способ получения невзрывоопасного порошка, содержащего тонкодисперсные частицы металла (варианты) и порошкообразная смесь (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения невзрывоопасного порошка, содержащего тонкодисперсные частицы металла, включающий образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества, отличающийся тем, что образование смеси тонкодисперсных частиц металла и огнеупорного вещества осуществляют путем совместного измельчения кусков инертного огнеупорного вещества и металла, выбранного из группы, включающей магний и сплавы магния или кальция, до образования однородной смеси без внедрения частиц огнеупорного вещества в частицы металла, при этом содержание частиц огнеупорного вещества в смеси составляет 40 - 90% от массы смеси, в которой по крайней мере 50% частиц металла имеют размер менее 150 мкм, а 50% частиц огнеупорного вещества имеют размеры менее 200 мкм, при этом количество и размеры частиц огнеупорного вещества устанавливают из условия поддержания минимальной взрывоопасной концентрации, измеренной в емкости объемом 20 л, содержащей химический воспламенитель, более 100 г/см³.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество и размер частиц огнеупорного вещества в смеси выбирают из условия поддержания минимальной взрывоопасной концентрации, измеренной в емкости объемом 20 л, содержащей химический воспламенитель, более 200 г/см³.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество огнеупорного вещества составляет по меньшей мере 65% от массы смеси.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере 80% частиц металла в смеси имеет размер менее 150 мкм.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что по меньшей мере 80% огнеупорного вещества в смеси имеет размер мене 150 мкм при общем содержании огнеупорного вещества в смеси 65 - 80% от массы смеси.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что количество огнеупорного вещества составляет по меньшей мере 70% от массы смеси.

7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что по меньшей мере 70 мас.% огнеупорного вещества имеет размер менее 200 мкм.

8. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что инертное огнеупорное вещество выбирают из группы, включающей оксиды магния, алюминия и/или кремния.

9. Способ получения невзрывоопасного порошка, содержащего тонкодисперсные частицы металла, включающий образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества, выбранного из группы, включающей оксиды алюминия и магния, отличающийся тем, что образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества осуществляют путем совместного измельчения кусков металла, выбранного из группы, включающей алюминий, магний и сплавы алюминия, магния или кальция, и кусков огнеупорного вещества до образования однородной смеси, пригодной для производства огнеупоров после добавления к ней огнеупорного порошка и связующего, при этом по меньшей мере 50% частиц металла в смеси имеют размер менее 150 мкм, а 50% огнеупорного вещества имеет размер частиц менее 200 мкм, причем содержание огнеупорного вещества в смеси составляет 65 - 90% от массы смеси.

10. Способ по п.7, отличающийся тем,что по меньшей мере 70 мас.% огнеупорного вещества имеет размер менее 200 мкм.

11. Порошкообразная смесь, пригодная для производства огнеупоров после добавления к ней порошкообразного огнеупорного вещества и связующего, включающая тонкодисперсные частицы металла, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит тонкодисперсные частицы огнеупорного вещества, выбранного из группы, содержащей оксиды алюминия и магния и имеющего по меньшей мере 50% частиц размером менее 200 мкм, а тонкодисперсные частицы металла выбраны из группы, содержащей алюминий, магний и сплавы алюминия, магния или кальция, и 80% частиц металла в смеси имеют размер менее 150 мкм, при этом компоненты смеси взяты при следующем соотношении, мас.%:

Огнеупорное вещество - 65 - 80

Металл - Остальное

а количество и размер частиц огнеупорного вещества выбраны из условия поддержания минимальной взрывоопасной концентрации, измеренной в емкости объемом 20 л, содержащей химический воспламенитель, более 100 г/м³.

12. Смесь по п.11, отличающаяся тем, что количество и размер огнеупорного вещества выбраны из условия поддержания минимальной взрывоопасной концентрации, измеренной в емкости объемом 20 л, содержащей химический воспламенитель, более 200 г/м³.

13. Смесь по п.11, отличающаяся тем, что содержит огнеупорное вещество в количестве 70 - 80% от массы смеси.

14. Смесь по п. 11, отличающаяся тем, что огнеупорное вещество имеет частицы размером менее 200 мкм в количестве, равном по меньшей мере 75% от массы смеси.

15. Порошкообразная смесь, содержащая тонкодисперсные частицы металла и тонкодисперсные частицы огнеупорного материала и полученная совместным измельчением их кусков, отличающаяся тем, что металл выбран из группы, содержащей алюминий, магний или кальций, а огнеупорное вещество имеет частицы размером менее 200 мкм в количестве, равном по крайней мере 70% от массы измельченной смеси.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к тонкодисперсным металлическим порошкам и способу их получения для последующего использования в качестве сырья при производстве высокотемпературных огнеупорных материалов.

В последние годы некоторые огнеупорные материалы, особенно используемые при футеровке контейнеров для расплавленного металла, стали получать из смеси, содержащей частицы металлического алюминия или магния и/или их сплавов, в дополнение к обычным огнеупорным материалам и связующим. Для этой цели также предложены сплавы кальция. Частицы металла при обжиге огнеупорной смеси реагируют с образованием оксидов или других соединений. Примеры способов получения огнеупоров с использованием таких частиц металлов приведены в патентах США N 3322551, 4069060, 4078599, 4222782, 4243621, 4280844, 4460528, 4306030, 4557884.

