РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ НОВЫХ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ОГНЕУПОРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
К.т.н. Р.Д.Капустин (ИСМАН), д.т.н. Е.С.Мойзис, к.т.н. М.А.Илюхин (ЗАО НПКФ "МаВР").
В данной статье нами исследованы огнеупорные керамические материалы разработанные ЗАО НПКФ «МаВР», на основе алюмосиликатных материалов (АС-материалов). На экспериментальных образцах были проведены исследования физико-механических свойств и огнеупорности АС-материалов различного состава. По результатам экспериментов определены прочностные свойства и огнеупорность исследуемых материалов, что позволило выявить материалы с повышенными эксплуатационными свойствами.
1. Введение
В настоящее время существуют следующие основные мировые тенденции в производстве огнеупорных материалов:
- повышение требований к качеству и стойкости материалов;
- применение особо чистого и синтетического сырья;
- увеличение доли безобжиговых неформованных огнеупоров в общем объёме производства (до 50% от всего объёма выпуска огнеупоров и более), снижающих трудоёмкость работ и удешевляющих ремонт;
- разработка новых материалов и технологий их производства для увеличения срока службы тепловых агрегатов и удешевления ремонтных работ;
В последние годы ЗАО НПКФ «МаВР» разработаны и применяются в машиностроении и металлургии огнеупорные алюмосиликатные СВС-материалы и изделия на их основе. Производятся сухие технологические смеси для изготовления огнеупорных и теплоизоляционных, в том числе ячеистых, бетонов, а также кладочных растворов и покрытий, которые применяются при футеровке тепловых агрегатов стандартными (шамотными или полукислыми) огнеупорами.
Настоящая статья посвящена исследованиям физико-механических свойств и огнеупорности новых модификаций огнеупорных материалов с улучшенными физико-химическими, механическими и эксплуатационными характеристиками.
Цель работы – на основании экспериментальных исследований определить свойства новых огнеупорных материалов и выявить наиболее перспективные из них для изготовления изделий, подвергаемых прямому воздействию сверхвысоких температур, факелов горелок и.т.п.
Получение огнеупоров с более высокими характеристиками и большей температурой применения позволит существенно повысить стойкость таких проблемных элементов печей, как горелочные камни, дефлектора, балки.
2. Экспериментальные исследования
Методика экспериментов предусматривала изготовление образцов из огнеупорных керамических материалов, их обжиг до Т=1600ºС с последующим исследованием их физико-механических характеристик и изменений структуры;
Для испытания были изготовлены серии образцов 6 различных модификаций огнеупорных алюмосиликатных бетонов, которые отличались между собой плотностью и составом. Физические характеристики подготовленных образцов представлены в таблице 1. Образцы №1,4,6 представляли собой корундовые бетоны, а образцы №2,3,5 – корундово-шпинельные. В составе образцов №4, №5, №6 использовался корунд вторичной переработки Для всех образцов была проведена естественная сушка при комнатной температуре в течение не менее 72 часов.
Таблица 1 - Номенклатура образцов, подготовленных для испытаний
№ образца |
Форма и размеры, мм; Sосн, мм2 |
Марка, состав |
Масса, гр |
1 |
Куб (100×100×100) Sосн= 10000 |
ВБФ 1700К |
2360 |
2 |
Куб (100×100×100) Sосн= 10000 |
КП-5 |
2290 |
3 |
Куб (100×100×100) Sосн= 10000 |
КП-10 |
2550 |
4 |
Куб (100×100×100) Sосн= 10000 |
ВБФ 1700Ч |
1740 |
5 |
Куб (100×100×100) Sосн= 10000 |
ВБФ 1700 кп5 |
2170 |
6 |
Куб (100×100×100) Sосн= 10000 |
Бел ВБФ 1700Ч |
1950 |
Серии образцов были разделены на две части. Первые части были подвергнуты прочностным испытаниям на универсальной испытательной установке «Инстрон – 1195» (прочность на сжатие) для оценки прочностных свойств различных составов бетона. Вторая половина образцов была подвергнута термообработке по схеме, отраженной на рисунке 1
Рисунок 1 – Температурные режимы нагрева образцов
3. Обсуждение результатов
Результаты прочностных испытаний, не подвергнутых термообработке образцов отражены в таблице 2.
Таблица 2
Номер образца |
Плотность образца, г/см^3 |
Номер испытания |
Максимальное усилие, кг |
Максимальное напряжение, МПа |
Среднее максимальное нап-ние, МПа |
1 |
2,295 |
1 |
10000 |
40 |
37,4 |
2 |
Трещина – 3210, разрушение – 8700 |
12,8/34,8 |
|||
2 |
2,472 |
1 |
7800 |
31,2 |
31,8 |
2 |
8100 |
32,4 |
|||
3 |
2,460 |
1 |
7100 |
28,4 |
28,6 |
2 |
7200 |
28,8 |
|||
4 |
1,830 |
1 |
5900 |
23,6 |
22,2 |
2 |
5200 |
20,8 |
|||
5 |
2,123 |
1 |
6800 |
27,2 |
25,2 |
2 |
5800 |
23,2 |
|||
6 |
2,011 |
1 |
8350 |
33,4 |
29,3 |
2 |
6300 |
25,2 |
В результате термообработки произошло расплавление образцов №4, №5 и №6 (рисунок 2). Визуальный осмотр показал изменение цвета образцов с изначального бело-голубого. Окраска образцов №1 приняла розоватый оттенок, образцы №2 и №3 приобрели рыжую окраску.
