RU2382016C1 - Charge for receiving of refractory material with reduced head conduction - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: charge contains following components, wt %: zircon powder 60-85, hollow microspheres from zirconium oxide, stabilised by ittrium, of size 100-140 mcm 5-30, binder (solution of polyvinyl alcohol) - the rest.

EFFECT: reduction of heat conduction at providing of required strength of refractory material, received from charge.

1 tbl

Description

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, может использоваться для изготовления высокотемпературных материалов с пониженной теплопроводностью, в частности при производстве шихты для получения пористого тугоплавкого огнеупорного материала на основе циркона.The invention relates to the refractory industry, can be used for the manufacture of high-temperature materials with reduced thermal conductivity, in particular in the production of a mixture to obtain a porous refractory refractory material based on zircon.

Известно использование композиционных материалов, содержащих для обеспечения пористости полые микросферы. По а.с. №1169311, С04В 35/58, 1999 предложен пористый композиционный материал на основе борида циркония, содержащий полые микросферы оксида алюминия. Данный композиционный материал имеет теплопроводность и прочность, не позволяющие использовать его в качестве огнеупорного материала.It is known to use composite materials containing hollow microspheres to provide porosity. By A.S. No. 1169311, С04В 35/58, 1999 proposed a porous composite material based on zirconium boride containing hollow alumina microspheres. This composite material has thermal conductivity and strength, not allowing it to be used as a refractory material.

Известна шихта для получения пористого огнеупорного материала по патенту РФ на изобретение №2030369, С04В 38/08, 1995, включающая пустотелые корундовые микросферы, оксид алюминия и оксид ниобия. Недостатком является высокая теплопроводность получаемого материала.A known mixture for producing a porous refractory material according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2030369, С04В 38/08, 1995, including hollow corundum microspheres, alumina and niobium oxide. The disadvantage is the high thermal conductivity of the resulting material.

Известен спеченный материал на основе двуокиси циркония по патенту РФ на изобретение №2201906, С04В 35/484, 2003. Данный огнеупорный материал получен из шихты, содержащей от 5 до 40% циркония, в состав материала входят оксиды гафния, кремния, титана, иттрия, алюминия. Однако для создания тугоплавкого, огнеупорного материала бывает необходим более низкий по сравнению с данным спеченным материалом коэффициент теплопроводности.Known sintered material based on zirconium dioxide according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2201906, С04В 35/484, 2003. This refractory material is obtained from a mixture containing from 5 to 40% zirconium, the composition of the material includes oxides of hafnium, silicon, titanium, yttrium, aluminum. However, to create a refractory, refractory material, it is necessary to have a lower thermal conductivity coefficient compared to this sintered material.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран сфероидизированный плазмой керамический порошок по патенту РФ на изобретение №2299926, С23С 4/10, 2007, из химически однородного стабилизированного диоксида циркония в тетрагональной кристаллической фазе. Диоксид циркония имеет вид сферических частиц размером меньше чем 200 мкм. Недостатком является то, что весь порошок состоит из сферических полых частиц, что вызывает повышенную его пористость и, как следствие, снижение прочности. Кроме того, присутствие в порошке моноклинного диоксида циркония может привести к разрушению материала, изготовленного из порошка, в процессе его эксплуатации.As the closest analogue to the claimed technical solution, plasma spheroidized ceramic powder was selected according to the patent of the Russian Federation for invention No. 2299926, С23С 4/10, 2007, from chemically uniform stabilized zirconia in a tetragonal crystalline phase. Zirconia has the form of spherical particles smaller than 200 microns in size. The disadvantage is that the whole powder consists of spherical hollow particles, which causes its increased porosity and, as a consequence, a decrease in strength. In addition, the presence of monoclinic zirconia in the powder can lead to the destruction of the material made from the powder during its operation.

Технической задачей заявляемого изобретения является снижение теплопроводности при обеспечении достаточной прочности огнеупорного материала, получаемого из шихты.The technical task of the invention is to reduce thermal conductivity while ensuring sufficient strength of the refractory material obtained from the mixture.

