Применение кианита, андалусита и силлиманита в монолитных огнеупорных материалах

В области неметаллических и огнеупорных материалов, особенно огнеупоров, кианит, силлиманит и андалузит вместе называются «тремя минералами», и все они относятся к высокоглиноземистому минеральному сырью.

Основные области применения этих трех минералов в монолитных огнеупорах включают: (1) в качестве огнеупорных заполнителей, например, использование крупнозернистого андалузита в качестве огнеупорного заполнителя; (2) в качестве огнеупорных порошков, например, с использованием в качестве порошков концентратов андалузита и силлиманита; (3) в качестве добавок, в основном используемых в качестве расширяющих агентов. Среди трех минералов наиболее широко используется кианит. Это связано с тем, что величина расширения, связанная с реакцией муллитизации кианита, является самой высокой, что делает его отличным расширяющим агентом для монолитных огнеупоров, помогая компенсировать усадку огнеупоров при высоких температурах и улучшая их высокотемпературные характеристики.

I. Применение трех минералов в огнеупорных отливках

Недавние исследования по применению трех минералов в огнеупорных отливках были сосредоточены на четырех основных областях:

1. Применение кианита в огнеупорных отливкахДобавление кианита в отливочные изделия в первую очередь предполагает использование кианита, полученного из Хушаня и Шуяна, при этом кианит из Тунбая показывает самую высокую степень расширения, что делает его особенно подходящим в качестве расширяющего агента в монолитных огнеупорах. Когда кианит из Наньяна добавляется в отливку в ковше, он улучшает скорость линейного изменения отливки, устраняя усадочные трещины, которые могут возникнуть во время высокотемпературного использования и охлаждения, тем самым продлевая срок службы материала. На практике при необходимом ремонте днища ковш может эксплуатироваться от 1200 до 1300 циклов. Литые изделия с высоким содержанием глинозема, в состав которых входит кианит в качестве расширяющего агента, демонстрируют улучшенные линейные изменения после обжига. Без кианита все линейные изменения после обжига отрицательны и увеличиваются с температурой. При 1300°С это -0,09%, а при 1500°С -1,05%. Однако при добавлении кианита усадка уменьшается или становится положительным расширением; для различных сортов (0,175 мм или 0,09 мм) кианита, добавленного в количестве 8% или 10%, литые изделия показывают положительные значения при температурах от 1300°C до 1500°C, эффективно компенсируя высокотемпературную усадку и одновременно демонстрируя расширение. В производстве выбор соответствующего размера частиц кианитового концентрата обеспечивает минимальную (или очень незначительную) усадку при высоких температурах, сохраняя при этом высокую прочность. Обычно размер частиц 0,174–0,074 мм считается умеренным.

2. Влияние добавления андалузита на свойства отливок(1)Применение андалузита в материалах железных желобов

(1) При крупномасштабной эксплуатации доменных печей раздирающая сила расплавленного железа и шлака увеличивается, особенно в главном желобе, где условия труда становятся все более суровыми, что приводит к сокращению продолжительности жизни. Андалузит используется при производстве материалов для основных желобов для улучшения их характеристик. В зависимости от различных требований использования в отливки железных желобов добавляются частицы андалузита разного размера (0–1 мм, 0,074 мм), что помогает уменьшить пористость и улучшить прочность на сжатие при комнатной температуре, повышая устойчивость к термическому удару. Чем лучше качество андалузита, тем лучше его характеристики при высоких температурах. Литые изделия с добавлением андалузита могут обеспечить выпуск одного чугуна от 80 000 до 120 000 тонн из доменной печи объемом 250 м³ с промежуточным ремонтом и исправлениями, что приводит к увеличению срока службы, превышающему 1,5 миллиона тонн, и снижению производственных затрат. В этом механизме в первую очередь используется разложение андалузита при высоких температурах с образованием определенного количества муллита и жидкой фазы, что улучшает устойчивость к термическому удару и температуру размягчения под нагрузкой отливаемых изделий. Образующаяся жидкая фаза не только способствует спеканию, обеспечивая прочное соединение матрицы и заполнителя, но также заполняет пустоты, уменьшая кажущуюся пористость и повышая прочность отливок на сжатие.

