Волокнисті теплоізоляційні матеріали на основі композицій системи Al2О3-SiO2-MgO-P2O5 - Автореферат

Пріоритетним напрямком технічного розвитку енергоємних галузей промисловості України є розробка ресурсозберігаючих технологій, що забезпечують зменшення енергетичних, матеріальних та трудових витрат. Досвід застосування теплоізоляційних волокнистих матеріалів показав, що на 5-30 % знижуються витрати палива під час експлуатації агрегатів, в 10 разів зменшується видаток вогнетривів та в 5-6 разів - трудові затрати на створення конструкцій теплоогороджень. На сьогоднішній день для служби в високотемпературних агрегатах в Україні випускаються тільки мулітокремнеземисті волокна та вироби з них, температура експлуатації яких не перевищує 1250 0С. З урахуванням сучасних тенденцій щодо розвитку нових і зростанню продуктивності існуючих технологій необхідним є удосконалення властивостей продукції, що вже виготовляється, та створення нових волокнистих теплоізоляційних матеріалів для застосування при температурах до 1400 0С. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: дослідити фазові рівноваги в системі Al2O3-SIO2-MGO-P2O5, вивчити субсолідусну будову та виконати повну розбивку чотирикомпонентної системи Al2O3-SIO2-MGO-P2O5 на елементарні тетраедри, визначити їх обєми і ступені асиметрії; побудувати топологічний граф взаємозвязку, а також надати повну геометро-топологічну характеристику фаз;Проаналізовано стан питання щодо волокон, які одержують на основі сполук системи Al2O3-SIO2-MGO-P2O5 та можуть бути використані для створення високотемпературної теплоізоляції. Найбільш широко застосовуються у світовій і вітчизняній промисловості волокна на основі бінарної системи Al2O3-SIO2 з вмістом 45-52 % вогнетривкого оксиду Al2O3 і 48-55 % склоутво-рюючого оксиду SIO2. Приведено огляд існуючих засобів одержання виробів з волокон, надано характеристику їх основних властивостей. Основним вихідним матеріалом для одержання теплоізоляційних виробів служили мулітокремнеземисті волокна марки МКРР-130 (ГОСТ 23619-91); як звязуючі речовини використовували: магній фосфорнокислий, 15-водяний MGHPO4·15H2O, марки “Ч”, ТУ 6-09-1930-89, алюміній фосфорнокислий Al(H2PO4)3, марки “Ч”, ТУ 6-09-808-92, рідке алюмофосфатне звязуюче марки АФС-Н, ТУ У 6-00209740.015-98. Визначено процеси, що відбуваються при твердінні звязуючого матеріалу і формуванні адгезійних контактів між волокнами, вивчено фазо-та структуроутворення у виробах під дією температур 1000-1400 0С.В роботі вперше досліджено фазові рівноваги в тугоплавкій неметалічній системі Al2O3-SIO2-MGO-P2O5, розроблена її субсолідусна будова, що дозволило встановити перспективні області складів для одержання теплоізоляційних матеріалів на основі мулітокремнеземистих волокон та фосфатних звязуючих. Розроблено технологію теплоізоляційних плит, що мають низьку теплопровідність (? 600 ? 0,19 Вт/(м·К)) та мінімальну лінійну усадку (до 3 %) при нагріванні до температури служби 1400 0С. Вперше здійснено розбивку чотирикомпонентної системи Al2O3-SIO2-MGO-P2O5 на елементарні тетраедри, для яких розраховано обєми і ступені асиметрії, побудовано топологічний граф їх взаємозвязку, надано повну геометро-топологічну характеристику фаз системи. З залученням сучасних методів досліджень вивчено фізико-хімічні закономірності процесів, що відбуваються в мулітокремнеземистих волокнах і алюмофосфатному звязуючому під час нагрівання до температури 1400 0С. Встановлено, що при нагріванні в присутності рідкого алюмофосфатного звязуючого, яке покриває волокна та заповнює міжволоконний простір, сповільнюється процес кристалізації муліта у волокнах, що призводить до підвищення термічної стабільності волокнистих виробів майже на 30%.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

1. В роботі вперше досліджено фазові рівноваги в тугоплавкій неметалічній системі Al2O3-SIO2-MGO-P2O5, розроблена її субсолідусна будова, що дозволило встановити перспективні області складів для одержання теплоізоляційних матеріалів на основі мулітокремнеземистих волокон та фосфатних звязуючих. Встановлена принципова можливість застосування порошкоподібних аллюмо-, магнійфосфатних звязуючих для виготовлення волокнистих виробів. Розроблено технологію теплоізоляційних плит, що мають низьку теплопровідність (? 600 ? 0,19 Вт/(м·К)) та мінімальну лінійну усадку (до 3 %) при нагріванні до температури служби 1400 0С. Передбачено термічну обробку виробів при 600-650 0С, що дозволить знизити паливно-енергетичні витрати при їх виробництві за рахунок виключення з технологічного процесу високотемпературного випалу.

2. Вперше здійснено розбивку чотирикомпонентної системи Al2O3-SIO2-MGO-P2O5 на елементарні тетраедри, для яких розраховано обєми і ступені асиметрії, побудовано топологічний граф їх взаємозвязку, надано повну геометро-топологічну характеристику фаз системи.

3. Розраховано температури плавлення і склади евтектик у бінарних і трикомпонентних перетинах області AP-M3P-A3S2-S-M2A2S5. Обгрунтовано доцільність вибору сполук АР і М3Р як високотемпературостійких звязуючих речовин для виробів на основі мулітокремнеземистих волокон.

4. З залученням сучасних методів досліджень вивчено фізико-хімічні закономірності процесів, що відбуваються в мулітокремнеземистих волокнах і алюмофосфатному звязуючому під час нагрівання до температури 1400 0С. Встановлено механізм утворення адгезійних контактів за рахунок кристалізації в звязці ALPO4-кристобафіту, який “добудовує” волокнистий каркас виробів та забезпечує їм міцність при високих температурах.

5. Встановлено, що при нагріванні в присутності рідкого алюмофосфатного звязуючого, яке покриває волокна та заповнює міжволоконний простір, сповільнюється процес кристалізації муліта у волокнах, що призводить до підвищення термічної стабільності волокнистих виробів майже на 30%. Встановлено вплив фосфатних звязуючих та технологічних параметрів виробництва на властивості волокнистих виробів.

6. Розроблено технологію волокнистих теплоізоляційних виробів, які мають низьку теплопровідність, низьку уявну щільність, достатню міцність та малу лінійну усадку, що дозволяє рекомендувати їх як ефективний теплоізоляційний матеріал для служби при температурах до 1400 0С.

7. Вперше випробувано застосування порошкоподібних магній- та алюмофосфатних звязуючих для одержання виробів із мулітокремнеземистих волокон. Встановлено механізм формування волокнистого каркасу виробів за допомогою контактів, що утворюються в місцях перетину волокон та зерен звязки. Встановлено, що оптимальним є введення порошкоподібних магнійфосфату в комбінації з алюмофосфатом у загальній кількості 10-15% при їх співвідношенні 1:1 - 1:2.

8. Розроблено технологічну інструкцію на процес виготовлення теплоізоляційних плит на основі мулітокремнеземистих волокон і комбінованого звязуючого, здійснено випуск дослідно-промислової партії теплоізоляційних плит в умовах ВАТ “Сіверський комбінат” (м. Сіверськ, Донецька обл.), що у даний час проходять промислові випробування увипалювальній печі ДП “Артемівський завод стінових матеріалів” (м. Артемівськ, Донецька обл.) і мають позитивні результати.