Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления огнеупорных изделий из корундовой керамики

Изобретение относится к керамическому материаловедению, точнее к материалам на основе оксида алюминия с добавлением нанодисперсного технологического связующего, и может быть использовано при процессах изготовления огнеупорных изделий с повышенными термическим и физико-механическими свойствами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению аналогом-прототипом заявляемого изобретения является способ изготовления огнеупорных изделий из наноструктурированной корундовой керамики [RU 2341493 С1, С04В 35/101, опубл. 20.12.2008], включающий приготовление формовочной смеси, содержащей фракционированный электрокорунд, реактивный глинозем, гидравлически твердеющую добавку и кремнезоль. Производят сухое перемешивание фракционированного электрокорунда, реактивного глинозема с гидравлически твердеющей добавкой, полученную смесь гомогенизируют и увлажняют кремнезолем. Формование осуществляют в формы под воздействием виброколебаний с последующими естественной сушкой, сушкой в печи и обжигом.

Недостатком аналога-прототипа является содержание кремния в виде кремнезоля, так как отрицательно сказывается на чистоте и свойствах материала, а также дорогостоящая добавка компании «Almatis» Alphabond-300 и реактивный глинозем CL 370.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков прототипа.

Техническим результатом изобретения является увеличение физико-механических характеристик при сохранении высокой прочности и уменьшении открытой пористости.

Техническое решение достигается за счет того, что приготавливают формовочную смесь, в которую вводят нанодисперсное технологическое связующее на основе оксида алюминия, полученное из сплава Д16 методом химического диспергирования и представляющее собой белый порошок следующего состава: АlO(ОН) - γ-Boehmite (98%) и примесь Са(СО₃) - Calcite (2%). При этом формовочная смесь также содержит электрокорунд при соотношении фракций 0,5÷3 мм к 0,01÷0,5 мм, равном 4:3, глинозем реактивный тонкодисперсный, и воду, используемую вместо затворной жидкости, при соотношении в масс. %:

- электрокорунд - 68÷72;

- глинозем реактивный тонкодисперсный (ГРТ) - 25÷29;

- нанодисперсное технологическое связующее на основе оксида алюминия - 1÷6;

- вода сверх массы - 6÷10.

При этом осуществляют сухое перемешивание фракций электрокорунда, отдельно перемешивание ГРТ с нанодисперсным технологическим связующим на основе оксида алюминия, затем добавляют в полученную смесь фракционированный электрокорунд, полученную смесь увлажняют водой и гомогенизируют при непрерывном перемешивании, формование осуществляют в формы методом вибролитья с приложением виброколебаний по вертикальным и горизонтальным осям пресс-формы. Полученную заготовку подвергают воздушному твердению, сушат в сушильной камере и обжигают при температурах 1500-1550°С.

Использование электрокорунда при соотношении фракций 0,5÷3 мм к 0,01÷0,5 мм, равном 4:3, способствует увеличению плотности упаковки частиц.

В случае применения ГРТ вместо реактивного глинозема CL 370 менее 25% не достигается требуемая плотность образцов, а более 29% - низкая прочность.

Достигаются высокая прочность и плотность при добавлении ГРТ 25÷29%.

Использование нанодисперсного связующего с удельной площадью поверхности 40000-43000 см²/г и среднемассовым размером частиц 0,5-0,7 мкм вместо дисперсного связующего Alphabond фирмы «Almatis» позволяет повысить плотность упаковки частиц зернистых компонентов формовочной смеси, заполнить весь объем формы в процессе вибролитья, обеспечивая тем самым также достаточную текучесть и равномерное заполнение объема пресс-формы, причем при содержании менее 1% отсутствует технологическая прочность после формования изделия, а более 6% увеличивает образование микротрещин. Использование нанодисперсного связующего за счет высокой дисперсности при добавлении воды и воздействии вибраций образует жидкотекучую систему и равномерно заполняет форму.

Использование в качестве увлажняющего компонента воды способствует образованию тиксотропной смеси. При использовании воды менее 6% происходит неравномерное заполнение формы, а более 10% приводит к увеличению пористости.

Быстрое схватывание происходит за 2-5 мин при содержание воды 6÷10% сверх массы.

Осуществление заявленного способа.

Приготавливают нанодисперсное технологического связующего на основе оксида алюминия, представляющее собой белый порошок состава: АlO(ОН) - γ-Boehmite (98%) и примесь Са(СO₃) - Calcite (2%), для этого:

- осуществляют съем стружки со слитка (сплава Д16), состоящего из фрагментов площадью 150-180 мм² и толщиной 0,1-0,4 мм;

- обрабатывают, полученные фракции водным раствором гидроксида натрия;

- промывают осадок до величины рН среды 8,6-9,0;

- осуществляют сушку осадка в сушильном шкафу при температуре 60-80°С.