При получении огнеупоров описанными в этих патентах способами обычно предполагается, что предпочтительно использовать очень тонкодисперсные частицы металлов. В патенте США 4078599 предложено использовать порошок алюминия с размером частиц менее. 200 меш (74 мкм), а в патенте США 4222782 предложено использование частиц размером 4,5 и 4,0 мкм, что менее 400 меш. Это поставило перед производителями металла требование выпускать порошки металла, имеющие столь малый размер частиц. Однако очень мелкодисперсные металлические порошки взрывоопасны, поскольку они способны образовывать пыль, а в этом случае при наличии искры или источника воспламенения легко может произойти взрыв. Это затрудняет обеспечение взрыво- и пожаробезопасности при производстве, упаковке, транспортировке и обращении с такими тонкодисперсными металлическими порошками.

Наиболее близким к предлагаемому способу получения невзрывоопасного порошка является способ, изложенный в [10]. Известный способ включает формирование смеси металлического порошка, в частности алюминия и магния, с инертным пылевидным огнеупорным веществом, например глиноземом, молотым флюсом или магнезитом. Известный способ позволяет повысить степень безопасности помещений, в которых производят работы с тонкодисперсными металлическими порошками, однако в нем отсутствуют предложения по созданию способа получения таких тонкодисперсных металлических порошков.

В то же время, многие производители металла и огнеупорных материалов не считают целесообразным производить и использовать такие порошки ввиду их взрывоопасности, несмотря на предпочтительность использования тонкодисперсных металлических порошков. По этой причине многие производители огнеупоров жертвуют качеством огнеупорных материалов в пользу безопасности, используя существенно более крупнодисперсные порошки металлов, которые могут содержать до 50% фракции с размером частиц 35 - 100 меш (420 - 150 мкм).

Задачей изобретения является создание такого способа получения тонкодисперсных металлических порошков, который обеспечивал бы его невзрывоопасность и позволил бы получать порошки с распределением частиц по размерам, обеспечивающим оптимальные свойства конечного огнеупорного материала.

Наиболее близкой к предлагаемой порошкообразной смеси для получения огнеупоров является порошкообразная смесь, описанная в [9]. Известная смесь пригодна для производства огнеупоров после добавления к ней порошкообразного огнеупорного вещества и связующего, включая тонкодисперсные частицы металла.

Наиболее близкой к предлагаемой также в изобретении порошкообразной смеси является предложенная в [1], смесь порошков алюминия и огнеупорных материалов для использования в порошковой металлургии. В этой заявке предложено получать порошки с очень малыми размерами частиц путем размола частиц алюминия и огнеупорного материала до достижения размера частиц огнеупора менее одного микрона в диаметре, при этом по меньшей мере некоторые из них внедрены в частицы алюминия. Полученный дисперсный композит можно отвердить и получить твердое композиционное изделие. В, этом случае частицы огнеупора используют для улучшения прочности получаемого композита. Обычно используют менее 50 об. % огнеупорного вещества; в композите, состоящем из алюминия и оксида алюминия, это соответствует 58% оксида алюминия, т.е. обычно меньше, чем использовано в изобретении. Исходный размер частиц металла достаточно мал, например, 10-75 мкм что менее 200 меш. Как правило, исходное вещество с частицами столь малого размера считается взрывоопасным, однако этого можно, избежать, используя, как предложено в данном, изобретении, проведение размола в суспензии.

Недостатком известных порошкообразных смесей является то, что частицы огнеупора в них, как правило, частично внедрены в частицы металла, что значительно ограничивает область использования таких порошков, делая их непригодными в ряде областей применения. Кроме того, размеры частиц полученных порошков не всегда являются оптимальными для производства.

Задачей изобретения является получение тонкодисперсных металлических порошков с распределением частиц по размерам, обеспечивающим оптимальные свойства конечного огнеупорного материала при существенно пониженной взрывоопасности производства, упаковки, транспортировки, использования и хранения металлических порошков, при отсутствии внедрения частиц огнеупора в частицы металла.

В соответствии с изобретением тонкодисперсные металлические порошки, в частности, порошки алюминия, магния или сплавов алюминия, магния или кальция, смешивают с инертным веществом для придания им относительной или существенной невзрывоопасности по сравнению с чистыми металлическими порошками. Термин "инертный" в данном случае означает негорючий. Предпочтительно инертными веществами являются огнеупоры, используемые в составе конечного огнеупорного изделия, в частности кальцинированный доломит, прокаленный магнезит и/или оксид алюминия. Установлено, что предварительно смешанные порошки такого типа можно безопасно хранить, упаковывать, транспортировать и использовать без серьезного риска взрыва или пожара и поэтому они пригодны для безопасного использования производителями огнеупоров. Необходимое для этого количество инертного вещества часто гораздо меньше, чем требуется в конечном изделии из огнеупора.

