Предложенный материал пригоден для теплозащиты многих тепловых агрегатов в металлургии (теплоизоляция желобов, ковшей, миксеров и др.) взамен легких шамотных материалов.
Для того, чтобы перевести теплоизоляционный вспененный углеродсодержащий композиционный материал в разряд легких огнеупоров, его подвергают обжигу в режиме СВС. Поставленная цель достигается ступенчатым нагревом до порога воспламенения реагирующей системы по определенной программе в специальных электропечах в среде аргона. Общее время нагрева до момента инициирования СВС находится в пределах 65-120 мин. При температуре инициирования 650-850 оС.
Процесс высокотемпературного синтеза в реагирующей системе протекает в реакционной зоне волны горения, которая распространяется от точки инициирования в образце по всему объёму. Температурный режим нагрева образца и СВС-процесса контролируется с помощью термопар, одна из которых (ХА-термопара) помещается вблизи образца, а другая (ВР-термопара) заделывается в массу образца на глубину 5 мм. Регистрация температуры, замеренной термопарами, осуществляется с помощью милливольтметра и самописца типа КСП-4. Момент инициирования СВС определяется по термограммам появлением на них пика температуры, высота которого соответствует максимально достигаемой температуре в волне горения. Измеренные таким образом температуры для предлагаемых рецептур находятся на уровне 1400-1600оС. Надо заметить, что присутствие в составе шунгита, различных оксидов металлов (TiO2, Fe2O3 и др.) приводит к заметному (до 200оС) увеличению температуры горения по сравнению с системой SiO2-Al за счет более высокого уровня экзотермичности реакций восстановления металлов из оксидов, общая схема которых выглядит следующим образом:
R1+R2+Me(Al,Mg)=P1+P2+Q,
где R1=TiO2, Fe2O3, SiO2 и др.
R2=С,Si и др.
P1=Al2O3, MgO
P2=карбиды, силициды восстановленных из окислов элементов
Q=тепловой эффект реакции.
Эту схему можно проиллюстрировать на примере предлагаемых рецептур, в которых в качестве восстановителей выступают Al и С, а в качестве окислителей – оксиды : SiO2, TiO2, Fe2O3 и др.
Получение SiC, Al2O3×SiO2, Al4Si3 и других тугоплавких соединений в реакционной смеси SiO2+Al+C может происходить по схеме:
а) стадия восстановления
3SiO2+4Al=2Al2O3+3Si+620 кДж (3)
б) стадия синтеза
3Si+3C=SiC+345 кДж (4)
Суммарная схема реакций в волне СВС имеет вид:
3SiO2+4Al+3C=2Al2O3+3SiC+965 кДж (5)
Параллельно с этими реакциями в волне СВС протекают реакции образования кианита (Al2O3·SiO2) и силицида алюминия с выделением тепла:
Al2O3+SiO2+3Si+4Al=Al2O3·SiO2+Al4Si3 (6)
В свою очередь весь оставшийся после взаимодействия по реакциям (3) и (6) алюминий образует карбид:
4Al+3C=Al4C3 (7)
Организованная при отверждении вспученная высокопористая структура образцов из предлагаемого углеродсодержащего материала, как показывают исследования, не изменяется в процессе обжига в режиме СВС. Однако, этот технологический прием позволяет создать в объеме пористого материала с фиксированной жесткой физической структурой новые химические (Al2O3, Al2O3·SiO2,SiC,Al4Si3,Al4C3) и другие тугоплавкие соединения, обладающие более высокими механистическими и огнеупорными свойствами.
Полученные результаты показали, что после обжига образцов из предлагаемого материала в печах по СВС-технологии по сравнению с необожженными образцами той же плотности и пористости предел прочности на сжатие материала увеличивается в 1,5-2 раза в зависимости от исходной плотности материала, а верхний температурный предел применения возрастает на 100-200оС. Характеристики материалов, подвергнутых обжигу по технологии СВС, с рецептурами 2-6 приведены в табл.4.
Формула изобретения.
1. Вспененный углерод содержащий композиционный материал, включающий в свой состав минеральный наполнитель, жидкое стекло и кремний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углеродсодержащую породу – шунгит и антиоксидант – восстановитель, высокодисперстный порошок алюминия с массовым соотношением шунгит:алюминий =1,3-1,5.
