СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННОГО ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к способу получения теплоизоляционного высокотемпературного материала и может быть использовано при тепловой защите высокотемпературных объектов, для футеровки зон нагрева печей, а также там, где требуются повышенные требования к механической прочности материала.

Известен способ получения теплоизоляционного материала на основе оксида алюминия Al₂O₃ (шамот) [Патент на изобретение РФ №2145311 от 10.02.2000], который заключается в приготовлении пластичной массы на основе порошка оксида алюминия, связующих добавок и выгорающей добавки, формовании полученной пластичной массы и последующей термической обработке. В качестве связующих добавок используют самораспадающийся феррохромовый шлак и жидкое стекло. Для получения пористости материала используют пенообразователь.

Недостатком данного способа является то, что такой материал обладает низкой термостойкостью, рабочей температурой до 1300°C (1350°C кратковременно), что недостаточно для многих процессов спекания.

Наиболее близким аналогом является способ получения теплоизоляционного высокотемпературного материала на основе оксида циркония, используемого в качестве теплоизоляции печей [JP 4124073, кл. C04B 38/00, опубл. 24.04.1992]. Известный способ включает смешивание частиц оксида циркония в виде порошка, волокон и микросфер с органическим и минеральным связующим, введение выгорающей добавки в количестве 2-20 вес. ч. на 100 вес. ч. оксида циркония, перемешивание, формование, сушку и обжиг при температуре 1500-2000°C. Влажность формовочной массы может быть увеличена добавлением воды. В описания патента описание теплопроводности не приводится. Тем не менее, коэффициент теплопроводности полученной керамики может быть определен по ее пористости. Согласно описанию наиболее близкого аналога максимальная пористость (объемная пористость) данной керамики составляет 85% (что следует из приведенной в этой таблице плотности керамики 0,9 кг/л; измеренная открытая пористость составляет 90%). Согласно нашим исследованиям и литературным данным (см. рисунок 1) такая пористость керамики на основе оксида циркония соответствует теплопроводности λ=0,13 Вт/(м⋅град).

Недостатком известного способа является то, что полученный с его использованием материал имеет относительно высокий коэффициент теплопроводности.

Задача изобретения состоит в исключении указанного недостатка, а именно в снижении коэффициента теплопроводности.

Для решения поставленной задачи в способе получения теплоизоляционного высокотемпературного материала, включающем смешивание порошка на основе оксида циркония и связующей добавки, введение выгорающей добавки, перемешивание, формование, сушку и термическую обработку в диапазоне температур 1550-2000°C ,предлагается:

- пластичную массу изготавливать из смеси порошков на основе оксида циркония и связующей добавки с добавлением воды до вязкого состояния;

- перед формованием в пластичную массу добавить выгорающую добавку, перемешать их, просушить и провести термическую обработку;

- обеспечить отношение массы порошка на основе оксида циркония в диапазоне от 75 до 87 мас.% от массы смеси порошков и выгорающей добавки;

- использовать в качестве связующей добавки высокотемпературную глину, масса которой составляет от 7 до 15 мас.% от общей массы смеси порошков и выгорающей добавки;

- применять в качестве выгорающей добавки поролон, масса которой составляет от 6 до 10 мас.% от общей массы смеси порошков и выгорающей добавки.

Сущность предложенного технического решения состоит в следующем.

Способ получения теплоизоляционного высокотемпературного материала включает изготовление пластичной массы путем смешивания порошков на основе оксида циркония и связующей добавки с добавлением воды до вязкого состояния, добавление в пластическую массу выгорающей добавки и перемешивание их, формование, сушку и термическую обработку в диапазоне температур 1550-2000°C.

В процессе сушки удаляют излишнюю влагу.

Введение выгорающей добавки в пластичную массу на стадии формования способствует получению теплоизоляционного высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью материала при термической обработки от 1550°C до 2000°C. Указанный диапазон температур способствует получению теплоизоляционного высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью в диапазоне λ от 1,0 до 0,06 Вт/(м⋅град).

Термическая обработка при температуре менее 1550°C недостаточна, поскольку не обеспечивает получение целостного механически прочного материала. Термическая обработка более температуры 2000°C не желательна, поскольку приводит к ухудшению, а при температуре более 2400°C к резкому ухудшению как теплоизоляционных свойств материала, так и качества материала в целом, а также способствует термической перегрузке печи. Эти перегрузки могут привести к выходу из строя печи или отдельных ее частей, а также способствовать уменьшению ресурса работы печи. К тому же требуются специальные высокотемпературные печи, способные выдержать температуру более 2400°C.