Изобретение относится к способу получения невзрывоопасного порошка, содержащего тонкодисперсные частицы металла, включающему образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества, в котором образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества осуществляют путем совместного измельчения кусков инертного огнеупорного вещества и кусков металла, выбранного из группы, включающей магний и сплавы магния или кальция, до образования однородной смеси без внедрения частиц огнеупорного вещества в частицы металла, при этом содержание частиц огнеупорного вещества в смеси составляет 40 - 90 мас.% от массы смеси, в которой по меньшей мере 50% частиц металла имеют размер менее 150 мкм, а 50% частиц огнеупорного вещества имеют размер менее 200 мкм, при этом количество и размер частиц огнеупорного вещества устанавливают из условия поддержания минимальной взрывоопасной концентрации, измеренной в емкости объемом 20 л, содержащей химический воспламенитель, более, 100 г/м³.

Согласно изобретению предложен также способ получения невзрывоопасного порошка, содержащего тонкодисперсные частицы металла, включающий образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества, выбранного из группы, включающей оксид алюминия и оксид магния, в котором образование смеси тонкодисперсных частиц металла и инертного огнеупорного вещества осуществляют путем совместного измельчения кусков огнеупорного вещества и кусков металла, выбранного из группы, включающей алюминий, магний и сплавы алюминия, магния или кальция, до образования однородной смеси, пригодной для производства огнеупоров после добавления к ней огнеупорного порошка и связующего, при этом по меньшей мере 50% частиц металла имеют размер менее 150 мкм, а 50% частиц огнеупорного вещества имеют размер менее 200 мкм, причем содержание огнеупорного вещества в смеси составляет 65 - 90% от массы смеси.

Предложенная порошкообразная смесь, пригодная для использования в производстве огнеупоров после добавления к ней порошкообразного огнеупорного вещества и связующего, включающая тонкодисперсные частицы металла, дополнительно содержит частицы тонкодисперсного огнеупорного вещества, выбранного из группы, включающей оксид алюминия и оксид магния, и имеющего по меньшей мере 50% частиц размером менее 200 мкм, а тонкодисперсные частицы металла выбраны из группы, включающей алюминий, магний и сплавы алюминия, магния или кальция, и 80% частиц металла имеют размер менее 150 мкм, при этом компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:

Огнеупорное вещество - 65 - 80

Металл - Остальное,

а количество и размер огнеупорного вещества выбраны из условия поддержания минимальной взрывоопасной концентрации, измеренной в емкости объемом 20 л, содержащей химический воспламенитель более 100 г/м³.

Предложена также порошкообразная смесь, содержащая тонкодисперсные частицы металла и тонкодисперсные частицы огнеупорного вещества и полученная совместным измельчением их кусков, в которой металл выбран из группы, включающей алюминий, магний или кальций, а огнеупорное вещество содержит частицы размером менее 200 мкм в количестве, равном по меньшей мере 70% от массы смеси.

Предпочтительно тонкодисперсный металлический порошок и инертное вещество получают одновременно путем совместного размола более крупных кусков металлического сплава и инертного вещества. При этом тонкодисперсные порошки металлов всегда содержат примесь инертного вещества, что снижает взрывоопасность при их получении. Размол можно также проводить в атмосфере инертного газа, например, аргона или азота, для дальнейшего снижения угрозы взрыва.

Совместный размол металлов или сплавов инертного вещества эффективен в том случае, когда металлический компонент имеет достаточную хрупкость для того, чтобы его можно было измельчить с помощью обычной технологии размола, например, в шаровой мельнице, стержневой мельнице, молотковой мельнице, дробильной мельнице, мельнице тонкого помола, и т.п. В этих случаях металлический компонент, подаваемой в мельницу шихты смешивают в нужном соотношении с инертным веществом для проведения совместного размола до требуемого фракционного распределения по размерам частиц получаемой смеси металлического порошка. Подаваемый в мельницу металл может находиться в форме слитков, чушек, гранул, стружки, обломков и т.п., ранее полученных в процессе литья, измельчения или машинной обработки. Вследствие более крупных размеров частиц это металлическое сырье гораздо менее взрывоопасно и значительно безопаснее при работе, чем тонкодисперсные порошки, необходимые для получения огнеупорных материалов. Инертные вещества можно также подавать в форме кусков, например брикетов или гранул, более крупных, чем размер получаемых частиц, или подвергать предварительному размолу в порошок, применяемый для получения огнеупоров. Как описано выше, метод совместного размола можно применять для получения тонкодисперсного металлического магния, металлического алюминия, сплавов магния с алюминием, сплава магния с кальцием, сплава кальция с алюминием и т.п. Путем такого совместного размола получают измельченную смесь, используемую как сырье для получения огнеупоров, на этой стадии смесь естественно не содержит связующих.

