Корундовые легковесные огнеупоры на основе гидравлических вяжущих Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

DOI: 10.12737/article_590878fad43dc4.32679852

Вареникова Т.А., магистрант, Смирнова М.А., магистрант, Дороганов В.А., канд. техн. наук, доц.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

КОРУНДОВЫЕ ЛЕГКОВЕСНЫЕ ОГНЕУПОРЫ НА ОСНОВЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ВЯЖУЩИХ

уагешкоуа.1@ш ail.ru

Легковесные корундовые изделия успешно применяют для высокотемпературной изоляции, используемой во многих отраслях промышленности, в том числе особенно широко применяются в металлургическом и огнеупорном производстве. Данный вид изделий в основном производится методом литья, который имеет ряд существенных недостатков. В данной работе предлагается использовать метод вибропрессования, что позволит интенсифицировать технологический процесс производства. В статье представлены результаты исследования составов для получения корундовых теплоизоляционных огнеупорных материалов с использованием гидравлических вяжущих. Установлены основные закономерности влияния содержания компонентов шихты на физико-механические характеристики образцов. Выявлены оптимальные составы, которые удовлетворяют требованиям, предъявляемым в соответствии с ГОСТ 5040-2015 для марок КТ-1,1 и КТ-1,3.

Ключевые слова: огнеупоры, теплоизоляционные материалы, корунд, глинозем, высокоглиноземистый цемент.

В настоящее время теплоизоляционные материалы широко применяются, в самых разных отраслях промышленности и потребность в них постоянно растет. Применение теплоизоляционных материалов снижает материалоемкость, экономит топливо, и способствует интенсификации тепловых процессов. Поэтому теплоизоляционные материалы входят в обязательный ассортимент огнеупорной промышленности [13]. Общая технологическая направленность при производстве новых теплоизоляционных материалов сводится к интенсификации процессов, снижению энергозатрат и материалоемкости, что является одним из главных критериев оценки научно-технического уровня производства. В связи с этим, особо актуальным становится вопрос совершенствование производства огнеупорной теплоизоляции различного назначения [4-5]. Легковесные корундовые изделия успешно применяют для высокотемпературной изоляции, используемой во многих отраслях промышленности, в том числе особенно широко применяются в металлургическом и огнеупорном производстве [6]. Данный вид изделий в основном производится методом литья из высокоглиноземистых дисперсных систем, мелового молочка и выгорающих веществ с последующей продолжительной сушкой и обжигом при температурах 1450-1550 °С [7-10]. Наличие большого количества влаги (до 35 %) в формовочной системе способствует существенному увеличению технологического цикла производства (до 200 ч.), а высокая температура термообработки

приводит к повышению энергозатрат. Помимо этого после обжига изделия подвергаются механической обработке для достижения заданных размеров, что также является существенным недостатком данной технологии.

В связи с выше изложенным, целью данной работы является разработка и исследования состав масс для корундовых легковесных огнеупоров с меньшей энергоемкостью производства. Для этого предлагается использовать высокоглиноземистые формовочные системы, в качестве вяжущего в которых будет использоваться глиноземистый цемент с содержанием AI2O3 не менее 70 %, что позволит существенно снизит формовочную влажность и использовать метод виброформования. Использование данного метода формовки способствует полному исключению механической обработки изделий после обжига, так как данный способ позволяет получать изделий с точными геометрическими формами в соответствии ГОСТ 5040-2015 "Изделия огнеупорные теплоизоляционные. Технические условия".

Для достижение поставленной цели в данной работе в качестве сырьевых материалов использовались электроплавленный корунд (фракция менее 500 мкм), предварительно термообра-ботанный при 1200 °С технический глинозем (фракция менее 40 мкм) и высокоглиноземистый цемента марки М-72 фирмы Secar, химический состав которых представлен в табл. 1. Основной минералогической фазой корунда и глинозема является a- AI2O3, а высокоглиноземистый це-

мент представлен различными видами алюмината кальция.

Таблица 1

Химический состав сырьевых материалов

Наименование материала Содержание оксидов, %

SiO2 Na2O Fe200з MgO СaO ^2

Электроплавленный корунд 99,9 0,02 0,01 0,03 0,03 0,01 - 0,01

Глинозем 99,5 0,06 0,02 0,06 0,04 0,01 - 0,02

Цемент 72,7 0,24 - 0,43 0,63 0,34 26,17 -

В процессе экспериментальной работы исследовали влияние содержания высокоглиноземистого цемента на основные физико-

Составы исследуемых в

механические свойства корундового легковеса, в соответствии с составам, представленными в табл. 2.

Таблица 2

экоглиноземистых масс

№ состава Содержание Содержание Влажность массы, Содержание Al2O3, %

цемента, % глинозема, % %

1.1 3 97 8,1 98,1

1.2 5 95 8,9 97,6

1.3 7 93 9,3 97,0

1.4 10 90 10,4 96,1

1.5 20 80 12,1 93,2

На основе представленных в табл. 2 составов были отформованы образцы методом вибропрессования с последующими сушкой при температуре 100 °С в течении 6-8 часов и термообработкой при 300 °С и 1300 °С с выдержкой

при максимальной температуре 1 час. После термообработки были определены основные физико-механические характеристики, которые представлены на рис. 1-2.

Содержание цемента, %

Рис. 1. Зависимость плотности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной

температуре, от содержания цемент

П5 1=

I

О

0

1

т о

СР с

с; ф ч ф

СР 1=

3,0

2,5

2,0 -

1,5

0,0

1,0

0,5 -

4 6 8

22

Содержание цемента, %

Рис. 2. Зависимость предела прочности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной

температуре, от содержания цемент

Анализ представленных графических зависимостей показал, что повышение содержание цемента с 3 до 20 % в системе приводит к увеличению плотности образцов на 7—16 % (рис. 1) в зависимости от температуры термообработки, при этом максимальной плотностью 0,931,02 г/см3 характеризуются образцы, содержащие 20 % цемента. Повышение температуры предварительной термообработки также приводят к незначительному увеличению плотности материала на 5-9 %. Из анализа прочностных характеристик (рис. 2) следует, что рост концентрации высокоглиноземистого цемента приводи к повышению прочностных показателей образцов в 2-3 раза. Изменение температуры с 100 °С до 300 °С приводит к незначительному росту прочности, а при повышении температуры до 1300 °С прочность образцов увеличивается в 5-8 раз в зависимости от содержания цемента в системе. Максимальными прочностными характеристиками (2,8-2,9 МПа) обладают образцы термообработанные при 1300 °С и содержащие 20 % цемента. Из выше изложенного следует, что наиболее оптимальным составом корундо-

Составы исследуемых I

вого легковесного огнеупора является образцы состава № 1.5 (табл. 1), термообработанные при 1300 °С, которые содержат 80 % глинозема и 20 % цемента, содержание АЬОз составляет 93,2 %, что полностью удовлетворяет требования ГОСТ 5040-2015 и соответствует марки КТ-1,1.

Для получения теплоизоляционных корундовых материалов марки КТ-1,3, в соответствии с ГОСТ 5040-2015, необходимо получить материал характеризующейся плотностью не выше 1,3 г/см3, прочностью не ниже 3,5 МПа и содержание АЬОз должно превышать 95 %. Разработанный выше материал не соответствует предъявляемым требованиям по прочности и содержанию АЬОз. В связи с этим на дальнейшем этапе работы были проведены исследования направленные на создание более прочного каркаса за счет введение в состав более крупнодисперсной составляющей в виде порошка электро-плавленного корунда фракции менее 0,5 мм. Составы экспериментальных образцов с электрокорундом представлены в табл. 3.

Таблица 3

окоглиноземистых масс

№ состава Содержание цемента,% Содержание глинозема% Содержание элетрокорунда,% Влажность массы, % Содержание АЬОз, %

1.6 10 90 - 10,4 96,1

1.7 10 85 5 10,1 96,1

1.8 10 80 10 9,8 96,1

1.9 10 75 15 9,6 96,1

Образцы формовали и термообрабатывали по аналогичной методике, как и предыдущие составы. После определения основных физико-

механических характеристик были построены графики зависимостей, которые представлены на рис. 3-4.

Содержание электрокорунда, %

Рис. 3. Зависимость плотности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной температуре, от содержания электрокорунда

Из анализа представленных зависимостей следует (рис. 3), что увеличение содержания электрокорунда до 10 % в формовочной массе практически не приводит к изменению плотности образцов, которая составляет 0,90-0,97 г/см3 в зависимости от температуры термообработки. При повышении концентрации корунда до 15 % наблюдается незначительный рост плотности на 1-7 % до значений 0,97-1,04 г/см3 при соответ-

ствующих температурах термообработки. Увеличение температуры предварительно обработки образцов приводит к росту плотности на 6-12 % во всем диапазоне содержания электрокорунда. Из выше изложенного следует, что плотность экспериментальных составов с добавлением электрокорунда не превышает 1,04 г/см3, что соответствует требованиям ГОСТ 5040-2015.

П5 1=

П5 8

-о- 100 оС

-V- 300 оС

1300оС

4 -

3 - „

О

0

1

т о

СР с

с; ф ч ф

СР 1=

2 -

0

0 2 4 6 8

Содержание электрокорунда, %

Рис. 4. Зависимость предела прочности образцов корундового легковеса, термообработанных при различной

температуре, от содержания электрокорунда

5

Анализирую прочностные характеристики экспериментальных образцов корундового легковеса, представленных на рис. 4, можно отметить, что введение электрокорунда практически не изменяет или незначительно повышает прочность при низких температурах предварительной обработки (100-300 оС), которая не превышает 1 МПа. Составы обожженные при температуре 1300 °С отличаются резким повышением прочности в 3-6 раз во всем диапазоне измене-

Характеристики корундовых

ния содержание электрокорунда. Максимальными значениями прочности при сжатии 3,5-4,0 МПа характеризуются образцы содержащие 1015 % электрокорунда, что удовлетворяет марки КТ-1,3 в соответствии с ГОСТ 5040-2015.

