05.17.11 "Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів"
Постійне посилання колекціїhttps://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/17839
Переглянути
1 результатів
Результати пошуку
Документ Теоретичні основи технології периклазошпінельних вогнетривів на основі композиції MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ для футерівки цементних печей(Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2022) Борисенко, Оксана МиколаївнаДисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.17.11 «Технологія тугоплавких неметалічних матеріалів» (161 – Хімічні технології та інженерія). – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2022. Об’єкт досліджень – фізико-хімічні процеси спрямованого формування фазового складу та термопластичної структури периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂. Предмет досліджень – закономірності та особливості фазо- та структуроутворення під час випалу та експлуатації периклазошпінельних вогнетривів, які обумовлюють формування комплексу заданих властивостей та експлуатаційних характеристик. Дисертацію присвячено розробці фізико-хімічних засад створення периклазошпінельних матеріалів з використанням композицій системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ з заданою термопластичною матрицею, яка має підвищену адаптивну здатність зберігати цілісність матеріалу та експлуатаційну надійність вогнетривів в умовах знакозмінних та високоградієнтних термічних навантажень. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що на підставі теоретичних та експериментальних досліджень здобувачем вперше: - встановлено субсолідусну будову трикомпонентних систем MgO – Al₂O₃3 – FeO (змінюється в двох температурних інтервалах: I – до 1141 К та II – вище 1141 К), MgO – Al₂O₃ – TiO₂ (змінюється в трьох температурних інтервалах: I – до 1537, II – 1537 – 2076 К, III – вище 2076 К), MgO – TiO₂ – FeO (змінюється в трьох температурних інтервалах: І – до 1115 К, ІІ – 1115 – 1413 К, ІІІ – вище 1413 К), Al₂O₃ – TiO₂ – FeO (змінюється в п’яти температурних інтервалах: I – до 1413 К, II – 1413 – 1537 К, III – 1537 – 1630 К, IV – 1630 – 2076 К, V – вище 2076 К) та чотирикомпонентної системи MgO – Al₂O₃ – FeO – ТіО₂ (змінюється в шести температурних інтервалах: I – до 1141 К, II – 1141 – 1413 К, III – 1413 – 1537 К, IV – 1537 – 1630 К, 1630 – 2076 К, VI – вище 2076 К); надано геометротопологічну характеристику досліджених систем та їх фаз, що дозволило виявити термодинамічно стабільні за температури понад 1141 К комбінації фаз: MgO – FeO – Mg₂TiO₄ – MgAl₂O₄, FeAl₂O₄ – Mg₂TiO₄ – FeO – Fe₂TiO₄, FeAl₂O₄ – Mg₂TiO₄ – MgAl₂O₄ – FeO и FeAl₂O₄ – MgTiO₃ – MgAl₂O₄ – Al₂O₃, що забезпечує синтез шпінельвміщуючих вогнетривів із заданим комплексом експлуатаційних властивостей; - розроблено модифікатори, що містять шпінельні фази Mg₂TiO₄, Fe₂TiO₄, FeAl₂O₄; визначено їх вплив на процеси формування фазового складу, мікроструктуру, фізико-механічні властивості периклазоршпінельних вогнетривів, що забезпечує відповідність їх експлуатаційних характеристик вимогам до вогнетривів, які працюють в жорстких умовах роботи обертових цементних печей (межа міцності на стиск ≥ 35 МПа, відкрита поруватість ≤ 16 %, термостійкість (1300 °С – вода) ≥ 7 теплозмін до руйнування); - встановлено, що під час випалу та експлуатації периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ відбуваються фазово-структурні перетворення, які супроводжуються об'ємними змінами, що дозволяє реалізувати кероване структуроутворення матеріалу для формування мікротріщинуватої структури, здатної забезпечити цілісність виробів під час експлуатації в умовах високоградієнтних термічних навантажень; - запропоновано концепцію підвищення термостійкості та забезпечення цілісності периклазошпінельних матеріалів на основі композицій системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, що включає як відомі механізми поглинання надлишку енергії тріщинами, що розвиваються в результаті термоудару (ефект створення мікротріщинуватої гетерофазної структури за рахунок різного теплового розширення фаз), так і нові механізми структурно-фазової адаптації під час експлуатації матеріалу, за умови утворення термопластичної матриці в присутності розроблених модифікаторів, що містять шпінельні фази і тверді розчини (FeAlTiO₅, Al₀,₀₂₈Fe₂,₃₈₇O₄Ti₀,₅₈₅, MgFe₀,₆Al₁,₄O₄, (Fe₁,₀₉Ti₀,₉₁)((Fe₀,₀₉Ti₀,₉₁)O₄)); - визначено особливості процесів фазоутворення під час виробництва таексплуатації периклазошпінельних вогнетривів та встановлено, що введення модифікатора у кількості 4 – 6 м ас. % до складу шихти сприяє утворенню мікротріщиноватої структури матеріалу, яка демпфує термомеханічні навантаження під час експлуатації печей, за рахунок утворення кристалічних фаз (Mg₂TiO4, FeAl₂O₄, Fe₂TiO₄, MgTiO₃) та твердих розчинів (Al₀,₀₂₈Fe₂,₃₈₇O₄Ti₀,₅₈₅, FeAlTiO₅, MgFe₀,₆Al₁,₄O₄, (Fe₁,₀₉Ti₀,₉₁)((Fe₀,₀₉Ti₀,₉₁)O₄))), залежно