В некоторых случаях тонкодисперсные металлические порошки получают непосредственно из расплавленных металлов и сплавов в процессе распыления. При этом нет необходимости в размоле для получения нужного распределения частиц в металлическом порошке. Однако изобретение полезно и в этом случае, поскольку смешение распыленных металлических порошков с инертным веществом позволяет получать невзрывоопасную смесь, безопасную при дальнейшей переработке, упаковке, транспортировке, использовании и хранении. В качестве примеров можно привести смешение инертного вещества с распыленным металлическим алюминием, металлическим магнием и т.п. Если металлический порошок получают отдельно от инертного вещества, его обязательно нужно обезопасить от возможности взрыва путем использования инертного газа до тех пор, пока его не смешают с порошкообразным инертным огнеупорным веществом.

В соответствия с изобретением способ получения огнеупорного вещества, содержащего соединения магния и алюминия, включает

получение относительно невзрывоопасной измельченной предварительной смеси тонкодисперсного металлического порошка с тонкодисперсным инертным веществом, пригодной для использования в огнеупорах и не содержащей связующего, при этом стадию получения порошка проводят в условиях, когда возможность взрыва металлического порошка исключена благодаря использованию инертного вещества, в некоторых случаях в сочетании с использованием для защиты от взрыва инертного газа,

упаковку и транспортировку относительно невзрывоопасной смеси к месту производства огнеупорного материала,

смешение этой смеси с другими веществами, включая связующее, и формование огнеупорного материала из получаемой композиции.

Взрывоопасность смеси в соответствии с изобретением зависит от дисперсности как металлического порошка, так и инертного вещества, и от количества инертного вещества в смеси. Количество и размер частиц инертного вещества можно выбрать таким образом, чтобы смесь была на воздухе полностью невзрывоопасна. Однако можно инертное вещество добавлять лишь в таком количестве, чтобы степень взрывоопасности смеси тонкодисперсного металлического порошка с инертным веществом была по меньшей мере не выше, чем у крупнодисперсных металлических порошков, производимых в настоящее время для огнеупорных смесей, например, металлических порошков, содержащих около 30% частиц с размером менее 100 меш. Как будет показано ниже, подходящий уровень взрывоопасности может быть обеспечен в том случае, если минимальная взрывоопасная концентрация (МВК), измеренная в 20 л емкости с химическим воспламенителем, составляет более 100 г/м³. В зависимости от дисперсности металлических частиц и частиц инертного вещества, этот результат можно получить лишь в том случае, когда не менее 40% смеси состоит из инертного вещества. Однако предпочтительно, если содержание инертного вещества достаточно для того, чтобы МВК составляла более 200 г/м³.

В том случае, когда требуется существенная невзрывоопасность смеси, инертное вещество должно иметь такое распределение частиц по размерам, при котором 80% частиц имеет размер менее 100 меш, и его содержание в смеси должно быть не менее 60-70%. Более высокое содержание инертного огнеупорного вещества повышает стоимость транспортировки, так что максимальное его содержание в смеси составляет около 80%.

Все ссылки на содержание компонентов даны в массовых процентах.

Несмотря на то, что ранее тонкодисперсные металлические порошки смешивали с порошкообразными огнеупорными веществами на одной из стадий получения огнеупоров, подобные смеси не упаковывали для продажи или транспортировки. Соответственно, еще одним аспектом изобретения является транспортировочный контейнер с находящейся в нем смесью тонкодисперсного металлического порошка и тонкодисперсного огнеупорного вещества, пригодной для использования в производстве огнеупоров и не содержащей связующего, причем количество и дисперсность инертного вещества достаточны для полной невзрывоопасности смеси и по меньшей мере ее безопасности при нормальной транспортировке и использовании. Подходящими контейнерами для транспортировки являются металлические барабаны, предпочтительно с пластиковой футеровкой, и так называемые "супермешки", представляющие собой большие тканые мешки из синтетического материала с непроницаемыми (например, пластиковыми) вкладышами. При упаковке смеси необходимо избегать увлажнения, однако можно не принимать меры взрывоопасности. В противоположность этому в настоящее время в соответствии с правилами тонкодисперсные металлические порошки требуется транспортировать в стальных барабанах ввиду их взрывоопасности.

На фиг. 1 показан график зависимости логарифма МВК (минимальной взрывоопасной концентрации) от содержания инертного вещества в смеси; на фиг. 2 - график зависимости относительной взрывоопасности смеси по сравнению с крупнодисперсным порошком сплава от содержания магнезита в смеси; на фиг. 3 - график зависимости дисперсности частиц смеси от времени размола; на фиг. 4 - график зависимости дисперсности металлических частиц от времени размола.

Далее описан предпочтительный способ получения сырья для огнеупорного вещества.

Металлический компонент сырья для огнеупоров может быть в форме слитков и т. п. или частично измельченных кусков, гранул, обломков, стружки и т.п., полученных известными способами дробления или механической обработки.

Металлический компонент загружают в соответствующую мельницу в сочетании с необходимым количеством инертного вещества. Предпочтительно инертным веществом является огнеупорное вещество, возможно оксид или смесь оксидов, совместимые с конечным огнеупорным материалом, например, кальцинированный или прокаленный магнезит, состоящий главным образом из химической смеси извести (CaO) и оксида магния (MgO), кальцинированный боксит, глинозем (Al₂O₃), состоящий главным образом из оксида алюминия, оксид кремния (SiO₂) и другие подходящие оксиды. Инертные вещества могут содержать примеси, допустимые в конечном огнеупорном материале, например, известь (CaO), и оксид кремния (SiO₂). Эти инертные вещества могут быть в форме чушек, брикетов, кусков, предварительно размолотых мелких частиц и т.п.

