Курсовая работа: Шамотні вогнетриви для футеровки мартенівських печей
2Al2 O3 ·3SiО2 → 2(Al2 O3 ·SiО2 ) + SiО2
кремнієва шпінель псевдомуліт (2.4)
1100 – 1400ºС
3(Al2 O3 ·SiО2 ) → 3Al2 O3 ·2SiО2 + SiО2
псевдомуліт муліт кристобаліт (2.5)
Кремнезем, що звільнився перетворюється у кристобаліт. Утворення муліту йде у твердому середовищі. Біля зародка муліту виникає дворик кристалізації, у якому в міру утворення муліту зменшується вміст Al2 O3 і збільшується вміст SiО2 . Фаза, збіднена глиноземом, дифузійним або капілярним шляхом відділяється від кристалика муліту і в остаточному підсумку зосереджує на поверхні зерен і пор, тобто переходить у зв'язування. Така диференціація SiО2 і Al2 O3 є природною властивістю вогнетривких глин і каолінів і залежить від структури глинистої речовини, кількості й сполуки домішок.
З діаграми Al2 O3 −SiO2 витікає, що для глинистих вогнетривів з підвищеним вмістом Al2 O3 кількість рідкої фази при одній і тій же температурі зменшується, тому якість алюмосилікатних вогнетривів із збільшенням вмісту в них глинозему повинна також безперервно підвищуватися. Проте на практиці це не підтверджується. За наявності третього компоненту, наприклад CaO або Na2 O, як це витікає з потрійних діаграм стану CaO - Al2 O3 −SiO2 і Na2 O- Al2 O3 −SiO2 оксид алюмінію поводиться по-різному. Збільшення вмісту Al2 O3 підвищує в'язкість розплаву до певної межі, рівної еквівалентній кількості Al2 O3 і CaO (Na2 O). Так, у системі, CaO - Al2 O3 −SiO2 вогнетриви з вмістом 35−38% Al2 O3 утворюють з металургійним шлаком менш в'язкий розплав і в більшій кількості, чим вогнетриви, що містять 15 і 45 %. Al2 O3. Такий вплив Al2 O3 на в'язкість пояснюється наступним: в основному середовищі катіон Al+3 знаходиться в шестерній координації, а в кислій − у четверній і, отже, розплав утворюється менш в'язкий. Тому слід вважати стійкішими вогнетриви такі, у яких вміст Al2 O3 45 %, або 15−20 %.
Муліт і склофаза у шамотних виробах залежно від властивостей вихідної сировини, температури і тривалості випалу по-різному розподіляються в просторі:в деяких випадках склофаза більш менш рівномірно розподілена, в інших випадках−скупчується у крупних порах.
Велику стійкість мають вироби з рівномірно розподіленим склом. Скупчення скла в крупних порах сприяє вимиванню шамотних зерен розплавами. Підвищення температури випалення супроводжується збільшенням і перерозподілом рідкої фази, внаслідок чого змінюється характер гетерогенності.
Підвищення кількості склофази при тонкопористій структурі обумовлює утворення тонких тріщин. З цієї точки зору необхідно, аби у виробах була менша кількість склофази або склофаза представляла собою термостійке (з малим коефіцієнтом термічного розширення) скло висококремнеземистого складу [4].
Зміна хімічного складу алюмосилікатних виробів відповідає зміні їх фазового складу, який зрештою зумовлює вогнетривкі властивості виробів. Діаграма стану рівноваги двокомпонентної системи Al2 O3 −SiO2 дає уявлення про цю зміну фазового складу вогнетривких виробів і їх властивостей. Згідно цій діаграмі, мулліт плавиться конгруентно при 1910±20ºС і дає з корундом евтектику, що містить біля 79% Al2 O3 і 21% SiO2 з температурою плавлення 1850±20ºС.