(2)Предварительная обработка пистолета для десульфурации с помощью литых материаловПистолеты для десульфурации подвергаются резким перепадам температур, при этом повреждения обычно возникают из-за трещин, вызванных термическим напряжением, а не из-за эрозии. Повышение стойкости отливок к термическому удару помогает предотвратить появление трещин и сколов в корпусе пистолета. Добавление андалузита компенсирует усадку, обеспечивая стабильность объема и улучшая характеристики. В ходе испытаний на сталелитейном заводе в Нинбо ружья проработали более 200 циклов с минимальным ремонтом.

1. Влияние добавления силлиманита и кианита на литейные свойстваДобавление силлиманита или комбинации силлиманитового и кианитового концентратов в отливочные изделия улучшает линейные изменения после обжига. Это также существенно влияет на температуру размягчения под нагрузкой и прочность на сжатие. Более заметные эффекты дают высокосортные силлиманитовые концентраты. Например, при использовании в качестве заполнителя силлиманита с содержанием Al2O3 59% и боксита первого сорта температура размягчения (4%) превышает 1600°С; тогда как использование силлиманита с 48% Al2O3 снижает температуру размягчения, как видно на образце SC-12 при 1565°C.

2. Влияние добавления природного силлиманита и андалузитового композитного минерального порошка на литейные свойстваВключение композитных минеральных порошков повышает термостойкость отливок и уменьшает линейные изменения после обжига. Соответствующее добавление природного силлиманита и андалузитового композитного минерального порошка к низкоцементным высокоглиноземистым отливкам приводит к улучшению ключевых технических показателей. Это происходит главным образом из-за значительного образования муллита внутри матрицы. Композитные минеральные порошки образуют жидкую фазу при более низких температурах (1000–1300°C), способствуя образованию на месте муллита и вторичного муллита, тем самым положительно влияя на характеристики отливок. Оптимальное количество добавки композиционного минерального порошка составляет около 5%. Исторически кианит в основном использовался в качестве расширяющего агента для компенсации усадки огнеупорных литых изделий. Однако при более глубоком понимании комбинация андалузита, силлиманита или трех минералов эффективно улучшает качество материалов на основе Al2O3-SiO2, применимых как для формованных, так и для неформованных огнеупоров.

II. Применение трех минералов в огнеупорных пластмассах

Что касается огнеупорных пластиков, сравнение образцов с кианитом и без него показывает, что первые демонстрируют большее линейное изменение после обжига при 1400 ° C, что указывает на увеличение расширения, что повышает стабильность структурного каркаса и уменьшает растрескивание и растрескивание. Линейные изменения при 1600°C показывают небольшое расширение по сравнению с изменениями при 1400°C.

III. Применение трех минералов в огнеупорных утрамбованных материалах

После добавления трех минералов линейное изменение высокоглиноземистых набивочных материалов смещается от усадки к расширению после обжига. Среди них кианит показывает лучший эффект: линейные изменения при 1400 ° C увеличиваются от -0,40% до +1,60%, что демонстрирует роль трех минералов в качестве агента расширения. Однако добавка трех минералов не оказывает существенного влияния на прочность при сжатии высокоглиноземистых набивочных материалов при температуре 1400–1500°С, так как кианит и андалузит быстро разлагаются и не полностью муллитизуются на этой температурной стадии.

IV. Применение трех минералов в огнеупорных напыляемых материалах

Огнеупорные напыляемые материалы представляют собой аморфные огнеупоры, наносимые пневматическим инструментом. Состоящие из огнеупорных заполнителей, порошков и связующих (или добавок), они подразделяются на легкие, средние и тяжелые напыляемые материалы в зависимости от объемной плотности. Легкие напыляемые материалы (0,5–1,39 г/см³) обычно используются в качестве изоляционных футеровок, а средние и тяжелые материалы (1,3–1,8 г/см3 и более 1,89 г/см3 соответственно) могут служить рабочими футеровками при низких и средних температурах. печи. Различные типы огнеупорных напыляемых материалов используются в таких областях, как верхняя часть доменных печей, камеры сгорания воздухонагревателей, камеры регенераторов, смесительные камеры и различные внутренние стенки каналов горячего воздуха, служащие для изоляции, сохранения тепла, повышения газо- герметичность и защитить железную обшивку печи. В крупнейшей доменной печи Китая (объемом более 5500 м³) также используются огнеупорные напыляемые материалы. Введение трех минералов не только улучшает скорость линейного изменения огнеупорных напыляемых материалов, но также улучшает характеристики материала за счет введения новых фаз муллита. Добавляемые минералы могут быть одиночными или составными. Как в огнеупорных напыляемых материалах, так и в литейных изделиях добавление трех минералов дает положительные результаты. В зависимости от конкретных требований к фасонным или неформованным огнеупорам следует выбирать соответствующий тип или композитный тип трех минералов.

