1.2.2 Влияние алюмомагниевой шпинели на эксплуатационные свойства огнеупорного бетона для желоба доменной печи

Для улучшения эксплуатационных качеств огнеупорных бетонов на основе было проведено много исследований [10], которые показали, что введение шпинели улучшает характеристики бетона. Шпинель имеет хорошее сочетание физических и химических свойств, таких как высокая температура плавления, высокая механическая прочность, низкий коэффициент термического расширения, хорошая переносимость перепадов температур и высокая устойчивость к основному расплавленному шлаку [11]. По этой причине, в ходе работы объединенного университета Хэбэя было исследовано влияние введения на эксплуатационные свойства огнеупорных бетонов на основе [10]. В ходе работы был использован бетон, состав которого указан в таблицах 3 и 4.

Таблица 3 - Химический состав компонентов бетонной смеси [10]
Компоненты и их химический состав, % масс.
Коричневый корунд	94.03	0.66	3.20	0.42	-	0.20	0.32	-
Электрокорунд	99.50	0.04	-	0.10	-	0.05	0.30	-
Реактивный глинозем	99.80	0.03	-	0.02	-	-	0.04	-
Карбид кремния	0.85	2.02	-	0.41	96.64	0.07	-	-
Высокоглиноземистый цемент	68.90	0.69	0.25	0.32	-	30.74	-	-
Кремниевый порошок	0.7	92.9	-	0.02	-	0.8	0.6	-
Алюмомагниевая шпинель	74.0	0.20	-	0.25	-	0.30	0.32	24.0

Таблица 4 - Состав бетонных смесей [10]
Компоненты и их массовая доля в образце смеси, % масс.	№1	№2	№3	№4	№5
Коричневый корунд	62	62	62	61	58
Карбид кремния	18	18	17	14	11
Остаток (сухой цемент, микрокремнезем, реактивный глинозем, кремниевый порошок)	15	15	15	15	15
Электрокорунд	5	2	-	-	-
Шпинель	0	3	6	9	12

С увеличением содержания шпинели насыпная плотность образцов сначала увеличивается, а затем уменьшается, в то время как открытая пористость сначала сокращается, а затем увеличивается. Предел прочности на изгиб и предел прочности на сжатие сначала возрастают, затем уменьшаются и достигают максимума при введении 3 % шпинели [10]. Данные изменения физических свойств бетона продемонстрированы на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 - Зависимость открытой пористости и насыпной плотности от содержания шпинели

Рисунок 5 - Зависимость предела прочности на изгиб и сжатие от содержания шпинели

Анализируя диаграммы на рисунках 4 и 5, можно сделать вывод, что образец имеет наивысшую насыпную плотность и прочность при содержании 3 % шпинели.

На рисунках 6 и 7 показана структура образцов, обожженных при температуре 1000°С и 1450°С в течение 3 часов соответственно, выявленная рентгеновской дифракцией. При 1000°С основная фаза образца без добавления шпинели включает в себя , в то время как образцы с добавлением шпинели содержат и . При 1450°С образцы без шпинели содержат и в то время как образцы с добавлением шпинели содержат и , но не содержат и

Рисунок 6 - Структура образцов, обожженных при температуре 1000°С, выявленная рентгеновской дифракцией

Рисунок 7 - Структура образцов, обожженных при температуре 1450°С, выявленная рентгеновской дифракцией.

Так же было исследовано влияние шлака на образцы с содержанием шпинели 0,3,6,9,12 % вес. (рисунок 8). С добавлением шпинели шлакостойкость достигает предельного значения при 9 %, при дальнейшем повышении сопротивление шлаку падает. Повышение шлакостойкости объясняется способностью шпинели абсорбировать большое количество ионов и из расплава шлака с формированием композиционных шпинелей, которые предохраняют оксид железа от реакции с корундом и оксидом кальция с формированием фазы с низкой температурой плавления С4AF. Более того твердый раствор ионов и в частицах может улучшить вязкость расплава шлака и уменьшить проникновение расплава шлака в футеровку. Однако при возрастании содержания шпинели количество силиката магния увеличивается, а так как силикат магния имеет более низкую шлакостойкость чем шпинель, шлакостойкость образца падает [10].

Рисунок 8 - Зависимость шлаковой коррозии от содержания шпинели

1.3 Подбор фракционного состава

1.3.1 Фактор формы частиц

Важным фактором, в формировании высокой плотности упаковки, является форма частиц. С повышением шероховатости поверхности и неправильности формы частиц, уменьшается плотность образуемой упаковки. При использовании идеальных сфер с гладкой поверхностью может быть достигнута максимальная плотность [12].

На рисунке 9 приведена приблизительная зависимость относительной плотности порошковой системы от степени неизометричности ее частиц.

