Zastosowanie kyanitu, andalusitu i sillimanitu w monolitycznych ogniotrwałych materiałach

W dziedzinie materiałów niemetalicznych i ogniotrwałych, zwłaszcza materiałów ogniotrwałych, cyjanit, sylimanit i andaluzyt są wspólnie określane jako „trzy minerały”, a wszystkie należą do surowców mineralnych o wysokiej zawartości tlenku glinu.

Główne zastosowania tych trzech minerałów w monolitycznych materiałach ogniotrwałych obejmują: (1) jako kruszywa ogniotrwałe, takie jak użycie gruboziarnistego andaluzytu jako kruszywa ogniotrwałego; (2) jako proszki ogniotrwałe, takie jak koncentraty andaluzytu i sylimanitu jako proszki; (3) jako dodatki, stosowane głównie jako środki rozszerzające. Spośród trzech minerałów najczęściej stosowany jest cyjanit. Dzieje się tak dlatego, że wartość rozszerzalności związana z reakcją mulityzacji cyjanitu jest najwyższa, co czyni go doskonałym środkiem rozszerzającym do monolitycznych materiałów ogniotrwałych, pomagającym zrównoważyć skurcz materiałów ogniotrwałych w wysokich temperaturach i poprawiającym ich działanie w wysokich temperaturach.

I. Zastosowanie trzech minerałów w odlewach ogniotrwałych

Niedawne badania nad zastosowaniem tych trzech minerałów w betonach ogniotrwałych skupiły się na czterech głównych obszarach:

1. Zastosowanie cyjanitu w odlewach ogniotrwałychDodawanie cyjanitu do odlewów polega przede wszystkim na użyciu cyjanitu pochodzącego z Hushan i Shuyang, przy czym cyjanit z Tongbai wykazuje najwyższą wartość rozszerzalności, co czyni go szczególnie odpowiednim jako środek spieniający w monolitycznych materiałach ogniotrwałych. Dodanie cyjanitu z Nanyang do odlewów kadziowych poprawia szybkość zmiany liniowej odlewów, eliminując pęknięcia skurczowe, które mogą wystąpić podczas użytkowania w wysokiej temperaturze i chłodzenia, wydłużając w ten sposób żywotność materiału. W praktyce, po niezbędnych naprawach dna kadzi, kadź może pracować od 1200 do 1300 cykli. Odlewy o wysokiej zawartości tlenku glinu zawierające cyjanit jako środek rozszerzający wykazują lepszą zmianę liniową po wypaleniu. Bez cyjanitu wszystkie zmiany liniowe po wypaleniu są ujemne i rosną wraz z temperaturą. Przy 1300°C wynosi -0,09%, a przy 1500°C -1,05%. Jednakże po dodaniu cyjanitu skurcz zmniejsza się lub staje się dodatnim rozszerzaniem; w przypadku różnych gatunków (0,175 mm lub 0,09 mm) cyjanitu dodanego w ilości 8% lub 10%, betony wykazują dodatnie wartości w temperaturach od 1300°C do 1500°C, skutecznie równoważąc skurcz w wysokiej temperaturze, jednocześnie wykazując rozszerzanie. W procesie produkcji dobór odpowiedniej wielkości cząstek koncentratu cyjanitowego zapewnia minimalny (lub bardzo mały) skurcz w wysokich temperaturach, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wytrzymałości. Ogólnie rzecz biorąc, wielkość cząstek 0,174–0,074 mm uważa się za umiarkowaną.