V. Применение трех минералов в огнеупорных суспензиях

С разработкой неформованных огнеупоров огнеупорные суспензии получили широкое развитие в исследованиях и разработках, производстве и испытаниях. Поскольку сфера применения огнеупорных суспензий расширяется, обычные суспензии больше не могут полностью соответствовать требованиям строительства печей. Введение кианита играет значительную роль в новых огнеупорных суспензиях. При добавлении в суспензии кианитовых концентратов реакция муллитизационного расширения компенсирует усадку при высоких температурах.

VI. Применение трех минералов в сборных деталях из высокопрочных шлаковых блоков

В высокопрочных сборных шлакоблоках для выпускных каналов доменной печи добавление вспенивающих веществ позволяет материалу равномерно расширяться при различных температурах, особенно в диапазоне от 1000 до 1500°C. Это расширение компенсирует или уменьшает усадку, возникающую на разных температурных стадиях. Использование расширителей позволяет заполнить микротрещины, вызванные усадкой матрицы и внутренними напряжениями, тем самым улучшая объемную стабильность материала.

Таким образом, в различных типах аморфных огнеупорных материалов, таких как литейные изделия, пластмассы, набивочные материалы и огнеупорные суспензии, в разной степени используются три минерала - андалузит, кианит и силлиманит, причем наиболее широко используется кианит. Основной механизм заключается в разложении этих минералов при высоких температурах, что приводит к объемному расширению за счет реакции муллитизации, компенсирующей усадку аморфных тугоплавких материалов при повышенных температурах. Этот процесс приводит к положительному линейному расширению, уменьшает структурное растрескивание и повышает объемную стабильность материалов.

Кроме того, разложение этих трех минералов положительно влияет на температуру размягчения нагрузки и прочность материалов. К другим расширяющим агентам для аморфных тугоплавких материалов относится кварц (SiO2), который также компенсирует высокотемпературную усадку за счет фазовых превращений, в первую очередь расширения, связанного с превращением α-кварца (высокотемпературного кварца) в β-кварц, так как этот переход демонстрирует наиболее значительное изменение объема.

Однако в этом случае кианит превосходит кварц. Кианит обеспечивает относительно большую степень расширения и при разложении дает кристаллы муллита, которые улучшают характеристики материала при высоких температурах. Следовательно, кианит обычно используется в качестве расширяющего агента в аморфных огнеупорных материалах либо отдельно, либо в сочетании с андалузитом или силлиманитом.

Эффективное использование кианита, андалузита и силлиманита посредством реакций муллитизации может значительно улучшить свойства материала. Крайне важен тщательный выбор марки, дозировки и размера частиц в зависимости от рабочих температур; в противном случае это может привести к внутреннему разрушению, вызывающему образование трещин и снижение плотности и прочности материалов.

Эти методы используют разложение и сопутствующие реакции расширения трех минералов, а также расширение, связанное с фазовыми превращениями кварца, для компенсации высокотемпературной усадки аморфных огнеупорных материалов и улучшения объемной стабильности. Однако преимущества реакций расширения выходят за рамки этого; например, кирпичи с низкой ползучестью и серии модифицированных кирпичей с высоким содержанием глинозема, используемые в печах горячего дутья, используют реакции внутреннего расширения для повышения температуры размягчения нагрузки, сопротивления ползучести и стойкости к тепловому удару. Поэтому крайне важно эффективно использовать эти три минерала для улучшения характеристик огнеупорных материалов.