Основной диалектический закон развития гласит: прогрессивное развитие различных отраслей промышленности и её предприятий достигается только при постоянном повышении степени полезности любой продукции у потребителей. В области огнеупоров это означает необходимость повышения степени полезности огнеупоров у потребителей – оценка огнеупоров у потребителей, а не у изготовителей.
В данное время уровень развития огнеупоров отстает от уровня развития современной науки; технология огнеупоров находится на уровне «ведра и лопаты», качество огнеупоров оценивают по изменению их свойств, а не по степени их полезности у потребителей, происходит погоня за дешевыми огнеупорами, изготовленными из дешевого, необработанного сырья; выполняется фамусовский закон: «количеством поболе, ценою подешевле» и много других недостатков. В итоге в данное время отсутствуют у потребителей и огнеупоры нового поколения и огнеупорные футеровки нового поколения с высокой степенью полезности у потребителей — с повышением стойкости футеровок в 2-10 раз по сравнению с существующим уровнем.
До сих пор в технологии огнеупоров используют только два технологических параметра: давление и температура, а основной третий параметр — электромагнитную энергию не применяют.
Переход на высокие технологии производства огнеупоров означает их полное соответствие основным направлениям развития современного материаловедения, осуществляемым в трех основных направлениях:
I. В области энергетики — применение электромагнитной энергии на различных технологических пределах;
II. В области зернового состава — утонением с переходом от макро- и микро-состава к наночастицам;
III. В области химического состава — переход от простых химических соединений к сложным кластерным соединениям.
Эти положения рассматриваются в области огнеупоров.
I. В энергетической области — высокие технологии производства и применения огнеупоров предусматривают, прежде всего, использование электромагнитной энергии на различных технологических переделах с целью повышения их эффективности. Так, применение электромагнитной энергии обуславливает:
1.1. Обогащение сырья — электромагнитное обогащение повышает качество сырьевых материалов;
1.2. Дробление и помол – ускоряет дробление и помол за счет ускорения движения частиц, особенно в струйных мельницах, а также в механохимических технологиях;
1.3. Смешение — формирует наиболее устойчивые коагуляционные структуры, являющиеся основой износоустойчивости.
1.4. Прессование — при электропрессовании между зернами возникают вольтовые дуги, которые усиливают спекание зерен и синтез новых соединение. После электропрессования фактически не требуется сушка и обжиг изделий, которое тут же укладывают в поддоны по технологии «пресс-пакет». Конечно, в ряде случаев требуется сушка и обжиг изделий, что зависит только от условий их службы. В нанотехнологиях одним из наиболее эффективных способов является магнитно-импульсное прессование.
1.5. Литье — применение электромагнитной энергии при литье изделий, блоков и монолитных футеровок позволяет регулировать их структуру и ускорять процесс их формирования. Электролитье из бетонных масс является наиболее прогрессивным способом формирования монолитных футеровок тепловых агрегатов.
1.6. Электросушка — является наиболее экологически чистой, ускоренной и автокаталитической – после полного удаления влаги из монолитных футеровок или бетонных блоков цепь размыкается и сушка автоматически прекращается.
1.7. Электрообжиг — обжиг огнеупоров в электромагнитных полях позволяет создавать и регулировать их новую структуру. Необходимо не наблюдать формирование структуры огнеупоров в процессе обжига, а регулировать и создавать необходимую структуру. Так, применение электромагнитных полей в процессе обжига сверхпроводников позволило сформировать в них слоистую структуру, что привело к увеличению температуры сверхпроводимости – Тс. В целом электрообжиг огнеупоров – наиболее экологически чистый, ускоренный, позволяет проводить любой режим нагревания и охлаждения, а также термохимическую закалку огнеупоров.
1.8. Служба огнеупоров — Особо важное значение для повышения стойкости огнеупоров имеет применение электромагнитной энергии в службе огнеупоров в различных футеровках тепловых агрегатов.
В процессе службы огнеупоры изнашиваются и теряют не только часть массы, но вместе с ней и энергию. Но если восстановление массы огнеупоров в процессе службы широко используется методами торкретирования, подлива, напыления, то восстановление энергии огнеупоров практически отсутствует. Подвод электромагнитной энергии к огнеупорным футеровкам обуславливает образование в них вторичных электромагнитных полей, которые отталкивают первичные поля (например, в электросталеплавильных печах), препятствуют диффузии электронов и ионов шлака в огнеупоры и в итоге создают электромагнитные оболочки вокруг огнеупоров, которые существенно повышают их стойкость. Так, повышение магнитной восприимчивости периклазоуглеродистых огнеупоров позволило повысить их стойкость в электросталеплавильных печах.