Смесь металла и инертного вещества подвергают одновременному размолу с постепенным уменьшением размера частиц в подходящем размалывающем устройстве, например шаровой мельнице, стержневой мельнице, молотковой мельнице, дробильной мельнице, мельнице тонкого измельчения и т.п. С помощью размола размеры большей части частиц (не менее 50%) металлического сплава должны быть уменьшены до величины менее 35 меш (400 мкм), предпочтительно менее 100 меш (150 мкм). Предпочтительно размеры частиц инертного вещества должны быть менее 65 меш. Важно добиться того, чтобы размеры большей части частиц (т. е. не менее 50%) инертного вещества были меньше 65 меш, если в смеси содержится 75% инертных частиц размером менее 65 меш, то смесь полностью невзрывоопасна. Важно также, чтобы размеры частиц инертного вещества были достаточно малы для того, чтобы значительно снизить взрывоопасность смеси в соответствии с требованиями по распределению частиц огнеупорной смеси. В данном изобретении это достигается регулированием распределения по размерам частиц инертного вещества, подаваемого в мельницу, и длительностью размола. При необходимости принятия дополнительных мер предосторожности против взрыва размол можно проводить в атмосфере инертного газа, например аргона или азота.

Доля инертного оксида в смеси составляет более 40%, предпочтительно более 50%, наиболее предпочтительно более 70%. Установлено, что смесь тонкодисперсного металлического порошка и инертного вещества по меньшей мере должна быть не более взрывоопасна, чем чистый крупнодисперсный металлический порошок, обычно применяемый для получения огнеупоров, вследствие чего производители огнеупоров получат преимущество при применении тонкодисперсного металлического порошка в значительно более безопасной форме. Взрывоопасность смеси металлического порошка и инертного вещества зависит от их соотношения в смеси и соотношения их дисперсностей, критерии для выбора правильного соотношения и дисперсности материалов обсуждаются ниже и подтверждаются соответствующими примерами.

Поскольку смеси тонкодисперсных порошков металла и инертного огнеупорного вещества можно сделать по существу невзрывоопасными, их можно использовать, упаковывать и транспортировать к месту производства огнеупоров без принятия мер предосторожности против взрывов. После доставки к месту производства огнеупоров смеси порошков металла и инертного оксида смешивают при необходимости с другими огнеупорными веществами, а также связующими и формуют в огнеупорные изделия обычным способом.

В перечисленных патентах приведен ряд примеров использования металлических порошков и прокаленного магнезита для получения огнеупоров.

Например, в литературе [1] описан способ, в котором тонкоизмельченный алюминий или магний вводят в огнеупорную смесь, содержащую огнеупорные гранулы основного или некислотного кальцинированного (прокаленного) оксида, например периклаза, магнезита, хромита, доломита и т.п., связанных вместе коксуемыми углеродсодержащими связующими, например, гудроном или пеком. Такие огнеупоры широко используют в качестве футеровки большинства кислородных конвертеров для производства стали.

В литературе [1] предложена связующая смесь (образец A-2) для получения огнеупорного кирпича, содержащая: 71 мас.ч. обожженного до спекания магнезита, содержащего 81% MgO, 12% CaO, 5% SiO₂, остальное - примеси; 24,8 мас.ч. периклаза, содержащего более 98% MgO; 3,5 мас.ч. измельченного пека с температурой размягчения 300-320^oF (149-160^oC); 1,2 мас.ч. нейтрального масла (светлое масло, полностью очищенное от нафталина); 1 мас.ч. порошка магния с размером частиц менее 100 меш.

При получении подобной композиции с использованием невзрывоопасной смеси порошков, предложенной в изобретении и содержащей 25% порошка металлического магния и 75% прокаленного до спекания магнезита, смесь может иметь следующий состав: 68 ч. прокаленного до спекания магнезита; 24 ч. периклаза; 3,5 ч. измельченного пека; 1,2 ч. нейтрального масла; 4 ч. невзрывоопасной смеси, содержащей 1 ч. магния и 3 ч. прокаленного магнезита.

Конечно, в принципе возможно получать металлический порошок, смешанный со всем количеством инертного огнеупорного вещества, т.е. всем количеством прокаленного магнезита и периклаза. Однако при этом содержание инертного огнеупорного вещества превышало бы 95%, и с экономической точки зрения было бы невыгодно транспортировать весь этот материал от производителя металла. С экономической точки зрения было бы желательно, чтобы огнеупоры или инертные вещества составляли не более 90% массы смеси, как правило, менее 80%. Ниже приведены критерии определения доли инертного вещества в смеси, необходимого для придания ей полной или относительной невзрывоопасности.

