Тугоплавкие соединения

 

 

Продолжение таблицы 6

№ муфт	№ плиты	Навеска, кг	Вес, кг	Плот. расч., г/см3	Привес, %	Химический анализ, %				Физико-механические испытания
						SiC	Si 3N4	Si св.	N2	ρ, г/см3	П, %	σ  сж., МПа	σ  из., МПа
	обр					83,82	0,3	0,41	0,13	2,64	10,7	146,0
													7,7
4	5	40,61	41,9	2,56	12,5
	4	40,61	42,05	2,58	12,9	в				2,62	12,1
	16	40,61	41,74	2,57	12,0	с				2,58	12,1
	28	40,5	42,44	2,64	14,2	н				2,66	11,0
	40	40,61	41,94	2,63	12,6
	52	40,61	41,94	2,63	12,6
	обр					76,7	0,3	0,46	0,13	2,63	10,1	126,8
													5,4
5	61	40,3	41,42	2,62	12,0
	62	40,3	41,92	2,64	13,4
	63	40,3	41,00	2,58	10,9
	64	40,3	42,84	2,65	15,9
	65	40,3	41,44	2,6	12,1
	66	40,3	41,6	2,62	12,5
	обр					77,21	0,3	0,45	2,0	2,67	10,1	126,5
													5,0
6	67	40,3	41,27	2,59	11,6
	68	40,3	40,48	2,54	9,5
	69	40,3	40,7	2,58	10,1
	70	40,3	40,48	2,55	9,5
	71	40,3	40,3	2,55	9,1
	72	40,3	40,85	2,57	10,5
	обр					81,29	0,3	0,45	3,0	2,6	10,9	175
													4,0

 

На ОАО ВАЗ были изготовлены опытные плиты, проведен анализ состава и физико-химические испытания образцов.

Данный объект исследования – это огнеупорные материалы из карбида кремния на нитридной связке импортного и отечественного производства.

Таблица 7 – Характеристика исследуемых образцов

№ п/п	Образец	Содержание		Плотность ρ, г/см3	Пористость П, %
		SiC+ Si3N4, %	Si, %
1	Плита «Saint Gobain»	83,24	3	2,67	11,2
2	Плита № 34	75,73	0,48	2,67	12
3	Плита № 36	75,73	0,42	2,65	11,9
4	Плита «Anne Verke», сертифицированная		0,33	2,66	11,48
5	Плита «Anne Verke», ОАО «ВАЗ»		0,29	2,54	15,1

 

Макроскопические исследования дали описания внешней формы, окраски, распределения зерна и связующего.

Исследования проводились на основе визуального осмотра и с помощью стереоскопического микроскопа МБС – 9 (10), дающего прямое и объемное изображение рассматриваемого объекта как в проходящем, так и в отраженном свете при увеличении от 4,5× до 56× (в 4,5 раз … в 56 раз).

Микроскопические исследования включали в себя определение качественного фазового состава с предоставлением фотоснимков объектов и количественного определения объемного содержания пор на срезах объектов.

Микроскопические исследования проводились на тщательно приготовленных объектах – микрошлифах. Срез огнеупорных плит производился алмазным инструментом. Этапами последующей подготовки полученной поверхности являлись шлифовка и полировка. Классическая оптическая микроскопия предусматривает при подготовке образцов для исследования процессы шлифовки и полировки производить на алмазных пастах АСМ зернистости от 60/40 до 1/0.

Таблица 8 – Макроскопический анализ исследуемых огнеупорных плит

Плита	Описание
Плита «Saint Gobain»	Образец на разломе неоднороден. Внутренняя часть имеет более интенсивную серую окраску. Граничные участки – более светлые, зерна карбида кремния в них расположены ближе друг к другу, связка имеет включения белого цвета. Ширина граничных участков 0,8 – 1,5 см. Средняя часть разлома (шириной 45 – 50 мм) имеет серую однородно окрашенную связку, которая по массе преобладает над зернами карбида кремния. Зерна SiC крупной фракции – треугольной и трапециевидной формы, располагаются в объеме неравномерно
Плита № 34	На разломе образец имеет неравномерную окраску. Характерны светло-серые полосы, идущие параллельно граням изделия и располагающиеся ближе к краям образца. Изменений в расположении и уплотнении зерен карбида кремния по направлению от центра к граням образца не наблюдается. Зерна SiC неоднородны по размеру, имеют игольчатую (редко), треугольную, трапециевидную форму. Цвет связки – зеленовато-серый
Плита № 36	Зерно карбида кремния распределено в объеме равномерно; зерна имеют приблизительно одинаковую крупность и форму (округлые, трапециевидные). На разломе отсутствуют резко выраженные пограничные участки, но по направлению к краям образца встречаются включения белого цвета
Плита «Anne Verke»	На разломе образец имеет ярко выраженную светло-серую полосу, расположенную на крайней границе изделия, шириной 0,8 – 1,0 см. Зерна карбида кремния различной крупности. Более крупные зерна разбросаны в объеме неравномерно и составляют небольшой процент от общего количества зерен. В средней части образец имеет однородную серую окраску

 

 

Огнеупорные плиты представляют собой композиционные материалы, состоящие из двух и более компонентов, поэтому подготовка образцов производилась специальным образом.

Был изготовлен абразивно-алмазный инструмент с закрепленными частицами (имеется авторское свидетельство) крупностью от 40 до 10 мкм. Подготовка образцов с применением данного инструмента исключает выкрашивание крупных составляющих, выдерживает плоскостность среза и не искажает структуру объекта.