Отношение массы порошка на основе оксида циркония обеспечивают в диапазоне от 75 до 87 мас.% от общей массы смеси порошков и выгорающей добавки. Такое отношение обеспечивает термостойкость материала во всем интервале температур. При использовании порошка на основе оксида циркония менее 75 мас.% не обеспечивается термостойкость теплоизоляционного высокотемпературного материала. А при использовании более 87 мас.% порошка на основе оксида циркония не обеспечивается получение теплоизоляционного высокотемпературного материала с низкой теплопроводностью.

В качестве связующей добавки используют высокотемпературную глину. Масса связующей добавки составляет от 7 до 15 мас.% от общей массы смеси порошков и выгорающей добавки. Это обеспечивает прочный каркас при получении и спекание материала, не позволяя рассыпаться материалу и потерять форму в процессе термической обработки во всем диапазоне температур. Масса связующей добавки менее 7 мас.% не достаточна для образования плотной структура материала в процессе его термической обработки. А при массе связующей добавки более 15 мас.% происходит резкое уплотнение материала в процессе термической обработки, которое приводит к ухудшению теплоизоляционных свойств материала, что совершенно нежелательно.

В качестве выгорающей добавки применяют поролон. Выгорающая добавка способствует образованию пористости в объеме материала при термической обработке, что приводит к изменению теплопроводности материала. Масса выгорающей добавки составляет от 6 до 10 мас.% от массы смеси порошков и выгорающей добавки. Это способствует обеспечению пористости в диапазоне от 50 до 90% в объеме материала. При этом получают теплопроводность материала на основе оксида циркония после термической обработки, соответствующую диапазону λ от 1,0 до 0,06 Вт/(м⋅град) (фиг. 1). Поскольку теплопроводность материала зависит от пористости материала, то чем больше пористость материала, тем меньше теплопроводность.

Применение указанных выше выгорающей и связующей добавок позволяет сохранить гомогенную пористую форму материала, не позволяя изделиям рассыпаться, и обеспечивает высокую пористость конечного материала в процессе термической обработки во всем диапазоне температур.

Пример осуществления способа 1

Использовали порошок на основе оксида циркония фракцией от (300 до 500)⋅10^-6 м в количестве 87 мас.% и смешали с 7 мас.% связующей высокотемпературной добавкой. Удельная поверхность порошка оксида циркония S_БЭТ составляла 3,0 м²/г, а связующей добавки - 19,0 м²/г. Удельную поверхность определяли методом низкотемпературной адсорбции S_БЭТ. В качестве связующей добавки использовали высокотемпературную каолиновую глину. На основе полученных компонентов смеси изготовили пластичную массу с добавлением воды до вязкого состояния. В полученную пластичную массу добавили выгорающую добавку в количестве 6 мас.%. В качестве выгорающей добавки использовали поролон с размером ячейки (2,0±0,5)⋅10^-3 м. После смешения пластичной массы и выгорающей добавки полученные образцы формовали, просушивали при температуре 140°C до удаления излишней влаги и получения образцов в твердой форме. Термическую обработку образцов проводили при температуре 1550°C в течение 5 часов на воздухе. Полученный образец имел размер (50×25×20)⋅10^-3 м.

Проведены исследования спеченного образца. Результаты исследований представлены в таблице 1, пример 1.

Предложенный материал обладает следующими техническими характеристиками: гидростатическая плотность 0,84⋅10³ кг/м³, пористость 86%; механическая прочность на сжатие до полного разрушения 6 МПа; максимальная термостойкость - сохранение формы изделия до 2400°C; теплопроводность в интервале температур от 20°C до 250°C составляет 0,12 Вт/(м⋅град).

Пример осуществления способа 2

Использовали порошок на основе оксида циркония фракцией, описанной в примере 1, в количестве 84 мас.%, и смешали с 10 мас.% связующей высокотемпературной добавки. На основе полученных компонентов смеси изготовили пластичную массу с добавлением воды до вязкого состояния. В пластичную массу добавили выгорающую добавку в количестве 6 мас.% от массы смеси порошков. Термическую обработку образцов проводили при температуре 1600°C в течение 3 часов на воздухе. Условия приготовления и характеристики материалов соответствуют значениям, приведенным в примере 1. Результаты исследований представлены в таблице 1, пример 2.