Технический результат достигается за счет того, что в шихте для получения огнеупорного материала с пониженной теплопроводностью, содержащей порошок циркона и полые микросферы, согласно изобретению полые микросферы размером 100-140 мкм изготовлены из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, соотношение компонентов шихты следующее, мас.%:The technical result is achieved due to the fact that in the mixture to obtain a refractory material with reduced thermal conductivity containing zircon powder and hollow microspheres, according to the invention, hollow microspheres 100-140 μm in size are made of yttrium stabilized zirconia, the ratio of the components of the charge is as follows, wt.% :

порошок на основе цирконаzircon powder 60-8560-85 полые микросферыhollow microspheres 5-305-30 связующееbinder остальноеrest

Технический результат обеспечивается использованием в качестве материала для микросфер диоксида циркония, что обусловлено его низким коэффициентом теплопроводности λ=2-3 Вт/м·К. Стабилизирование диоксида циркония иттрием необходимо для повышения прочности материала, получаемого из шихты. Это вызвано полиморфизмом диоксида циркония и позволяет предотвратить переход его состояния из одной фазы в другую, вызывающий внутренние напряжения и разрушение материала. Использование микросфер с внутренними замкнутыми полостями обеспечивает дополнительную пористость материала, вызывающую снижение теплопроводности. Использование микросфер в пределах 5-30 мас.% от состава шихты является оптимальным для снижения теплопроводности и обеспечения необходимой прочности, т.к. при введении в шихту микросфер в количестве менее 5 мас.% сложно обеспечить их равномерное распределение в матрице, что сказывается на нестабильности характеристик получаемого материала. Введение микросфер в количестве более 30 мас.% существенно сказывается на снижении прочностных характеристик материала. Использование микросфер размером 100-140 мкм также позволяет снизить теплопроводность при сохранении достаточной прочности. Микроструктурный анализ фракции микросфер размером менее 100 мкм выявил, что они сплошные внутри. Применять их для увеличения пористости нецелесообразно. В материале микросфер размером более 140 мкм присутствует моноклинная фаза диоксида циркония, при нагреве она последовательно переходит в тетрагональную и кубическую фазы, а при охлаждении - в обратную моноклинную модификацию. Переход материала из одной формы кристаллической решетки в другую связан с его объемным изменением, что приводит к потере прочности и его разрушению.The technical result is provided by using zirconia as a material for microspheres, due to its low coefficient of thermal conductivity λ = 2-3 W / m · K. The stabilization of zirconia with yttrium is necessary to increase the strength of the material obtained from the mixture. This is caused by polymorphism of zirconium dioxide and allows you to prevent the transition of its state from one phase to another, causing internal stress and destruction of the material. The use of microspheres with internal closed cavities provides additional porosity of the material, causing a decrease in thermal conductivity. The use of microspheres within 5-30 wt.% Of the composition of the mixture is optimal to reduce thermal conductivity and provide the necessary strength, because when microspheres are introduced into the charge in an amount of less than 5 wt.%, it is difficult to ensure their uniform distribution in the matrix, which affects the instability of the characteristics of the obtained material. The introduction of microspheres in an amount of more than 30 wt.% Significantly affects the reduction of the strength characteristics of the material. The use of microspheres with a size of 100-140 microns also reduces thermal conductivity while maintaining sufficient strength. Microstructural analysis of the fraction of microspheres with a size of less than 100 microns revealed that they are continuous inside. It is impractical to use them to increase porosity. In the material of microspheres larger than 140 μm, there is a monoclinic phase of zirconium dioxide, when heated, it passes sequentially into the tetragonal and cubic phases, and upon cooling, into the reverse monoclinic modification. The transition of the material from one form of the crystal lattice to another is associated with its volumetric change, which leads to a loss of strength and its destruction.

