химический состав исходных алюмосиликатов

Марка мертелей Основные фазы, %

А1203 5Ю2 ТЮ2 Ре203 СаО мео Ш20+К20 Потери массы при про-кал.%

Аркалык-ская глина (шамотная) 44.9 47.1 3.1 2.2 0.4 0.6 0.64 1.06

Муллито-корундовый 72.0 20.0 1.8 2.0 0.6 0.2 0.3 3.1

Данные системы являются достаточно сложными по составу. Шамот и муллитокорунд представляют собой смеси различных соединений. Точные термодинамические расчеты температур горения и выхода продуктов реакции в данном случае невозможны. Поэтому процессы, протекающие в системах, содержащих алюминий, шамот и муллитокорунд, исследованы экспериментально методом термического анализа.

Из термограммы (рисунок 1) видно, что при нагревании до 433К постепенно удаляется слабосвязанная вода из кристаллической решетки шамота и муллитокорунда.

Дериватограмма исходного шамота Рис. 1

NqI , 2003 г.

77

В интервале 453-853К удаляется химически связанная вода вследствие разложения каолинита и бемита по реакциям:

Al203-2Si02<2H20 -> [Ai203+2Si02]+2H20 (i)

А1203 Н20 а-А1203+Н20 (2)

Первый экзотермический эффект наблюдается при температуре нагрева 933К. Этот термический эффект, по-видимому, обусловлен следующими процессами в увлажненной массе:

2А1+ЗН20 -> А1203+ЗН2 (3)

Реакция (3) экзотермична, АН = -949 кДж/моль.

В сухой и увлажненной массе на оксидной пленке алюминия происходит фазовое превращение

у-А1203->ос-А1203 (4)

Процесс перехода экзотермический, так как энтальпия перехода равна АН, = -32,6 кДж/моль. Изменение энергии Гиббса перехода полиморфной модификации у-А1.703 в полиморфную модификацию а-А1203 при 873К составляет (AG099g) = 67,9кДж/моль. Термодинамически переход полиморфной модификации у-А1003 в полиморфную модификацию а-А1о03 возможен, так как (AG°2<)s)Y_a<0.

С ростом температуры наблюдается эндотермический эффект при температуре 953К. Это можно объяснить плавлением алюминия.

Из термограммы видно, что от температуры плавления алюминия до начала СВС имеется промежуток температур в интервале 250-28GK, на котором наблюдается небольшое возрастание массы образца. Это может быть связано с окислением алюминия кислородом воздуха, который присутствует в шихте.

Шихта воспламеняется при температуре около 1200К. По данным рент-генофазового анализа, продуктами реакции являются свободные кремний, алюминий, оксид алюминия, нитрид алюминия A1N и муллит 3AI203'2Si02.

На рисунках 2,3 приведены зависимости температуры горения Тг и скорости горения ur от соотношения основных реагирующих компонентов в системах шамот-алюминий и муллитокорунд-алюминий.

Горение смеси шамот-алюминий исследовали в интервале изменения содержания алюминия от 0,5 до 2,5 моля по отношению к Si02. Повышение концентрации алюминия приводит к монотонному увеличению скорости горения вплоть до соотношения 1,65 моль, затем эта величина несколько понижается. Максимальная температура горения заметно растет при изменении концентрации алюминия в составе от 0,7 до 1,6 моля, при дальнейшем увеличении содержания алюминия кривая температуры горения

78

НАУКА И ТЕХНИКА КАЗАХСТАНА

постепенно падает. Концентрационная зависимость скорости и температуры горения имеет ярко выраженный максимум, отвечающий наиболее экзотермичным составам.

Из рисунка 2 видно, что экспериментальные кривые скорости и температуры горения смеси шамот-алюминий по фазе повторяют друг друга и достигают максимума при мольном соотношении алюминия к п=1,65.

На рисунке 4 представлена линейная зависимость 1п(и/Т) от 1/Т, которая позволяет оценить эффективную энергию активации процесса и природу стадии, лимитирующей взаимодействие компонентов в зоне реакции.

Зависимость температуры горения и скорости горения от содержания алюминия в системе шамот-А1

Рис, 2

Зависимость температуры горения и скорости горения от соотношения алюминия в системе муллитокорунд- А1

Рис. 3

№1, 2003 г.

79

Зависимость In^r от 1/Тг: 1 -шамот-А1; 2 - муллитокорунд-А1

Рис. 4

Энергия активации, соответствующая первому участку [0,8<п<1,6] равна 170 кДж/моль, второму участку [1,6<п<2,5]- 19,6 кДж/моль. Эти результаты свидетельствуют о протекании очень быстрых реакции на участке 2, где содержание алюминия больше. Скорость горения определяется реакцией (5):

14Al+3(AI203*2Si02)+30+N29А12Оэ+2AlN+6Si (5)

Излом, наблюдаемый на зависимости ln(u/Tr) от 1/Тг на рисунке 4, свидетельствует об изменении механизма горения алюминия в шихте.

Участок составов с меньшей энергией активацией соответствует протеканию быстрой реакции окисления алюминия кислородом воздуха. Для исключения влияния кислорода на алюмотермический процесс были проведены эксперименты по горению системы шамот-алюминий в инертной среде - аргоне. В этом случае зависимость ln(u/Tr) от 1/Т., прямолинейна на всем интервале исследуемых составов, при этом эффективная энергия активация составляет 172 кДж/моль. Эти результаты представлены на рис. 4 (III участок).

Таким образом, проведены исследования процессов горения в системах шамот-алюминий и муллитокорунд-алюминий, определены основные закономерности, которые могут быть положены в основу производства огнеупорных составов в данных системах.