Современные тенденции развития производства и применения огнеупоров

Уважаемая редакция журнала

Прошу опубликовать мою статью «Современные тенденции производства и применения огнеупоров».

С уважением,

Докт.техн.наук Л.Б.Хорошавин
Тел.: 341-40-57

8-922-13-33-862

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ ОГНЕУПОРОВ
Докт.техн.наук Л.Б.Хорошавин (ОАО институт «УралНИИАС»)
Огнеупоры имеют очень большое значение в экономии нашей страны. Без огнеупоров не возможно выплавить ни 1 т металла, произвести ни 1 т цемента, стекла, ряда химических соединений, получить ни 1 кВт электроэнергии на ТЭС и АЭС, не запустить ни 1 ракету, освоить Космос, создавать современное вооружение и много других областей, не мыслимых без огнеупоров.

Поэтому в современных условиях, прежде всего, необходимо повысить уважение и внимание к огнеупорам со всеми вытекающими из этого последствиями на всех уровнях от государства до технологов-огнеупорщиков.

Современные тенденции развития производства и применения огнеупоров основаны на объективных диалектических законах их развития, неизбежность выполнения которых определяются только временем и скоростью повышения уровня мышления, т.е. повышением уровня знаний и интеллекта. Ниже приведена их конкретизация.

Генеральной линией развития производства и применения огнеупоров нашей страны является повышение качества огнеупоров. Только путем повышения качества огнеупоров можно выжить в современных условиях. Если раньше под повышением качества огнеупоров понимали увеличение показателей их свойств (прочности, плотности, термостойкости и др.), то сейчас фактически повышение качества огнеупоров означает степень их полезности у потребителей, т.е. степень удовлетворения потребностей потребителя комплексом показателей: повышением стойкости огнеупоров, снижением расхода огнеупоров на 1 т продукции, технико-экономическим эффектом и итоговым показателем – коэффициентом эффективности огнеупоров (суммой производства и применения огнеупоров – К_эф). Разность К_эф за различные периоды времени и определяет отношение качество/цена  max прибыль (а не наоборот).

Повышение качества огнеупоров начинается с повышения уровня мышления (знаний и интеллекта). Без повышения уровня мышления ни о каком качестве не может быть и речи. Это обусловлено объективным диалектическим законом развития: уровень мышления всегда равен качеству продукции. Следовательно, на предприятиях каков уровень мышления, такое и качество огнеупоров.

Уровень мышления = качеству огнеупоров

Современное диалектическое развитие материаловедения осуществляется переходом в глубь вещества: от существующего микроуровня (размер частиц d = 10^-6м) сначала переходом на наноуровень (d = 10^-9м), а в будущем – на пикоуровень (d = 10^-12м). Поэтому развитие технологий в материаловедении происходит в следующей последовательности:

Микротехнологии  нанотехнологии  пикотехнологии

Следовательно, неизбежен переход от существующих технологий огнеупоров в глубь вещества, в глубь огнеупоров – к нанотехнологиям. Только переход в глубь огнеупоров позволяет резко повысить их качество.

Глубину огнеупоров определяют электроны. Вся химия основана на электронах, все химические реакции определяются электронами. Поэтому процессы формирования и износа огнеупоров также определяются движением электронов, подчиняющихся только электромагнитной энергии. Движение (управление) наночастицами также подчиняется электромагнитной энергии.

Поэтому переход от существующих технологий производства и применения огнеупоров к электронным технологиям огнеупоров – это актуальная задача современного развития огнеупоров.

Переход к электронным технологиям огнеупоров обусловлен многими положениями квантовой физики и химии:

– усилением катионно-анионных связей в кристаллических решетках, между ними и повышением плотности огнеупоров.

Пустотность кристаллических решеток оксидов и химических соединений, применяемых в огнеупорах, очень высокая и составляет в среднем около 30%. При этом общая пористость существующих огнеупоров равна в среднем около 20%. Поэтому суммарная пустотность существующих огнеупоров в футеровках тепловых агрегатов составляет около 50%. По химическому составу в этих огнеупорах содержание кислорода в объёмных процентах составляет 80-90%. При таком положении ни о каком повышении качества огнеупоров не может быть и речи.