2.Wpływ dodatku andaluzytu na właściwości odlewów(1)Zastosowanie andaluzytu w materiałach koryt żelaznych

(1)W przypadku pracy wielkich pieców na dużą skalę siła szorowania roztopionego żelaza i żużla wzrasta, zwłaszcza w głównym korycie, gdzie warunki pracy stają się coraz trudniejsze, co skutkuje skróceniem żywotności. Andaluzyt jest wykorzystywany do produkcji głównych materiałów korytowych w celu zwiększenia ich wydajności. W zależności od różnych wymagań użytkowania, do odlewów z koryt żelaznych dodaje się cząstki andaluzytu o różnej wielkości (0–1 mm, 0,074 mm), co pomaga zmniejszyć porowatość i poprawić wytrzymałość na ściskanie w temperaturze pokojowej, zwiększając stabilność szoku termicznego. Im lepsza jakość andaluzytu, tym lepsza jego wydajność w wysokich temperaturach. Odlewy z dodatkiem andaluzytu umożliwiają jednorazową produkcję żelaza w wysokości od 80 000 do 120 000 ton z wielkiego pieca o pojemności 250 m3, z naprawami i łataniem pomiędzy nimi, co prowadzi do trwałości przekraczającej 1,5 miliona ton i obniżonych kosztów produkcji. Mechanizm wykorzystuje przede wszystkim rozkład andaluzytu w wysokich temperaturach w celu wytworzenia pewnej ilości mulitu i fazy ciekłej, co poprawia stabilność szoku termicznego i temperaturę mięknienia pod obciążeniem odlewów. Wytworzona faza ciekła nie tylko sprzyja spiekaniu, ściśle wiążąc osnowę i kruszywo, ale także wypełnia puste przestrzenie, zmniejszając pozorną porowatość i zwiększając wytrzymałość odlewów na ściskanie.

(2)Wstępna obróbka pistoletu odsiarczającego za pomocą odlewówPistolety odsiarczające podlegają ekstremalnym zmianom temperatury, a uszkodzenia zwykle powstają w wyniku pęknięć naprężeniowych termicznych, a nie erozji. Zwiększenie odporności odlewów na szok termiczny pomaga zapobiegać pęknięciom i odpryskom korpusu pistoletu. Dodatek andaluzytu kompensuje skurcz, zapewniając stabilność objętości i poprawiając wydajność. Podczas prób w hucie stali w Ningbo działa osiągnęły ponad 200 cykli przy minimalnych naprawach.

1. Wpływ dodatku sylimanitu i cyjanitu na właściwości odlewówDodatek sylimanitu lub kombinacji koncentratów sylimanitu i cyjanitu do odlewów poprawia zmiany liniowe po wypaleniu. Ma to również znaczący wpływ na temperaturę mięknienia pod obciążeniem i wytrzymałość na ściskanie. Wysokogatunkowe koncentraty sylimanitu dają bardziej zauważalne efekty. Przykładowo przy zastosowaniu sylimanitu o zawartości Al2O3 59% i boksytu pierwszego gatunku jako kruszywa temperatura mięknienia (4%) przekracza 1600°C; natomiast zastosowanie sylimanitu z 48% Al2O3 obniża temperaturę mięknienia, co widać w próbce SC-12 wynoszącej 1565°C.

2. Wpływ dodatku naturalnego proszku mineralnego sylimanitu i andaluzytu na właściwości odlewówDodatek kompozytowych proszków mineralnych poprawia odporność odlewów na szok termiczny i zmniejsza zmiany liniowe po wypaleniu. Właściwe dodanie naturalnego proszku mineralnego kompozytu sillimanitu i andaluzytu do niskocementowych odlewów o wysokiej zawartości tlenku glinu prowadzi do poprawy kluczowych wskaźników technicznych. Dzieje się tak głównie na skutek znacznego wytwarzania mulitu w osnowie. Kompozytowe proszki mineralne tworzą fazę ciekłą w niższych temperaturach (1000–1300°C), ułatwiając tworzenie mulitu in situ i mulitu wtórnego, pozytywnie wpływając w ten sposób na właściwości użytkowe odlewów. Optymalna ilość dodatku dla kompozytowego proszku mineralnego wynosi około 5%. Historycznie rzecz biorąc, cyjanit był używany głównie jako środek rozszerzający, kompensujący skurcz w betonach ogniotrwałych. Jednakże w miarę lepszego zrozumienia połączenie andaluzytu, sylimanitu lub trzech minerałów skutecznie poprawia jakość materiałów na bazie Al2O3-SiO2, mających zastosowanie zarówno do kształtowanych, jak i niekształtowanych materiałów ogniotrwałych.

