автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Интегрированные теплоизоляционные огнеупорные материалы на основе вермикулита

На правах рукописи

СКУРИХИН Владимир Васильевич

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРАЛЫ НА ОСНОВЕ ВЕРМИКУЛИТА

Специальность 05.17.11 -Технология силикатных и тугоплавких неметаллических материалов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Боровичский комбинат огнеупоров» (ОАО «БКО»).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

СУВОРОВ

Станислав Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

КУЗНЕЦОВ Александр Иванович

кандидат технических наук

ДЕНИСОВ Дмитрий Евгеньевич

Ведущая организация - закрытое акционерное общество «Сооюзтеплострой-Петербург».

заседании диссертационного Совета Д 212.230.07 при государственном образовательном учреждении «Санкт-Петербургский Государственный технологический институте (технический университет)» по адресу: 190031 Санкт-Петербург, Московский пр., 26.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного технологического института (технического университета).

Отзывы и замечания в одном экземпляре, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 190031 Санкт-Петербург, Московский пр., 26, Санкт-Петербургский Государственный технологический институт (технический университет), Ученый Совет.

Автореферат разослан « 2. У » (О 2004 г.

Ученый секретарь

Защита состоится 2004 г. в /ЛГ часов на

диссертационного Совета, к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

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

Волокнистые теплоизоляционные материалы при низкой плотности и теплопроводности

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 Вт/(мхК)), 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 непластич-

ного огнеупорного материала: шамот,

юшок. корун-

о»

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 МцО-АЬО?-

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. большемерных, с низкой кажущейся плотностью и относительно высокой прочностью с рабочей температурой до 1100°С взамен легковесных огнеупоров ШЛ-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, термомеханических 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дано обоснование актуальности работы. В первой главе приведен аналитический обзор данных о вермикулите и его применении в промышленности. Детально рассмотрены свойства вспученного вермикулита, применительно к производству теплоизоляционных материалов. Даны сведения о свойствах вермикулитовых теплоизоляционных изделий. Сформулированы цели и задачи работы. Во второй главе сообщается о физико-химичеких методах исследования изучаемых объектов, среди которых основными являются методы дифференциально-термического и рентгено-фазового анализа (ДТА и РФА).

В третьей главе приведены исследования по оптимизации состава связующей композиции на основе огнеупорной глины с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента (планы Шеффе). Применение пластификаторов КМЦ и высокоглиноземистого цемента позволяет без снижения связности повысить массовую долю отощителя в пластичной глинистой массе на 8,6 % с 61,6 до 70,2 %. Определен оптимизированый состав связующей композиции на основе глины КБЛП-2: 8,3 % КМЦ и 91,7 % глины КБЛП-2.

В четвертой главе приведены исследования по обоснованию технологических параметров способа производства и состава масс для получения ИТОМ с кажущейся плотностью 400-1000 кг/м3.

Традиционно производство изделий с применением вермикулита включает: приготовление глиняного шликера, смешивание его с огнеупорным заполнителем и вспученным вермикулитом, формование полученной пластичной массы с последующей сушкой и обжигом; при этом влажность массы достигает 120 % за счет высокого водопоглоще-ния вспученного вермикулита (400-700 %). Способ, разработанный применительно к условиям ОАО «БКО», максимально приближен к технологическому процессу изготовления огнеупорных шамотных изделий пластического способа формования; влажность сырца при этом втрое ниже - 38-42 %.

Поиск оптимальных составов производили с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента (планы Шеффе неполного третьего порядка) для трехкомпонентной системы: вермикулит - огнеупорный заполнитель (шамот или пыль от электрофильтров при обжиге глин и каолинов на шамот) - пластичный каолин КБЛП-2.

Диаграммы зависимости свойств изделий от содержания в шихте исходных компонентов приведены на рисунках 1-3.