В литературе [1] также приведены смеси, используемые в производстве огнеупоров и содержащие порошкообразный алюминий. Действительно можно получать огнеупорный материал описанного состава за исключением того, что вместо магния используют алюминий или сплавы алюминия и магния. Во многих других перечисленных патентах приведены возможные примеры огнеупорных смесей, содержащих алюминий, в которых в качестве огнеупорного материала содержится оксид алюминия. В частности, они приведены в литературе [3-5]. В литературе [7,9] описаны огнеупорные композиции, содержащие металлический алюминий и оксид кремния, в соответствии с ними огнеупорные материалы можно получать из невзрывоопасных смесей, содержащих металлический алюминий и его сплавы, а также оксид кремния и/или алюминия.

Чтобы избежать высокой стоимости транспортировки, обусловленной большими количествами огнеупорного порошка, были проведены опыты по определению количества инертного огнеупорного вещества, необходимого для достижения относительной или полной невзрывоопасности металлического порошка.

Опыты проводили с использованием металлического алюминия и ряда металлических сплавов, в частности, сплавов алюминия и магния, магния и кальция, а также сплава стронция, магния и алюминия. Порошок сплава смешивали с различными количествами прокаленного магнезита, как указано в табл. 1. В табл. 1 приведены массовые соотношения металлических порошков и магнезита. Использовали два сорта магнезита, различающиеся размером частиц; первый - крупнодисперсный с размерами частиц менее 65 меш (200 мкм), второй - тонкодисперсный с размерами частиц менее 100 меш (150 мкм). Испытания взрывоопасности проводили для определения минимальной взрывоопасной концентрации (МВК) и в ряде случаев минимальной концентрации кислорода (МКК) для разных смесей. МВК - это наименьшее количество равномерно распределенной в воздухе пыли вещества, способной вызвать распространение взрыва. Меньшие количества могут моментально воспламеняться при внесении в источник воспламенения, но взрыва не последует. Другим способом предотвращения взрыва является использование инертного газа, например азота, в объеме, занимаемом пылевым облаком. Для определения необходимого количества инертного газа измеряли МКК для четырех смесей сплава с прокаленным магнезитом. Опыты по определению взрывоопасности проводили в 20 л емкости конструкции Горного бюро США с небольшими изменениями. Эксперты полагают, что 20 л является минимальным объемом резервуара для определения взрывоопасности пылевидных веществ. Однако эксперты спорят о том, требуется ли мощный запал, например, воспламенитель Соббе мощностью 5 кДж, для определения МВК. Использование непрерывного электрического разряда, как ранее, может показать невзрывоопасность пылевидной смеси, хотя на самом деле она взрывоопасна. Все опыты по взрывоопасности для определения МВК проводили с воспламенителем Соббе мощностью 5 кДж.

В каждом опыте навеску порошка помещали в держатель в основании сосуда, воспламенитель помещали в центре сосуда, который затем закрывали и вакуумировали. Баллон емкостью 16 л заполняли сухим воздухом при давлении 1100 кПа и нажимали кнопку на контрольной панели для начала опыта. Соленоидный клапан, находящийся между 16 л емкостью и пылевой камерой, открывали на определенное время, обычно около 350 мс, при этом струя воздуха поднимала частицы пыли с образованием достаточно однородного пылевого облака в 20 л емкости при давлении 1 атм. абс. По истечении другого интервала времени, обычно около 100 мс, поджигали воспламенитель. Изменение давления в ходе испытания регистрировали с помощью цифрового осциллоскопа Nicolet 4094. После охлаждения газов, полученных при сгорании, их пропускали через парамагнитный кислородный анализатор фирмы Taylor Servomex, и определяли при этом количество израсходованного кислорода. Внутри сосуда устанавливали чувствительную термопару, показания которой также записывали с помощью осциллоскопа. Хотя трудно ожидать, что термопара изменяет истинную температуру фронта пламени при взрыве, она все же дает подтверждение того, что взрыв произошел.

Воспламенитель Соббе сам по себе создает значительное давление (около 50 кПа для воспламенителя мощностью 5 кДж). Это учитывали путем вычитания кривой давления, создаваемого воспламенителем, из кривой экспериментально определяемого давления. Скорость увеличения давления (dP/dt)_m. и определяли из производной кривой, полученной в численном виде с помощью осциллоскопа.

Для определения МКК смесь сухого азота и сухого воздуха готовили в 16 л емкости с учетом величин парциального давления. Истинный состав этих смесей определяли путем пропускания небольшого количества смеси через кислородный анализатор. Измеренные величины всегда были близки к расчетным.

В табл. 1 приведены полученные результаты для разного содержания в смесях инертного огнеупорного порошка MgO (в массовых процентах сплава и MgO) при использовании тонкодисперсного (менее 100 меш) и крупнодисперсного (менее 65 меш) порошков огнеупорного вещества. Низкая взрывоопасность смеси соответствует высоким значениям показателей МВК и МКК.

Данные табл.1 по взрывоопасности металлических порошков сплава 50% Al - 50% Mg, смешанных с различными количествами прокаленного магнезита, приведены на фиг.1 и означают следующее.

