Система производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья

Авторы патента:

C04B22 - Использование неорганических материалов в качестве активных ингредиентов для строительных растворов, бетона или искусственных камней, например ускорителей

C04B18 - Использование агломерированных или отработанных материалов или отходов в качестве наполнителей для строительных растворов, бетона или искусственных камней (использование отработанных материалов для производства цемента C04B 7/24); обработка агломерированных или отработанных материалов или отходов, специально предназначенная для усиления их наполняющих свойств в строительных растворах, бетоне или искусственных камнях

Полезная модель относится к области промышленного производства и строительства, более конкретно, к системе производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья на фосфатном связующем и может найти применение при производстве широкой гаммы сравнительно дешевых огнеупорных керамических изделий, в том числе, для оснащения и футеровки высокотемпературных агрегатов при строительстве сооружений гражданского и промышленного назначения.

Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание эффективной системы производства огнеупорных изделий различной номенклатуры с использованием сравнительно дешевого алюмосиликатного и кварц-пирофиллитового сырья на фосфатном связующем, при этом огнеупорные изделия должны обладать гарантированными структурными, геометрическими, механическими и теплофизическими характеристиками. Дополнительной к названной задаче является разработка и создание легко налаживаемого технологического оборудования для изготовления огнеупорных изделий различного назначения и номенклатуры. Для получения такого рода огнеупоров в системе производства могут использоваться некоторые виды отходов промышленности.

Указанная задача решается тем, что в системе производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья, содержащей отделения подготовки компонентов шихты, подготовки фосфатного связующего, смешивания компонентов шихты и связующего в виде однородной суспензии, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки, согласно полезной модели, первое отделение подготовки компонентов шихты содержит последовательно расположенные первый участок для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья, второй участок для сухого и мокрого помола компонентов шихты по фракциям и третий участок для сушки и повторного дробления коржей тонкомолотых фракций указанных компонентов, второе отделение подготовки фосфатного связующего содержит оборудование для получения водного раствора ортофосфорной кислоты или ее металлофосфатных соединений, выходы первого и второго отделений связаны через указанные третье отделение смешивания и четвертое отделение формовки с входом в пятое отделение термической обработки полуфабрикатов изделий, снабженное оборудованием для их нагрева до температуры в диапазоне 120-1200°С со скоростью 20-100°С/час.

Кроме того, первый участок первого отделения может содержать оборудование для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья при температуре 1100-1200°С, а второй участок указанного отделения может содержать оборудование для сухого грубого помола компонентов шихты до фракции 10-1 мм и последующего мокрого тонкого помола указанных компонентов до фракции 50-5 мкм.

Кроме того, третье отделение может содержать оборудование для предварительного смешивания различных фракций кварц-пирофиллитового сырья, алюмосиликатного сырья в виде шамота и огнеупорной глины при следующем соотношении компонентов, % масс.:

кварц - пирофиллит 40-50,

шамот 10-45,

огнеупорная глина - остальное.

Кроме того, четвертое отделение формовки полуфабрикатов изделий может содержать, по крайней мере, один агрегат полусухого или пластического формования, снабженный сменной оснасткой для получения изделий различной номенклатуры.

Кроме того, шихта может содержать шамот в виде отходов промышленных предприятий.

Описание на 10 л., илл. 1 л.

Известна гибкая система производства огнеупорных изделий из стеклокристаллической пенокерамики, включающая отделение подготовки шихты на основе глинистого сырья, линию формовки полуфабриката, обжиговую печь и средства для регулировки режимов ее работы (см патент РФ №55769, опубл. в бюл. №24, 2006 г.)

Особенностью известной системы является то, что отделение подготовки шихты содержит оборудование для подготовки компонентов шихты на основе легкоплавких глин с дополнительными ингредиентами, преимущественно, в виде стеклокристаллических наполнителей и газообразующих добавок, линия формовки полуфабриката содержит прессовое оборудование, снабженное дополнительной сменной оснасткой, включающей, по крайней мере, два формообразующих компонента для изделий различной номенклатуры, обжиговая печь выполнена в виде туннельной конвейерной печи щелевого типа, на выходе которой размещен участок механической обработки, содержащий оборудование для калибровки изделий по размерам целевого продукта, при этом система снабжена средствами для согласования режимов работы помольного, смесительного и прессового оборудования.