Поэтому подвод электромагнитных полей к огнеупорным футеровкам в процессе службы по компьютерным программам позволит регулировать износ огнеупоров и тем самым повысить их стойкость. Следовательно, восстановление массы и энергии огнеупоров в процессе их службы является основой их высокой стойкости.
В области металлургии электромагнитная энергия широко применяется: для плавки металлов, регулирования структуры слитков, особенно резко возрастает качество стального проката при электропрокате (пропускании электротока через валки) и много других мест.
В Космосе электромагнитная энергия является основой материи. Так, Космос состоит из 99% электромагнитной энергии, заполняющей физический вакуум (пустоту) и около 1% вещества. Аналогично и все твердые вещества (в т.ч. и огнеупоры) на Земле состоят из 99% пустоты и только 1% вещества, что обусловлено сосредоточением массы в основном в ядрах атомов, занимающих около 10-5 их объема.
Все планеты окружены мощными электромагнитными оболочками, связанными друг с другом. Поэтому электромагнитные поля вокруг планет и определяют их существование. Так, Земля представляет собой постоянный магнит, имеет вокруг электромагнитную оболочку – электромагнитное поле, тесно связанное с электромагнитными полями Солнца и человека. Потоки электромагнитной энергии от Солнца влияют на поля Земли и человека, что выражается в виде магнитных бурь.
Ввиду единства диалектических законов от Космоса до элементарных частиц и огнеупорные футеровки тоже необходимо окружать электромагнитными полями для повышения их стойкости. Технически это выражается в установлении в футеровки металлических пластин с пропускаемым через них электрического тока, регулируемом по компьютерным программам в зависимости от их износа или зарастания. Следовательно, наибольшей стойкостью обладают электромагнитные футеровки.
Таким образом, использование кроме двух параметров — давление и температуры третьего параметра – электромагнитной энергии является основой одной из высоких технологий производства и применения огнеупоров.
Применение электромагнитной энергии в области строительных материалов приведено в книге А.И.Бута «Основы электронной технологии строительных материалов» [1], а для огнеупоров — в работах [2-10].
II. В области зернового состава одной из высоких технологий производства огнеупоров являются нанотехнологии с получением наноогнеупоров. Эта область находится в самом начале своего развития применительно к огнеупорам. Поэтому в ней в данное время много дискуссий, разногласий, споров – обычное состояние поиска истины при освоении нового. Единого мнения нет. Можно лишь высказать своё субъективное мнение по этому вопросу, основанному на Международной системе единиц и объективных диалектических законах.
2.1. Что считать наночастицами. Большинство авторов к наночастицам относят частицы диаметром меньше 100 нм, т.к. эти частицы обладают более высокими свойствами, чем более крупные. Однако по Международной системе единиц (СИ) к нанообласти относятся частицы размером от 1000 до 1 нм (менее 1 мкм) (1 нм = 10-9м).
Поэтому наночастицы – это частицы размером от 1000 до 1 нм.
2.2. Где брать наночастицы. Использовать множество уже готовых наночастиц и получать по технологии «сверху вниз». К готовым наночастицам относятся электрофильтрационные и циклонные пыли, представляющие собой агрегаты слипшихся наночастиц из—за их высокой активности. Поэтому в шихты их целесообразно вводить после их совместного помола с исходными порошками в шаровых или вибромельницах в качестве химически однотипных диспергаторов. При совместном помоле агрегаты наночастиц разрушаются и уже в шихтах содержаться как готовые наночастицы. Так, например, спеченный периклазовый порошок целесообразно совместно молоть с каустическим периклазом или с химически чистым MgO в трубомельницах, шаровых или вибромельницах для получения тонкомолотой составляющей наношихт.
Химически однотипные диспергаторы резко ускоряют помол исходных материалов, увеличивают их удельную поверхность и существенно повышают прочность и термостойкость изделий.
Аналогично можно использовать готовые наночастицы от помола различных огнеупорных материалов: хромитовых, корундовых, шамотных и др.
Наиболее приемлемые технологии «сверху вниз» для огнеупоров следующие: механический помол в струйных мельницах, дающий наибольшее количество наночастиц, механохимический с однотипными диспергаторами, соосадительный из различных солей, криогенный – наиболее простой способ, основанный на периодическом замораживании увлажненных материалов и их сушке в коробах (вода переходит в лед с ?V=+8%, что разрушает частицы) и термический, основанный на разложении гидратов и карбонатов при нагревании с образованием наночастиц.
Следовательно, количество наночастиц множество.
2.3. В каком количестве вводить наночастицы в шихты. В любом количестве от 1 до 100% - оптимальном для различных условий службы огнеупоров. Именно условия службы определяют количество необходимых наночастиц для достижения наибольшей степени полезности огнеупоров у потребителей.
