способ получения оксидных высокоогнеупорных материалов

Формула изобретения

Способ получения оксидных высокоогнеупорных материалов, включающий смешение исходных компонентов, в состав которых входит термитная добавка, в качестве которой используют элемент оксида основного компонента из расчета достижения температуры плавления конечного материала, зажигание и термообработку шихты, охлаждение и измельчение, отличающийся тем, что термообработку ведут при продувании слоя шихты окислителем в аппаратах кипящего слоя или аглочашах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано для изготовления огнеупорного сырья - заполнителей, порошков, масс, цементов.

Известен способ получения огнеупорных материалов (Дектярев Э.В. и Кайнарский И. С. Магнезиально-силикатные и шпинельные огнеупоры. М., 1977), включающий смешение исходных компонентов, их термообработку в пламенных или электрических печах, последующее охлаждение и измельчение.

Недостатком известного способа является то, что невозможно достичь температуры плавления конечного материала, вследствие быстрого износа футеровки, а твердофазные процессы не проходят до конца, что затрудняет получение материала требуемого фазового состава.

Известен также способ получения оксидных высокоогнеупорных материалов, включающий смешение исходных компонентов, их плавление в пламенных или электрических печах, охлаждение и измельчение (Стрелов К.К., Сумин В.И. Плинер С. Ю. и др. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Трансформационное упрочнение огнеупорных материалов. Уч. пособие, Свердловск, УПИ, 1989, с. 12 - 16).

Недостатком этого способа является длительность процесса измельчения, связанная с тем, что получаемый продукт представляет собой монолитный материал. Кроме того, недостатком способа (как и предыдущего) являются его высокие энергозатраты в связи с тем, что тепло расходуется как на нагрев материала, так и на нагрев футеровки, огнеприпаса. Обжиговые и плавильные агрегаты дороги и сложны в управлении, поэтому амортизационные затраты на передел очень высоки.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ получения высокоогнеупорных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС - процесс). Способ включает в себя смешение исходных компонентов, в состав которых входит термитная добавка, зажигание и термообработку шихты, а также охлаждение и измельчение материала. В качестве термитной добавки берут элемент (один или несколько) основного оксида, входящего в состав смеси (Стрелов К.К., Сумин В.И. Плинер С.Ю. и др. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Трансформационное упрочнение огнеупорных материалов. Уч. пособие, Свердловск, УПИ, 1989, с. 8 - 13, 16-21).

Недостатком известного способа является невозможность получения оксидных высокоогнеупорных материалов заданного фазового состава без введения в состав шихты компонента, являющегося источником кислорода и его отдающего при взаимодействии с термитной добавкой. Удаление данного компонента из конечного продукта довольно сложная задача, а в ряде случаев невозможная. Загрязнение же оксидных высокоогнеупорных материалов приводит к изменению фазового состава и снижению их эксплуатационных свойств. Кроме того, полное оплавление шихты затрудняет ее измельчение.

Техническая задача - получение оксидных высокоогнеупорных материалов заданного фазового состава и ускорение процесса измельчения конечного продукта за счет получения пористых гранул.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в известном способе, включающем смешение исходных компонентов, в состав которых входит термитная добавка из элемента оксида основного компонента, а также зажигание, термообработку шихты, охлаждение и измельчение, термообработку ведут послойным плавлением при продувании слоя шихты окислителем (воздухом, кислородом) в аппаратах кипящего слоя или аглочашах.

Термитная добавка, состоящая из элемента основного оксида и входящая в состав смеси, обеспечивает необходимую температуру плавления шихты до образования огнеупорных материалов требуемого фазового состава.

За счет того, что горение происходит послойно, а поверхность гранул шихты быстро охлаждается продуваемым воздухом, получаемый "пирог" в целом не расплавляется, а лишь оседает за счет оплавления гранул. Полученные пористые гранулы легко измельчаются.

Осуществление способа подтверждается приведенными ниже примерами.

Пример 1. Исходные компоненты - технический глинозем (70%), кварцит (20%), коксовую мелочь (5%) и алюминиевую пудру (5%) (термитная добавка) смешивали и окомковывали на воде в грануляторе до размера гранул 3 - 10 мм. Смесь (шихту) загружали в аглочащу диаметром 400 мм. Высота слоя составляла 190 мм, а толщина постели 100 мм. Зажигание шихты осуществляли газогорелочным устройством при продувании слоя шихты окислителем (воздухом, обогащенным кислородом до 35%). Максимальная скорость горения шихты составляла 12 мм/мин. Максимальная температура в слое составляла 1810^oC, а в центре гранул 1880^oC. Охлажденный спек измельчали и получали высокоогнеупорный материал с температурой применения 1700^oC (насыпной вес 1,1 г/см³, состоящий из муллита 88% и корунда 12%, остаточное содержание углерода 0,09%).