К недостаткам известной системы следует отнести сравнительно высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с использованием для обжига полуфабриката достаточно сложного оборудования, в том числе, дорогостоящей туннельной конвейерной печи щелевого типа, обеспечивающей температуру в рабочем объеме 1350°С и выше.

Кроме того, известная система характеризуется сравнительно низкой скоростью транспортировки полуфабрикатов изделий и значительным разбросом их размеров при увеличении объема неорганического вспенивателя, что ограничивает производительность производства огнеупорных изделий.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является система производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья, содержащая отделения подготовки компонентов шихты, подготовки фосфатного связующего, смешивания компонентов шихты и связующего в виде однородной суспензии, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки (см. Шаяхметов У.Ш. Фосфатные композиционные материалы и опыт их применения. - Уфа: РИЦ «Старая Уфа», 2001 г., с.134 - прототип).

Известная система предназначена для производства огнеупорных изделий алюмосиликатного состава, в том числе, для футеровки топок и фурм топок судовых паровых котлов морского флота с рабочей температурой не более 1550°С. Особенностью известной системы производства является наличие участков подготовки компонентов наполнителя: электрокорунда, -модификации оксида алюминия и нитрида кремния. При этом в качестве вяжущего шихты используется алюмохромфосфатное связующее. Система содержит отделение для перемешивания всех компонентов до получения однородной массы шихты, отделение для формования трамбовочным прессом из полученной шихты полуфабрикатов изделий и отделение для их термообработки при температуре до 600°С в течение 12 часов с последующей выдержкой для выхода из режима термообработки.

К недостаткам известной системы следует отнести сравнительно низкие термомеханические характеристики и малую долговечность производимых огнеупорных изделий, предназначенных для эксплуатации в условиях интенсивного воздействия вибрационных нагрузок и тепловых ударов при циклическом нагреве футеровки топок высокотемпературных агрегатов. Известная сложность конфигурации обмуровки обуславливают необходимость использования большого числа типоразмеров огнеупоров, что, с учетом указанных воздействий на элементы конструкции футеровки, приводят к быстрому ее выходу на ремонт. Для известной системы достаточно сложно добиться высокой производительности выпуска огнеупорных изделий указанного состава и воспроизведения их теплофизических параметров для большого числа фасонов и типоразмеров.

В частности, по этим причинам производителем данных огнеупорных изделий ГУП «БашНИПИстром» был разработан состав высокотемпературной обмазочной массы для ремонта вышедших из строя огнеупорных изделий непосредственно на рабочих поверхностях футеровки топок судовых паровых котлов.

кварц - пирофиллит 40-50,

шамот 10-45,

огнеупорная глина - остальное.

Кроме того, шихта может содержать шамот в виде отходов промышленных предприятий.

Такое выполнение системы производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья на фосфатном связующем позволяет решить поставленную задачу повышения ее эффективности за счет использования сравнительно дешевого кварц-пирофиллитового сырья и современной легко налаживаемой технологической линии подготовки, формовки и термообработки полуфабрикатов изделий из указанных компонентов шихты.

Как показали результаты опытно-промышленных разработок, проведенных в БГПУ им. М.Акмуллы, предложенная система позволяет получать огнеупорные изделия различной номенклатуры с гарантированными структурными, геометрическими, механическими и теплофизическими свойствами.

При этом первый участок первого отделения системы обеспечивает предварительный технологический обжиг полевошпатного концентрата кварц-пирофиллитового сырья. Согласно опытным данным дегидратация и рекристаллизация кварцевой составляющей сырья обеспечивается в указанном диапазоне температур 1100-1200°С. Второй и третий участки системы обеспечивают необходимые помол компонентов, сушку и повторное дробление наполнителя для последующего смешения с указанным фосфатным связующим и формовки полуфабрикатов изделий с использованием сменной оснастки для получения изделий различной номенклатуры.

