ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

Физико-химические основы технологии шамотных, каолиновых и полукислых изделий

В основе технологии алюмосиликатных огнеупоров лежит диаграмма состояния системы А120з—Si02 (рис. VI.3). Согласно диаграмме, единственной твердой фа­
зой, устойчивой при достаточно высоких температурах (>•1585°С), у шамотных и полукислых огнеупоров яв­ляется муллит 3 А120з-2 Si02. Муллит содержит 72% А1203 и 28% Si02, кристаллизуется в ромбической сингонии, габитус кристаллов — иглы, призмы, волок­на; плотность 3,03; твердость по Моосу 6, температура

£ „£ Глинистые Высокоглиноземистые Z100 2000 1900

% (помассе) 2А1г03-Шг

Рис. VI.3. Диаграмма состояния системы А1203—s1o2 («Тв. р. муллита» означает твердый раствор муллита с корундом)

Плавления 1910°С (по Торопову и Галахову), в кисло­тах не растворяется. При содержании А1203 от 72 до 78% (что соответствует 2A1203-Si02) муллит образует твердые растворы с корундом. Кроме муллита, в мате­риале при температуре выше 1585° С в равновесном со­стоянии всегда присутствует то или иное количество жидкой фазы. Нижняя температура появления распла­ва в системе А1203—Si02 равна 1585° С. Эвтектика со­держит 5,5% А1203 и 94,5% Si02. Присутствующие в гли­нах примеси снижают температуру появления расплава до 1345° С, химический состав природных примесей при общем их количестве в пределах 2—5% не имеет суще­ственного значения.

Соотношение твердой и жидкой фаз в системе А1203—Si02 может быть определено по правилу рыча­га. Так, для полукислого материала С содержанием
20% А1203 и 80% Si02 при 1650° С количество расплава достигает 80%- Для каолинитового материала (46% AI2O3 и 54% Si02) количество расплава при этой темпе­ратуре составляет только 40%.

В полукислых изделиях количество жидкой фазы с повышением температуры нарастает медленнее, чем в шамотных изделиях, так как линия ликвидуса на участ­ке полуплоских изде­лий имеет крутой по­дъем, на участке же шамотных изделий — более пологий.

Из двойной диа­граммы А120з—Si02 следует, что для полу­кислых, шамотных и каолиновых огнеупо­ров с повышением со­держания глинозема количество жидкой фа­зы при одной и той же температуре монотон­но уменьшается; мож­но полагать, что каче­ство алюмосиликатных, полукислых и шамотных изде­лий с увеличением содержания в них глинозема повыша­ется. Однако практика этого вывода не подтверждает.

На рис. VI.4 (см. также рис. V.7) изображена трой­ная диаграмма СаО—А1203—Si02. На диаграмме нане­сена точка, соответствующая приведенному составу ковшового шлака. Смеси огнеупор — шлак лежат на со­ответствующих коннодах. Если принять, что при взаи­модействии огнеупора со шлаком (плавнями) в реакции участвует 50% огнеупора и 50% шлака (точки на диа­грамме помечены крестиком), то температура плавле­ния таких составов будет соответствовать температуре плавления эвтектик (трехлучевой звезде) элементарных треугольников.

Так, составы шлак — огнеупор с содержанием глино­зема ^25% начнут плавиться в эвтектике (трехлуче­вой звезде) элементарного треугольника Si02—СаО- •Si02—СаО-Al203-2 Si02 при 1165° С независимо от со­держания глинозема. Составы шлак — огнеупор с со­держанием глинозема от 25 до 50% будут плавиться в

14—298
эвтектике (трехлучевой звезде) элементарного тре­угольника СаО - Si02—СаО • А1203- 2 Si02—2 СаО - •Al203-Si02 при 1256° С. Состав шлак — огнеупор с со­держанием глинозема от 50 до 80% будут плавиться в эвтектике (трехлучевой звезде) элементарного тре­угольника А1203—СаО • А1203 • 2 Si02—2 СаО • А1203• Si02 при 1380° С также независимо от содержания глинозе­ма в указанных выше пределах.

На основании разобранного примера становится, ка­залось, бы, обоснованной классификация алюмосили­катных огнеупоров в зависимости от содержания в них

Глинозема на группы: полукислые (<28%А1203), ша­мотные и каолиновые (28—45% А1203), высокоглинозе­мистые (>45% А1203), и то обстоятельство, что в преде­лах этих групп огневые свойства изделий примерно оди­наковы.

Однако такое представление является весьма при­ближенным. Хотя жидкая фаза в полукислых огнеупо­рах появляется при более низкой температуре; количе­ство жидкой фазы при 1300° С в смесях, содержащих огнеупор с 60—65% Si02 (шамотные) и шлак в соот­ношении 1:1, на 20% больше, чем в смесях, содержа­щих огнеупор с 72—85% Si02 (полукислые). С увели­чением содержания кремнезема поверхностное натяже­ние и смачиваемость уменьшаются. Вязкость расплавов смесей шлак — огнеупор при соотношении 1:1 бо­лее высокая у полукислых огнеупоров (рис. VI.5).

ОгнеуПорьі с содержанием 35—38% А1203 образуют со шлаком менее вязкий расплав и в большем количе­стве, чем огнеупоры, содержащие 15 или 45% А1203, поэтому следует считать более устойчивыми огнеупоры с содержанием либо более 45% А1203, либо 15—20% А1203. То обстоятельство, что в настоящее время вы­пускают алюмосиликатные огнеупоры преимуществен­но с содержанием А1203 30—38%, объясняется стабиль­ностью огнеупорных глин с таким содержанием глино­зема и крайней нестабильностью состава полукислых глин.

Полиморфные превращения кремнезема в полукис­лых и шамотных огнеупорах тождественны таковым в динасовых огнеупорах. На эти превращения сущест­венно влияют примеси в сырье и крупность частиц кремнезема, при этом надо иметь в виду, что превра­щение а-кварца в а-модификации низкой плотности происходит значительно медленнее, чем в динасе (А1203 задерживает перерождения Si02). Поэтому в шамот­ных изделиях содержится в относительно больших ко­личествах неперерожденный кварц.

Технология шамотных, каолиновых и полукислых огнеупоров определяется в основном свойствами сырья и изменениями, происходящими при его сушке и обжи­ге, а также влиянием на качество изделий соотношения глины и шамота и их зерновой характеристики.

Общая усадка (при сушке и обжиге) у большинства пластичных огнеупорных глин составляет 15—20%, а при такой большой усадке получить изделия с задан­ными размерами из одних пластичных глин невозмож­но. При современных способах обжига сырца брак из­делий, вызываемый усадкой, находится в допустимых пределах, если общая усадка не превышает 6—9%, по­этому при изготовлении шамотных изделий шихту со­ставляют из пластичной глины и шамота или другого безусадочного отощителя.

Количеством шамота и величиной его частиц регули­руют не только усадку, но и такие важнейшие свойства изделий, как прочность, пористость, термическую стой­кость и текстуру.

При изготовлении изделий из полукислых глин, име­ющих небольшую усадку, количество отощителя может быть уменьшено или его совсем исключают. Если полу­кислые глины отощать не шамотом, а кварцевым пес­
ком, кварцевыми отходами, Получаемыми йрй отмучй - вании каолина, кварцитами и др., то усадку полукис­лых изделий при обжиге можно полностью устранить и даже получить рост.

Формовочная способность массы уменьшается с уве­личением в ней содержания шамота. Улучшение фор­мовочной способности шамотных масс при пластичном способе производства может быть достигнуто вылежи­ванием, дезаэрацией в вакуумных ленточных прессах и введением соответствующих электролитов.

Имеет значение распределение глинозема в готовых изделиях между крупными зернами и мелкими (связ­кой). Шлак, проникая в огнеупор или растворяя его, в первую очередь взаимодействует с материалом, приле­гающим к поверхности пор, и с мелкими зернами. Если зерновой и вещественный составы шихт подобрать так, что мелкие зерна (связка) будут содержать больше глинозема, то и количество образующегося расплава уменьшится. Следовательно, имеет значение не столько общее содержание глинозема, сколько содержание гли­нозема в связке (тонкой части шихты).

Свойства шамотных изделий в значительной степени зависят от выбора глины, предназначенной на связку, и глины, предназначенной на шамот. В качестве связки предпочтительнее выбирать глины, обладающие следу­ющими свойствами: высокой связующей способностью, меньшими коэффициентом чувствительности к сушке и упругим расширением при прессовании, более высоким содержанием глинозема, но с меньшим выходом мулли­та и меньшей способностью отделять жидкую фазу. Для производства шамота могут быть использованы любая огнеупорная глина и каолин.