Виробництво високоглиноземистих вогнетривів

Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

«Український державний хіміко-технологічний університет»

(ДВНЗ УДХТУ)

 

 

 

Кафедра хімічної технології кераміки та скла

 

Реферат

з курсу «Основи наукових досліджень»

на тему: виробництво високоглиноземистих вогнетривів

 

 

 

 

 

Виконав Студент групи 6-ТК		Смирнов В.Ю
Перевірила доцент кафедри ХТКС		Науменко С.Ю.

 

 

 

Дніпропетровськ

2009

 

Зміст

       Вступ                                                                                                      3

     1  Хімічний склад сировинних матеріалів для виготовлення

         високоглиноземістих вогнетривів                                                         6

     2  Технологія виробництва високоглиноземістих вогнетривів               14

     3  Галузі використання високоглиноземістих вогнетривів                    17

       Висновок                                                                                                   19

       Список  використаної літератури                                                             20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

       Найбільш  розповсюдженим видом вогнетривів  є алюмосилікатні вогнетриви, що  містять у якості головних  хімічних компонентів окис алюмінію  та двоокис кремнію у різних  співвідношеннях. Нижчою межею змісту  окису алюмінію в цих вогнетривах  прийнято вважати 6 – 10 %, що відповідає 85% кремнезему. Верхня межа, що діє за  класифікаціонним  стандартом  ( ГОСТ 4385 – 68) не встановлена, але при змісті у вогнетривах 96 – 97% Al2O3 і вище їх можна віднести до типу виготовлених з чистих окисів.

       Серед  великої гами алюмосилікатних  вогнетривів виділяються високоглиноземісті, що містять від  45 до 90% Al2O3; при більшому змісті глинозему вогнетриви вважаються корундовими. У порівнянні з шамотними вогнетривами високоглиноземісті відрізняються більшим змістом муліту ( а при високому змісті окису алюмінію присутністю корунду ), меншою кількістю склофази та більш вищою температурою її розм’якшення. Більша вогнетривкість та стійкість проти деформації під навантаженням при нагріванні, підвищена хімічна стійкість – усі ці якості дозволяють приймати високоглиноземісті вогнетриви у тих багатьох випадках, коли умови служби для шамотних вогнетривів стають надмірно важкими.

       Розвиток  сучасної металургії та багатьох  інших галузей народного господарства  супроводжується інтенсифікацією  теплових процесів. При цьому  до вогнетривів пред’являють  усе більш високі вимоги у співвідношенні стійкості до розплавів, механічним навантаженням та впливу різних газових середовищ при високих температурах. Цим вимогам у великому числі випадків задовольняють високоглиноземісті та корундові вогнетриви, об’єм виробництва яких безупинно зростають [1].

                   

       Виробництво високоглиноземстих та корундових вогнетривів базуються на штучних вихідних матеріалах – технічному глиноземі, електроплавньому корунді та на природній сировині, тобто на гірських породах, складаючих  мінералами з високим змістом окису алюмінію. Алюміній належить до числа розповсюджених елементів земної кори, його доля по маси складає – 8,8%. Значно менше алюмінію укладено в мінералах з достатньо високим змістом окису алюмінію ( більш 45% ) та ще менше у гірських породах, що містять малу кількість домішок до цих мінералів. Тим не менш ресурси природньої високоглиноземистої сировини є значними та використовуються для виробництва у багатьох країнах.

       Головними  умовами використання природньої  сировини є його менша вартість у зрівнянні з технічним глиноземом та електроплавнім корундом, котрі отримують за досить складною технологією та дуже дорогою. Якщо природна сировина виявляється дешевша, що спостерігається у багатьох випадках, та якщо вона забезпечує необхідний зміст окису алюмінію у вогнетривах, а також достатню чистоту матеріалу, то використання такої сировини є більш прийнятною. З фізико-хімічної точки зору перевага природніх високоглиноземістих мінералів як сировини для виробництва вогнетривів полягає у тому, що змістовний в них окис алюмінію більш активний у процесі термічної обробки, оскільки вона ( за виключенням рідко зустрічающогося  природнього корунду ) входить до складу тих чи інших з’єднань ( силікатів, гідратів та ін. ), що зазнають змін кристалічної решітки при нагріванні. За орієнтовною оцінкою, до 40% високоглиноземістих вогнетривів у світі виготовляються з природної сировини. Ця частка зменшується зі збільшенням змісту глинозему у виробах та для корундових вогнетривів практично дорівнюють нулю.

       У наш час у країнах СНД виробництво вогнетривів з природньої високоглиноземістої сировини поки мало розповсюджено, так як велика кількість родовищ цієї сировини розміщена в порівняно важкодоступних районах, а також у зв’язку з тим, що видобуток ускладнений місцевими геополітичними умовами. Однак за останні роки, з введенням в експлуатацію Аркаликського родовища каолиніто-гидралгилитових порід та з появою промисловою кількістю дистен-силіманітового концентрату – продукт збагачення порід родовищ України, виробництво високоглиноземістих вогнетривів з природньої сировини стало розширюватися і на сьогоднішній день перевищило 80 тис. т. Очікуване у подальшому освоєння Червоножовтневого родовища каолініто-гидраргилитових порід, а також Онежського бокситовогу та Кейвського кіанітовогу родовищ дозволить забезпечити народне господарство масовими вогнетривами високої якості.

     Зараз інститутами  вогнетривів у країнах СНД  виконано багато робіт з дослідження  високоглиноземістої сировини та розробці технологій виробництва з неї вогнетривів. Велику кількість досліджень у цій галузі проведено також за кордоном [1].

Рисунок 1.1 – Високоглиноземісті вогнетриви

1. ХІМІЧНИЙ СКЛАД СИРОВИННИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ВИСОКОГЛИНОЗЕМІСТИХ ВОГНЕТРИВІВ

       Сировиною  для виробництва високоглиноземних виробів служать мінерали силіманітної групи, гідрати глинозему та технічний глинозем.

      Для виробництва високоглиноземістих виробів групи муліто-кремнеземістих у якості сировини можуть бути використані мінерали силіманітної групи: кіаніт (дистен), андалузіт, силіманіт та дюмортиєріт. Перші три мінерали, що мають загальну молекулярну формулу Al2O3∙SiO2 (62.9% Al2O3 та 37.1% SiO2), після випалу при відповідних температурах переходять у муліт: 3(Al2O3∙SiO2)→3Al2O3∙2SiO2+SiO2

       Теоретичний вихід муліту 86%; інші 14% складають кремнезем, утворюючий аморфну речовину, котре при відповідних умовах може переходити в кремнеземисте скло чи кристалізуватись у кристобаліт. Дюмортиєріт 8Al2O3∙SiO2∙B2O3∙H2O – при випалі також переходить в муліт.

Мінерал	Істинна щільність до випалу в г∕см3	Збільшення об’єму в %	Температура початку кристалізації муліту °С
Кіаніт	3.5 – 3.6	16 – 18	1300 – 1350
Андалузіт	3.1 – 3.2	3 – 5	1350 - 1400
Силіманіт	3.2 – 3.25	7 – 8	1500 - 1550

       Усі мінерали силіманітової групи відрізняються своїми фізико-хімічними властивостями, у тому числі кристалічною будовою та щільністю. У результаті випалу продукт що утворився муліт + аморфна речовина має істинну щільність, меншу, за вихідний матеріал (не більше 3). Внаслідок цього матеріал що випалюється зменшується у розмірі. Характерні зміни мінералів силіманітової групи при випалі приведень в табл. 1.1

        Таблиця 1.1 - Властивості мінералів силіманітної групи

       Ісходною сировиною для виробництва муліто-кремнеземістих чи, як їх інколи звуть, силіманітових виробів є породи, солиманитової групи. Доцільність застосування цих порід для виробництва вогнетривких виробів визначається як змістом Al2O3 у збагаченому концентраті, так і кількістю і природою домішок що в них залишаються. Тому використання сировини того чи іншого родовища для виробництва високоглиноземістих вогнетривів залежить перш за все від ступеню його збагачення. Можливість збагачення визначається мінералогічною характеристикою породи: розміром та твердістю критсалівсиліманітових мінералів, їх обє’днанням з супутньою породою, характером останньої [2].

       Основною  породою, в котрій зустрічаються  мінерали силіманітової групи, є  кварцит. У ньому водночас є  ряд мінеральних домішок (в першу  чергу мусковіт та серицит), що  містять луг. При недостатньо  повному збагаченні концентраті  міститься значна кількість лугу, а також і інших плавнів, що зводить на не позитивну роль підвищеного змісту Al2O3. Добре збагаченні породи повинні містить у собі 60% Al2O3. Сума плавнів CaO, Mgo, Na2O, K2O, TiO2 та Fe2O3 не повинна перевищувати 2 – 3%. Складність повного збагачення мінералів силіманітової групи є основною причиною порівняно рідкісного застосування їх для виробництва високоглиноземістих вогнетривких виробів, не зважаючи на значні залежні цієї сировини. Однак техніко-економічна перевага використання природних видів сировини у виробництві високоглиноземістих виробів свідчать про необхідність розширювати добуток та вдосконалювати збагачення мінералів групи силіманіту.

       Технологія муліто-кремнеземістих виробів з мінералів силіманітової групи основується на зв’язуванні подрібненого збагаченого концентрату вогнетривкою глиною. Близить хімічної природи силіманіту та каолініту дозволяє широко використовувати у якості зв’язки вогнетривкі спікливі глини та каоліни. Однак введення глиняної зв’язки знижує зміст Al2O3 та підвищує кількість плавнів у вогнетриві. Для зв’язки здатні тільки найбільш чисті та багаті глиноземом глини. При пресуванні непластичних мас можна змінювати зв’язуючи глину тонкомолотим андалузитом, силіманітом чи сумішшю глинозему та глини, що близька за змістом до муліту.