- термообрабатывают в печи при температуре 400°С;

- осуществляют мокрый помол в планетарной мельнице в щелочной среде с последующей сушкой в сушильной камере при температуре 70°С.

После этого приготавливают формовочную смесь, в состав которой входит полученное нанодисперсное технологическое связующее на основе оксида алюминия, а также электрокорунд при соотношении фракций 0,5÷3 мм к 0,01÷0,5 мм, равном 4:3, глинозем реактивный тонкодисперсный и вода, при соотношении в масс. %:

- электрокорунд - 68÷72;

- ГРТ - 25÷29;

- нанодисперсное технологическое связующее на основе оксида алюминия - 1÷6;

- вода сверх массы - 6÷10.

Осуществляют сухое перемешивание фракций электрокорунда, отдельно перемешивание ГРТ с нанодисперсным технологическим связующим на основе оксида алюминия, затем добавляют в полученную смесь фракционированный электрокорунд, полученную смесь увлажняют водой и гомогенизируют при непрерывном перемешивании, формование осуществляют в формы методом вибролитья с приложением виброколебаний по вертикальным и горизонтальным осям пресс-формы. Полученную заготовку подвергают воздушному твердению, сушат в сушильной камере и обжигают при температурах 1500-1550°С.

Примеры осуществления изобретения.

Пример 1.

Изготавливают нанодисперсное технологическое связующее, затем готовят формовочную смесь, содержащую соответствующие компоненты в масс. %:

- электрокорунд - 0,5÷3 - 40;

- электрокорунд - 0,01÷0,5 - 30;

- ГРТ - 25;

- нанодисперсное технологическое связующее - 5;

- вода сверх массы - 7.

Смешивание фракций электрокорунда, ГРТ с нанодисперсным технологическим связующим на основе оксида алюминия осуществляют в смесителе планетарного типа, обеспечивающего равномерного распределение компонентов.

Осуществляют сухое перемешивание фракций электрокорунда, время сухого перемешивания составляло 3 мин. Далее получали смесь ГРТ с нанодисперсным технологическим связующим, время перемешивания 4 мин и добавляли в смесь фракционированного электрокорунда. После этого увлажняли водой и проводили гомогенизацию 4-5 мин.

Полученную шихту помещали в пресс-форму под воздействием виброколебаний с частотой 50 Гц и амплитудой колебания 3 мм. Под воздействием вибраций формовочная шихта приобретала свойства тиксотропной смеси и имела жидкотекучее состояние. Время формования составляло 2 мин.

Отформованный полуфабрикат оставался в пресс-форме 2 часа и приобретал технологическую прочность для изъятия из пресс-формы с последующей естественной сушкой в течение 8 часов, сушке в сушильном шкафу 12 часов при температуре 70°С.

Обжиг проводили в высокотемпературной печи при температуре 1500°С с выдержкой 1,5 часа.

Пример 2.

Изготавливали огнеупорное изделие при содержании формовочной шихты 6% нанодисперсного технологического связующего, 24% ГРТ и 6% воды. Последовательность операций была идентична примеру 1, за исключением изменений параметров формования и сушки. Приложение вибронагрузок осуществлялось в 4-5 циклов. После формования полуфабрикат оставался в пресс-форме 1 час. Сушка производилась в сушильной камере при температуре 80°С.

Пример 3.

Изготавливали огнеупорное изделие при содержании формовочной шихты 4% нанодисперсного технологического связующего, 26% ГРТ и 5% воды. Последовательность операций была идентична примеру 1, за исключением изменений параметров виброколебаний и нагрузки. Производилось 2 цикла при частоте 50 Гц и амплитуде 7 мм. Время выдержки в форме составляло 3 часа, естественная сушка - 8 часов. Сушка в сушильной камере при температуре 40°С осуществлялась в течение 12 часов.

Общая пористость была в диапазоне 25-30% при открытой пористости 8-10%.

Термостойкость материалов при температуре 1200°С - вода составила не менее 27 циклов. Минимальное значение предела прочности при сжатии составило 70 МПа.

Из полученных данных следует, что разрабатываемый способ обеспечивает изготовление огнеупорного изделия из корундовой керамики, также обеспечивается цикличность повторений получаемых изделий и их характеристик.