Рисунок 9 – Зависимость максимальной плотности неупорядоченной (случайной) порошковой системы от формы частиц.

1.3.2 Фактор полидисперсности

Бимодальные порошковые системы. Как правило, более высокой относительной плотностью обладают бимодальные порошковые смеси (смеси состоящие из двух фракций, существенно отличающихся по средним размерам частиц) по сравнению со смесями монофракционного состава. Для достижения максимально плотной упаковки порошковой системы важно соблюдать оптимальные соотношения объемных долей мелкой и крупной фракций. Мелкие частицы должны занимать пустоты между крупными, но не должны «разрыхлять» скелет на основе крупной фракции. При введении мелкой фракции в систему из крупных частиц повышается ее плотность, но только до того момента, пока мелкие частицы занимают свободные пустоты, но когда мелкая фракция начинает раздвигать крупные частицы и нарушать контакты между ними - плотность системы снижается.

На рисунке 10 приведена схематичная зависимость относительной плотности порошка от объемного отношения крупной и мелкой фракций.

Массовая доля крупной фракции в бимодальной смеси определяется следующим уравнением:

(1)

Где W_L – масса крупной фракции, W_S – масса мелкой фракции.

Рисунок 10 – Зависимость относительной плотности бимодального порошка от объемного отношения крупной и мелкой фракций.

Тримодальные порошковые системы (многофракционные). Идеи, примененные для описания относительной плотности бимодальных порошковых систем, могут использоваться и для описания порошковых систем с большим чем 2 числом фракций (3, 4 и т.д.).

Оптимальную плотность в бимодальных системах обеспечивает соотношение размеров частиц, соответствующее 7:1. Для тримодальных порошков это соотношение составляет 49:7:1. Это означает, что при среднем размере крупной фракции 49 мкм, средний размер мелкой фракции должен соответствовать 1 мкм.

В работе [13] проводится расчет влияния соотношения размеров частиц самой крупной и самой мелкой фракций на максимальную относительную плотность бимодальных, тримодальных и четырех-фракционных порошковых систем. Результаты представлены на рисунке 11. Для заданной относительной плотности и заданного соотношения размеров частиц, график на рисунке 11 показывает оптимальное число компонентов порошковой смеси. Например, при соотношении размеров частиц (largest/smallest) в диапазоне от 1 до 10², максимальную относительную плотность обеспечивают бимодальные порошки; в диапазоне от 10² до 10⁴ – тримодальные порошки.

Рисунок 11 – Влияние соотношения размеров частиц самой крупной (largest) и самой мелкой (smallest) фракций на относительную плотность бимодальных, тримодальных и четырех-фракционных порошковых систем.

Порошковые системы с непрерывным распределением частиц по размерам. С увеличением числа фракций, применяемых в шихте, обеспечение равномерного распределения становится все более трудной задачей.

В работе [14] на основе гауссова распределения показано, что с более широким распределением частиц по размеру, независимо от их среднего размера, относительная плотность упаковки возрастает. Предельная относительная плотность, которая может быть получена для бесконечно широкого распределения частиц, находится в диапазоне от 82 % до 96 %. В работе [13] представлен способ смешения, с помощью которого можно получить максимально плотную упаковку.

Обычно, для достижения высокой плотности, используется уравнение Андреасена [15]:

(2)

где W – массовая доля частиц с размером меньше D, A и M - эмпирические константы. Максимальная относительная плотность достигается при значении M в диапазоне от 0,5 до 0,67.

Уравнение (2) можно переписать в следующем виде:

(3)

D_L и D_S – предельные размеры крупных и мелких частиц.

Самое широкое распределение частиц по размерам позволяет получать упаковки, обладающие максимальной относительной плотностью.

Для описания оптимальной гранулометрии порошковой смеси может применяться уравнение Фуллера [16] с точки зрения максимизации насыпной плотности:

(4)

Где G_пр – проход зёрен через сито с размером ячейки X_i (масс. %); D_max – наибольший размер зерна в смеси (мм).

Формула Функа/Дингера [17]:

(5)

Где D_max и D_min– максимальный и минимальный размер зерна (мм), соответственно; n – коэффициент распределения. Наиболее близкие к экспериментальным данным результаты получаются при n=0,5. При условии максимизации насыпной плотности порошковой системы.

Для повышения точности оптимизации фракционного состава порошковых и зернистых систем предложена [18] модифицированная формула Функа/Дингера, учитывающая коэффициент формы частиц:

(6)

Где α – коэффициент формы (коэффициент угловатости) частиц, определяемый как отношение теоретической удельной поверхности (рассчитанной из условия, что все частицы сферической формы) к практической удельной поверхности, полученной в результате экспериментального определения.

(7)