Для снижения пустотности кристаллических решеток необходимо их легировать различными ионами в зависимости от условий службы – чем больше катионно-анионных связей в кристаллических решетках, тем больше их устойчивость.

Так, например, целесообразно легировать кристаллические решетки огнеупорных материалов углеродом и азотом в газовой фазе по опыту легирования периклазовых порошков углеродом.

Углерод и азот имеют малый ионный радиус (С⁴⁺ = 0,020 и N⁵⁺ = 0,015нм) и поэтому хорошо насыщают любые кристаллические решетки огнеупорных материалов.

Для снижения пористости огнеупоров (кроме обычных технологических параметров: повышения давления прессования и ковки без запрессовки воздуха, применения суперпластификаторов в виде наночастиц, температуры обжига и др.) необходимо покрывать поверхность пор наночастицами через растворы и выращивать в них кристаллы по электронной технологии.

- усиление электромагнитного взаимодействия частиц (зёрен) в процессе формирования монолитных футеровок и изделий.

При сближении частиц, например, при прессовании, между ними возникает электромагнитное поле. По классической физике взаимодействие между частицами происходит через электромагнитное поле:

Частица  электромагнитное поле  частица

В квантовой физике взаимодействие между частицами происходит через фотоны – кванты электромагнитного поля:

Частица  фотон  частица.

Это и обуславливает силу взаимодействия частиц.

Поэтому введение дополнительной электромагнитной энергии в процессе формирования монолитных футеровок и отдельных изделий упрочняет взаимодействие частиц и повышает тем самым их качество

- увеличение электромагнитной энергии в огнеупорных футеровках в процессе их службы для снижения и регулирования их износа.

По диалектике при взаимодействии любых систем между ними происходит обмен массой, электромагнитной энергией (основным видом энергии, выраженной в многочисленных формах движения материи) и информацией. В области службы огнеупоров массообмен между огнеупорами и шлаком достаточно подробно изучен и его продолжают исследовать, т.к. около 70% всех огнеупоров изнашиваются шлакоразъеданием. Энергообмен практически не изучен, а информационный обмен (по термодинамике информационных процессов) на грани фантастики.

В процессе службы огнеупоры теряют не только массу, но и энергию. Если потери массы восстанавливают путем торкретироваия или подлива футеровок, то восстановление потери электромагнитной энергии полностью отсутствует.

Поэтому в процессе службы к огнеупорным футеровкам необходимо подводить электромагнитную энергию, которая создает вокруг огнеупоров электромагнитные поля, отталкивающие электроны и ионы шлаков и тем самым препятствующие их проникновение в огнеупоры. При этом в самых огнеупорах создаются вторичные электромагнитные поля, препятствующие взаимодействию других полей.

Регулированием подводимой электромагнитной энергии можно изменять износ (потерю массы) и зарастание (увеличение массы) огнеупорных футеровок по компьютерным технологиям (режимам).

Электронные технологии огнеупоров представляют собой подвод электромагнитной энергии к различным технологическим операциям производства и применения огнеупоров: обогащение сырья, дробление и помол исходных материалов, смешение исходных материалов, прессование, ковка, вибролитье изделий и монолитных футеровок, их сушка, обжиг и электрообработка (закалка).

На всех технологических операциях электромагнитная энергия в оптимальных количествах и режимах повышает качество огнеупоров.

Так, например, при электропрессовании периклазоуглеродистых и корундоуглеродистых изделий между зернами резко повышается температура, между частицами графита возникают вольтовые дуги, снижается степень окисления графита, возможно исключение органических связок, исключается сушка и термообработка огнеупоров. Изделия изготовляют по технологии «пресс-пакет», т.е. изделия после прессования сразу укладывают в пакеты.

Электросушка монолитных футеровок является равномерной, ускоренной и автокаталитической – сушка автоматически прекращается после удаления всей физической влаги. Для удаления химически связанной влаги необходим дополнительный подвод электромагнитной энергии в виде тепловой. Электросушка огнеупорных изделий – это самая экологически чистая сушка.