II. Zastosowanie trzech minerałów w tworzywach ogniotrwałych

W przypadku tworzyw ogniotrwałych porównanie próbek zawierających cyjanit i bez niego pokazuje, że te pierwsze wykazują większą zmianę liniową po wypaleniu w temperaturze 1400°C, co wskazuje na zwiększoną rozszerzalność, co korzystnie wpływa na stabilność szkieletu konstrukcyjnego oraz zmniejsza pękanie i odpryskiwanie. Zmiany liniowe przy 1600°C wykazują niewielką ekspansję w porównaniu do zmian przy 1400°C.

III. Zastosowanie trzech minerałów w materiałach ogniotrwałych ubijanych

Po dodaniu trzech minerałów liniowa zmiana w materiałach do ubijania o wysokiej zawartości tlenku glinu przesuwa się od skurczu do rozszerzania po wypaleniu. Spośród nich cyjanit wykazuje najlepsze działanie, a zmiany liniowe w temperaturze 1400°C rosną od -0,40% do +1,60%, co wskazuje na rolę środka rozszerzającego tych trzech minerałów. Jednakże dodatek tych trzech minerałów nie ma znaczącego wpływu na wytrzymałość na ściskanie materiałów do ubijania o wysokiej zawartości tlenku glinu w temperaturze 1400–1500°C, ponieważ cyjanit i andaluzyt szybko się rozkładają i nie są w pełni mulityzowane na tym etapie temperatury.

IV. Zastosowanie trzech minerałów w ogniotrwałych materiałach do natryskiwania

Ogniotrwałe materiały natryskowe to amorficzne materiały ogniotrwałe nakładane za pomocą narzędzi pneumatycznych. Składają się z kruszywa ogniotrwałego, proszków i spoiw (lub dodatków). Są one klasyfikowane jako lekkie, średnie i ciężkie materiały do ​​natryskiwania na podstawie gęstości nasypowej. Jako wykładziny izolacyjne powszechnie stosuje się lekkie materiały natryskowe (0,5–1,39 g/cm3), natomiast materiały średnie i ciężkie (odpowiednio 1,3–1,8 g/cm3 i powyżej 1,89 g/cm3) mogą służyć jako wykładziny robocze w niskich i średnich temperaturach. piece. Różne rodzaje ogniotrwałych materiałów natryskowych stosuje się w takich obszarach, jak górna część wielkich pieców, komory spalania gorących wielkich pieców, komory regeneratorów, komory mieszania i różne wewnętrzne ściany kanałów gorącego powietrza, służąc do izolacji, zatrzymywania ciepła, ulepszania gazów szczelność i chronić żelazną powłokę pieca. Największy wielki piec w Chinach (o pojemności ponad 5500 m3) również wykorzystuje ogniotrwałe materiały natryskowe. Wprowadzenie tych trzech minerałów nie tylko poprawia szybkość zmian liniowych ogniotrwałych materiałów natryskowych, ale także poprawia wydajność materiału poprzez wprowadzenie nowych faz mulitu. Dodawane minerały mogą być pojedynczego rodzaju lub złożone. Zarówno w przypadku ogniotrwałych materiałów natryskowych, jak i odlewów dodatek trzech minerałów daje pozytywne wyniki. W zależności od konkretnych wymagań dotyczących kształtowanych lub niekształtowanych materiałów ogniotrwałych, należy wybrać odpowiedni typ lub rodzaj kompozytu trzech minerałów.

V. Zastosowanie trzech minerałów w zawiesinach ogniotrwałych

Wraz z rozwojem niekształtowanych materiałów ogniotrwałych, zawiesiny ogniotrwałe odnotowały znaczny postęp w badaniach i rozwoju, produkcji i testowaniu. W miarę poszerzania się zakresu zastosowań zaczynów ogniotrwałych, konwencjonalne zaczyny nie są już w stanie w pełni spełniać wymagań konstrukcyjnych pieców. Dodatek cyjanitu odgrywa znaczącą rolę w nowych zawiesinach ogniotrwałych. Dodając koncentraty cyjanitowe do zawiesin, reakcja ekspansji mulityzacji kompensuje skurcz w wysokich temperaturach.