Термическая обработка полуфабрикатов изделий в пятом отделении обеспечивается при их нагреве до температуры в указанном диапазоне и с указанной скоростью. При этом снижение температуры нагрева полуфабрикатов изделий менее 120°С с заданным содержанием компонентов наполнителя и скоростью нагрева в указанном диапазоне не позволит получить прочные и термостойкие изделия, а превышение температуры нагрева полуфабрикатов изделий более 1200°С связано с дополнительным усложнением оборудования пятого отделения системы при тех же скоростях нагрева.

Указанный диапазон скорости нагрева полуфабрикатов изделий 20-100°С/час также является оптимальным при изготовлении высококачественных огнеупорных изделий приведенного состава и получен из экспериментальных данных. Оборудование второго участка для сухого грубого помола компонентов наполнителя должно обеспечить помол до фракции не более 10 мм по причине сложности последующего формообразования и низкого качества полуфабрикатов некоторых видов изделий малой толщины при полусухом прессовании. Помол основной массы компонентов наполнителя в мельницах грубого помола до фракции 1 мм достаточен для последующего тонкого помола. Условия последующего мокрого тонкого помола компонентов шихты до фракции более 50 мкм, в частности, затрудняет получение полуфабрикатов изделий высокого качества при некоторых видах пластического формования и прессования, а снижение тонкости помола менее 5 мкм связано с дополнительными затратами на помол.

В качестве компонентов шихты, согласно полезной модели, предложено использовать кварц-пирофиллитовое сырье, шамот и огнеупорную глину при указанном соотношении компонентов, которое было найдено в результате большого числа экспериментальных исследований, проведенных в БГПУ им. М.Акмуллы с целью получения высококачественных огнеупорных изделий различной номенклатуры.

Указанное содержание в шихте кварц - пирофиллитового сырья (40-50%) является весьма выгодным из-за его низкой стоимости и, при этом, обеспечивает для предложенных видов подготовки компонентов наполнителя и вяжущего благоприятные условия производства огнеупорных изделий заданного качества. Дополнительное количество глинистого шамота (5-45%) различного происхождения, в том числе, в виде отходов промышленных предприятий и огнеупорной глины в остатке позволяет расширить диапазон тепловых и физико-механических характеристик огнеупорных изделий и, соответственно, их номенклатуру.

В качестве фосфатного вяжущего в предложенной системе производства огнеупорных изделий может использоваться водный раствор ортофосфорной кислоты, получаемой термическим или более дешевым экстракционным способом. Кроме того, в качестве вяжущего в ряде случаев можно использовать металлофосфатные соединения фосфорной кислоты - алюмофосфатное (АФС) или алюмохромфосфатное (АХФС) связующее, широкое применение которых объясняется разнообразием свойств, приобретаемых в зависимости от вида исходного сырья, наполнителя и технологических параметров их получения (см. предыдущую ссылку, стр.39). Указанные виды растворов являются испытанными и эффективными связующими для самых разнообразных составляющих компонентов шихты, в том числе, для указанных твердофазных наполнителей, включающих кварц-пирофиллитовое и алюмосиликатное сырье в виде шамота иогнеупорной глины.

Таким образом, предложенное выполнение системы производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья на основе фосфатного связующего позволяет решить поставленную задачу создания высококачественных огнеупорных изделий различной номенклатуры с гарантированными структурными, геометрическими, механическими и теплофизическими характеристиками, в том числе, конструкционные и профильные облицовочные огнеупорные плиты, стеновые огнеупорные блоки для футеровки и оснащения рабочих объемов теплонапряженных агрегатов и иные изделия подобного назначения.

При этом предложенная система может быть внедрена на предприятии, оснащенном стандартным оборудованием керамического производства и необходимым количеством сменных формообразующих элементов полусухого или пластического формования, что в значительной степени снижает затраты на производство огнеупорных изделий различного назначения по сравнению с их производством на аналогичных предприятиях, ориентированных на выпуск однотипной продукции.