Пример 2. Исходные компоненты - кварцевый песок (90%), коксовую мелочь - коксик (2%), кристаллический кремний (8%) (термитная добавка) смешивали, окомковывали на воде в грануляторе до размера гранул 3 - 10 мм. Шихту загружали в аглочащу диаметром 400 мм. Высота слоя составляла 190 мм, а толщина постели 100 мм. Зажигание шихты осуществляли газогорелочным устройством. Максимальная скорость горения шихты составляла 12,5 мм/мин. Максимальная температура в слое составляла 1840^oC, а в центре гранул 1900^oC. При этом слой шихты продували воздухом. Охлажденный спек измельчали и получали высокоогнеупорный материал с температурой применения до 1700^oC (насыпной вес 0,85 г/см³, состоящий из кварцевого стекла 97%).

Пример 3. Исходные компоненты: отработанный катализатор нефтехимического производства (78% Al₂O₃, 12% Cr₂O₃, 10% SiO₂) в количестве 85% смешивали и окомковывали на водном 3%-ном растворе оксихлорида алюминия с 15% гранул металлического алюминия размером 0,2 - 1,0 мм до образования комков размером 3 - 5 мм, загружали в аппарат кипящего слоя диаметром 400 мм. Зажигание шихты снизу осуществляли газогорелочным устройством, а затем продували слой шихты воздухом, обогащенным кислородом до 40%. Высота слоя шихты 250 мм, псевдоожиженного слоя 400 мм. Скорость горения шихты составляла 48 мм/мин. Максимальная температура в зоне горения 1800^oC, в центре комков 1860^oC. Охлажденный продукт в виде спекшихся гранул размером 1 - 3 мм измельчали и получали высокоогнеупорный материал с температурой применения до 1700^oC. Микротвердость полученного материала составила 2289 кг/мм². Гранулы измельчали до размера частиц 0,1 - 0,5 мм, рассеивали, проводили магнитную сепарацию и полученные порошки, содержащие 82% твердого раствора Cr₂O₃ в Al₂O₃, использовали для изготовления абразивного инструмента.

Пример 4. Исходные компоненты (природный магнезит (70%), дробленая стружка магния (14%) и алюминиевая пудра (1%) - термитная добавка, коксик (15%)) смешивали, окомковывали. Шихту загружали в аглочашу диаметром 400 мм. Зажигание шихты снизу осуществляли газогорелочным устройством, а затем продували слой шихты воздухом, обогащенным кислородом до 40%. Высота слоя шихты 250 мм, псевдосжиженного слоя 400 мм. Максимальная температура газов в слое выше 2200^oC. После охлаждения материал дробили и получали огнеупорные гранулы с насыпным весом 1,6 г/см³, состоящие на 93%, из периклаза, 6% стекла и 1% металлического железа. Максимальная температура применения полученных гранул (после отделения железа магнитной сепарацией) 1900^oC.

Пример 5. Исходные компоненты (технический диоксид циркония (70%), каустический магнезит (6%), коксовая мелочь (7%) и порошок металлического циркония (17%) - термитная добавка) смешивали и окомковывали на воде в гранулы до размера 5-15 мм, загружали в аппарат кипящего слоя диаметром 400 мм. Зажигание шихты снизу осуществляли газогорелочным устройством, а затем продували слой шихты воздухом, обогащенным кислородом до 40%. Максимальная температура в слое составляла более 2200^oC. По фазовому составу материал состоял на 90% из кубического твердого раствора MgO в ZrO₂. Насыпной вес материала с размером частиц 0,5 - 1 мм составил 2,19 г/см³.

Известными способами столь высокого содержания кубического твердого раствора MgO в ZrO₂ не удается достичь вследствие его распада при охлаждении.

Во всех приведенных примерах измельчение готового материала проводили на щековых и валковых дробилках, при этом скорость измельчения до размера частиц менее 1 мм была в 5 - 10 раз выше, чем при измельчении плавленного материала того же состава, при измельчении до размера частиц менее 0,1 мм скорость измельчения оксидного высокоогнеупорного материала, полученного известным и предлагаемым способами, уравнивались.

Таким образом, по результатам примеров можно сделать вывод, что предлагаемый способ позволяет получить оксидный высокоогнеупорный материал заданного фазового состава в аппаратах кипящего слоя или аглочашах и ускорить процесс измельчения конечного продукта.