VI. Zastosowanie trzech minerałów w prefabrykowanych częściach z bloków żużlowych o wysokiej wytrzymałości

W wysokowytrzymałych prefabrykatach z bloków żużlowych do kanałów spustowych wielkiego pieca dodatek środków rozszerzających umożliwia równomierne rozszerzanie się materiału w różnych temperaturach, szczególnie w zakresie od 1000 do 1500°C. To rozszerzanie kompensuje lub zmniejsza skurcz występujący w różnych poziomach temperatur. Zastosowanie środków ekspansyjnych może wypełnić mikropęknięcia powstałe na skutek skurczu osnowy i naprężeń wewnętrznych, poprawiając w ten sposób stabilność objętościową materiału.

Podsumowując, różne rodzaje amorficznych materiałów ogniotrwałych, takich jak odlewy, tworzywa sztuczne, materiały do ​​ubijania i zawiesiny ogniotrwałe, wykorzystują w różnym stopniu trzy minerały — andaluzyt, cyjanit i sylimanit, przy czym najczęściej stosowany jest cyjanit. Podstawowy mechanizm polega na rozkładzie tych minerałów w wysokich temperaturach, co powoduje zwiększenie objętości w wyniku reakcji mulityzacji, która kompensuje skurcz amorficznych materiałów ogniotrwałych w podwyższonych temperaturach. Proces ten prowadzi do dodatniej rozszerzalności liniowej, łagodzi odpryski strukturalne i zwiększa stabilność objętościową materiałów.

Dodatkowo rozkład tych trzech minerałów ma pozytywny wpływ na temperaturę mięknienia wsadu i wytrzymałość materiałów. Inne środki rozszerzające do amorficznych materiałów ogniotrwałych obejmują kwarc (SiO2), który kompensuje również skurcz w wysokiej temperaturze poprzez przemiany fazowe, przede wszystkim ekspansję związaną z przemianą α-kwarcu (kwarcu wysokotemperaturowego) w β-kwarc, ponieważ to przejście wykazuje najbardziej znaczącą zmianę objętości.

Jednak w tym zastosowaniu cyjanit przewyższa kwarc. Cyjanit zapewnia stosunkowo większą wartość rozszerzalności, a po rozkładzie daje kryształy mulitu, które korzystnie wpływają na działanie materiału w wysokich temperaturach. W związku z tym cyjanit jest powszechnie stosowany jako środek rozszerzający w amorficznych materiałach ogniotrwałych, sam lub w połączeniu z andaluzytem lub sylimanitem.

Efektywne wykorzystanie cyjanitu, andaluzytu i sylimanitu poprzez ich reakcje mulityzacji może znacznie poprawić właściwości materiału. Niezbędny jest ostrożny dobór gatunku, dawki i wielkości cząstek w oparciu o temperaturę roboczą; w przeciwnym razie może to prowadzić do zniszczenia wewnętrznego, powodując pęknięcia dylatacyjne oraz zmniejszoną gęstość i wytrzymałość materiałów.

Metody te wykorzystują rozkład i towarzyszące mu reakcje ekspansji trzech minerałów, a także ekspansję związaną z przemianami fazy kwarcowej, aby skompensować skurcz w wysokiej temperaturze w amorficznych materiałach ogniotrwałych i poprawić stabilność objętościową. Jednak korzyści z reakcji ekspansji wykraczają poza to; na przykład cegły o niskim pełzaniu i modyfikowane serie cegieł o wysokiej zawartości tlenku glinu stosowane w piecach z gorącym podmuchem wykorzystują reakcje rozszerzania wewnętrznego w celu zwiększenia temperatury mięknienia ładunku, odporności na pełzanie i odporności na szok termiczny. Dlatego tak ważne jest efektywne wykorzystanie tych trzech minerałów w celu poprawy właściwości materiałów ogniotrwałych.