С повышением содержания в шихте вспученного вермикулита понижаются воздушная и огневая усадка изделий, их кажущаяся плотность, предел прочности при изгибе, коэффициент теплопроводности и дополнительная линейная усадка при температуре 1150 °С. Увеличение содержания глинистой составляющей повышает прочность изделий, но при этом повышаются воздушная и огневая усадка изделий,

связующее

Рис. 1. Диаграмма зависимости кажущейся плотности (х 10"3 Kr/M3) обожженных изделий от состава шихты.

пыль связующее

Рис. 2. Диаграмма зависимости предела прочности при изгибе (кгс/см2) от состава шихты.

их кажущаяся плотность, коэффициент теплопроводности и, незначительно, дополнительная линейная усадка.

Зависимость дополнительной линейной усадки от температуры обжига, для состава с кажущейся плотностью 420 кг/м3, приведена на графике, рис. 5. С повышением температуры обжига она снижается, и становится меньше 1 % в интервале температур 1000-1150 °С, который и можно считать оптимальным для обжига изделий. В пятой главе приведены исследования физико-химических процессов, происходящих при термообработке исходных компонентов, сырца и в обожженных изделиях ИТОМ при повторных нагревах.

Рис. 4. Зависимость свойств ИТОМ от температуры обжига: огневая и дополнительная линейная усадка (а), предел прочности при изгибе и кажущаяся плотность (б),

Методами дифференциально-термического (ДТА) и рентгено-фазового анализа (РФА) установлены процессы, протекающие как в исходных сырьевых материалах, так и в изделиях при их термической обработке.

Физико-химические процессы, протекающие при термообработке ИТОМ сводятся к следующему: удаление капиллярной влаги в интервале температур от 60 до 160°С; удаление наименее прочно химически связанной воды гидратного слоя, находящегося между слюдяными пакетами вермикулита в интервале температур от 160 до 290 °С; в интервале температур от 260 до 480°С на процесс удаления кристаллогид-ратной воды гидратного слоя вермикулита накладывается процесс го-

рения органического пластификатора КМЦ, по своему экзотермическому эффекту значительно превосходящего эндотермический эффект дегидратации вермикулита; разложение каолинита в интервале температур от 315 до 825 °С; удаление кристаллогидратной воды слюдяных пакетов вермикулита (потери массы 9,07 %) при температуре выше 480 °С; экзотермический эффект кристаллизации энстатита в вермикулито-вом заполнителе в интервале температур от 767 до 883 °С; кристаллизация аморфных продуктов разложения каолинита с образованием ме-тастабильных алюмокремниевой шпинели или у-А^Оч в интервале температур от 950 до 1050 °С с максимумом в интервале температур 975988 °С (так называемый первый каолинитовый эффект).

На рис. 5 представлена диаграмма состояния системы М^О-на которой отмечены исследуемые составы, полученные приведением с помощью переводных коэффициентов. Точка № 1 (состав 1) принадлежит элементарному треугольнику энстатит - кордие-рит - кристобалит и расположена в поле кристаллизации кордиерита. В равновесных условиях появление жидкой фазы при нагревании определяется инвариантной точкой "А" с температурой 1355 °С. Точка № 2 (состав 2) принадлежит элементарному треугольнику муллит - кордие-рит — кристобалит и расположена в поле кристаллизации муллита, практически совпадая с точкой кордиерита

ЧдО 20 - <е20 ЯГ К;0Л1А Л? ~ <9М «¡О,

-гш'с -им • гаг о'с

Масгодсв дал', %

Рис. 5. Положение исследуемых точек на диаграмме состояния системы К^О-АЬО^СЪ.

Температура инконгруэнтного плавления кордиерита 1465 °С. Температура появления расплава определяется температурой плавления тройной эвтектики (точка «Б») 1440 °С. Точка № 3 (состав 3), так же, как и точка № 2, принадлежит элементарному треугольнику муллит -кордиерит - кристобалит и расположена в поле кристаллизации муллита. В равновесных условиях появление жидкой фазы при нагревании определяется инвариантной точкой "В" с температурой 1460 °С. В присутствии плавней (Ыа^О, КгО, СаО, РезО?, ТЮз), температура появления расплава в материале будет ниже.