На фиг.1 показана принципиальная блок-схема системы производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья.

Предложенная система содержит первое отделение 1 подготовки компонентов шихты, включающее первый участок 2 для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья, второй участок 3 с площадками 4, 5 для сухого и мокрого помола компонентов наполнителя по фракциям и третий участок 6 с площадками 7, 8 для сушки и повторного дробления коржей тонкомолотых фракций наполнителя.

Второе отделение 9 подготовки фосфатного связующего содержит оборудование, включающее емкости 10, 11, 12 для термической ортофосфорной кислоты и/или растворов алюмофосфатного (алюмохромфосфатного) связующего и технической воды, выходы которых соединены через дозаторы 13 с емкостью 14 для получения вяжущего раствора необходимой концентрации. На вход третьего отделения 15 из первого отделения 1 через дозаторы 16 поступают твердофазные компоненты шихты, а из второго отделения 9 через дозатор 17 поступает вяжущий раствор. При этом третье отделение 15 содержит оборудование для предварительного сухого и затем влажного смешивания компонентов, например, в виде бетоносмесителей - бегунов 18 для получения шихты в виде однородной суспензии.

Четвертое отделение 19 формовки полуфабрикатов изделий может включать агрегаты 20 полусухого и/или агрегаты 21 пластического формования, снабженные сменной оснасткой 22, 23 для получения полуфабрикатов изделий различной номенклатуры. Пятое отделение 24 для термической обработки полуфабрикатов изделий содержит оборудование двух типов. Первый - в виде шкафов 25 для низкотемпературного нагрева полуфабрикатов (в диапазоне 120-600°С со скоростью 20-100°С/час) для готовых изделий, эксплуатируемых при рабочих температурах в диапазоне 900-1200°С. Второй тип оборудования выполнен в виде нагревательных печей 26 на температуру 500-1200°С при той же скорости нагрева для готовых изделий, эксплуатируемых при более высоких рабочих температурах, достигающих 1500°С и выше.

Первый участок 2 первого отделения 1 содержит обжиговую печь 27 для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья при температуре 1100-1200°С, а его второй участок 3 содержит оборудование в виде щековых дробилок 28 для независимого сухого грубого помола каждого из компонентов наполнителя (кварц-пирофиллитового сырья, алюмосиликатного сырья в виде шамота и огнеупорной глины) до фракции 10-1 мм. Кроме того, участок 3 содержит виброситовые устройства 29 и шаровые мельницы 30, 31 для последующего сухого и мокрого тонкого помола указанных компонентов до фракции 50-5 мкм. Как было отмечено, для достижения указанных пропорций компонентов наполнителя шихты и связующего на выходе первого отделения 1 и второго отделения 9 установлены дозаторы 16,17.

В каждом конкретном случае реализации предложенной системы производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья твердофазный наполнитель шихты может использоваться при следующем соотношении компонентов по указанным ниже вариантам (% масс).

1. вариант.

Компоненты: кварц - пирофиллит - 40, шамот - 45, остальное - огнеупорная глина; разбивка указанных компонентов по грубым фракциям 5-1 мм и тонким фракциям 30-10 мкм. Для указанного варианта связующим является 75% ортофосфорная кислота. Формовка полуфабриката осуществляется методом полусухого прессования в виде прямоугольных в плане плиток нескольких типоразмеров при наличии соответствующей сменной оснастки с использованием стандартного прессового оборудования на рабочее давление 8 МПа. В отделении термической обработки полуфабрикатов используется оборудование в виде сушильных шкафов на рабочую температуру 120-600°С.

2 вариант.

Компоненты: кварц - пирофиллит - 50, шамот - 5, остальное - огнеупорная глина; разбивка по фракциям, соответственно, 10-2 мм и 40-10 мкм; связующим является 78% ортофосфорная кислота. Формовка полуфабриката осуществляется также методом полусухого прессования в виде фигурных деталей футеровки лабораторной печи нескольких типоразмеров с использованием пресса на давление 15 МПа и сменной оснастки. В отделении термической обработки полуфабрикатов используется оборудование в виде сушильных шкафов на рабочую температуру 120-600°С.