Відповідно до сучасних уявлень про цю діаграму муліт і дві його евтектики з SiO2 і Al2 O3 плавляться при вищих температурах. Муліт в області складів 71,8−78% Al2 O3 дає з корундом тверді розчини. Проте за уявленням деяких зарубіжних дослідників в цій області виникає мулітоподібний мінерал складу 2Al2 O3 ·3SiO2 (Al2 O3 −77,2%;SiO2 −22,8%).
Ця діаграма показує, що для складів, що містять від 5,5 до 72 % Al2 O3 , одною твердою фазою, стійкою при досить високих температурах (до 1910º),являєтся муліт−3Al2 O3 ·2SiO2 (71,8%Al2 O3 и 28,2% SiO2 ). Кількість муліту залежить від того, наскільки вміст Al2 O3 в вогнетриві наближається до 72% (мається на увазі, що при звичайній сумі плавнів в межах до 2−5% іншим оксидом є SiO2 ). При високих температурах, окрім муліту, утворюється та або інша кількість рідкої фази, до складу якої, окрім кремнезему, входить і велика частина плавнів. У цій розплав входить також в невеликій кількості і глинозем. Співвідношення Al2 O3 и SiO2 у цій рідині підвищується в відповідності із співвідношенням цих оксидів у вихідному складі вогнетриву.
У першому наближенні можна вважати, що кількість твердої фази в алюмосилікатних вогнетривах залежить від вмісту Al2 O3 . У рідку фазу входить надлишковий кремнезем, що залишається після кристалізації прожареного каолініту в муліт, і останні оксиди-плавні.У випадку відсутності плавнів розплав, тобто легкоплавка евтектика, системи 3Al2 O3 ·2SiO2 виникає при температурі біля 1585ºC. Евтектика містить 5,5% Al2 O3 і 94,5% SiO2 . Таким чином SiO2 по відношенню до Al2 O3 (вірніше, муліту) при температурах вище 1545ºС стає плавнем, який створюює рідину і цим знижує вогнетривкі властивості виробу. Присутність тієї або іншої кількості плавнів відповідно знижує температуру виникнення розплаву. При цьому має значення і хімічний склад плавнів. Проте за наявності 5−6 оксидів, зазвичай присутніх у вихідній сировині (Fe2 O3 , TiO2 , CaO, MgO, Na2 O, K2 O),і загальної їх суми в 2−5% невелике переважання того або іншого оксиду не робить помітного впливу. Важливим чинником є в'язкість розплаву, оскільки вогнетривкі властивості виробу залежать не лише від температури утворення розплаву і його кількості, але також і від його в'язкості при даній температурі.
Вигин ліній ліквідуса одночасно характеризує зміну кількості розплаву в вогнетриві з підвищенням температури його розігрівання. Так, в межах від 1550 до 1700ºС кількість рідини в матеріалі, що містить 46% Al2 O3 і 54% SiO2 , змінюється від 38,5 до 44−45%; при 1775ºС воно досягає 72%. Це обумовлюється порівняно крутим підйомом ділянки лінії ліквідуса в межах від 1545 до 1700ºС і пологим його підйомом при вищих температурах в межах 1750−1850º.
Інакше характеризуються фазові зміни в вогнетриві при вмісті в ньому Al2 O3 вище 72%. Стійкими твердими фазами є муліт і корунд. В області складів, що містять 72−78% Al2 O3 , муліт утворює твердий розчин з корундом. Рідка фаза виникає лише при температурі 1850ºС у момент плавлення евтектичної суміші, що містить 79% Al2 O3 і 21% SiO2 . Таким чином, вогнетривкий матеріал з вмістом Al2 O3 72% і більше повинен мати високі температури розм'якшення. Проте зазвичай присутні в таких матеріалах плавні в кількості біля 2−3% знижують температуру виникнення рідкої фази і збільшують її кількість. Це служить причиною зниження температури початку розм'якшення мулітовміщуючих вогнетривів до 1620−1650ºС [6,8].
