Введение к работе
Актуальность диссертационной работы
Современный уровень развития печестроения позволяет использовать товые способы нагрева и вариантные условия обжига керамических изделий. Фурнитура таких печей должна отвечать разнообразным требованиям, зажнейшим из которых является высокая оборачиваемость, обусловленная, в :вою очередь, высокой термостойкостью. В качестве основы для получения зысокопрочной термостойкой фурнитуры целесообразно использовать корунд и алюмомагнезиальную шпинель, так как они совместимы с зольшинством обжигаемых материалов, высокоогнеупорны и прочны, но вследствие высоких КТР недостаточно термостойки. Для повышения термостойкости таких огнеупоров целесообразно использовать материалы та основе фаз системы MgO - AI2O3 - S1O2 - ТіОг, в которой представляет интерес треугольник шпинель - титанат алюминия - муллит, образованный гремя огнеупорными фазами. Использование титаната алюминия перспективно, поскольку он имеет высокую температуру плавления, весьма низкий КТР, отрицательный в широком диапазоне температур. Добавление муллита также положительно сказывается на термостойкости материала, поскольку, муллит образует столбчатые и игольчатые структуры, способствующие повышению термостойкости.
Трудности, возникающие при спекании титаната алюминия вследствие анизотропии его свойств и склонности к микрорастрескиванию, можно преодолеть, используя эвтектические композиции, которые в силу их уникальной текстуры являются природно армированными материалами, что способствует увеличению их термостойкости и прочности. Также эвтектические композиции улучшают спекание материала, лишь незначительно понижая его огнеупорные свойства. Для получения термостойких материалов с плавленым зернистым заполнителем, предназначенных для службы при умеренных температурах (до 1350 С),
представляет интерес использование в качестве тонкомолотой связки композиций корунд - алюмосиликаты лития, позволяющей обеспечить сплошность изделий за счет улучшения припекания связки к зерну. В связи с вышеизложенным, изучение системы MgO - AI2O3 - Si02 - ТІО2 и обоснование технологии получения прочных термостойких материалов на основе корунда и шпинели с привлечением фаз, характеризующихся низкими коэффициентами термического расширения, является актуальным.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно -исследовательских работ Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации по направлению «Разработка способов и технологии получения новых материалов на основе силикатов и тугоплавких неорганических материалов».
Цель диссертационной работы
Разработка эффективной научно обоснованной технологии прочных
термостойких материалов на основе корундо - шпинельных огнеупоров с
использованием фаз, характеризующихся низкими значениями
коэффициентов термического расширения.
В соответствии с поставленной .целью проведено моделирование механических и термомеханических напряжений в композиционных материалах с неизометрическими включениями, теоретическое и. экспериментальное исследование свойств материалов, определяющих их термостойкость, таких, как прочность, упругость, коэффициенты термического расширения; исследование фазовых преобразований при плавлении в двойных и тройных системах, включающих титанат алюминия, шпинель и муллит; изучены спекаемость и свойства материалов на основе фаз системы MgAl204 - А12ТЇ05 - Al6Si2013; исследована припекаемость тонкомолотой связки к поверхности малоактивного зерна в композициях с использованием алюмосиликатов лития и сферического корундового заполнителя. На основании выполненных исследований дано обоснование
основных параметров технологии термостойких изделий, например, фурнитуры печей обжига с рабочими температурами 1400 - 1600 С.
Научная новизна работы
Разработана свободная от модельных ограничений методика расчета макроскопических модулей упругости композиций, содержащих неизометрические включения, в том числе и эвтектических, с использованием метода конечных элементов.
Определены термические напряжения второго рода при равномерном прогреве модельной ячейки для таких композиций и даны рекомендации по выбору армирующего компонента.
Установлен эвтектический характер плавления композиций, включающих шпинель, титанат алюминия и муллит.
Определены температуры и составы эвтектик в разрезе MgAl204 -АІ2ТІО5 - АІбБігОв системы MgO - AI2O3 - Si02 - Т1О2. Подтвержден эвтектический характер инвариантной точки на стыке полей кристаллизации корунда, шпинели и муллита в системе MgO - AI2O3 - Si02.
Изучена смачиваемость поверхности плавленого корунда литииалюмосиликатными расплавами и установлено, что расплав эвкриптита смачивает и пропитывает образцы.
Практическая ценность работы
Установлено, что прочность композиций на основе шпинели, титаната алюминия и муллита, армированных стержнями, в значительной степени определяется адгезией на границе стержень - матрица.
Выявлено положение эвтектик в разрезе MgAl204 - АІ2ТІО5 - Al6Si20i3 системы MgO - AI2O3 - Si02 - Т1О2.
Обоснована предпочтительность эвкриптита по сравнению со сподуменом при использовании их в сочетании с корундом.
Осуществлено обоснование технологии термостойких огнеупоров с использованием сферического корундового заполнителя и фаз с низким
коэффициентом термического расширения. Достигнутый уровень свойств свидетельствует о перспективности промышленного освоения фурнитуры для выполнения тепловых модулей высокотемпературных технологий.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены на VII Международной конференции «Высокотемпературная химия силикатов и оксидов», СПб, 1998; на научно - технической конференции аспирантов СпбТИ(ТУ), посвященной памяти М.М. Сычева, -СПб, 1997; на семинарах кафедры химической технологии высокотемпературных материалов СПбГТИ(ТУ) (1996-2000 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 2 статьи, 2 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации
