Производство динаса

К кремнеземистым огнеупорным материалам относятся динас и кварцевое стекло.

Динас — огнеупорный материал с содержанием Si O2 не менее 93%, изготовленный из кварцевого сырья на известковой или иной связке и обожженный при температуре, обеспечивающей полиморфное превращение кремнезема в тридимит и кристобалит (в любом случае она должна быть выше 870°С).

Основным сырьем для изготовления динаса являются кварциты.

По микроструктуре кварциты делятся на цементные и кристаллические.

Для производства динаса применяют кристаллические кварциты. Они сохраняют достаточно плотную структуру и после обжига, однако скорость фазовых превращений в них незначительна. В качестве включений в кварцитах встречаются слюда, анортит, щелочные полевые шпаты, кальцит, глинистые и углеродистые частицы, железный колчедан и др. Содержание значительного количества примесей (например, слюды, анортита) может вызвать при обжиге появление выплавок. Для производства динаса имеют значение свойства кварцита: макро — и микроструктура, огнеупорность, пористость, механическая прочность и отношение к обжигу (изменение плотности и пористости при обжиге).

В кристаллических кварцитах зерна кварца непосредственно сцеплены между собой и содержат незначительное количество природного (Si O2) цемента. По характеру сцепления зерен различают кристаллические кварциты с зубчатой и мозаичной структурой. Цементные кварциты представляют конгломерат кварцевых зерен различных размеров, сцементированных кремнеземистым веществом — цементом, относительное содержание которое в них составляет 15— 85%. Цементирующее вещество имеет скрытнокристаллическое строение. Зерна кристаллов кварца в цементных кварцитах не соприкасаются между собой, они как бы погружены в цементирующее вещество.

Кварциты для изготовления ответственных динасовых изделий должны иметь плотный раковистый излом без выраженного сланцевого строения и без посторонних примесей.

Запасы кварцитов для производства динаса практически не ограничены. Месторождения кварцитов имеются в Донбассе, Кузбассе, на Урале, Украине и в других районах страны.

Кварциты содержат не менее 95% Si O2. Кремнезем может существовать при атмосферном давлении в виде нескольких кристаллических и одной аморфной модификации. Полиморфные превращения кремнезема предопределяют как технологию, кремнеземистых изделий, так и их свойства. Кремнезем известен в следующих восьми модификациях: α-кварц, β-кварц, а-тридимит, β-тридимит, γ-тридимит, а-кристобалит, β-кристобалит, кварцевое стекло. Модификация, стабильная при наивысших температурах (рис. 10), обозначается через а. Следующая модификация, возникающая по мере охлаждения, обозначается через β. β-кварц, стабильный при обычной температуре, при температуре 573°С переходит в α-кварц. В природе кремнезем существует в виде кварцевого песка, кварцитов, горного хрусталя, песчаников, примеси в глинах и каолинах и в виде составной части многих изверженных пород.

Рис. 10. Диаграмма состояния кремнезема (по Феннеру)

α-кварц при обычных температурах не существует, устойчив только в интервале температур 573—870°С. При температуре 870°С α-кварц медленно и только в присутствии сильного плавня-минерализатора (Na2WO4) переходит в α-тридимит. В присутствии обычных минерализаторов, применяемых в заводской практике, α-кварц переходит в α-тридимит через промежуточную фазу — метакристоба — лит — при температуре 1200—1470°С, если в массе нет плавней, то при температуре 1300—1450°С. При достаточно быстром нагреве до температуры выше 1600°С можно расплавить кварц, минуя переход его в другие модификации.

α-тридимит в природе не встречается, так как область его стабильности 870—1470°С. При охлаждении через промежуточную фазу (β-тридимит) переходит в γ-тридимит. Выше 1470°С переходит в а-кристобалит.

β-тридимит является промежуточной модификацией, не существующей ниже 117 и выше 163°С. γ-тридимит, хотя и является неустойчивой модификацией, существует при обычных температурах в течение неограниченного времени.

а-кристобалит устойчив в интервале 1470—1713°С и при 1713°С плавится. При температуре ниже 1470°С а-кристобалит неустойчив и при 230°С полностью переходит в β-кристобалит.

β-кристобалит, хотя и является неустойчивой модификацией, но подобно γ-тридимиту может существовать при обычных температурах неопределенно долго. В природе встречается редко. При нагревании в интервале 180—270°С быстро переходит в а-кристобалит.

Динасовая масса, из которой формуют изделия, представляет собой смесь измельченного кварцита оптимального зернового состава с минерализаторами и различными добавками. В качестве минерализатора чаще всего используют известь, которую вводят в массу в виде известкового молока. С известковым молоком вводится вся вода, необходимая для увлажнения шихты.

Особенность извести как минерализатора заключается в том, что до обжига она служит связующим веществом, обеспечивая механическую прочность, необходимую для транспортировки и садки сырца на обжиг, так как динасовая масса непластичная. Зерна кварца связываются известью медленно, и достаточное упрочение сырца происходит только после его сушки. С целью повышения прочности свежесформованного сырца в массу вводят клеящие органические добавки, выгорающие при обжиге и не оказывающие вредного влияния на свойство готовых изделий, В качестве такого клеящего вещества применяется чаще всего сульфитно-спиртовая барда (ССБ), которая является отходом целлюлозного производства. Формовочная влажность динасовой массы должна быть около 3—7%.

Кремнеземистые изделия формуют на фрикционных или гидравлических прессах. Полученный полуфабрикат сушат при температуре 120—150°С в течение 6—40 ч, а затем обжигают при температурах 1300—1400°С. Повышение температуры обжига выше 1430°С нежелательно, так как при этом начинается интенсивное превращение кварца в крис — тобалит, вследствие чего изделия растрескиваются, и увеличивается выход брака.