CC BY
82
УДК 666.765:622.7.017 + 553.611.2.004.12+553.61.004.8
С. В. Морозова, Е. Н. Пермяков, А. В. Корнилов
ОГНЕУПОРНЫЕ ШАМОТНЫЕ ИЗДЕЛИЯ НА ОСНОВЕ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: огнеупорный, материал, алюмосиликатный, отходы, керамика, характеристики.
На основе алюмосиликатных техногенных отходов методом полусухого прессования получены огнеупорные шамотные изделия марок ШВ и ШУС, которые могут быть использованы для кладки различных типов тепловых агрегатов с максимальной температурой применения 1250 С.
Keywords: fire-resistant, a material, silica-alumina, a waste, ceramics, characteristics.
On a basis silica-alumina a technogenic waste by a method of moist pressing are received fire-resistant chamotte products of marks ШВ and ШУС which can be used for a laying of various types of thermal units with the maximum temperature of application 1250°С.
Для получения огнеупоров используют исходные вещества (сырье) огнеупорностью выше 15800С или такие, которые в результате переработки дают новые вещества огнеупорностью не ниже указанной. Наибольшее практическое значение для производства огнеупорных и высокоогнеупорных материалов имеют оксиды кремния, алюминия, магния, хрома, кальция, циркония, бериллия, фосфора, соединения и смеси этих оксидов, а также углерод в виде кокса и графита. При производстве массовых огнеупоров тугоплавкие оксиды не используют в чистом виде, а перерабатывают горные породы: магнезит, хромит, кварцит, доломит, глины, каолины и др. Их обработку проводят таким образом, чтобы доля вредных компонентов (плавни, оксид железа и др.) составляла минимальное значение. Например, из кварцитов убирают мусковит, хлорит, гематит, глинистые и сланцевые компоненты, из магнезита доломит и диабаз, из каолина кварц, железистые минералы и др. [1,2] .
При синтезе и производстве огнеупоров применяют также искусственные технические продукты: технический глинозем, хромит магния, нитриды кремния и алюминия. Для получения огнеупоров могут использоваться и тугоплавкие вещества техногенного происхождения.
В данной работе представлены результаты по изучению возможности использования отходов химического производства для получения огнеупорных материалов, отвечающих требованиям ГОСТ 390-96 «Изделия огнеупорные шамотные и полукислые общего назначения и массового производства. ТУ». Содержание в алюмосиликатных отходах AІ2Oз составляет 47,44% ЭЮ2 - 47,54%, ТЮ2 - 1,13%, Рв203 -
0,86%, Р205 - 0,19%, СаО - 0,12%, МдО - 0,05%, МпО - 0,05%, К20 - 0,09%, Ыа20 - 0,34, п.п.п. -1,93%. . Показатель огнеупорности равен 1750 0С. Отходы являются непластичным и высокочувствительным (коэффициент чувствительности равен 54с) к сушке сырьем.
В качестве связующего материала применялась глина, которая добавлялась в отходы в количестве 20, 25, 45, 50 и 55%. Она имеет следующий химический состав, % мас.: 59,84 Б102, 15,74 А1203, 0,77
ТЮ2, 6,97 Рв203, 0,17 Р205, 2,23 Са0, 2,05 Мд0, 0,10 Мп0, 2,19 К20, 2,02 Ыа20, п.п.п. -7,66. Глина относится к группе высокопластичного (число пластичности равно 48,4) и высокочувствительного (коэффициент чувствительности к сушке равен 58с) сырья.
На первом этапе исследований были изучены огнеупорные и технологические свойства двухкомпонентных сырьевых смесей с содержанием связующего материала 45 и 55%. Их показатель огнеупорности равен 1400 и 1500 0С соответственно, т.е. смеси относятся к группе тугоплавкого сырья. Смеси являются высокопластичными (число пластичности равно 32,4 и 39,7), относятся к группе высокочувствительного сырья (коэффициент чувствительности к сушке находится в пределах 40-45с). В зависимости от степени спекания смесь с содержанием 45% связующего материала относится к группе средне-спекающегося сырья, с содержанием 55% - к группе неспекающегося сырья (табл.1).
Таблица 1 - Спекаемость сырьевых смесей
Состав смеси Наименование показателей
1 2
55% отходов + 45% глины Водопоглощение, %
Средняя плотность, г/см3
45% отходов +55% глины Водопоглощение, %
Средняя плотность, г/см3
Продолжение табл. 1
Температура обжига, оС Группа сырья в зависимости от степени спекания
1150 1200 1300 1350 1400 1450
3 4 5 6 7 8 9
29,6 24,9 11,7 8,2 6,0 2,4 Среднеспекаю- щееся
1,41 1,50 1,60 1,87 1,91 1,43
18,5 13,5 7,6 9,0 10,6 - Неспекающееся
1,69 1,78 1,80 1,80 1,66 -
В табл. 2 представлены физико-механические показатели керамических лабораторных образцов, отформованных из исследуемых смесей методом полусухого прессования (давление равнялось 20 МПа). Влажность пресспорошка составляла 13,6-13,8%, коэффициент уплотнения - 2,3.
Сушка образцов осуществлялась в помещении лаборатории на стеллажах, затем в сушильном шкафу при температуре 35-100°С. Высушенные образцы имеют удовлетворительный внешний вид. Обжиг проводился при температурах 1250 и 1300°С в электропечи типа СНОЛ 20/12 и 20/15. Режим обжига: а) подъем температуры до 500°С -7 часов, б) выдержка при 500°С - 2 часа, в) 500- 1250, 1300°С - 13 часов г) выдержка при конечной температуре - 2 и 3 часа, охлаждение до 50-60 °С - 25 часов.
Полученная керамика относится к алюмоси-ликатным шамотным огнеупорам. Содержание в ней оксида алюминия составляет 31,97 (в образцах с 55% глины, обожженных при 13000С) и 34,82%. Соответственно количество оксида кремния равно 54,93 и 53,75%.
Керамические образцы в основном имеют высокие прочностные характеристики. Сравнительно низкая прочность при сжатии (33,0МПа) у образцов с содержанием 55% глины и обожженных при 13000С связано с образованием при обжиге более хрупкого керамического черепка. Водопоглощение керамики составляет 1,3-7,5%, пористость открытая - 23,127,0%, усадка общая - 8,7-13,0%.
С целью повышения показателя огнеупорности содержание связующего материала в смесях было снижено до 20-30%. При этом часть алюмосиликат-ных отходов была заменена на кварцевый песок со следующими характеристиками: 8Ю2 не менее 98%, влажность не более 0,2%, ППП не более 0,5%, содержание глинистых и илистых примесей не более 1%, полный остаток на ситах с размером 0,5 мм не менее 92%.
Огнеупорными являются смеси с содержанием 20 и 25% глины. Их показатель огнеупорности равен 1620 и 16700С соответственно. Введение дополнительно в двухкомпонентную смесь, содержащую 20% глины, 20% песка снижает показатель огнеупорности до 1620оС. При увеличении в данной смеси глины до 30% сырье становится тугоплавким (показатель огнеупорности равен <15800С). Физикомеханические свойства полученных керамических материалов из данных смесей приведены в таблице 2. Согласно требованиям нормативно-технической документации для огнеупорных шамотных изделий с огнеупорностью не ниже 16500С в зависимости от их марки и подгруппы регламентируемыми параметрами являются предел прочности при сжатии (должен быть не менее 12-20 МПа), значение пористости открытой (не более 30%) и содержание оксидов алюминия (не менее 28%).
Керамические материалы, полученные из двухкомпонентной сырьевой смеси с содержанием 75% алюмо-силикатных отходов, относятся к марке ШВ (обожженные при 1300 и 13500С к подгруппе I, при 12500С -к подгруппе II). Образцы, отформованные из смеси с
содержанием 80% отходов, по своим свойствам соответствуют также марке ШВ (обожженные при 13500С подгруппе I, при 1250С - подгруппе II), из трехкомпонентной смеси - марке ШУС, подгруппе II. Данная огнеупорная керамика относится к алюмосиликатному типу, к группе низкоплотных шамотных огнеупоров.
Таблица 2 - Физико-механические характеристики керамических материалов
Продолжение таблицы 2
Таким образом, на основе алюмосили-катных техногенных отходов возможно получение с применением метода полусухого прессования огнеупорных шамотных изделий марок ШВ и ШУС. Они могут быть использованы для кладки различных типов тепловых агрегатов с максимальной температурой применения 1250°С.
Состав сырьевой смеси Гемпература обжига, оС Водопогло-щение, % Средняя плотность, г/см3
1 2 3 4
45%отходов +55% глины 1250 2,3 2,01
1300 1,3 2,00
55%отходов +45% глины 1250 7,5 1,92
1300 2,7 1,95
75% отходов +25% глины 1250 21,4 1,56
1300 12,8 1,92
1350 13,9 1,82
80% отходов +20% глины 1250 24,2 1,51
1350 15,4 1,75
60% отходов +20%глины +20% песка 1350 18,5 1,67
Истинная плотность, г/см3 Пористость открытая, % Воздушная усадка, % Общая усадка, % и ра пП Й Е с, © ^ * При в И - ^ в в-= 1 3 н ® 1 рж Пс
5 6 7 8 9 10
2,65 24,1 0,5 10,6 29,7 127,5
2,60 23,1 0,7 13,0 26,6 33,0
2,63 27,0 0,5 11,3 18,6 108,1
2,60 25,0 0,7 8,7 29,0 101,3
2,75 43,3 0,5 9,2 6,3 17,4
2,82 31,9 0,5 13,0 13,6 33,1
2,80 35,0 0,5 14,0 9,7 30,0
2,74 44,9 0,5 11,0 3,9 10,6
2,79 37,0 0,6 12,5 12,8 37,3
2,74 39,0 0,6 7,4 2,5 9,1
Литература
1. И. Д. Кащеев, К.К. Стрелов, П.С. Мамыкин, Химическая технология огнеупоров: учебное пособие. Ин-термет Инжиниринг, Москва, 2007. 752с.
2. Й. Алленштейн и др. Огнеупорные материалы. Структура, свойства, испытания: справочник. Ин-термет Инжиниринг, Москва, 2010. 392с.
© С. В. Морозова - мл. науч. сотр. отдела технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд», root@geolnerud.net: Е. Н. Пермяков - канд. техн. наук, зам. зав. отд. технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд»; А. В. Корнилов - д-р техн. наук, доц., зав. отд. технологических испытаний ФГУП «ЦНИИгеолнеруд».
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках федеральной программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по госконтракту 16.552.11.7012.