Полировка образцов производилась с применением тонкой алмазной пасты АСМ 1/0 на основе из шелка или «фотобумаги».

Полученные образцы – микрошлифы – исследовались с помощью металлографического агрегатного микроскопа серии ЕС МЕТАМ РВ, предназначенного для визуального наблюдения микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете при прямом освещении в светлом и темном поле, а также для исследования объектов в поляризованном свете и методом дифференциально-интерференционного контраста при увеличениях от 50 до 1000.

Микроструктура образцов огнеупора на нитридной связке представлена следующими составляющими: карбид кремния, свободный кремний, нитриды кремния, поры.

Также проведен количественный микроскопический анализ на содержание пор в поверхности шлифа по методу А.А. Глаголева – определение фазового состава  сплавов точечным методом.

При наших исследованиях делаем допущения, что поры – это одна фаза, а все другие составляющие – вторая фаза.

Точечный метод А.А. Глаголева заключается в том, что в поле микрошлифа распределяют в любом порядке большое число точек, затем подсчитывают число точек, попавших на разные фазы. Относительное число точек, попавших на данную фазу, от общего их числа, пропорционально площади фазы на шлифе.

Порядок выполнения расчета:

1 Сетка окулярмикрометра накладывается на изображение структуры материала.

2 Подсчитываем число точек n – перекрестие видимой сетки, попавшие на поры. nпор – это точки, расположенные на самих порах. nкасс – это точки, касающиеся пор.

n = nпор + ½ nкас

Тогда Nобщ – n – есть число точек, не занятых порами. nпор и nкас  снимаются в полях зрения и подсчитывается среднее значение.

Относительный объем, занимаемый порами, рассчитываем по формуле:

Vпор = n / Nобщ × 100 %.

Результаты исследований приведены в таблице № (8) и (11). На примере расчета порового пространства огнеупорного изделия на нитридной связке метод А.А. Глаголева позволяет определить соотношение объемов фазовых или структурных составляющих сплавов. Зная удельные веса составляющих можно рассчитать их весовые соотношения и даже определить химический состав огнеупора.

Таблица 9 –  Результаты количественного определения объемного содержания пор в огнеупорных плитах по методу А.А. Глаголева

Огнеупорная плита	Объемное содержание пор по полям зрения, %	Среднее объемное содержание, %
№ 34	7,8   38,5   15   29,1	22,6
Saint Gobain	15,5   35   37,6   17,1   31,5	27,3

 

 

 

 

 

3.2 Практические рекомендации по применению 

карбидокремниевых огнеупоров на нитридной связке

 

3.2.1 Карбидокремниевые огнеупоры на связке из нитрида кремния

для боковой футеровки алюминиевых электролизеров

 

Увеличение мощности и интенсификация работы алюминиевых электролизеров требует применения новых футеровочных материалов, которые были бы достаточно стойкими к воздействию криолитоглиноземного расплава в условиях работы промышленного электролизера.

Для боковой футеровки алюминиевых электролизеров в настоящее время могут быть использованы материалы на основе карбида кремния. К таким материалам относятся карборундовые огнеупоры на связке из нитрида кремния и самосвязанный (поликристаллический) карбид кремния.

К материалам, используемым в качестве боковой футеровки алюминиевых электролизеров, предъявляются следующие требования:

1) материал футеровки  должен быть стойким к воздействию  криолитоглиноземного расплава и алюминия при температуре от 950 до 1000 °С; недопустимо растворение футеровки, приводящее к загрязнению алюминия вредными примесями;

2) материал футеровки  должен иметь высокое  удельное  электросопротивление для устранения потерь тока через стенки электролизера;

3) материал должен быть  теплопроводным для обеспечения  нормального теплообмена электролизера.

Проведенный в ВАМИ расчет эффективности замены угольной боковой футеровки карборундовой показал, что при существующей технологии производства алюминия расстояние от анода до карборундовой футеровки может быть снижено до 300 – 350 мм, а при изменении конструкции и непрерывном питании ванн глиноземом – еще более. Это позволит при соответственном увеличении площади анода повысить производительность электролизеров на 20 – 30 % при снижении себестоимости алюминия на 3 – 5 %. Затраты по реконструкции электролизеров в связи с применением карборундовой футеровки окупятся за 1,5 года.

Испытания карборундовых огнеупоров проводили в лабораторном электролизере, рассчитанном на силу тока 40 А. Образец устанавливали так, чтобы одна половина его находилась в электролите, а другая – в алюминии. Электролиз проводился при 980 °С  в течение нескольких 10-часовых циклов. Уровень алюминия, электролита и межполюсное расстояние во всех опытах поддерживали постоянными. До и после испытания образцы измеряли и взвешивали. Стойкость огнеупоров характеризовалась скоростью растворения в мг/см2·ч и мкм/ч.

Свойства карборундовых огнеупоров на связке из нитрида кремния приведены в таблице 10.

Таблица 10 – Свойства карбидкремниевых огнеупоров на нитридной связке

Скорость растворения при электролизе криолитоглиноземного расплава
в электролите		в алюминии		над расплавом
мкм/ч	мг/см2·ч	мкм/ч	мг/см2 · ч	мкм/ч	мг/см2 · ч
6,67 30 – 100 3,6	1,65 7 – 20 0,8	0,75 10 – 30 2	0,18 2 – 7 0,45	- 400 – 500 40	- 80 – 100 9