Рисунок 2 – Фотография образцов до и после термообработки при 1600ºС
Измерения линейных размеров образцов показало, что огнеупорные материалы, прошедшие термообработку претерпели уменьшение размеров – термическую усадку. Информация для анализа величины усадки дана в таблице 3.
Таблица 3 – Размер образцов до и после термообработки при 1600ºС
Номер образца |
Средний размерный параметр до обжига, мм |
Средний размерный параметр после обжига, мм |
Усадка, % |
1 |
100,6 |
92,5 |
8,1 |
2 |
98,8 |
93,2 |
5,7 |
3 |
100,4 |
95,6 |
4,8 |
Образцы №3 претерпели наименьшую термическую усадку в результате высокотемпературной термообработки, вследствие чего были отобраны для проведения дальнейших исследований и подвергнуты испытаниям прочностных свойств (прочность на сжатие) и рентгенофазовому анализу. Результаты прочностных испытаний (представлены в таблице 4.) показали, что после обжига прочность на сжатие увеличилась на 37 %. Кроме того отмечено значительное увеличение износостойкости и стойкости к механической обработке.
Таблица 4 – Результаты испытания на прочность обожженного образца №3
Плотность образца, г/см^3 |
Номер испытания |
Максимальное напряжение, МПа |
Среднее максимальное напряжение, МПа |
2,427 |
1 |
40 |
39,3 |
2 |
38,4 |
||
3 |
39,5 |
Рентгеноструктурный анализ экспериментальных образцов №3, проведённый после обжига на дифрактометре ДРОН–3М, показал, что после нагрева до 1600ºС структура состояла в основном из Al2O3(корунд) и SiO2 в виде кварца и образовавшегося под воздействием высоких температур тридимита. Наличием последнего обусловлено приобретение образцами оранжево-коричневой окраски. Результаты рентгеноструктурного анализа представлены на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 – Соединения в образцах №3 (КП-10) до термообработки
Рисунок 4 – Соединения в образцах №3 (КП-10) после термообработки в печи при 1600ºС
Выводы
1. В результате экспериментальных исследований образцов было установлено:
- образцы АС-материалов ЗАО НПКФ «МаВР» (ВБФ 1700К, КП-5 и КП-10 (№1, №2 и №3)) на основе Al2O3 (электрокорунд) способны работать при температурах не менее 1600 °С без оплавления и разрушения. При этом в результате воздействия высоких температур и синтеза новых соединений значительно увеличиваются их прочностные свойства и износостойкость.
- образцы №4, №5, №6, в составе которых использовался корунд вторичной переработки с большим количеством металлических включений, при температуре 1600 °С расплавились полностью или частично.
- линейные размеры образцов №1, №2, №3 после термообработки уменьшились на 5 - 8 % (произошла усадка образцов).
- Рентгеноструктурный анализ экспериментальных образцов №3 что после нагрева до 1600ºС под воздействием высоких температур образуется тридимит, вследствие чего образцы изменяют цвет с бело-голубого на оранжево-коричневый.
2. Результаты прочностных испытаний показали:
- прочность образцов №1, №2, №3 в среднем выше, чем прочность образцов №4, №5, №6, в которых использовался корунд вторичной переработки.
- Средняя прочность образцов составляет 29,1 МПа.
- По результатам испытаний образцов №3 после обжига было установлено, что прочность на сжатие увеличилась на 37 %. Кроме того отмечено значительное увеличение износостойкости и стойкости к механической обработке.
3. Поскольку огнеупорные бетоны ЗАО НПКФ «МаВР» являются неформованными, применяются по заливной технологии, имеют высокую рабочую температуру и не требуют ни вибро, ни прессового оборудования, то их применение высокоэффективно в таких проблемных элементах печей, как горелочные камни, дефлектора, балки и др. Данные огнеупорные бетоны могут применяться при горячих ремонтах на работающих тепловых агрегатах в качестве ремонтных составов.
Используемая литература
1. Владимиров В.С., Галаган А.П., Илюхин М.А., Карпухин И.А., Мойзис С.Е., Мойзис Е.С./ “Новые огнеупорные и теплоизоляционные материалы и технологии их производства”/ Научно-технический и производственный журнал “Новые огнеупоры”. №1., 2002. стр. 87-88.
2. “Процессы горения в химической технологии и металлургии”/ под. ред. Мержанова А.Г. – Черноголовка, 1975. – 290 с.
3. Первухин, Л.Б. Синтез муллитового покрытия при локальном нагреве [текст] / В.С. Владимиров, С.Е. Мойзис, Л.Б. Первухин, Р.Д. Капустин, И.В. Сайков// Научно-технический и производственный журнал “Новые огнеупоры” 2007. - №1 - С. 45-47.
4. Капустин, Р.Д. Синтез огнеупорного керамического муллитового покрытия при локальном нагреве [текст] / Р.Д. Капустин, Л.Б. Первухин, С.Е. Мойзис, В.С. Владимиров, // Физика и химия стекла. Том 34 2008. – , №4.- С. 622-630.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №14-08-00866 А
- Разработка и применение новых высокоэффективных конструкционных огнеупорных материалов