Введение к работе
Актуальность работы. Усиление роли экономических факторов в промышленном производстве предполагает радикальное снижение энергетических и тепловых потерь, эффективное использование материальных, сырьевых и других ресурсов. Производство и рациональное использование эффективных высокотемпературных теплоизоляционных материалов (ВТИМ) позволяет снизить материалоемкость конструкций тепловых агрегатов, непроизводительные теплопотери в окружающую среду и общий расход топлива.
Применяемые в промышленности способы придания материалам пористой структуры: введение выгорающих добавок, пенообразование, химическое порообразование, не обеспечивают требуемого сочетания свойств: высокой прочности при низкой плотности и теплопроводности (^=0,2+0,6 Вт/(м-К), у=0,25+1,2 г/см3, оСА=2-ь6 МПа). Волокнистые теплоизоляционные материалы при низкой плотности и теплопроводности (у=260+400 кг/м3, Х=0,\5+0,30 Вт/(мхК)) имеют низкую прочность, склонность к кристаллизации при высокой температуре, неустойчивы при термоциклировании.
Введение в массу компонентов с собственной высокой пористостью весьма эффективно для снижения кажущейся плотности и обеспечивает: упрощение процесса формования (отсутствие сложных предварительных операций по стабилизации пены, подбору реагентов при химическое порообразовании) и обжига изделий (не требуют длительной выдержки и контроля для обеспечения полного сгорания добавки до начала упрочнения изделия в обжиге), отсутствие вредных выделений при сгорании добавки. Для формообразования изделий используется способ пластического прессования или экструзии из-за опасности разрушения легкого заполнителя.
Низкие плотность (80-120 кг/м3) и теплопроводность(0,04-0,12 ВтДмхК)), а также высокая температура плавления (1240-1430 С), способность его поверхности отражать тепловое излучение характеризует вспученный вермикулит как перспективный материал для использования в качестве заполнителя при изготовлении ВТИМ. Высокая термическая стойкость, обусловленная компенсированием частицами вермикулита температурных напряжений при нагреве, дает возможность успешно применять такие материалы в футеровках тепловых агрегатов с переменным тепловым режимом. Известны работы по получению вер-микулитовых ВТИМ на глинистом связующем, состоящих из: вспученного вермикулита (легкий заполнитель), огнеупорной или тугоплавкой глины, возможно с добавками трепела, диатомита (связка) и непластичного огнеупорного материала: шамот, чядчячитпи^й рпрошок. корун-
| ^С. НАЦИОНАЛЬНА*!
І 6ИБЛИОТЕКА |
довые отходы (огнеупорный заполнитель), однако до сих пор не решены проблемы вещественного состава связки и огнеупорного наполнителя, а также эффективного способа изготовления теплоизоляционных изделий с использованием вспученного вермикулита. Цель работы. Разработка составов и технологии изготовления интегрированных теплоизоляционных огнеупорных материалов (ИТОМ) с теп-лофизическими свойствами, приближенными к волокнистой теплоизоляции, и термомеханическими свойствами, превосходящими её. Для достижения поставленной цели:
Изучены физико-технические свойства и разработаны составы связующей композиции на основе огнеупорных глин с пластифицирующими добавками;
Изучены фазовый состав ИТОМ с использованием вспученного вермикулит со связующим и огнеупорными заполнителями, физико-химические процессы при термообработке и повторном нагреве:
Разработаны составы и способы производства интегрированного ИТОМ с применением вспученного вермикулита с минеральным связующим и огнеупорными заполнителями;
Исследованы физико-химические и термо-механические свойства разработанных материалов;
Разработана нормативно-техническая документация на новый вид ИТОМ;
Осуществлены выпуск установочных партий ИТОМ и проведена их технико-экономическая оценка.
Научная новизна. Разработаны составы и установлены основные параметры технологии производства интегрированных теплоизоляционных огнеупорных материалов (ИТОМ) со вспученным вермикулитом в качестве легковесного пористого заполнителя.
Установлено, что формирование фазового состава материалов соответствует кристаллизации фаз кордиерита, муллита, энстатита, кремнезема в выбранных точках трехкомпонентной системы MgO-AbCV Si02.
Разработаны принципы формирования микропористой 0,5-10,0 мкм ячеистой микроструктуры с пористостью 62-82 % с высоким сопротивлением деформации (температура начала размягчения выше 1100 С) и проведения тепла, повышенным объёмопостоянством и термостойкостью.
Определены физико-технические свойства ИТОМ, влияние на них вещественного состава, а также наиболее перспективные направлениями использования этих материалов.
Практическая ценность. Применительно к условиям ОАО «БКО» с разработаны составы и способ производства высокоэффективных ИТОМ с использованием вермикулита со средней плотностью от 400 до 1000 кг/м3. При применении разработанных пластифицирующих добавок к огнеупорной глине в три раза снижена влажность пластичной массы, обеспечено получение теплоизоляционных изделий точных формы и размеров, в т.ч. болыпемерных, с низкой кажущейся плотностью и относительно высокой прочностью с рабочей температурой до 1100С взамен легковесных огнеупоров ПШ-0,4 (ШТЛ-0,6) и ИТОМ на основе огнеупорных волокон.
Составы и способы изготовления теплоизоляционных изделий защищены патентами Российской Федерации (Патенты РФ № 2154042, 2155735, а также положительным решением на выдачу патента по заявке № 2004104315/03(004472) от 04.02.2004).
Реализация работы в промышленности. По результатам работы в цехе № 4 ОАО «БКО» спроектирована опытная технологическая линия и выпущена опытная партия изделий ИТОМ-440 с кажущейся плотностью 440 кг/м3 для испытаний в ООО «Инженерно-технологический центр» (г. Красноярск) компании «Русал» для определения перспективы использования в качестве теплоизоляции катодной части электролизера по получению первичного алюминия.
На защиту выносятся: Обоснование способа производства и составов высокоэффективных теплоизоляционных материалов на основе вермикулита (ИТОМ).
Сущность фазовых преобразований при обжиге изделий ИТОМ и условиях, приближенных к их службе.
Результаты исследований физико-химических, термо-
механических и теплофизических свойств ИТОМ.
Наиболее перспективные направления использования ИТОМ в соответствии с высоким уровнем показателей функциональных свойств. Достоверность результатов подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными с использованием современных методов физико-химического анализа, хорошей сходимостью данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на следующих конференциях: международной конференции «Неделя химических технологий в Санкт-Петербурге» (С.-Петербург, 28-31 октября 2002 г.); I и II Международной конференции «Технологии, сырье и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых огнеупоров в черной и цветной металлургии» (Москва, 22 мая 2003 г. и 15-16 апреля 2004 г.); II и Ш Международной конференции «Огне-
упоры для алюминиевой промышленности» (Новокузнецк, 25-27 мая 2003 г. и 27-29 мая 2004 г.).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 5 статей, тезисы 4-х докладов, 2 патента РФ на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 138 страницах и состоит из введения, семи глав и основных выводов, содержит 46 рисунков, 22 таблицы и 3 приложения. Список литературы насчитывает 123 источника.