а. В природном мире нанотехнологии существуют миллиарды лет. Так возраст нашей Солнечной системы – около 13 млрд. лет, нашей Земли — 4,5 млрд. лет. Все они образовались по одной схеме: сначала из неоднородных квантовых электромагнитных полей образовались кварки, затем из них – нуклоны ядра атом элементы пико- и наночастицы ? микрочастицы ? макрочастицы планеты, в т.ч. Земля и осколки планет – метеориты.
Следовательно, Земля была образована по нанотехнологиям из 100% наночастиц под воздействием электромагнитных полей. Аналогично образовались метеориты, возраст которых тоже около 4,5 млрд. лет. Интересна микроструктура метеоритов, образованная из 100% наночастиц, стойкость которой 4,5 млрд. лет. За этот период метеориты побывали в самых различных неизвестных условиях и при этом сохранили свою микроструктуру, подробно описанную в работе [10].
Поэтому наибольшую стойкость в миллиарды лет имеют метеориты, образованные из 100% наночастиц, что является образцом для ряда условий техногенного Мира.
б. В техногенном Мире нанотехнологии существуют тысячи лет, начиная с изготовления глиняной посуды и использованием глиняных шликеров, содержащих небольшое количество наночастиц. Образование наночастиц в глиняных шликерах обусловлено воздействием воды на расщипление глиняных агрегатов (частиц). Введение в шликера пептизаторов (понизителей вязкости, ускоряющих распад слипшихся частиц) увеличивает содержание наночастиц.
Затем развитие наночастиц получили в работах по ультрадисперсным средам, по металлам и керамике.
В области огнеупоров развитие наночастиц получило в эффективных работах Ю.Е.Пивинского по керамбетонам с введением в них около 1% наночастиц. Это позволило существенно повысить стойкость керамбетонов, например, желобных масс для доменных печей.
Поэтому в огнеупорах начинать использование нанотехнологи целесообразно с введения в них около 1% наночастиц в составе связок, что позволяет использовать существующее оборудование с получением наносвязок (например, ЛСТ+наночастицы).
Однако для повышения стойкости огнеупоров в 5—10 раз по сравнению с существующим уровнем введение 1%наночастиц явно недостаточно.
Оптимальное количество вводимых наночастиц в огнеупоры различно, зависит от конкретных условий службы и определяется конечным итоговым показателем – повышением степени полезности огнеупоров у потребителей.
2.4. По каким технологиям изготовить наноогнеупоры.
Для введения наночастиц более 1% требуется: новые высокие технологии, новое вакуумное оборудование, использование электромагнитной энергии и, безусловно, более высокий уровень мышления – суммы знаний + интеллекта. Это приводит к изготовлению новых видов огнеупоров – наноогнеупоров: обычных, синергетических, кластерных, легированных и многих других.
Особо важное значение для специальных условий службы является изготовление наноогнеупоров из 100% наночастиц по высоким нанотехнологиям с получением наиболее стойких нанопокрытий, нанокрасок, наноизделий, например, нанофильтров, изготовленных по синергетической нанотехнологии, и др. При этом прятаться за повышение стоимости существующих огнеупоров не следует.
Много вреда огнеупорной промышленности принесла погоня за дешевыми огнеупорами. Необходимо изготовлять дорогие огнеупоры, в меньшем количестве, стоимость которых значительно перекрывалась бы степенью полезности огнеупоров у потребителей для различных условий службы в футеровках тепловых агрегатов.
Основа технологии наноогнеупоров приведена в работе [11].
III. В области химического состава огнеупоров наряду с использованием простых химических соединений необходимо переходить к изготовлению и применению сложных кластерных соединений по кластерным технологиям с получением кластерных огнеупоров.
В целом неметаллические и металлические кластерные соединения подразделяются на два вида: кластерные химические соединения, образованные из химических соединений и нанокластеры, образованные из наночастиц.
3.1. Кластерные химические соединения – сложные комплексные соединения, состоящие из ядра (комплексообразователя) и внешней оболочки (лигандов), связанные между собой различными химическими связями по донорно-акцепторному механизму, т.е. по обмену электронами.
Комплексообразоатели – это ионы или атомы, имеющие вакантные орбитали. Способность к комплексообразованию возраствет с увеличением заряда иона и уменьшения его размера, что определяетя расположением элемента в Периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева.
