Введение к работе
Актуальность работы
В высокотемпературной технике и технологии важную роль играют изделия, противостоящие температурным ударам и температурным колебаниям различной интенсивности. К таким элементам конструкции можно отнести элементы литниковых систем, фурмы для продувки металлических расплавов, трубы для защиты металла от окисления, тигли, изложницы, разливочные желоба, чехлы термопар, детали агрегатов обжига и др. Долговечность службы таких деталей сказывается на стоимости продукции и надежности работы металлургических агрегатов. Одним из важнейших показателей, определяющих ресурс таких высокотемпературных материалов, является термостойкость. Поэтому актуальной остается проблема повышения термостойкости известных и изыскание новых термостойких высокотемпературных материалов.
В условиях значительных термонагружений, в том числе циклических термоударных воздействий, в наибольшей степени пригодными должны быть огнеупоры, микроструктура которых представлена сочетанием фаз, исключающим рост зерен, а слагающие фазы характеризуются низким интегральным термпературным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР).
Фазой, позволяющей резко повысить термостойкость высокотемпературных изделий, может являться титанат алюминия. Температура плавления титаната алюминия 1860 С, ТКЛР -0,44-10"6 С-1, он обладает высокой химической устойчивостью к действию кислых сред и силикатных расплавов. Однако применение титаната алюминия в чистом виде ограничено вследствие анизотропии термического расширения кристаллической решетки, приводящей к возникновению трещин при охлаждении и потере прочности. Длительная выдержка при температурах 750-1200 С приводит к распаду титаната алюминия на исходные компоненты, росту ТКЛР и потере прочности.
Указанные проблемы решают путем создания композиций титаната алюминия с фазами, препятствующими его разложению, в частности композиций титанат алюминия - муллит, титанат алюминия - титанат циркония и д.р.
Известно, что при термическом разложении минералов группы силлиманита муллит кристаллизуется в игольчатой форме. Муллит повышает прочность, армирует материал и препятствует распространению разрушающих трещин. Указанное обстоятельство благоприятно влияет на термостойкость высокоглиноземистых материалов. При разложении минералов группы силлиманита образуется свободный кремнезем, который не кристаллизуется, а остается в виде стекловидной фазы, обеспечивающей спекание.
Повышение термостойкости известных композиций с участием титаната алюминия и изыскание новых сочетаний фаз является актуальной проблемой.
Диссертационная работа выполнялась согласно аналитической ведомственной целевой программе «Роль научного потенциала высшей школы» (2006-2008 гг.) раздел 2.1 «Проведение фундаментальных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук» тема «Фазовые преобразования в системах тугоплавких оксидов и бескислородных соединений».
Цель работы
Целью диссертационного исследования является разработка новых композиций и материалов с использованием титаната алюминия с низким интегральным коэффициентом термического расширения, определение их возможных областей применения.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить фазообразование и построить диаграммы плавкости композиций титаната алюминия с минералами группы силлиманита, титанатом циркония.
Установить области составов композиций, обладающих значением ТКЛР, не превышающим Г10"6 С-1.
Осуществить синтез композиций титаната алюминия с минералами группы силлиманита, титанатом циркония, имеющих низкий интегральный ТКЛР.
Исследовать спекание, механические и теплофизические свойства композиционных материалов титанат алюминия - минералы группы силлиманита, титанат алюминия - титанат циркония.
Установить влияние состава и структуры композиции с титанатом алюминия на их термостойкость.
Исследовать взаимодействие разработанных материалов с расплавами черных и цветных металлов и сплавов.
Провести испытания в промышленных условиях разливки вторичного алюминия.
Научная новизна
Установлены температуры сосуществования фаз Al2TiO5, Al6Si2O13, ZrTiO4, выбранных для разработки высокотемпературных термостойких композиций.
Установлено, что для получения стабильных, с высокими значениями показателей физико-технических свойств, материалов на основе титаната алюминия, необходимо применять спекание с участием жидкой фазы.
Стабильность микроструктур материалов на основе титаната алюминия обеспечивается в присутствии 10-50 мас.% второй фазы, представленной минералом группы силлиманита.
Разработаны материалы на основе титаната алюминия с высоким сопротивлением к деградации физико-технических свойств при термоциклировании по режиму 1300 С - вода.
Показано, что расплавы алюминия, меди, латуни и никеля не смачивают в атмосфере инертного газа поверхность образцов изделий из композиционных материалов на основе титаната алюминия.
Практическая значимость
Получены высокотемпературные композиции с содержанием титаната алюминия 5090 мас.% с ТКЛР не более 1-10-6 С-1, в интервале температур 20-900 С. По показателям свойств композиционные материалы превосходят аналоги.
Выявлено положительное влияние титаната циркония на стабилизацию титаната алюминия и свойства композиционного материала титанат алюминия - минералы группы силлиманита.
Выпущены постановочные партии огнеупорных изделий в виде тиглей, трубок, проведены лабораторные и производственные испытания, подтвердившие перспективность их применения в условиях действия расплавов цветных металлов.
Научный и технический приоритет подтвержден патентом Российской Федерации №2392249 С04 В35/478 «Шихта и высокотемпературный материал, полученный из нее» заявка от 21.04.2009, опубликовано 20.06.2010, Бюл. №17.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (Санкт-Петербург, 2007), XVIII Менделеевской конференции молодых ученых Российской Федерации (Белгород, 2008), научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки - 2011» (Санкт-Петербург, 2011).
На кафедре химической технологии высокотемпературных материалов СПбГТИ (ТУ) изготовлены опытные образцы термостойких изделий в виде трубок и тиглей.
В лабораторных установках осуществлено плавление меди, латуни и никеля в тиглях, изготовленных из разработанных композиционных материалов. Выявлена перспективность применения новых материалов в контакте с указанными металлами и сплавами.
Образцы изделий в виде трубок успешно выдержали промышленные испытания на ООО «Всеволожский завод алюминиевых сплавов», продемонстрировали устойчивость к воздействию расплава вторичного алюминия и подтвердили заявленные свойства.
По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 4 статьи в журналах (3 статьи в журналах из перечня ВАК), тезисы 3 докладов на конференциях, 1 патент.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, основных результатов и списка литературы. Материал диссертации изложен на 186 страницах, содержит 63 рисунка, 40 таблиц, список литературы из 156 наименований, 5 приложений на 32 страницах.
