шихта для изготовления огнеупорных изделий

Формула изобретения

Шихта для изготовления огнеупорных изделий, преимущественно плавильных тиглей, включающая карбид кремния, огнеупорную глину, глинозем, электрокорунд и каолин, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит оксихлорид алюминия и оксид редкоземельного металла из группы La₂O₃, Nd₂O₃, Gd₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.

Карбид кремния 32 40

Огнеупорная глина 13 20

Глинозем 15 25

Электрокорунд 10 17

Каолин 3 15

Оксихлорид алюминия 0,5 4,5

Оксид редкоземельного металла 0,5 4,5

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к технике изготовления и эксплуатации карбидкремнийсодержащих огнеупоров, и может быть использовано при изготовлении фасонных огнеупорных изделий, в том числе плавильных тиглей, а также сопл, насадок, защитных кожухов, литейных воронок и других, работающих в контакте с расплавами металлов на основе никеля или кобальта.

Известен состав шихты на основе карбида кремния, огнеупорной глины, глинозема, электрокорунда, а также электрокорунда или шлама электрокорунда, легированных оксидами хрома и титана с размером зерен 0,01 0,20 мм [1]

В данном материале при спекании происходит образование на поверхности зерен карбида кремния, в том числе вступающих непосредственно в контакт с расплавами металлов, слоев, обогащенных крупными кристаллами корунда. Рост числа открытых пор, в первую очередь канальных, нарушает целостность структуры огнеупора и увеличивает проницаемость оболочки вокруг зерен карбида кремния. Таким образом, хотя введение легированного электрокорунда или шлама электрокорунда обеспечивает относительную стабильность прочностных характеристик изделий в процессе эксплуатации, наличие примесей оксидов титана и хрома приводит к снижению коррозионной и эрозионной стойкости изделий по отношению к расплавам металлов на основе никеля и кобальта за счет увеличения скорости диффузии расплава через защитный слой, а также в результате образования в структуре слоя соединений, имеющих более низкую химическую стойкость к указанным расплавам. Кроме того, огнеупоры данного состава рекомендованы, в первую очередь, для изготовления огнеприпаса и не предназначены для эксплуатации в условиях воздействия металлических расплавов и резких перепадов температур.

Наиболее близким к изобретению является шихта для изготовления огнеупорных изделий, включающая карбид кремния, огнеупорную глину, глинозем, электрокорунд и каолин [2]

Дополнительное введение в шихту, как предусмотрено в указанном изобретении, боя глазурованных фарфоровых изделий и лома капселей для повышения механической прочности и оборачиваемости изделий при одновременном удешевлении материала приводит к увеличению содержания примесей и образованию низкоплавких эвтектик, а также к неоднородности химического состава по объему огнеупора, что ухудшает свойства данных огнеупоров по фактору химической стойкости к расплавам металлов на основе никеля и кобальта и их термомеханические характеристики, в первую очередь термостойкость; в конечном итоге это приводит к разрушению изделий в процессе эксплуатации. Данный материал также не устойчив к воздействию расплавов металлов при их литье и плавлении.

Известно использование в производстве керамики и огнеупоров растворимых солей алюминия, в частности оксихлорида алюминия [3]

Предполагается, что они не только обеспечивают возможность формирования изделия сырца, но и в результате термической деструкции (разложения) поставляют в зону реакции сырьевые компоненты в активной форме (Al₂O₃), что должно способствовать процессу спекания. Однако в смесях каолинит-оксихлорид алюминия возникают определенные трудности образования "вторичного" муллита, обусловленные недостаточной гомогенностью исходных смесей, что замедляет реакцию между SiO₂ и Al₂O₃, вносимых каолинитом и оксихлоридом алюминия соответственно. Кроме того, связывание оксихлорида алюминия в муллит затруднено превращением его в -Al₂O₃ ниже 1200^oC - температуры начала интенсивной муллитизации.

Задачей изобретения является увеличение срока эксплуатации огнеупорных изделий путем повышения их стойкости в условиях воздействия расплавов металлов на основе никеля или кобальта при многократном нагреве и охлаждении за счет улучшения структурных и физико-математических характеристик материала.