Лиганды – это простые анионы (F—, Cl—, S2—, Br— и др.), сложные анионы (CN-—, NCS—, NO3— и др.) и молекулы (H2O, NH3, CO и др.) Лиганды имеют неподеленные пары электронов. Число лигандов, непосредственно примыкающим к ядру кластера или число наночастиц, непосредственно примыкающих к данной частице в кристалле и кластере, называется координационным числом. Чем больше координационное число, тем плотнее упаковка кристалла и кластера, т.е. большую часть объема занимают частицы вещества.
Следовательно, для огнеупоров целесообразно использовать кластерные соединения с наибольшим координационным числом.
Процесс образования химических связей в кластерных (комплексных) соединениях происходит через электростатическое взаимодействие ион ион или ион диполь, а также через ковалентное связывание при взаимном перекрытии атомных орбиталей лигандов и центрального атома. В общем виде процесс образования кластерных соединений состоит в создании на поверхности остова (ядра) плотноупакованной оболочки из лигандов.
Предохранение кластерного ядра созданной вокруг него оболочкой является основой повышения устойчивости кластерных соединений.
Большое разнообразие кластерных химических соединений, особенно органоминеральных (в т.ч. смолы с наночастицами – в качестве связок), обуславливает существенное изменение их свойств и значительно расширяет области их применения.
Подробно о кластерных химических соединениях приведено в книге С.П.Губина «Химия кластеров» [12].
3.2. Нанокластеры – группировки наночастиц, образованные путем адгезионного слипания в агрегаты под воздействием преимущественного электростатического притяжения – кулоновского взаимодействия между частицами.
Существуют следующие виды нанокластеров: углеродные (фуллерены, фуллериты, углеродные нанотрубки), газовые безлигандные, кластеры инертных газов и малых молекул, коллоидные, матричные и супрамолекулярные кластеры, безлигандные металлические, молекулярные лигандные и твёрдотельные.
Главной особенностью нанокластеров является их высокая удельная поверхность и ее активность, оказывающее решающее влияние на свойства изготовленных из них наноизделий. Наиболее эффективное использование нанокластров (слипшихся наночастиц) – это их совместный помол в шаровых, трубомельницах, вибромельницах с исходными материалами.
Подробно нанокластеры описаны в работах [11,13].
Изготовленные из кластерных химических соединений и нанокластеров кластерные материалы, а из них кластерные огнеупоры с использованием электромагнитной энергии представляют собой один из видов огнеупоров нового поколения.
Вообще, существует очень большое множество самых различных высоких технологий производства и применения огнеупоров, эффективность которых определяется итоговым показателем – повышением степени полезности огнеупоров у потребителей. В целом огнеупоры неисчерпаемы и степень повышения их стойкости чрезвычайно велика.
Однако, переход на высокие технологии производства и применения огнеупоров возможен только при выполнении следующих условий:
1. Повышение уровня мышления – суммы знаний +интеллекта
2. Перехода на гармоничную планово-рыночную экономику с конечным итоговым показателем – повышение степени полезности огнеупоров у потребителей.
3. Проведения принудительной модернизации огнеупорной промышленности с помощью государства, ибо добровольная модернизация огнеупорной промышленности практически невозможна по многим причинам.
Только при выполнении этих условий возможен переход на новый более высокий уровень развития огнеупорной промышленности – высокие технологии производства огнеупоров[14-20].
В области огнеупоров абсолютно любая новая информация всегда проходит три стадии своего диалектического развития: на первой стадии она всегда получает злобно-отрицательную оценку, на второй после некоторого времени говорят, что не все в ней плохо, а есть кое-что положительное и, наконец, на третьей стадии говорят, что в ней ничего нет нового, мы это давно знали. При этом никогда не указывают авторов новой информации, а выдают все за свое.
Так, в области новых технологий огнеупоров монография автора «Шпинелидные наноогнеупоры» [11] получила злобно-отрицательную оценку. По законам диалектики познания к подобным оценкам нового нужно относиться абсолютно спокойно, никогда не спорить ни с кем, никому ничего не доказывать, не убеждать, никогда не отвечать на злобные статьи — ибо это является абсолютно пустой тратой времени и нервов.
…Караван должен спокойно идти своей дорогой созидания и выполнять один из основных законов диалектики созидания – «Созидать, а не кусаться». Из любой информации нужно брать всё полезное и использовать в своей созидательной работе со ссылкой на авторов. При этом необходимо иметь большое мужество для пробивания высоких технологий.
Таким образом, переход на высокие технологии производства и применения огнеупоров обусловлен объективными диалектическими законами их развития, которые указывают на необходимость постоянного повышения степени полезности огнеупоров у потребителей.
В будущем, безусловно, будут созданы высокостойкие огнеупоры нового поколения с наиболее высокой степенью полезности у потребителей, изготовленные по высоким технологиям производства.