Подвод электромагнитных полей к зоне обжига огнеупорных изделий формирует в них заданную микроструктуру, что проверено при производстве сверхпроводников.

Основным видом износа углеродосодержащих огнеупоров по электронной технологии является переход электронов от углерода к кислороду, затормозить который в процессе их формирования можно пассивацией графита и органических связок, а в процессе службы – подводом к огнеупорам электромагнитной энергии.

Следовательно, переход от существующей технологии к электронной технологии огнеупоров, безусловно, является главной современной тенденцией повышения качества огнеупоров.

Другой актуальной современной тенденцией производства и применения огнеупоров является разработка технологии новых видов огнеупоров. Перед молодежью открываются интереснейшие, созидательные пути, широкие возможности, творческое отношение к развитию огнеупоров с высокой износоустойчивостью.

Так, например, только в области шпинелидных огнеупоров по данным академика А.С.Бережного существует 1,5 тыс. шпинелидов, из которых можно изготовить 84 видов новых огнеупоров. Это без добавки графита, а с добавкой графита и бескислородных соединений можно получить более 200 видов новых высокостойких огнеупоров, изготовленных по электронной технологии. В этой области относительно подробно рассмотрены только шпинелиды системы MgO-Cr₂O₃-Al₂O₃-Fe₂O₃ и начаты работы по шпинелидным наноогнеупорам.

Особенно, разработка нанотехнологий (наноогнеупоров), а в будущем и пикотехнологий (пикоогнеупоров) заслуживает серьёзного внимания для многочисленных областей применения огнеупоров – от металлургии до Космоса.

Для производства стали нового поколения и других металлов этого же уровня, прежде всего, потребуются огнеупорные футеровки нового поколения, к которым относятся футеровки, имеющие стойкость более чем в 2 раза по сравнению с существующими. Поэтому уже сейчас надо разрабатывать такие футеровки. Методологические основы и последовательность создания футеровок нового поколения, подробно приведенная в монографии «Магнезиальные огнеупоры», следующие:

- входные параметры: условия службы и механизм износа огнеупоров;

- расчеты физико-химических моделей огнеупоров нового поколения с помощью компьютерных программ искусственного интеллекта;

- уточнение огнеупоров нового поколения путем изготовления лабораторных образцов и определение их свойств;

- разработка компьютерной технологии производства и применения огнеупоров нового поколения;

- выходные параметры: расчеты, проектирования и изготовление теплоизоляционных футеровок нового поколения, полностью удовлетворяющих требованиям металлургов и других потребителей.

Разработка футеровок нового поколения по предлагаемой методологии позволяет в итоге достичь наибольшего ресурсосбережения.

Многие современные тенденции развития производства и применения огнеупоров заслуживают, безусловно, отдельной серьёзной проработки: повышение свойств исходных сырьевых материалов, модернизации огнеупорного производства, строительство новых современных огнеупорных предприятий, создание оптимальной огнеупорной структуры в нашей стране, возрождение отраслевой огнеупорной науки путем усиления её связей с академической наукой и с производством и службой огнеупоров и др.

Все это возможно только на путях объективных диалектических законов развития огнеупоров, начало которых лежит в повышении уровня мышления – знаний и интеллекта. И, конечно, в выполнении закона: «Созидать, а не кусаться». Это подробно описано в монографии «Диалектика огнеупоров» - новой науки в области огнеупоров.

Таким образом, многочисленные современные тенденции развития производства и применения огнеупоров указывают на необходимость решения не только технологических, но и экономических проблем: перехода к гармоничной планово-рыночной экономике, ликвидации крышевания, откатов, армии посредников «купи-продай», модернизации огнеупорного производства и др.

В итоге – необходимо повышать качество огнеупоров, а не импортные пошлины на зарубежные огнеупоры. Действительно, импортные пошлины направлены на сохранение выпуска устаревшей продукции, а нужно стимулировать повышение качества.

В данное время происходящий мировой кризис ясно показал крайнюю необходимость проведения следующих мероприятий:

1. Модернизацию огнеупорной промышленности с оптимальным объединением государственного и частного капитала путем налоговых реформ для обновления основных фондов предприятий и других областей.

2. Разработку новой сырьевой базы огнеупорной промышленности России для исключения поставок зарубежного сырья и работы на отечественном сырье.

3. Строительство современных отделений и цехов по полной подготовке исходных сырьевых материалов, включающие: различные виды их обогащения, отмагничивания, обжиг, химико-температурную обработку, дробление, помол, расфракционирование, легирование углеродом, азотом, получение наночастиц и др.

4. Разработку новых технологий высокого уровня, в т.ч. и нанотехнологий производства огнеупоров нового поколения для наибольшего удовлетворения потребностей металлургов и других потребителей: повышения стойкости футеровок тепловых агрегатов не менее, чем в 2 раза; сокращения тепловых потерь через футеровки не менее, чем в 2-3 раза и резкого сокращения неметаллических включений в стали и цветных металлах.

5. Введение оптимальной структуры огнеупорной промышленности России для её наиболее эффективного и стабилизационного развития («Уральский рынок металлов», 2008, № 7-8, с.92-95).

6. Организацию центра повышения качества огнеупоров – Уральского института огнеупоров имени П.М.Мамыкина, нашего выдающегося ученого-огнеупорщика, внёсшего большой вклад в создание Восточного института огнеупоров, в развитие огнеупорной промышленности нашей страны, автора многих учебников по огнеупорам, воспитавшего большое количество огнеупорщиков, работая заведующим кафедрой химической технологии керамики и огнеупоров Уральского политехнического института в г.Екатеринбурге.

Уральский институт огнеупоров им. П.С.Мамыкина целесообразно создавать в г.Екатеринбурге. Он должен состоять из четырех отделов: научного, проектного, коммерческого и опытного производства. Для площадей института можно использовать свободные площади Уральского института металлов, а опытного производства – ОАО «Никомогнеупор». Контрольный пакет акций института должен находиться у государства.

В период экономического кризиса главной задачей частников является спасение своего капитала, но после периода кризиса наступит период качества – основного пути развития России. Поэтому уже сейчас необходимо готовиться к созданию Уральского института огнеупоров им. П.С.Мамыкина, т.к. около 70% всех огнеупоров России проиводится в Уральском Федеральном округе.

Только время и внешние условия заставят выполнить эти мероприятия.

Ниже приведена основная литература для последовательного, систематического повышения уровня мышления – знаний и интеллекта, основы организации производства огнеупоров нового поколения по электронной нанотехнологии.

Основная литература.

Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия / Н.Ф.Степанов.-М.: Мир, 2007. -519с.
Гуртов В.А. Физика твердого тела для инженеров ./ В.А.Гуртов , Р.Н.Осауленко. – М.: Техносфера, 2007. – 520с.
Гуревич А.Г. Физика твердого тела / . А.Г.Гуревич. – СПб.: Невский Диалект, БХВ – Петербург, 2004.-320с.
Кнотько А.В. Химия твердого тела . / А.В.Кнотько , И.А.Пресняков , Ю.Д.Третьяков. – М.: Изд. Центр «Академия», 2006.- 304с.
Байрамов В.М. Основы электрохимии. / В.М.Байрамов. – М.: Изд. Центр «Академия», 2005.- 240с.
Калашников С.Г. Электричество./ С.Г.Калашников. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.- 624.с.
Коровин Н.В. Общая химия. Учебник нового поколения (Победитель конкурса учебников)/ Н.В.Коровин. - М.: Высшая школа, 2007.-557с.
Хлопов М.Ю. Основа космомикрофизики./ М.Ю.Хлопов. М.: Едиториал УРСС. 2004.-368с.
Кесарев В.В. Эволюция вещества Вселенной/ В.В.Кесарев. – М.: Атомиздат, 1976.-184с.
Юдин И.А. Минералогия метеоритов/ И.А.Юдин, В.Д.Коломенский. – Свердловск: УНЦ Ан СССР, 1987.-200с.
Волков А.И. Строение атомов и Периодический закон/ .И.Волков. – М.: Новое знание, 2006.-196с.
Хорошавин Л.Б. Электронная технология огнеупоров на основе Периодического закона./ Л.Б.Хорошавин, В.Б.Щербатский.// Новые огнеупоры, 2005. №10, с. 75-83. Сайт: http://www.refractories1.narod.ru
Хорошавин Л.Б. Электронные ячейки и кластеры химических элементов./ Л.Б.Хорошавин, В.Б.Щербатский.// Объединенный научный журнал, 2008. № 3, с.55-63. Сайт: http://www.refractories1.narod.ru
Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов. / А.С.Бережной./ Киев: «Наукова думка», 1970. – 544с.
Тонков Е.Ю. Фазовые диаграммы соединений при высоком давлении. / Е.Ю.Тонков. – М.: Наука. 1983. – 280с.
Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов./К.К.Стрелов, И.Д.Кащеев. – М.: Металлургия, 1996. – 608с.
Кащеев И.Д. Химическая технология огнеупоров./ И.Д.Кощеев, К.К.Стрелов, П.С.Мамыкин. – М.: Интермет Инжиниринг, 2007. – 752с.
Пивинский Ю.Е. Неформованные огнеупоры./ Ю.Е.Пивинский – М.: Теплотехник. 2003. – 448с.
Хорошавин Л.Б. Магнезиальные огнеупоры./Л.Б.Хорошавин, В.А.Перепелицын, В.А.Кононов. – М.: Интернет Инжинеринг, 2001. – 576с.
Костиков В.И. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы./ В.И.Костиков, А.Н.Варенков. – М.: Интермет Инжиниринг, 2003. – 560с.
Перепелицын В.А. Основы технической минералогии и петрографии./ В.А.Перепелицын. – М.: Недра, 1987. – 255с.
Хорошавин Л.Б. Основная литература по нанотехнологии./ Л.Б.Хорошавин. – Новые огнеупоры, 2007. №4, с.52.
Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии./ А.И.Гусев. – М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005. – 416с.
Шабанова Н.А. Химия и технология нанодисперсных оксидов./ Н.А.Шабанова, В.В.Попов, П.Д.Саркисов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 309с.
Хорошавин Л.Б. Шпинелидные наноогнеупоры./ Л.Б.Хорошавин. – 2009 (в печати).
Лавриненко В.Н. Концепции современного естествознания./ В.Н.Лавриненко, В.П.Ратников. - М.: ЮНИТА-ДАНА. 2007. – 317с.
Баранцев Р.Г. Синергетика в современном естествознании./ Р.Г.Баранцев.-М.: Едиториал УРСС, 2003. – 144с.
Капица С.П. Синергетика и прогнозы будущего./ С.П.Капица, С.П.Кардюшов, Г.Г. Малинецкий.-М.:Едиториал УРСС, 2003. – 288с.
Дёмин А.И. Парадигма дуализма./ А.И.Дёмин. - М.: Изд-во ЛКИ, 20007.- 320с.
Уваров В.В. Пирамидометрия: Древнейшее математическое наследие./ В.В.Уваров. – Екатеринбург: Изд-во Урал.ун-та, 2007 - 130с.
Менделеев Д.И. Познание России. Заветные мысли./ Д.И.Менделеев. – М.: Эксмо, 2008. – 688с. (энциклопедии России).
Хорошавин Л.Б. Диалектика огнеупоров. – Екатеринбург: Изд-во Екатеринбургская Ассоциация Малого Бизнеса, 1999, – 359 с.
Хорошавин Л.Б. Повысить внимание к вторичным огнеупорам./ Л.Б.Хорошавин. – Новые огнеупоры, 2006. № 7, с.39-42.
Хорошавин Л.Б. Перспективы огнеупоров России./ Л.Б.Хорошавин. – Уральский рынок металлов, 2008. № 7-8, с.92-95.
Хорошавин Л.Б. Современные тенденции развития производства и применения огнеупоров./ Технология композиционной керамики в материаловедении: материалы заочной Всероссийской конференции. – Уфа: Вагант, 2008. – с.22-30. Журнал «Новые огнеупоры», 2008. № 12. с.