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он приобретает высокие теплоизоляционные свойства по технологии «холодного» вспучивания при комнатной температуре.
3. Материал по п.1 и 2, отличающийся тем, что он приобретает свойства легкого огнеупора в результате его обжига в режиме СВС-процесса.
Таблица1
| Соотноше-ние тв/ж, мас.ч | 1:1 | 3:2 | ||||
| Соотноше-ние жс/Si,мас.ч | 2:1 | 6:1 | ||||
| t*отв мин | К**всп | r,кг/м3 | tотвю мин | Квсп | r, кг/м3 | |
| Si вводится в ЖС до затвердения шихты | 15 | 8,1 | 250 | 25 | 4,2 | 430 |
| Si вводится в ЖС одновременно с шихтой | 40 | 5,4 | 350 | 55 | 3,0 | 600 |
| *tотв – время отверждения вспученного материала в минутах | ||||||
| **Квсп—коэффициент вспучивания – кратность увеличения объемомассы | ||||||
Таблица2
| Соотноше-ние тв/ж, мас.ч | 1:1 | 1,2:1 | 1,5:1 | ||||||
| Соотноше-ние ЖС/Si,мас.ч | 3:1 | ||||||||
| Размер частиц, мКм | <63 | 63-100 | 100-160 | <63 | 63-100 | 100-160 | <63 | 63-100 | 100-160 |
| Время отверждения, мин | 10 | 25 | 40 | 10 | 30 | 60 | 15 | 30 | 120 |
| Квсп | 9,6 | 7,5 | 3,5 | 9,0 | 6,0 | 3,0 | 8,0 | 4,5 | 2,0 |
| Пористость, % | 89 | 76 | 62 | 81 | 74 | 60 | 75 | 64 | 54 |
| Кажущаяся плотность, кг/м3 | 170 | 260 | 260 | 260 | 270 | 530 | 310 | 520 | 620 |
Таблица 3
| Компоненты | Состав, масс.ч | ||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
Шихта | |||||||
| SiO2 | 400 | 470 | 450 | 250 | 300 | 225 | 300 |
| Шунгит | 120 | 150 | 150 | 150 | 120 | 100 | 100 |
| Алюминий, АСД-1 | 100 | 100 | 100 | 100 | 80 | 75 | 80 |
| Связующее | |||||||
| Жидкое стекло (ЖС) | 400 | 480 | 470 | 420 | 400 | 400 | 500 |
| Кремний (Si) | 65 | 80 | 80 | 70 | 80 | 130 | 250 |
| Отношение | |||||||
| Шихта/связ в масс.г | 1,55 | 1,50 | 1,49 | 1,19 | 1,25 | 1,0 | 0,96 |
| Отношение ЖС/Si, в мас.ч | 6,15 | 6,0 | 5,85 | 6,0 | 5,0 | 3,08 | 2,0 |
| Свойства | |||||||
| Плотность, кг/м3 | 650 | 600 | 520 | 430 | 350 | 250 | 180 |
| Коэффициент вспучивания | 2,0 | 3,0 | 3,7 | 4,2 | 5,4 | 8,1 | 8,6 |
| Пористость,% | 51 | 60 | 63 | 71 | 75 | 81 | 92 |
| Предел прочности на сжатие, МПс | 16,2 | 13,0 | 9,6 | 6,4 | 5,1 | 3,8 | 0,6 |
| Коэффициент теплопроводности при 20оС, Вт/мК | 0,20 | 0,18 | 0,15 | 0,11 | 0,09 | 0,08 | 0,07 |
| Термостойкость,оС | 130 | 1250 | 1100 | 950 | 800 | ||
| Температура применения, оС | 1400 | 1300 | 1200 | 1150 | 1050 | ||
Таблица4
| Свойства | Состав, №п/п | ||||
| 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Плотность, кг/м3 | 610 | 530 | 430 | 350 | 250 |
| Предел прочности на сжатие, Мпа | 25,3 | 18,0 | 11,6 | 8,3 | 6,4 |
| Коэффициент теплопроводности при 20оС, Вт/мК | 0,16 | 0,13 | 0,10 | 0,08 | 0,07 |
| Термостойко-сть, оС, не менее | 1350 | 1300 | 1200 | 1000 | 850 |
| Температура применения оС, не менее | 1600 | 1400 | 1350 | 1200 | 1000 |