Предложенный материал обладает следующими техническими характеристиками: гидростатическая плотность 0,84⋅10³ кг/м³, пористость 87%; механическая прочность на сжатие до полного разрушения 7 МПа; максимальная термостойкость - сохранение формы изделия до 2200°C; теплопроводность в интервале температур от 20°C до 250°C составляет 0,12 Вт/(м⋅град).

Пример осуществления способа 3

Использовали порошок на основе оксида циркония фракцией, описанной в примере 1, в количестве 85 мас.% и смешали с 15 мас.% связующей высокотемпературной добавки. В пластичную массу добавили выгорающую добавку в количестве 10 мас.%. Термическую обработку образцов проводили при температуре 1600°C в течение 3 часов на воздухе. Условия приготовления и характеристики материалов соответствуют значениям, приведенным в примере 1. Результаты исследований представлены в таблице 1, пример 3.

Предложенный материал обладает следующими техническими характеристиками: гидростатическая плотность 0,60⋅10³ кг/м³, пористость 90%; максимальная термостойкость - сохранение формы изделия до 2000°C; теплопроводность в интервале температур от 20°C до 250°C составляет 0,06 Вт/(м⋅град).

Пример осуществления способа 4

Использовали порошок на основе оксида циркония фракцией, описанной в примере №1, в количестве 83 мас.% и смешали с 7 мас.% связующей высокотемпературной добавки. В пластичную массу добавили выгорающую добавку в количестве 10 мас.%. Термическую обработку образцов проводили при температуре 1620°C в течение 3 часов на воздухе. Условия приготовления и характеристики материалов соответствуют значениям, приведенным в примере 1. Результаты исследований представлены в таблице 1, пример 4.

Предложенный материал обладает следующими техническими характеристиками: гидростатическая плотность 0,60⋅10³ кг/м, пористость 90%; максимальная термостойкость - сохранение формы изделия до 2200°C; теплопроводность в интервале температур от 20°C до 250°C составляет 0,06 Вт/(м⋅град).

Пример осуществления способа 5

Использовали порошок на основе оксида циркония фракцией, описанной в примере №1, в количестве 79 мас.% и смешали с 15 мас.% связующей высокотемпературной добавки. В пластичную массу добавили выгорающую добавку в количестве 6 мас.%. Термическую обработку образцов проводили при температуре 1720°C в течение 3 часов на воздухе. Условия приготовления и характеристики материалов соответствуют значениям, приведенным в примере №1. Результаты исследований представлены в таблице 1, приер 5.

Предложенный материал обладает следующими техническими характеристиками: гидростатическая плотность 0,84⋅10³ кг/м³, пористость 86%; механическая прочность на сжатие до полного разрушения 4 МПа; максимальная термостойкость - сохранение формы изделия до 2000°C; теплопроводность в интервале температур от 20°C до 250°C составляет 0,12 Вт/(м⋅град).

Пример осуществления способа 6

Использовали порошок на основе оксида циркония фракцией, описанной в примере №1, в количестве 80 мас.% и смешали с 10 мас.% связующей высокотемпературной добавки. В пластичную массу добавили выгорающую добавку в количестве 10 мас.%. Термическую обработку образцов проводили при температуре 2000°C в течение 1 часа в вакууме. Условия приготовления и характеристики материалов соответствуют значениям, приведенным в примере 1. Результаты исследований представлены в таблице 1, пример 6.

Предложенный материал обладает следующими техническими характеристиками: гидростатическая плотность 0,78⋅10³ кг/м³, пористость 87%; максимальная термостойкость - сохранение формы изделия до 2200°C; теплопроводность в интервале температур от 20°C до 250°C составляет 0,10 Вт/(м⋅град).

В результате исследований установлено, что разработанный данным способом теплоизоляционный высокотемпературный материал обладает следующими достоинствами: имеет повышенные теплоизоляционные свойства (пониженный коэффициент теплопроводности от 0,06 до 0,12 Вт/(м⋅град) в сравнение с прототипом - 0,13 Вт/(м⋅град).

В таблице 2 представлены результаты исследований теплоизоляционного высокотемпературного материала (т/из мат-л) на основе ZrO₂ и близкого аналога при максимальной пористости.

Технический результат - получение теплоизоляционного материала с улучшенными теплоизоляционными свойствами при относительно высоких температурах.