       Більш об’ємні розширення кіаніту при випалі ускладнює безпосереднє використання його у сирому вигляді у якості основного компоненту маси. Тому кіанітовий концентрат рекомендується попередньо випалювати «на шамот» до температури його перекристалізації. Для цього кіаніт брикетують, тобто додатково додають зв’язуючи глину, що зменшує зміст Al2O3, але дозволяє отримати щільні та міцні зерна «шамоту» необхідної величини. Лінійне розширення андалузиту у 1 – 2% компенсує усадку, яка обумовлює спіканням породи та зв’язуючої глини. Сирець при цьому зазнає порівняно невеликі лінійні скорочення (2 – 3%). Одночасна кристалізація муліту при випалі сирцю з андалузиту (чи кіаніту) та глини сприяють більш щільному їх контакту, що підвищує температуру початку деформації виробів.

       Способи підготовки маси та пресування виробів на основі андалузиту, кіаніту чи силіманіту аналогічні відповідним операціям в технології багатошамотних виробів. Опіснюючим матеріалом є тонкомелений сирий концентрат андалузиту та силіманіту чи зерна спеченого (брикетованого) кіаніту. Мається дослід часткового використання і сирого кіаніту. Зв’язкою служить спікаюча вогнетривка глина з високим змістом Al2O3 (близько 40%), кількість котрої відповідає змісту її у багатошамотних масах, тобто 15%. Зерновий склад наповнювача також необхідно підбирати у відповідності з задачами максимального ущільнення сирцю, що нездійсненно при тонкодисперсному збагаченому концентраті. Вироби необхідно пресувати при високому тиску. Мається дослід пресування виробів без зв’язуючої глини. Вироби випалюють при підвищених температурах до 1500 °С, що необхідно для їх спікання та для повноти кристалізації муліту.

       Щільні «силіманітові» вироби характеризуються підвищеною шлакостійкістю; вдало використовували їх у якості пробок та стаканів для сталерозливних ковшів. Для підвищення їх термостійкості необхідно збільшувати розмір опіснюючих зерен подібно тому, як це роблять при виготовленні шамотних виробів. При цьому потрібно брикетування концентрату. Зміст глинозему у виробах залежить від ступеню збагачення породи та кількості зв’язуючої глини і коливатися у межах 50 – 70%. Загальна сума плавнів не повинна перевищувати 3%. Температура початку розм’ягшення таких виробів досягає 1500 – 1600 °С, 40% деформації в інтервалі 1650 – 1700 °С. Такими властивостями, наприклад, характеризуються вироби, виготовленні із збагачених концентратів дистенсиліманітових порід Самоткацького родовища. Збільшення змісту плавнів до 4 – 5% значно знижує температуру деформації (на 100 ºС і більше). Підвищення кількості муліту в андалузитових та кіанітових виробах покращує їх вогнетривкі властивості. Додавання до маси технічного глинозему для зв’язування вільного кремнезему, що звільняється при перетворенні глиняної речовини і силіманітових мінералів, збільшує кількість муліту у вогнетриві та зменшує зміст у ньому скловидної чи кристобалітної фази [3].

       Вироби на основі гідратів глинозему

       Гідрати  глинозему при нагріванні втрачають  хімічно зв’язану воду, перетворюючись  спочатку в ɣ -глинозем а потім в α -глинозем (корунд) згідно до схеми Al2O3∙3H2O→ Al2O3∙H2O→ɣ-Al2O3→αAl2O3. ɣ - та α - глинозем реагують з кремнеземом з супутньої породи чи із зв’язуючої глини, утворюючи муліт. З мас на основі гідратів глинозему в залежності від співвідношення Al2O3 та SiO2 отримують корундовиі, муліто-корундові та мулітові вогнетриви. При змісті Al2O3 менше 70% отримують муліто-кремнеземістий вогнетрив, займаючий проміжне положення між мулітовим та шамотнім (45 – 70% Al2O3)

       Змінами  об’ємів гідратів глинозему при  їх послідовних перетвореннях  відповідають і їх об’ємні скорочення. При переході в корунд це розрахункове об’ємне скорочення для гидрагиліту складає 60%, для беміту 33%, для ɣ - глинозему – 13%. Фактично об’ємні зміни при випалі керамічного виробу на основі цих мінералів зв’язани не тільки с перетворенням мінералів, але й з процесами спікання сирцю. Його усадка буде залежати від співвідношення істинної пористості сирого та випаленого виробу.

       Природні  гідрати глинозему – боксит  та діаспорові породи – звичайно засмічені мінеральними домішками, к котрим в першу чергу відносяться окиси та гідрати окисів заліза, каолініту, кварцу, кальциту та ін. В бокситі рідко міститься Fe2O нижче 2 – 3%, складаючи зазвичай більш 5%, що не дозволяє використовувати його для виробництва високоглиноземістих вогнетривких виробів. Мінералогічний склад бокситів вельми складний. В них можуть бути присутні усі різновиди гідратів глинозему. Родовищем, що містить порівняно чисті різновиди бокситу, багаті Al2O3 та не потребуючі складного збагачення, є Аркаликське. Зміст Al2O3 в найбільш багатих різновидах досягає тут 60 – 70% (на прокалену речовину) при сумі плавнів близько 2 – 3%. Вогнетривкість матеріалу з бокситів досягає 1900 ºС.