Курсовая работа: Шамотні вогнетриви для футеровки мартенівських печей
Система Al2 O3 −SiO2 вперше була детально вивчена Н. Боуеном і Д. Грейгом, по даним яких у системі існує тільки одно бінарне з'єднання – муліт, склад якого відповідає формулі 3Al2 O3 ·SiO2. По Н. Боуеном і Д. Грейгу муліт плавиться конгруентно при 1810ºС, розкладаючись на корунд 
Al2 O3 та рідину складу приблизно 45% (мас.) SiO2 та 55% (мас.) Al2 O3.
Більш пізніше дослідження, проведені радянськими ученими Н. А. Тороповим і Ф. Я. Галаховим, дозволили внести істотні зміни до діаграми стану системи Al2 O3 −SiO2 . Перш за все було показано, що виділення корунду при плавленні муліту (тобто його інконгруентне плавлення) спостерігається лише в тих випадках, коли не приймається заходів проти випаровування кремнезему при високих температурах з розплаву мулітового складу. В умовах же, коли розплави оберігаються від можливого часткового випаровування кремнезему, муліт плавиться не розкладаючись, тобто характеризується конгруентнім плавленням. Крім того, було виявлено, що муліт утворює з корундом тверді розчини і визначена область їх існування [8].
Діаграма стану системи Al2 O3 −SiO2 по Н. А. Торопову і Ф. Я. Галахову приведена на рисунку 2.1
Рисунок 2.1 - Діаграма стану системи Al2 O3 −SiO2
Згідно діаграмі Al2 O3 −SiO2 єдиною твердою фазою в напівкислих, шамотних і каолінових вогнетривах є муліт 3Al2 O3 ·2SiO2 , який утворюється при температурі 1100 ºC за реакцією
3[Al2 O3 ∙SiO2 ]→3Al2 O3 ∙SiO2 +4SiO2 (2.1)
Мулліт містить 72% Al2 O3 і 28% SiО2 , кристалізується в ромбічній сингонії, габітус кристалів – голки, призми, волокна; щільність 3,03г/см3 ; твердість по Моосу 6,. температура плавлення 1910ºС.
Із зростанням температури кількість мулліту безперервно збільшується і досягає максимуму при 1250−1350ºС. Витримка при температурах вище 1200ºС не впливає на збільшення виходу мулліту, але сприяє зростанню його кристалів [7,8].
У рівноважному стані з твердою фазою при температурах вище 1595ºС знаходиться певна кількість рідкої фази. Нижня температура появи розплаву в системі 3Al2 O3 ·SiO2 складає 1595ºС. Евтектіка при цій температурі містить 5,5% 3Al2 O3 і 94,5% 2 SiO2 .
Присутні в глинах домішки знижують температуру появи розплаву, при цьому хімічний склад природних домішок при загальній їх кількості в межах 2−5% не має великого значення.
Співвідношення твердої і рідкої фаз в системі Al2 O3 −SiO2 може бути визначено за правилом важеля.
У реальних полікомпонентних системах і при більшому вмісті інших компонентів співвідношення Al2 O3 :SiO2 менш різко впливає на збільшення рідкої фази.
Розгляд діаграми рівноваги системи Al2 O3 −SiO2 наводить до висновку про те, що у міру підвищення вмісту Al2 O3 у алюмосилікатних вогнетривах їх вогнетривкість і температура початку розм'якшення зростатимуть. Проте ці властивості алюмосилікатних вогнетривів залежать не лише від кількості Al2 O3, але і від суми плавнів і частково від їх хімічної природи. Важливим чинником є в'язкість розплаву, що утворюється при нагріванні.
У реальних полікомпонентних системах рівновага не завжди досягається. Так, вогнетривкість і наростання кількості рідкої фази в напівкислих виробах залежать від величини зерен кварцу.
Кварц, що є домішкою вогнетривких глин і каолінів, при високих температурах частково переходить у склоподібну фазу, частково в кристобаліт і частково залишається в непереродженому виді, тому що Al2 O3 істотно сповільнює переродження. Окремі кристали муліта не утворюють між собою прямого зв'язку [4].
При випалі глин і каолінів у них одночасно з мулітом і кристобалітом утвориться аморфна частина і рідка фаза (після охолодження – склофаза). Рідка фаза в непластичному матеріалі може частково розподілятися в залежності від температури випалу – вона виходить на поверхню пор або часток.
Причиною утворення склофази є те, що в природних глинах крім каолініту звичайно присутні й інші мінерали. Найбільше часто: кварц, слюда, пірит, оксиди заліза, кальцит, доломіт, гіпс, анатаз і ін. Розплави домішок містять іони Na+ , K+ , Ca2+ і Mg2+ , що у реакціях з SiО2 уже при 1000ºС утворять в’язку рідину, що не кристалізується при охолодженні і твердіє у вигляді скла.
Характерний склад склоподібної фази наступний, мас. %: Si2 – 80; Al2 O3 – 10-17,7; Fe2 O3 – 0,7-2,6; Ti2 – 1,1-3,2; Ca – 0,4-1,7; Mg – 0,4-0,9; K2 O+Na2 O – 1,3-5,4 [1].
При випалі шамотних брикетів, які містять глину в них будуть протікати наступні перетворення.
В інтервалі 450 – 6000 С з каолініту – основного мінералу глин і каолинів видаляється хімічно зв'язана вода внаслідок розкладання каолініту за реакцією
 |
Al2 O3 ·2SiО2 ·2Н2 О [Al2 O3 ·2SiО2 ] + 2Н2 О
каолініт метакаолініт (2.2)
Реакція йде з поглинанням тепла (ендотермічний ефект). [Al2 O3 ·2SiО2 ] – метаколініт є аморфный продукт, який представляє не механічну, а більш тісну суміш глинозему і кремнезему с взаємним проникненням компонентів і частковим зберіганням структури каолінітової гратки [3 - 7].
Глинисті матеріали, які позбавлені хімічно зв'язані води, втрачають пластичність. При температурах 400 - 10000 С відбувається дисоціація карбонатів, окислювання сульфідів і вигоряння органічних домішок; у результаті спостерігається втрата у вазі й, незважаючи на деяку усадку, збільшення пористості. При температурах 800 – 10000 С починається інтенсивне спікання глин, що супроводжується зменшенням пористості й збільшенням міцності.
При подальшому підвищенні температури протікають реакції утворення муліту
~925ºС
2(Al2 O3 ·2SiО2 ) → 2Al2 O3 ·3SiО2 + SiО2
метакаолінит кремнієва шпінель (2.3)