Из изложенного следует, что первичной кристаллической фазой, появляющейся при температуре, близкой к эвтектике, является кордие-рит - образование которого происходит до полного

связывания оксида магния в кордиерит, после чего оставшиеся оксиды алюминия и кремния образуют муллит. Огнеупорные свойства тем выше, чем выше температура появления расплава, которая повышается в ряду составов: I (1355 °С) 2 (1440 °С) ->• 3 (1455 °С).

Исследование фазового состава вермикулитовых теплоизоляционных материалов, после воздействия высоких температур, производили методом рентгенофазового анализа. Рентгенофазовый анализ образцов, обожженных при температурах 1100 °С, 1200 °С, 1300 °С, подтвердил что формирование фазового состава материалов находится в согласии с кристаллизацией фаз трехкомпонентной системы М^О-

АЬОг5Ю2.

Продуктами химического взаимодействия исходных ингредиентов являются кордиерит и муллит. В составе ИТОМ с максимальным содержанием вермикулита, без огнеупорного заполнителя, образование кордиерита начинается при 1100 °С, в составах, в которых используется огнеупорный заполнитель образование кордиерита начинается при температуре выше 1200 °С. Увеличение содержания вспученного вермикулита в образцах приводит к понижению температуры появления расплава, снижется высокотемпературная прочность и увеличивается усадка изделий. Повышение содержания огнеупорной связки и заполнителя, напротив, повышает температуру появления расплава, высокотемпературную прочность и препятствуют усадке изделий. В шестой главе приводятся данные по определению физико-химических и высокотемпературных свойств ИТОМ различной кажущейся плотности (таблица 1).

Макроструктура ИТОМ, независимо от их кажущейся плотности представляет собой интеграцию огнеупорной матрицы и частиц верми-кулитового заполнителя. Изделия на основе вермикулита обладают равномерно пористой структурой. «Чешуйки» вермикулита ориентиро-

ваны хаотично. Подобное распределение чешуек с разноориентирован-ными по отношению друг к другу главными плоскостями позволяет рассматривать в структуре данного изделия построение группами частиц своеобразных сводов, внутри которых располагаются «ложно-закрытые», или сводовые поры. При этом поровое пространство является непрерывной средой. Равномерно распределенные и хаотично ориентированные частицы вермикулита создают структуру изделий, которая определяет изотропность их основных свойств: прочности, теплопроводности, термического расширения.

Таблица 1. Основные свойства ИТОМ.

№ п/п Наименование показателя Значения показателей для изделий марки Меюд определения или наименование прибора

ИТОМ -440 ИТОМ -620 ИТОМ -860 ИТОМ -1000

1 2 3 4 5 6 7

1. Кажущаяся плотность, кг/м3 420500 600640 850900 10001100 ГОСТ 24468-80

2. Предел прочности при сжатии, Н/мм2 0,9-1,0 1,0-1,4 1,4-1,7 2,0-2,4 ГОСТ 4070.2-97

3. Пористость открытая, % 80-82 75-78 65-68 62-65 ГОСТ 2409-95

4. Дополнительная линейная усадка при 1150°С, % 1,4-1,5 1,2-1,4 1,1-1,3 1,0-1,2 ГОСТ 5402.22000

5. Температура начала размягчения, °С ГОСТ 4070-2000

Под нагрузкой 0,05 Н/мм2 1109 1119 1135 1140

Под нагрузкой 0,04 Н/мм2 1120 - - -

Под нагрузкой 0,06 Н/мм2 - 1118 - -

Под нагрузкой 0,08 Н/мм2 - - 1117 -

Под нагрузкой 0,1 Н/мм2 - - - 1108

6. ТКЛР (а20.9(Ю"с), градусах 106 9,33 9,03 9,24 9,35 Кварцевый дилатометр ДКВ-5АШ)!.

Продолжение таблицы 1

1 ' 2 3 4 5 6 7

7. 1 Коэффициент теплопроводности, Вт/(мхК) ГОСТ 12170-85

, При средней температ>ре 200 0,090 0,120 0,183 0,230

■ При средней температуре 380 °С 0,120 0,139 0,194 0,250

8. Термостойкость, теплосмен (1000 > 100 '> 100 > 100 > 100 ГОСТ 4071.2-94

°С-воздух)

При сушке и обжиге сырца ИТОМ наблюдается равномерная усадка изделий по всем направлениям, что позволяет получить изделия точных размеров и формы, в том числе большемерные, без необходимости послеобжиговой механической обработки.

Разработанные вермикулитовые теплоизоляционные изделия, при низкой кажущейся плотности, имеют высокую, для теплоизоляционных материалов, прочность об-

легчающую их транспортировку, монтаж и работу в тепловых агрегатах. При сопоставимой, с известными алюмосиликатными высокотемпературными теплоизоляционными материалами, кажущейся плотностью, ИТОМ обладают существенно более низкой теплопроводностью: коэффициент теплопроводности, при температуре 200 °С, для изделий с кажущейся плотностью от 400 до 1000 кг/м3 находится в пределах 0,090,23 Вт/(мхК), для изделий из волокнистых теплоизоляционных материалов коэффициент теплопроводности находится в пределах 0,12-0,15 Вт/(мхК), диатомитовых изделий - 0,2-0,3 Вт/(мхК), шамотного ультралегковеса (рЫА = 400 кг/м1) - 0,18-0,22 Вт/'(мхК). Зависимость теплопроводности от кажущейся плотности изделий может быть выражена следующим образом (рис. 6):

Рис 6. Зависимость теплопроводности от кажущейся плотности ИГОМ 1 -средняя температура 200 °С: 2 - 380 °С

Изменение размеров изделий при нагреве определяет величина их температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). Полученные результаты свидетельствуют о том что средний коэффициент термического расширения в интервале температур 20-900 °С (сс^ши ч) практически не изменяется для материалов с различным содержанием вермикулита в материале.

Каолиновая огнеупорная матрица интегрированных высокотемпературных теплоизоляционных материалов обеспечивает обожженным изделиям объемопостоянство при последующих нагревах и высокую температуру начала размягчения. Эти показатели определяют предельную температуру службы высокотемпературных теплоизоляционных материалов.

Температуру начала размягчения по ГОСТ 4070-2000 определяли под нагрузкой 0,05 Н/мм2 (стандарт ИСО 1893-89), и при нагрузке, аналогичной цифровому значению средней кажущейся плотности материала (например, при кажущейся плотности 400 кг/ м3 нагрузка должна быть 0,04 Н/мм2). Полученные результаты, для изделий различной плотности, находятся в пределах 1108-1140 °С и различаются между собой в пределах погрешности метода.

При высокой пористости определяющее значение на свойства изделий оказывают вид пористости, строение пор, их распределение по размерам. Определение поровой структуры производилось методом ртутной порометрии на порозиметрах высокого давления PASCAL-140 и PASCAL-240 при максимальном давлении 400 МПа. С ростом кажу-

шейся плотности материала от 440 до 1000 кг/м3 объем пор уменьшается с 1370 до 606 мм3/г, в 2,2 раза (рис. 7), т.е. объем пор уменьшается

Рис. 7. Зависимость суммарного объема пор от их размера в изделиях ИТОМ различной плотности (интегральная кривая распределения пор по размерам): 1 - ИТОМ-440,2 - ИТОМ-620,3 - ИТОМ-800,4 - ИТОМ-100.

Мелкопористая структура интегрированных теплоизоляционных высокотемпературных материалов обеспечивает им, при низкой кажущейся плотности, высокие прочность и теплоизолирующую способность в области высоких температур, а также термостойкость. Определение термической стойкости производили на образцах в форме куба с ребром 50 мм путем охлаждения изделий на воздухе после нагрева в электрической печи до 1000 °С. Не зависимо от состава, изделия показали высокую термостойкость. После 100 теплосмен 1000 °С - воздух испытания были остановлены, образцы не разрушились. В седьмой главе рассмотрены наиболее перспективные направления использования ИТОМ, учитывающие особенности их структуры и свойств.

Применение высокоэффективной теплоизоляции электролизеров - одно из важнейших направлений снижения удельных энергетических затрат при производстве первичного алюминия. Прямой эффект от применения теплоизоляции электролизера состоит в снижении тепло-потерь через катод и анод ожидаемая экономия составит 4,676 кВт-ч на I тонну металла или 0,03 %. Дополнительный эффект, ожидаемый от использования вермикулитовых теплоизоляционных изделий ИТОМ-440, состоит в увеличении их технического ресурса: изделия ИТОМ-440 имеют максимальную температуру эксплуатации 1100 °С, а применяемые сейчас диатомитовые и безобжиговые вермикулитовые изделия

на силикатной связке - 880-900 °С, и их применение позволит увеличить срок службы электролизера.

В случае применения вермикулитовых теплоизоляционных изделий марки ИТ0М-1000 в нижних рядах кладки вагонетки туннельной печи для обжига шамотных огнеупорных изделий тепловые потери снижаются в 1,68 раза, а температура на наружной поверхности металлоконструкций вагонетки в самой горячей зоне печи не превысит 100 °С. Всё это создает более благоприятные условия для эксплуатации парка вагонеток туннельной печи, продляя срок их эксплуатации Применение легковесных материалов снижает теплоаккумулирующую способность кладки футеровки вагонетки. Потери тепла через кладку вагонетки (под печи) снижаются на 40,8 %, они составляют приблизительно 6 % от общего количества тепла, поступающего в печь.

Промышленные стекловаренные печи относятся к печам ванного типа, работающих в стационарном тепловом режиме. Для теплоизоляции стен и пода печи предложено и реализовано на практике множество технических решений. Однако актуальность проблемы эффективной теплоизоляции свода печи сохраняется. Предлагаемые технические решения направлены не на снижение тепловых потери через свод, а на перераспределение возвращенной сводом энергии: увеличение собственного излучения футеровки при снижении отражательной способности свода. Для теплоизоляции свода предложено закрыть его поверхность изделиями ИТ0М-860 толщиной 65 мм. При использовании теплоизоляции температура поверхности снижается со 1187 до 105 °С, а величина теплового потока (теплопотери) через свод - на 56,7 % или в 2,3 раза.

Для сокращения тепловых потерь при обработке стали в ковше практически всеми поставщиками и потребителями огнеупоров ведется поиск конструктивных решений по применению эффективной теплоизоляции сталеразливочного ковша, которая, как правило, устанавливается между стальным кожухом ковша и арматурной футеровкой. Вер-микулитовые теплоизоляционные изделия имеют достаточно высокую прочность, низкую теплопроводность, стабильны при высокой температуре. Поэтому использование этих материалов позволит не только снизить тепловые потери при обработке стали в ковше, но и обеспечить длительную эксплуатацию теплоизоляционного и арматурного слоев футеровки. Расчет температур на границе слоев и тепловых потерь базового и улучшенного вариантов показывают, что в случае применения вермикулитового теплоизоляционного материала ИТ0М-440 тепловые потери снижаются в 3,9 раза, что позволит снизить температуру металла на выпуске на 120 °С, сэкономить 101 кДж на 1 кг стали, что при

средней калорийности природного газа 29 960 кДж/кг (8100 ккал/м3) равноценно экономии 3 кг условного топлива на 1 тонну стали, при этом температура на наружной поверхности стального кожуха ковша не превысит 235 °С.

ВЫВОДЫ.

1. Применительно к условиям ОАО «Боровичский комбинат огнеупоров» с использованием методов математического планирования эксперимента разработаны составы и установлены основные параметры технологии производства интегрированных теплоизоляционных высокотемпературных материалов с вермикулитом в качестве легковесного пористого заполнителя'.

Разработанные составы и способ их переработки позволяет получить теплоизоляционные изделия точных форм и размеров, в том числе большемерных, без механической обработки.

2. Определены химический и минеральный состав исходных сырьевых компонентов: вспученного вермикулита, пластичного каолина и пыли от электрофильтров. Изучены физико-химические процессы процессы и изменения фазового состава, происходящие при нагревании исходных сырьевых компонентов.

3. Продуктом взаимодействия исходных ингредиентов является кор-диерит. В составе ИТОМ с максимальным содержанием вермикулита, без огнеупорного заполнителя, образование кордиерита начинается уже при 1100 °С, в остальных составах, в которых используется огнеупорный заполнитель его образование начинается при температуре выше 1200 °С.

4. Вещественный состав ИТОМ влияет на высокотемпературные свойства: увеличение содержания вспученного вермикулита приводит к понижению температуры появления расплава, снижая высокотемпературную прочность и вызывая усадку изделий в службе. Повышение содержания огнеупорной связки и заполнителя, напротив, повышая температуру появления расплава и высокотемпературную прочность, препятствуют усадке изделий в службе.

5. Макроструктура (текструра) изделий представлена равномерно распределёнными в огнеупорной матрице хаотично ориентированными частицами вермикулита, которая определяет изотропность их основных свойств: прочности, теплопроводности, термического расширения. Микропористая структур высокотемпературных теплоизоляционных материалов ИТОМ, с преобладанием пор размерами 0,5-10 мкм, при низкой кажущейся плотности придает им высокую проч-

ность, теплоизолирующую способность в области высоких температур и термостойкость.

6. Определены основные технические характеристики интегрированных теплоизоляционных высокотемпературных материалов:

- Средний температурный коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-900 °С практически не изменяется с чвеличением кажущейся плотности изделий, находясь в пределах (9,03-9,35)х10"6град>с"'.

- Для интегрированных теплоизоляционных высокотемпературных материалов характерны высокая температура начала размягчения (выше 1100 °С) и низкая дополнительная линейная усадка при температуре 1150 °С (не выше 1,5 %).

7. Интегрированные теплоизоляционные высокотемпературные материалы имеют более высокую температуру применения, в сравнении с другими алюмосиликатными теплоизоляционными материалами, выпускаемыми отечественной промышленностью - 1100 °С. По этому показателю изделия ИТОМ сравнимы с шамотными ультралегковесными огнеупорными изделиями ШЛ-0,4 и ШТЛ-0,6, изготавливаемыми более сложным пенным способом.

8. Перспективными направлениями использования вермикулитовых теплоизоляционных материалов ИТОМ являются:

- Для изделий ИТОМ-440 - теплоизоляция катода и анода электролизеров для получения первичного алюминия (ожидаемая экономия электроэнергии при производстве первичного алюминия - 0,03 % или 4,676 кВт-ч на 1 тонну металла),

- Для изделий ИТОМ-620 - теплоизоляция стен сталеразливочного ковша для внепечной обработки стали, футерованного периклазоуг-леродистыми изделиями (ожидаемая экономия 3 кг условного топлива на 1 тонну стали),

- Для изделий ИТОМ-860 - теплоизоляция сводов газопламенных печей, в частности свода ванной стекловаренной печи (ожидаемая экономия топлива 2,8 %),

- Для изделий ИТОМ-1000 - теплоизоляция подины вагонеток туннельных печей по обжигу алюмосиликатных огнеупоров (ожидаемая экономия топлива 2,4 %), а также применение их для выполнения кладки рабочего слоя футеровки печей и топок с максимальной температурой в печном пространстве не более 1100 °С (печи по обжигу глиняного строительного кирпича, политого обжига фарфора и керамики, отжига листового стекла и стеклянных изделий и т.п.).

