Обратим внимание на получение высокотемпературного огнеупора, в котором главная составляющая представлена оксидом щелочного металла второй группы (берилий, магний, кальций) периодической системы Д.И. Менделеева, а именно — оксид кальция.
Практические работы в этом направлении не проводятся. Это связано с высокой гидратационной способностью таких огнеупоров, где главная составляющая представлена оксидом кальция. Такой огнеупор должен иметь температуру спекания выше 1700 градусов. Чем выше температура спекания — тем меньше гидратационной способности.
При этом характерно, что аналог оксида кальция — оксид магния является основным видом огнеупоров (периклаз), который относится также ко второй группе периодической системы Д.И. Менделеева и лишён этого основного недостатка.
Оксиды магния и кальция образуют однотипные кристаллические структуры и имеют близкие температуры плавления. Особенность оксида кальция в том, что невозможно получить высокопрочный огнеупор при ПОЛНОМ спекании с температуре ниже 2000 градусов без введения дополнительных спекающих добавок или двух стадийного обжига, что приводит к значительному удорожанию готовой продукции по сравнению с периклазом — оксидом магния. Получается, для получения высококлассного огнеупора необходима температура спекания выше 2000 градусов, что ограничивает их получение.
- Где можно взять бесплатно оксид кальция.
В настоящее время на территориях компаний по производству фосфорной кислоты скопился огромный запас старых лежалых отходов производства, с которым компании не знают что делать, и которым является ФОСФОГИПС — основной компонент — сульфат кальция.
Старый, лежалый фосфогипс, прежде всего, вследствие загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями, не находит непосредственной полной утилизации и накапливается в значительных количествах на специальных полигонах. Переработка его представляется довольно трудной и энергозатратной проблемой.
При этом проблема утилизации и хранения фосфогипса в настоящее время наиболее остро актуальна для любой компании.
Исходя из выше изложенного рассмотрим сами физико-химические свойства самого фосфогипса и порассуждаем, что можно сделать.
В составе фосфогипса преобладает физический мелко дисперсионный песок, содержится большое количество кальция (до 30 % в расчете на элемент), серы (до 24,3 %), неразложившихся фосфатов (до 4 %), а также кремний (около 0,3 %) и немало микроэлементов. Примерный химический состав фосфогипса известен: CaO – 39–40 %; SO3 – 56–57 % ; Р2О5 общ – 1,0–1,2 %; Р2О5 вод –0,5–0,6 % ; R2O3 – 0,5–0,6 %; F – 0,3–0,4 %; нерастворимого осадка – 0,7–0,8 %.
Известно также, что сульфат кальция разлагается при температуре выше 1450º С, образуя оксид кальция, оксид серы и кислород.
Старый лежалый фофсогипс по своим физико-химическим характеристикам фосфогипс является идеальным наполнителем для строительных бетонов. Но именно из-за загрязненности фосфатными, фтористыми и другими соединениями фосфогипс не находит применения. Слишком энергетически затратны технологии по его очистке, которые заключаются в промывке, обжиге для удаления вредных соединений и т.п.
Приведённый состава фосфогипса позволяет предположить, что он сможет стать практически бесплатной заменой магнезитовым наполнителям для огнеупоров, применяемых сейчас в производственных процессах с высокими температурами, например в металлургии.
- Где можно взять рабочие температуры выше 2000 градусов.
А) Разработаны технологии детонационного горения (детонационные горелки), обеспечивающие нагрев выше 2000 градусов и практически до температур ядерного синтеза. Такие технологии широко представлены в книге № 2. Исследование в области детонационных технологий. 2021 год, г. Череповец.
Б) Существуют технологии скоростного высокотемпературного синтеза (СВС).
Здесь нет смысла акцентировать внимание на физических основах данного явления. Всё достаточно просто и к тому же одновременно – достаточно сложно. Только экспериментальные работы позволят подобрать состав компонентов, их предварительную обработку и т.п. Это обусловлено тем, что в теории не все параметры СВС однозначны, а некоторые имеют вероятностные характеристики.
Скажу только, что для целей заявляемого основными компонентами СВС всегда являются:
1. Порошок металлического алюминия (для алюмотермии).
2. Оксид кальция (ФОСФОГИПС) так называемого бескислородного горения и восстановления в порошке алюминия.
Для примера – рецептурный состав для СВС, с которым я экспериментировал:
1. Фосфогипс 75 %,
2. Порошок алюминия 25 %
3. Раствор жидкого стекла 35 %-ный в количестве 16‒18 % от массы.
При зажигании дуги внизу сформованной заготовки начинает протекать СВС, который всегда идёт со скоростью примерно 1 мм/секунда в направлении снизу – вверх, см. рис. № 1.1. При этом температура в зоне горения достигает более 2500 градусов. Идёт экзотермическая реакция синтеза высокопрочного, огнестойкого огнеупора в режиме послойного горения, направленного снизу-вверх.
Рис. № 1.1. Само распространяющийся высоко температурный синтез (СВС).
В ходе использования фосфогипса уже в составе огнеупора — основной недостаток, как загрязненность фосфатными, фтористыми и другими соединениями в условиях промышленного технологического процесса перестаёт быть актуальным.
Фосфатные, фтористые и другие вредные соединения просто выгорают, что наталкивает на мысль повторного использования уже прошедшего термическую очистку боя огнеупора из фосфогипса
После помола боя огнеупора из фосфогипса он будет являться идеальным безвредным наполнителем уже для промышленного бетона.
Проведённые эксперименты подтверждают возможность утилизации фосфогипса с помощью СВС синтеза любых огнеупорных изделий.
В области качественных характеристик получаемых огнеупорных изделий – здесь большое поле для эксперимента.
Экспериментами подтверждено, что:
- изменения даже в 1 % любого компонента из смеси для СВС,
- усилие прессования изделия,
существенно влияют на качественные характеристики синтезируемого огнеупорных изделий.
К сожалению в настоящее время полноценный математический расчёт качества готовой продукции не возможно, слишком много неопределённостей и вероятностных характеристик.
Таким образом проведение ОКР — единственный способ повышения качества готовой огнеупорной продукции.
PS:
Способом СВС (скоростного высокотемпературного синтеза) была отремонтирована футеровка фехралевой электрической печи, в которой со временем раскрошились так называемые «полочки» под нагревательную спираль.
Рис. № 1.2. Само распространяющийся высоко температурный синтез внутренней футеровки электрической нагревательной печи.