1) Для чистых без добавок металлических порошков МВК уменьшается с увеличением дисперсности порошка. Например, крупнодисперсный порошок сплава 50% А1 - 50% Mg, содержащий 30% фракции - 100 меш (150 мкм), взрывоопасен при концентрации частиц в воздухе по меньшей мере 9015 г/м. С увеличением дисперсности порошка до 82% фракции - 100 меш значительно увеличивает взрывоопасность, при этом минимальная концентрация частиц в воздухе составляет лишь 524 г/м³. В интересах безопасности многие производители огнеупоров приносят в жертву огнеупорные свойства, используя более крупнодисперсные металлические порошки (обычно содержащие не более 50% фракции - 100 меш) вместо более предпочтительных мелкодисперсных порошков с большей взрывоопасностью. Если для обеспечения МВК около 100 г/м³ используют достаточно крупнодисперсный порошок, то смесь металлических частиц и инертного вещества по меньшей мере столь же безопасна, как стандартные чистые крупнодисперсные металлические порошки. Если же МВК смеси возрастает до 200 г/м³ то смесь гораздо менее взрывоопасна, чем стандартный крупнодисперсный металлический порошок.

2) МВК возрастает экспоненциально с ростом доли инертного вещества в смеси с металлом. Например, смесь 50% тонкодисперсного порошка магнезита и 50% тонкодисперсного металлического порошка имеет МВК 13010 г/м³. Эта смесь состава 50/50 в 2,5 раза менее взрывоопасна, чем чистый тонкодисперсный порошок сплава, и в 1,4 раза менее взрывоопасна, чем чистый крупнодисперсный порошок сплава. При содержании в смеси 60% тонкодисперсного магнезита смесь становится относительно невзрывоопасной, а при его содержании 75% - полностью невзрывоопасной. Такая экспоненциальная зависимость вызывает удивление, поскольку показывает, что механизм уменьшения взрывоопасности смеси не заключается лишь в разбавлении ее металлической части, поскольку в этом случае наблюдалось бы линейное соотношение 1:1 между МВК и содержанием прокаленного магнезита в смеси. Результаты показывают наличие пороговой точки, за которой взрывоопасность смеси быстро снижается.

3) На фиг. 1 показано, что смесь 35% магнезита и 65% тонкодисперсного металлического порошка приблизительно столь же взрывоопасна, как чистый крупнодисперсный металлический порошок, обычно используемый в производстве огнеупоров. При увеличении содержания магнезита в смеси до 55% ее взрывоопасность снижается примерно наполовину от уровня чистого крупнодисперсного металлического порошка.

4) Взрывоопасность смеси зависит также от дисперсности инертного вещества. Смеси 75% тонкодисперсного магнезита и 25% тонкодисперсного металла (оба компонента содержат по 82% фракции - 100 меш) невзрывоопасны, однако смесь, содержащая 75% крупнодисперсного магнезита (97% фракции - 65100 меш) взрывоопасна при концентрации частиц в воздухе 150050 г/м³ или более. Однако смесь, содержащую около 70% фракций менее 65 меш, можно считать относительно невзрывоопасной по сравнению с чистым крупнодисперсным металлическим порошком.

5) Для трех исследованных систем сплавов на основе Al-Mg, Mg-Ca и металлического алюминия наблюдаются сходные зависимости взрывоопасности от содержания инертного вещества в смеси.

Результаты опытов по определению МВК можно также представить в виде относительной взрывоопасности, т.е. взрывоопасности по сравнению с чистым крупнодисперсным (50% Al - 50% Mg) порошком, содержащим 30% фракции - 100 меш, имеющим МВК 90 г/м³. Результаты приведены в табл. 2.

В табл. 2 и на фиг.2 показано:

1) чистый тонкодисперсный порошок сплава в 1,73 раза более взрывоопасен, чем чистый крупнодисперсный порошок сплава (величины МВК 52 и 90 соответственно);

2) тонкодисперсный порошок сплава, смешанный с 35% магнезита, имеет относительную взрывоопасность 1,0. Это означает, что взрывоопасность тонкодисперсного сплава порошка путем смешения с 35% магнезита эквивалентна взрывоопасности чистого крупнодисперсного порошка сплава;

3) при увеличении доли магнезита в смеси тонкодисперсный порошок сплава становится все более инертным по сравнению с чистым крупнодисперсным порошком сплава. При содержании в смеси 60% магнезита она обладает большой инертностью, а при содержании 75% магнезита она невзрывоопасна. Указанные экспериментальные данные иллюстрируют важные соотношения, которые необходимо учитывать при снижении взрывоопасности металлического порошка путем его смешения с инертным веществом. Соответствующую смесь можно безопасно использовать, упаковывать, транспортировать и хранить с гораздо меньшим риском взрыва, чем чистый металлический порошок.

Приведенные примеры иллюстрируют способ получения тонкодисперсных металлических порошков с пониженной взрывоопасностью путем одновременного и постепенного уменьшения размера частиц смеси металла и инертного вещества в подходящем устройстве для размола, например, шаровой мельнице, стержневой мельнице, молотковой мельнице, дробильной мельнице и т.п.