3 вариант.

Компоненты: кварц - пирофиллит - 45, шамот - 25, остальное - кремнезем, разбивка по фракциям, соответственно, 8-4 мм, 50-5 мкм; связующим является АХФС плотностью 1,7 г/см³. Полуфабрикат получают методом пластического формования в виде фасонных частей секторного типа для футеровки свода специализированной высокотемпературной печи при удельном давлении пластического формования 35 МПа. В отделении термической обработки полуфабрикатов используется оборудование в виде нагревательных печей на рабочую температуру 500-1200°С.

Для данных случаев реализации предложенной системы используется готовое фосфатное связующее в виде термической ортофосфорной кислоты (ГОСТ 10670 с концентрацией более 73%) или раствора АХФС (ТУ 6-18-166-83) с добавлением технической воды (ГОСТ 23732-79) для достижения необходимой плотности вяжущего раствора и суспензии.

Система производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья функционирует следующим образом.

Из складских помещений (не показаны) компоненты наполнителя шихты (кварц-пирофиллитовое сырье, шамот в виде отходов промышленных предприятий и огнеупорная глина) в необходимых количествах с произвольным фракционным составом транспортируют на рабочие площадки первого отделения 1 системы для подготовки компонентов наполнителя шихты. Одновременно на вход второго отделения 9 системы в емкости 10, 11,12 подают термическую ортофосфорную кислоту, АХФС и техническую воду. Поступающий на первый участок 2 первого отделения 1 концентрат кварц-пирофиллитового сырья направляют в обжиговую печь 27 для его предварительной термической обработки при температуре 1150°С перед подачей на участок 3 для грубого и затем тонкого помола.

На площадке 4 второго участка 3 с помощью оборудования 28, 29 осуществляют независимый грубый сухой помол компонентов шихты сначала в щековой дробилке 28 до фракции 50-10 мм и затем в вибро ситовом устройстве 29 до фракции 10-1 мм. После этого на площадке 5 второго участка 3 выполняют тонкий сухой и затем мокрый помол каждого из компонентов шихты на шаровых мельницах 30, 31 до фракции 50-5 мкм с последующей сушкой на площадке 7 третьего участка 6 и повторного дробления коржей тонкомолотых фракций указанного компонента наполнителя на шаровой мельнице сухого помола на площадке 8 участка 3.

Каждый из указанных компонентов наполнителя шихты, поступающих на участки 1,2,3 одновременно подвергаются грубому и тонкому помолу на указанном оборудовании. Подготовленные компоненты наполнителя шихты требуемого процентного и фракционного состава, а также раствора связующего, через соответствующие дозаторы 16, 17 направляют на вход третьего отделения 15 для предварительного сухого, а затем мокрого смешивания компонентов шихты и связующего с помощью бетоносмесителя - бегуна 18 для получения шихты в виде однородной суспензии.

Фосфатное связующее заданного состава для получения данного вида огнеупорных изделий из соответствующих компонентов наполнителя, получают, направляя концентрат термической ортофосфорной кислоты и/или раствора АХФС из отдельных баков емкостей 10, 11 и технической воды из емкости 12 в смесительную емкость 14 через дозаторы 13 для их независимого смешивания в требуемом технологическим процессом соотношении. На выходе третьего отделения 15 возможно получение одного или нескольких видов шихты в виде однородной суспензии различного состава или вязкости для последующей формовки нескольких типов полуфабрикатов изделий методами полусухого или пластического формования.

