Савіна Людмила Костянтинівна. Карбідкремнієві вогнетриви на нітридкремнієвій зв'язці

brief description

Савіна Людмила Костянтинівна. Карбідкремнієві вогнетриви на нітридкремнієвій зв'язці : дис... канд. техн. наук: 05.17.11 / Національний технічний ун-т "Харківський політехнічний ін-т". - Х., 2005.

Савіна Л.К. Карбідкремнієві вогнетриви на нітридкремнієвій зв’язці. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.11 технологія тугоплавких неметалічних матеріалів. Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2005.
Дисертацію присвячено питанню розробки та впровадженню технології виробництва карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці. Встановлено, що активація частинок кремнію шляхом подрібнення в середовищі рідкого азоту, внаслідок більш високої дефектності поверхні частинок та їх тонкопластинчастої форми, не тільки сприяє максимальній повноті реакціі синтезу нітриду кремнію, а і знижує температуру її проходження (до 1350-1370 С). Встановлено доцільність використання добавки FeSi (1 %) разом з вуглецем (0,7 %) у складі шихти вогнетрива (понад 100 %), яка забезпечує рівномірність структури і фазового складу виробів. Експериментально обгрунтовано доцільність випалу карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці за багатоступеневим режимом з ізотермічними витримками через кожні 20 С починаючи з 1250 С. Встановлено механізм впливу виду тимчасових органічних зв’язок на структуру, фазоутворення і властивості карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці. Встановлено оптимальну кількість добавки ГКР-11Н для розрідження суспензій із SiC і Si та розроблено технологію вібролиття карбідкремнієвих виробів на нітридкремнієвій зв’язці. Розроблені технології пресованих та вібролитих карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці впроваджено у виробництво.