Поставленная задача достигается тем, что в шихту, включающую карбид кремния, электрокорунд, глинозем, огнеупорную глину и каолин дополнительно вводят оксихлорид алюминия и оксид редкоземельного металла из группы La₂O₃, Nd₂O₃ и Gd₂O₃ при следующем соотношении компонентов, мас.

карбид кремния 32 40

огнеупорная глина 13 20

глинозем 15 25

электрокорунд 10 17

каолин 3 15

оксихлорид алюминия 0,5 4,5

оксид редкоземельного металла 0,5 4,5

Одновременное введение добавок оксихлорида алюминия, который при термообработке переходит в ультрадисперсной оксид алюминия, и оксида редкоземельного металла повышает активность к спеканию исходных порошков, что приводит к снижению открытой пористости материала и уменьшению гидравлического размера пор. В результате этого, а также за счет образования слоя, содержащего мелкокристаллические фазы и твердые растворы на основе оксидов алюминия, алюминатов и силикатов редкоземельного металла и обладающего повышенной химической стойкостью к никель- и кобальтсодержащим расплавам и пониженной пористостью, повышается эрозионная и коррозионная стойкость огнеупорных изделий в процессе плавки или литья.

В то же время, при термоциклировании в объеме материала за счет разницы в коэффициентах термического расширения крупно- и мелкокристаллических фаз на границах зерен формируется слоистая микротрещиноватая структура, обеспечивающая локализацию возникающих напряжений при резком нагреве и охлаждении огнеупора.

В табл. 1 приведены конкретные составы шихты для изготовления огнеупорных изделий, в табл. 2 их физико-химические и механические свойства.

Огнеупорные изделия могут быть изготовлены литьем, пластическим формированием, прессованием или любым другим методом с последующим обжигом в окислительной среде до образования спеченного материала.

Более подробно технология изготовления огнеупорных изделий в виде тигля поясняется примером.

Пример. В шаровую мельницу загружали каолин 10 мас. огнеупорную глину 15 мас. глинозем 20 мас. оксихлорид алюминия 2,5 мас. оксид гадолиния 2,5 мас. и добавляли воду. Соотношение сырьевых материалов и высокоглиноземистых шаров составляло 1:2. Помол проводили в течение двух часов при влажности суспензии 58-60%

Предварительно перемешанные отдельно от мелкозернистых материалов карбид кремния в количестве 35 мас. фракций N 40 (20 мас.) и N 20-25 (15 мас.) и электрокорунд N 6 в количестве 15 мас. добавляли в водную суспензию и проводили совместное перемешивание в течение 30 мин при влажности шликера около 40% Время истечения составляло 18 19 сек.

Формирование изделий осуществляли в гипсовых формах "сливным" литьевым способом. После извлечения полуфабриката изделия из гипсовой формы его подвергали сушке в естественных условиях на воздухе или в сушильных печах при температуре 65^oC до остаточной влажности 5% Обжиг осуществляли в туннельной печи или камерной электропечи в слабоокислительной среде при 142^oC в течение 60 ч.

При десятикратном переплаве в одном изделии сплава состава 20Cr-13Mo-Ni химического взаимодействия материала тигля с расплавом не наблюдали, что подтверждалось отсутствием увеличения содержания кислорода и неорганических примесей в сплаве. Тигли при этом выдерживали перепады температур от 20^oC до 1450^oC без разрушения. Изделия, полученные по прототипу, разрушались при однократном переплаве в процессе испытаний в тех же условиях.

Используемые в шихте оксид неодима и лантана обладают свойствами, тождественными оксиду гадолиния, и проявляют их тем же самым образом как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации огнеупоров.

Увеличение содержания оксихлорида алюминия и глинозема и уменьшение содержания оксида редкоземельного металла за граничные значения приводит к ухудшению термомеханических характеристик изделий и резкому снижению их металлоустойчивости в результате изменения оптимального фазового состава химически стойкого слоя на поверхности огнеупора и повышения его смачиваемости расплавами металлов на основе никеля и кобальта.

Снижение содержания оксихлорида алюминия, каолина и глинозема и увеличение содержания карбида кремния, электрокорунда и оксида редкоземельного металла способствуют увеличению пористости и проницаемости защитного слоя, повышая, таким образом, степень эрозии огнеупора расплавами металлов и снижая срок службы изделий.