Полусухое формование полуфабрикатов изделий осуществляют с помощью агрегатов 20, а пластического формования - на агрегатах 21, которые могут быть снабжены сменной оснасткой 22, 23 для получения изделий различной номенклатуры. Полученные полуфабрикаты направляют в пятое отделение 24 для термической обработки изделий с помощью сушильных шкафов 25 для их нагрева до температуры в диапазоне 120-600°С со скоростью 20-100°С/час или с помощью нагревательных печей 26 на рабочую температуру 500-1200°С с той же скоростью нагрева. Следует отметить, что основные технические характеристики огнеупорных изделий, изготовленных с использованием предложенной системы производства по указанным выше вариантам, при прочих равных условиях, соответствуют лучшим образцам огнеупорных изделий, выпускаемых современными керамическими предприятиями. Температура применения огнеупорных изделий, производимых по указанным выше вариантам, находится в диапазоне от 1000 до 1400°С и выше, предел прочности при сжатии находится в пределах от нескольких единиц до десятков МПа, линейная усадка - менее 1%, объемная масса - в диапазоне 0,5-2,5 г/см³, количество теплосмен в рабочем режиме - более 100.

Одним из важнейших преимуществ предложенной системы является то обстоятельство, что смена выпуска изделий той или иной номенклатуры осуществляется не путем изменения технологической цепочки, а лишь переналадкой режимов работы некоторых агрегатов системы и использования сменной оснастки 22, 23 при реализации возможности полной автоматизации и механизации производства. На оборудовании предложенной гибкой системы производства можно вырабатывать современные огнеупорные изделия, отличающиеся широкой номенклатурой и высокими потребительскими характеристиками. Строительные и промышленные огнеупорные изделия из алюмосиликатного и кварц-пирофиллитового сырья на фосфатном связующем являются новейшим достижением современной индустрии. Предложенная система производства огнеупорных изделий является перспективной по многим технологическим и экономическим показателям, в том числе, по комплексу характеристик и номенклатуре возможной продукции, которая может оказаться вне конкуренции на современном рынке огнеупорных материалов. Основные технологические принципы создания предложенной системы производства изделий из алюмосиликатного и кварц-пирофиллитового сырья основаны на результатах экспериментальных и проектно-конструкторских разработок, выполненных в разное время в Уфимском ГУЛ «БашНИПИстром» с участием ИПМ НАН Украины, ИПСМ РАН РБ, ИВТ РАН и других организаций. Основные технологические схемы производства указанной продукции были опробованы на ряде промышленных предприятий, в том числе, на ОАО «Стеклонит», Уфимском заводе «ВИТА», ОАО АК «Башстром» и ряде кирпичных и опытно-керамических заводах РФ.

1. Система производства огнеупорных изделий из алюмосиликатного сырья, содержащая отделения подготовки компонентов шихты, подготовки фосфатного связующего, смешивания компонентов шихты и связующего в виде однородной суспензии, формовки полуфабрикатов изделий и их термической обработки, отличающаяся тем, что первое отделение подготовки компонентов шихты содержит последовательно расположенные первый участок для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья, второй участок для сухого и мокрого помола компонентов шихты по фракциям и третий участок для сушки и повторного дробления коржей тонкомолотых фракций указанных компонентов, второе отделение подготовки фосфатного связующего содержит оборудование для получения водного раствора ортофосфорной кислоты или ее металлофосфатных соединений, выходы первого и второго отделений связаны через указанные третье отделение смешивания и четвертое отделение формовки с входом в пятое отделение термической обработки полуфабрикатов изделий, снабженное оборудованием для их нагрева до температуры в диапазоне 120-1200°С со скоростью 20-100°С/ч.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первый участок первого отделения содержит оборудование для обжига концентрата кварц-пирофиллитового сырья при температуре 1100-1200°С, а второй участок указанного отделения содержит оборудование для сухого грубого помола компонентов шихты до фракции 10-1 мм и последующего мокрого тонкого помола указанных компонентов до фракции 50-5 мкм.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что третье отделение содержит оборудование для предварительного смешивания различных фракций кварц-пирофиллитового сырья, алюмосиликатного сырья в виде шамота и огнеупорной глины при следующем соотношении компонентов, мас.%:

кварц-пирофиллит	40-50
шамот	10-45
огнеупорная глина	остальное

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что четвертое отделение формовки полуфабрикатов изделий содержит, по крайней мере, один агрегат полусухого или пластического формования, снабженный сменной оснасткой для получения изделий различной номенклатуры.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что шихта содержит шамот в виде отходов промышленных предприятий.