Пример 1. В ротационную шаровую мельницу, содержащую 1683 кг шаров, загружали 500 кг смеси, содержащей 75 мас.%, прокаленного магнезита с размером частиц - 2000 мкм и 25 мас.% сплава 50% Al - 50% Mg с размером частиц - 13 мм (1/2 дюйма). Перед загрузкой в шаровую мельницу готовили сплав путем сплавления металлических магния и алюминия в необходимом соотношении в тигле соответствующей конструкции. Расплавленный сплав отливали в слитки, а затем дробили на куски размером 13 мм в щековой дробилке.

Эту смесь магнезита и металлов подвергали совместному размолу в мельнице в течение 1 ч. В пробе порошка смеси инертного вещества с металлом, взятой из мельницы, размер частиц 64% смеси составлял 100 меш. Анализ смеси показал, что из содержащегося в ней металла 72% имели размер частиц - 100 меш при среднем размере частиц 111,4 мкм. Фракция прокаленного магнезита в смеси содержала 62% частиц размером - 100 меш при среднем размере частиц 136,0 мкм.

Пример 2. Смесь, полученную в примере 1, подвергали дальнейшему размолу в шаровой мельнице еще 1 ч (всего 2 ч) и отбирали пробу. Дисперсность смеси повысилась, 85% смеси имели размер частиц - 100 меш, содержащийся в ней металл имел 90% частиц размером - 100 меш, а магнезит - 83% частиц - 100 меш. Средний размер частиц металла и магнезита был равен 74,8 и 84,9 мкм соответственно.

Пример 3. Смесь, полученную в примере 2, подвергали дальнейшему размолу в шаровой мельнице еще 1 ч (всего 3 ч) и отбирали пробу. После 3 ч размола смесь содержала 91% смеси частиц размером - 100 меш, металлический компонент смеси содержал 93% частиц размером - 100 меш, а магнезит 90% частиц размером - 100 меш. Средний размер частиц металлической фракции был равен 71,0 мкм, а магнезита 74,9 мкм.

Пример 4. 400 кг смеси, содержащей 75 мас.% тонкодисперсного магнезита (55% фракции с размером частиц 43 мкм) и 25 мас.% измельченного сплава 50% Al - 50% Mg с размером частиц 13 мм загружали в шаровую мельницу, содержащую 983 кг шаров. После размола в течение 1 и 15 мин из мельницы отбирали пробу размолотого материала. Смесь содержала 92% частиц размером - 100 меш, при этом металлический компонент смеси содержал лишь 82% частиц размером - 100 меш, а магнезит 96% частиц размером - 100 меш. Средний размер частиц в смеси составлял 99,6 мкм для металлического порошка и 68,2 мкм для инертного вещества.

Пример 5. Смесь, полученную в примере 4, подвергали дальнейшему размолу еще 30 мин (всего 1 ч 45 мин) и отбирали пробу. Смесь содержала 95% частиц размером - 100 меш, при этом металлический компонент содержал 91% частиц размером - 100 меш, а магнезит 96% частиц - 100 меш. Средний размер частиц металла и магнезита был равен 85,7 и 69,5 мкм соответственно.

Пример 6. Около 375 кг брикетов крупнодисперсного магнезита с размером частиц - 25,4 мм загружали в шаровую мельницу, содержащую 750 кг шаров. После размола в течение 15 мин размер частиц магнезита уменьшился до - 100 меш. После дальнейшего размола в течение 15 мин доля фракции - 100 меш возросла до 55%. В этот момент в мельницу загружали 125 кг предварительно измельченного сплава 50% Al - 50% Mg, и смесь подвергали совместному размолу. В зависимости от длительности размола получали фракционное распределение, приведенное в табл. 3.

Во втором аналогичном опыте была получена смесь, содержащая 90% частиц - 100 меш при той же длительности размола.

Пример 7. В ротационную шаровую мельницу, содержащую 112 кг стальных шаров, загружали 75 кг брикетов прокаленного магнезита. После размола в течение 15 мин размер частиц MgO уменьшился до 85% - 100 меш. Затем в шаровую мельницу загружали 25 кг гранул металлического алюминия (100% - 20 меш; 96,5% + 100 меш). Фракционный размер частиц смеси гранул металлического Al и предварительно размолотого MgO в шаровой мельнице составлял 14% +35 меш и 65% -100 меш. Затем смесь подвергали размолу в шаровой мельнице в течение 105 мин и получали продукт с размером частиц 3% +35 меш и 79% -100 меш.

На фиг.3 показано, что долю фракции -100 меш в смеси можно увеличить путем увеличения длительности размола. Однако время размола можно сократить при загрузке в мельницу более тонкодисперсного инертного вещества.

На фиг. 4 показано, что доля фракции -100 меш металлического компонента смеси также увеличивается с увеличением длительности размола. На дисперсность металлического компонента, по-видимому, не влияет начальная дисперсность загружаемого в мельницу прокаленного магнезита.

Приведенные примеры иллюстрируют зависимость конечного фракционного распределения инертной и металлической фракций от следующих параметров работы мельницы:

фракционного состава соответствующих исходных материалов;

массы размалывающих элементов;

длительности размола.

Путем регулирования этих рабочих параметров можно получать невзрывоопасные смеси, удовлетворяющие требованиям к фракционному распределению материалов для производства огнеупоров.