Для приготовления шихты огнеупорного материала с пониженной теплопроводностью используют готовый порошок циркона марки Zeta Zircon Superfine с размером частиц 5,1 мкм и удельной поверхностью 5,4 м²/г. Химический состав данного порошка следующий, мас.%:To prepare a mixture of refractory material with reduced thermal conductivity, ready-made zircon powder of the Zeta Zircon Superfine brand with a particle size of 5.1 μm and a specific surface of 5.4 m ² / g is used. The chemical composition of this powder is as follows, wt.%:

ZrO₂+НfO₂ ZrO ₂ + HfO ₂ 66,266,2 SiO₂ (общий)SiO ₂ (total) 32,632.6 SiO₂ (свободный), Аl₂O₃, Fe₂O₃, TiO₂, CaO, Cr₂O₃ SiO ₂ (free), Al ₂ O ₃ , Fe ₂ O ₃ , TiO ₂ , CaO, Cr ₂ O ₃ остальноеrest

Порошок циркона смешивают с полыми микросферами из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, удельным весом 1,6 г/см³, размером 100-140 мкм. Микросферы вводят в количестве 5-30 мас.% от состава шихты. В качестве временного связующего и целевой добавки в приготовляемую шихту добавляют 4%-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС) в количестве 10% от общей массы сухих компонентов шихты. Применение ПВС в качестве временного связующего традиционно для технологии получения огнеупорных материалов. Из приготовленной шихты прессуют заготовки при давлении 80 МПа, которые в дальнейшем спекают при температуре 1600°С в течение 2 часов.Zircon powder is mixed with hollow microspheres of zirconia stabilized with yttrium, specific gravity 1.6 g / cm ³ , size 100-140 microns. Microspheres are introduced in an amount of 5-30 wt.% Of the composition of the charge. As a temporary binder and target additives in the prepared mixture add 4% aqueous solution of polyvinyl alcohol (PVA) in an amount of 10% of the total mass of dry components of the mixture. The use of PVA as a temporary binder is traditionally for the technology for producing refractory materials. Preforms are pressed from the prepared mixture at a pressure of 80 MPa, which is then sintered at a temperature of 1600 ° C for 2 hours.

Зависимость технических показателей образцов материала, полученного из данной шихты, от количества введенных полых микросфер из диоксида циркония приведена таблице.The dependence of the technical parameters of samples of the material obtained from this mixture on the number of introduced hollow microspheres of zirconium dioxide is given in the table.

Количество микросфер, мас.%The number of microspheres, wt.% Теплопроводность, Вт/м·K (при комнатной температ.)Thermal conductivity, W / m · K (at room temperature) Прочность при сжатии, МПаCompressive strength, MPa 00 7,857.85 603603 55 8,028.02 392392 1010 7,287.28 363363 15fifteen 6,516.51 306306 20twenty 5,955.95 284284 30thirty 2,852.85 186186

С увеличением в составе шихты содержания полых микросфер из оксида циркония снижается теплопроводность материалов, получаемых на ее основе. Теплопроводность материала, полученного из шихты с максимальным 30%-ным содержанием микросфер, ниже в 2,8 раза по сравнению с материалом, не содержащим данные микросферы. Прочность при сжатии этого же материала с 30%-ным содержанием полых микросфер из диоксида циркония в 2,3 раза больше регламентируемого ГОСТом показателя прочности на сжатие огнеупоров, применяемых в стекловаренных печах.With an increase in the content of hollow microspheres of zirconium oxide in the charge, the thermal conductivity of materials obtained on its basis decreases. The thermal conductivity of the material obtained from the mixture with a maximum content of 30% microspheres is 2.8 times lower compared to a material not containing these microspheres. The compressive strength of the same material with a 30% content of hollow zirconia microspheres is 2.3 times higher than the compressive strength index of refractories used in glass melting furnaces regulated by GOST.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить теплопроводность огнеупорного материала, получаемого из шихты, при обеспечении его высокой прочности.Thus, the claimed invention allows to reduce the thermal conductivity of the refractory material obtained from the mixture, while ensuring its high strength.

Claims (1)

Шихта для получения огнеупорного материала с пониженной теплопроводностью, содержащая порошок циркона и полые микросферы, отличающаяся тем, что полые микросферы, размером 100-140 мкм, изготовлены из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, соотношение компонентов шихты следующее, мас.%:
порошок циркона 60-85 полые микросферы 5-30 связующее остальное The mixture to obtain a refractory material with low thermal conductivity, containing zircon powder and hollow microspheres, characterized in that the hollow microspheres, size 100-140 microns, are made of yttrium stabilized zirconia, the ratio of the components of the charge is the following, wt.%:
zircon powder 60-85 hollow microspheres 5-30 binder rest