При этом улучшаются условия эксплуатации несущих стальных конструкций тепловых агрегатов, создаются благоприятные условия для ра-

ботающего персонала и службы других огнеупорных материалов, используемых в футеровке.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Высокотемпературный теплоизоляционный материал и способ его производства / Можжерин ВА, Сакулин В.Я., Мигаль В.П., Новиков А.Н., Салагина Г.Н., Штерн Е.А., Суворов С.А., Скурихин В.В., Филин Г.В. : пат. 2154042 Рос. Федерация : МПК7 С 04 В 33/00, 38/08 ; заявитель и патентообладатель ОАО «Борович. комб. огнеупоров». - № 98122291/03; заявл. 10.12.1998 ; опубл. 10.08.2000 // Бюл.№22.-с. 133.

2. Безобжиговый высокотемпературный теплоизоляционный материал и способ его производства. / Можжерин В.А., Сакулин В.Я., Мигаль В.П., Новиков А.Н., Салагина Г.Н., Штерн Е.А., Суворов С.А., Скурихин В.В., Булин В.В. : пат. 2155735 Рос. Федерация : МПК7 С 04 В 38/08, 38/00, 35/66, 40/00 ; заявитель и патентообладатель ОАО «Борович. комб. огнеупоров». -№ 98122269/03; заявл. 10.12.1998 ; опубл. 10.09.2000//Бюл.№ 25.-с. 138.

3 Суворов СА, Скурихин В.В. Оптимизация пластичных свойств связующих глин с использованием симплекс-решетчатого метода планирования эксперимента // Огнеупоры и техническая керамика. -2002. -№ 10.-с. 36-42.

4. Суворов С.А., Скурихин В.В. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе вспученного вермикулита // Сборник материалов конференции «Неделя химических технологий в Санкт-Петербурге» (С.-Петербург, 28-31 октября 2002 г.) - Санкт-Петербург, 2002. - с. 27-30.

5. Суворов С.А., Скурихин В.В. Высокотемпературные теплоизоляционные материалы на основе вермикулита // Огнеупоры и техническая керамика. - 2002. - № 12.-е. 39-44.

6. Суворов С.А., Скурихин В.В. Вермикулит - перспективный материал для производства высокотемпературной теплоизоляции // Новые огне) поры. - 2003. - № 2. - с. 44-52.

7. Суворов СА, Скурихин В.В. Интегрированные высокотемпературные теплоизоляционные материалы // Новые огнеупоры [Тез. Международной конференции «Технологии, сырье и оборудование для производства огнеупоров. Использование новых огнеупоров в черной и цветной металлургии» (Москва, 22 мая 2003)]. - 2003. - № 4.~ с.64-65.

8. Суворов С.А., Скурихин В.В. Интегрированные высокотемпературные теплоизоляционные материалы // Техн.-экон. вестник «Русала» [Тез. Международной конференции «Огнеупоры для алюминиевой промышленности» (Новокузнецк,25-27 мая 2003)]. - 2003. - № 8. -с. 64-65.

9. Суворов С.А., Скурихин В.В. Физико-химические исследования и свойства интегрированных высокотемпературных теплоизоляционных материалов // Новые огнеупоры. - 2004. - № 2. - с. 44-52.

10.Сакулин В.Я., Мигаль В.П., Скурихин В.В., Маргишили А.П. Высокотемпературные и огнеупорные теплоизоляционные материалы, разработанные в ОАО «Боровичский комбинат огнеупоров» // Новые огнеупоры. - 2004. - № 4. - с. 84-92.

11.Скурихин В.В. Барьерные и теплоизоляционные материалы для электролизеров // Техн.-экон. вестник «Русала» [Тез. Международной конференции «Огнеупоры для алюминиевой промышленности» (Братск,27-29 мая 2004)]. -2004. -№ 8. -с.72-73.

22.10.04 г. Зак.219-70 РТП ИК «Синтез» Московский пр., 26

•2277 6

249