від складу модифікатора й шихти, та їх взаємно нівелюючих об’ємних змін при нагріванні і охолодженні; також утворення цих фаз та твердих розчинів сприятиме набору гарнісажа на поверхні вогнетриву; - теоретично обґрунтовано фізико-хімічні засади виробництва периклазошпінельних вогнетривів з модифікаторами на основі периклаз – ільменітовий концентрат та спечений глинозем – ільменітовий концентрат, які базуються на переважному термодинамічно вигідному співіснуванні комбінацій фаз системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, формування яких обумовлює отримання матеріалу з цільовим фазовим складом та мікроструктурою, що забезпечує підвищення експлуатаційних властивостей виробів (межа міцності на стиск 66 – 112 МПа, відкрита поруватість 11,1 – 12,2 %, термостійкість (1300 °С – вода) ≥ 12 теплозмін до руйнування). Практичне значення отриманих результатів для вогнетривкої та цементної промисловості полягає у тому, що на основі проведених досліджень будови трикомпонентних систем MgO – Al₂O₃ – FeO, MgO – Al₂O₃ – TiO₂, MgO – TiO₂ – FeO, Al₂O₃ – TiO₂ – FeO та чотирикомпонентної системи MgO – Al₂O₃ – FeO – ТіО₂, оптимізовано області складів, придатних для отримання не тільки периклазошпінельних вогнетривів, але й для інших композиційних матеріалів з заданим цільовим фазовим складом та заданими експлуатаційними властивостями. Розроблено технологію одержання периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – ТіО₂ із заданою термопластичною матрицею, яка має підвищену адаптивну здатність зберігати цілісність матеріалу та експлуатаційну надійність вогнетривів в умовах знакозмінних та високоградієнтних термічних навантажень, що в свою чергу збільшить час експлуатації обертової печі та знизить витрати енергоресурсів на 15 %. Розроблено технологічну схему виробництва периклазошпінельних матеріалів, відповідно до якої на ТОВ «Дружківський вогнетривкий завод» випущена дослідно-промислова партія периклазошпінельної цегли в кількості 10 т. В у мовах ЦЗЛ ТОВ «Дружківський вогнетривкий завод» визначено фізико-технічні характеристики дослідної партії. Пропозиції та рекомендації щодо виробництва периклазошпінельних вогнетривів для футерівки цементних обертових печей, які розроблені в дисертаційній роботі, прийнято до впровадження ТОВ «Дружківський вогнетривкий завод». В умовах ТОВ «Сервісний центр «Вогнетрив Сервіс»» випробувано периклазошпінельні вогнетриви для футерівки короткої обертової печі. Економічний ефект від впровадження периклазошпінельних вогнетривів склав 700 тис. грн на рік. Технічна новизна розробок захищена 1 патентом України на корисну модель та подана заявка на винахід «Склад периклазошпінельного вогнетриву» № а202105264, яка пройшла формальну експертизу. Теоретичні та практичні результати, які отримані під час виконання досліджень, впроваджено у практику навчального процесу кафедри технології кераміки, вогнетривів, скла та емалей НТУ «ХПІ» (спеціальність 161.04 – «Хімічна технологія тугоплавких неметалевих і силікатних матеріалів»).У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано головну мету та завдання роботи, представлено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів. Перший розділ присвячено огляду сучасних уявлень про фізико-хімічні процеси та технології отримання периклазошпінельних матеріалів. Визначено роль периклазошпінельних матеріалів та виробів з них для футерівки сучасних печей випалу цементного клінкеру. У другому розділі наведено характеристику вихідних сировинних матеріалів; визначено вибір методів експериментальних досліджень; надано опис розрахункових методів, використаних у дисертаційній роботі. Третій розділ присвячено теоретичним основам створення периклазошпінельних вогнетривів на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂. У четвертому розділі представлено аналіз температур і складів евтектик полікомпонентних перетинів системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂, який підтвердив можливість синтезу периклазошпінельних вогнетривів з високими експлуатаційними характеристиками в цій системі т а н адав н еобхідну технологічну інформацію для цільового керування взаємозв’язком «склад – структура – властивості» під час їх отримання. П’ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням щодо підбору модифікатора для периклазошпінельних вогнетривів. У шостому розділі наведено розрахунки об’ємних змін, які відбуваються у матеріалах на основі системи MgO – Al₂O₃ – FeO – TiO₂ під час випалу та експлуатації, які необхідно враховувати підбираючи фазовий склад того чи іншого матеріалу залежно від температурних умов та характеру газового середовища обертової цементної печі. Сьомий розділ присвячено дослідженню процесів фазоутворення в периклазошпінельних матеріалах за допомогою електронно-мікроскопічних досліджень. У восьмому розділі надано результати промислової апробації, реалізації та впровадження отриманих результатів.