В табл. 4 представлены сопоставительные характеристики экспериментальных образцов и требования, предъявляемые к данному виду изделий в соответствии с ГОСТ 5040-2015.

Таблица 4

[лоизоляционных материалов

Показатели Требования ГОСТ 5040-2015 (марки КТ-1,1 и КТ-1,3) Экспериментальные составы

1. Массовая доля А12О3, %, не менее 90-95 93-96

2. Массовая доля Ге2О3, %, не более 0,3-1,0 0,2

3. Массовая доля 8Ю2, %, не более 0,5 0,1

4. Плотность кажущаяся, г/см, не более 1,1-1,3 1,0-1,1

5. Предел прочности при сжатии, МПа, не менее 2,5-3,5 2,5-4,0

Из представленных в табл. 4 данных следует, что разработанные экспериментальные составы полностью удовлетворяют требованием ГОСТ 5040-2015 и соответствует маркам корундовых теплоизоляционных огнеупоров КТ-1,1 и КТ-1,3. Оптимальные составы могут содержать 10-20 % высокоглиноземистого цемента, 7590 % глинозема и до 15 % электроплавленного корунда. При этом следует отметить, что переход от классического способа формования методом литья к вибропрессованию позволил снизить формовочную влажность более чем в 3 раза и температуру обжига на 150-250 °С, что существенным образом сокращает производственные затраты на весь технологически цикл. Таким образом, разработанные в данной работе материалы могут быть рекомендованы к промышленному выпуску на предприятиях по производству огнеупорных материалов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Горлов Ю.П., Меркин А.П., Устенко А.А. Технология теплоизоляционных материалов. М.: Стройиздат, 1980. 396 с.

2. Горяйнов К. Э., Горяйнова С. К. Технология теплоизоляционных материалов и изделий. М.: Стройиздат, 1982. 376 с.

3. Воронов Г.В., Старцев В.А. Огнеупорные материалы и изделия в промышленных печах и объектах вспомогательного назначения. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. 303 с.

4. Шубин В.Н. Производство корундового легковеса // Огнеупоры. 1971. №3. С 30-32.

5. Андрианов Н.Т., Балкевич В.Л., Беляков А.В., Власов А.С., Гуман И.Я., Лукин ЕС., Мо-син Ю.М., Скидан Б.С. Химическая технология керамики. М.: ООО РИФ "Строиматериалы", 2012. 496 с.

6. Peretokina N.A., Doroganov V.A. Development and study of the compositions of un-shaped fireclay-based heat-insulating refractories and a technology for making them// Refractories and Industrial Ceramics. 2011. Vo. 52, №1. P. 52-54.

7. Peretokina N.A., Doroganov V.A. Lightweight foam products based on diatomite// Refractories and Industrial Ceramics. 2011. Vol. 52. № 3. P.191-194.

8. Евтушенко Е.И., Перетокина Н.А., Доро-ганов В.А., Сулейманова Л.А., Сыса О.К., Беди-на В.Ю., Миженина О.В. Теплоизоляционные материалы на основе искусственных керамических вяжущих различного состава// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2013. № 6. С. 149-151.

9. Кащеев И.Д., Стрелов К.К., Мамыкин П.С. Химическая технология огнеупоров. М: Интермет Инжиниринг, 2007. 752 с.

10. Лурье М.А., Гончаренко В.П. Легковесные огнеупоры в промышленных печах. М.: Металлургия, 1974. 239 с.

Varenikova T.A., Smirnova M.A., Doroganov V.A.

CORUNDUM LIGHT-WEIGHT REFRACTORIES BASED ON HYDRAULIC BINDERS

Lightweight corundum products are successfully used for high-temperature insulation, applied in many industries, especially in metallurgical and refractory industries. This type of products is mainly produced by casting, which has a number of significant drawbacks. In this paper, it is proposed to use the method of vi-brocompression, which would allow intensifying the technological process of production. The article presents the results of studying compositions for the preparation of corundum heat-insulating refractory materials using hydraulic binders. The main regularities of the influence of the charge components composition on the samples' physico-mechanical characteristics are established. The optimal compositions have been identified that meet the requirements imposed in accordance with GOST 5040-2015for KT-1,1 and KT-1,3 grades. Key words: refractories, heat-insulating materials, corundum, alumina, high-alumina cement.

Вареникова Татьяна Анатольевна, инженер, магистрант кафедры технологии стекла и керамики. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 E-mail: varenikova.t@mail.ru

Смирнова Марина Александровна, магистрант кафедры технологии стекла и керамики. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 E-mail: marinasm82@mail.ru

Дороганов Владимир Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, заместитель заведующего кафедрой технологии стекла и керамики.

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова Адрес: Россия, 308012, Белгород, ул. Костюкова, д. 46 E-mail: tsk_bgtu@mail.ru