На підставі результатів виконаних досліджень вирішено науково-практичну задачу створення ефективних вітчизняних технологій виготовлення конкурентоспроможних вогнетривких карбідкремнієвих виробів на нітридкремнієвій зв’язці різних типорозмірів із сировини України.
1. Враховуючи результати досліджень впливу способу подрібнення кремнію (у повітряному середовищі та у середовищі рідкого азоту) на морфологію і питому поверхню частинок кремнію, встановлено, що кремній, який подрібнено в середовищі рідкого азоту, в порівнянні з кремнієм дрібнодисперсним (товарним) має більшу в 1,5 рази питому поверхню (12 проти 8 м2/г) за рахунок більш високої дефектності поверхні частинок та їх тонкопластинчастої форми, при практично однаковому середньому розмірі частинок. Частинки кремнію, що мелений в середовищі рідкого азоту, на відміну від кремнію дрібнодисперсного і меленого в повітряному середовищі, не агрегатуються і мають більшу реакційну здатність.
2. Теоретично обгрунтовано і експериментально доведено, що в порівнянні з кремнієм, який мелений в повітряному середовищі, та дрібнодісперсним (товарним) застосування кремнію, що мелений в середовищі рідкого азоту, не тільки істотно активує процес реакційного спікання, підвищує ступінь повноти синтезу нітриду кремнію (на 6-7 %), міцність (у 3 рази) і уявну щільність (на 0,27 г/см3), але і зсовує температурний інтервал максимуму швидкості реакції азотування кремнію у бік нижчих температур (від 1450 С до 1350-1370 С).
3. Дослідженнями процесів фазо- і структуроутворення встановлено особливості впливу добавок Fe2O3і FeSi у взаємозв’язку з морфологією і питомою поверхнею частинок кремнію на повноту синтезу Si3N4. Показано, що добавкою, яка забезпечує в щільноспресованому сирці вогнетрива максимальну повноту реакції синтезу Si3N4, рівномірність структури і фазового складу при одночасному зниженні температури спікання (на 80 С), є добавка FeSi (1 %) разом з вуглецем (0,7 %) (понад 100 %). Застосування такої добавки сприяє утворенню -Si3N4.
4. Досліджено вплив різних тимчасових органічних зв’язок (ЛСТ, меляси і продуктів нафтопереробки) на властивості карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці. Встановлено механізм впливу тимчасових зв’язок на фазо- и структуроутворення вогнетриву. Показано, що при використанні меляси і продуктів нафтопереробки в стадії нагріву існує температурний інтервал (570-720 С), в якому відбувається інтенсивне видалення летких компонентів, виникає пружна післядія і розущільнення структури. Це приводить до зростання газопроникливості структури і розмірів виробів до 0,1-0,4 %, що позитивно впливає на діфузію азоту, повноту синтезу основної фази нітриду кремнію і утворенню додаткових фаз -SiC і Si2ОN2. Експериментально показано і термодинамічними розрахунками підтверджено, що при застосуванні меляси і продуктів нафтопереробки спочатку йде утворення -SiC і Si2ОN2, а потім Si3N4. Ці фази зберігаються як стійкі аж до кінцевої температури випалу 1450 С.
5. На підставі порівняльних досліджень впливу режиму випалу доведено переваги та доцільність використання нового способу випалу виробів, який заснований на багатоступеневому режимі випалу в інтервалі температур 1350-1450 С зразків з Si або SiC + Si, починаючи від 1250 С і до кінцевої температури випалу з ізотермічними витримками через кожні 20 С та їх тривалістю від 2 годин і більше у порівнянні з традиційним одноступеневим режимом випалу. Встановлено, що використання багатоступеневого режиму випалу забезпечує підвищення повноти синтезу Si3N4у вогнетриві на 8-10 %, міцності на 20-25 % і уявної щільності від 2,56 до 2,58 г/см3при зміщенні зони інтенсивного синтезу нітриду кремнію у бік нижчих температур на 80-100 C.
6. Оптимізовано основні технологічні параметри виробництва вогнетривів. Показано, що для карбідкремнієвих виробів на нітридкремнієвій зв’язці максимальні значення їх уявної щільності та міцності досягаються при вмісті кремнію (з питомою поверхнею 8 і 12 м2/г) у шихті до 20 %, при застосуванні тимчасової зв’язки меляси в кількості 6-8 %, тиску пресування 70-100 МПа, інтенсифікуючих добавок (FeSi + С) в кількості 1,7 % і багатоступеневому режимі випалу. Елементи технології захищені трьома патентами України. Розроблену технологію впроваджено в Україні на дослідному виробництві ВАТ «УкрНДІВ імені А.С. Бережного».
7. Досліджено вплив ПАР на розрідження суспензій з дисперсних кремнію і карбіду кремнію. Встановлено, що добавки ГКР-11Н або ТПФН у кількості відповідно 0,03-0,04 % і 0,1-0,2 %, є оптимальними. Показано, що добавка ГКР-11Н у порівнянні з добавкою ТПФН сприяє утворенню більш міцної структури сирцю вібролитих зразків, що виготовлені з 80 % дисперсного порошку SiC і 20 % дисперсного порошку Si (7,2 МПа проти 1 МПа). Для грубозернистої тіксотропної маси, яка містить 30 % дисперсного матеріалу, оптимальна кількість ГКР-11Н складає 0,011 %. Збільшення кількості дрібномеленої частини в шихті на 5 % потребує збільшення добавки на 0,001 %.
8. Порівняльні дослідження впливу методів формування на властивості вогнетривів показали перевагу використання методу вібролиття для виготовлення виробів особливоскладної форми. Встановлено, що застосування даного методу надає можливість отримати вироби, які за вмістом азоту (7,5-8,5 %), уявній щільності (2,60-2,62 г/см3) і міцності (190-210 МПа) істотно перевершують вироби, що виготовлено методом напівсухого пресування.
9. Визначено нові технологічні параметри виготовлення карбідкремнієвих виробів на нітрідкремнієвій зв’язці методом віброліття. Технологію виробництва вібролитих карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці впроваджено в Україні на дослідному виробництві ВАТ «УкрНДІВ імені А.С. Бережного».
10. Виготовлено дослідні партії вогнетривів, показники властивостей яких знаходяться на рівні кращих світових аналогів. Застосування розроблених вогнетривів впроваджено на машинобудівних і інших підприємствах в Україні та країнах СНД. Сумарний фактичний економічний ефект від виробництва 18,75 т вітчизняних карбідкремнієвих вогнетривів на нітридкремнієвій зв’язці в умовах ВАТ «УкрНДІВ імені А.С. Бережного» склав 86,7 тис. грн.