Розгляд діаграми стану рівноваги системи Al2 O3 −SiO2 наводить до висновку, що по мірі підвищення вмісту Al2 O3 у алюмосилікатних вогнетривах їх вогнетривкість і температура розм'якшення зростатимуть. Проте, як вже наголошувалося, ці властивості алюмосилікатних вогнетривів залежать не лише від кількості Al2 O3 −SiO2 , але і від загальної суми плавнів і частково від їх хімічної природи.
3. Особливості технології виробництва шамотних вогнетривів для футеровки мартенівських печей
3.1 Характеристика сировинних матеріалів
Для виробництва шамотних вогнетривів в якості сировини використовують глини та каоліни.
Вогнетривкими глинами називають землисті уламкові гірські породи осадового походження, які складаються з високодисперсних гідроалюмосилікатів. Залежно від значення вогнетривкості глини класифікуються на: вогнетривкі, що плавляться від 15800 С и вище; тугоплавкі, що плавляться від 15800 С до 13500 С; легкоплавкі, що плавляться нижче 13500 С. За вмістом глинозему глини підрозділяються на високоосновні (вміст Al2 O3 – більш 40%); основні (вміст Al2 O3 – 30- 40%); напівкислі (вміст Al2 O3 – 30-15%); кислі (вміст Al2 O3 – менш 15%).[1,3]
По пластичності глини підрозділяються на високопластичні, середньопластичні, малопластичні і непластичні.
За мінералогічним складом глини класифікуються на мономінеральні і поліменеральні. До мономінеральних глин відносяться глини, що переважно складаються з одного мінералу. Характерними представниками мономінеральних глин є каолінітові, монтморилонітові і гідрослюдисті.
Основними мінералами групи каолінітових глин є каолініт (Al2 O3 ·2SiO2 ·2H2 O), галуазит (Al2 O3 ·2SiO2 ·4H2 O). Ці глини мають міцну, нерухому кристалічну гратку та низьку пластичність.
Монтморилонітові глини містять основний мінерал монтморилоніт (Al2 O3 ·4SiO2 ·nH2 O), мають рухому кристалічну гратку і характеризуються високою пластичністю.
До групи гідрослюдистих глин відносять породи, які характеризуються проміжними властивостями. У цих глинах, крім гідрослюд і уламкової пелитової частини (фр. менш 0,01 мм), у вигляді домішок часто присутні монтморилоніт, каолініт, а також уламкові зерна кварцу, польових шпатів, слюд. У більшості ці глин не ставляться до вогнетривких [2 - 5].
За мінералогічним складом глини є полімінеральними породами. До полімінеральних глин відносяться породи, у яких найбільш істотну роль грають такі мінерали, як каолініт, галуазит, монотерміт. Залежно від того який мінерал переважно присутній у вогнетривких глинах вони підрозділяються на каолінитові, гідрослюдисто-монотермітові і гидраргилітові. Найбільше поширення мають каолінитові глини. Глини з високим вмістом глинозему є каолінітовими і високоспікливими, а глини гідрослюдисті з високим вмістом лугів - монотермітовими і низькоспікливими.
Хімічний склад глин характеризується вмістом наступних оксидів Al2 O3 , SiO2 , Fe2 O3 , TiO2 , CaO, MgO, K2 O, Na2 O, а також втратами при прожарюванні. Глинозем Al2 O3 міститься в основних глинистих мінералах до яких відносять каолініт (Al2 O3 ·2SiO2 ·2H2 O), монтморилоніт (Al2 O3 ·4SiO2 ·nH2 O), монотерміт (0,2Ме2 ηAl2 O3 ·3SiO2 ·1,5H2 O, где Ме – K, Na). SiО2 є присутнім в основних глинистих мінералах, а також у вигляді вільного кремнезему (кварцового піску) і колоїдного кремнезему.
Загальний вміст лужних оксидів K2 O і Na2 O у глинах досягає 0, 5-3,5 %. Ці оксиди привносяться в глини присутніми в ній домішками слюд, польових шпатів. Оксиди кальцію і магнію містяться в гідрослюдах и карбонатах, гіпсі.