Способ получения конструкционно-теплоизоляционного материала

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для получения легковесного огнеупорного теплоизоляционного материала с целью обеспечения тепловой защиты передового энергетического оборудования.

Известен способ изготовления конструктивно-теплоизоляционной строительной керамики (патент № RU 2379258, опубл. 20.01.2010, МПК С04В 35/16), включающий подготовку минеральной связующей добавки, увлажнение и пластификацию зольного компонента, смешивание связующей добавки с пластифицированным зольным компонентом, полусухое прессование изделий и обжиг. При этом пластифицирующую добавку готовят по шликерному способу совместным мокрым помолом цеолитовой породы с лингосульфонатом кальция в шаровой мельнице до остатка на сите 0088 не более 2-3%, осуществляют пластификацию смешиванием зольных микросфер с полученным цеолитлигносульфонатным шликером с последующим введением сухой минеральной связующей добавки в виде цеолитовой породы, высушенной при температуре 110-150°С и измельченной до размеров частиц менее 0,5 мм, формование изделий из полученной сырьевой смеси осуществляют полусухим прессованием под давлением 20-25 МПа, а обжиг проводят при температуре 980±20°С.

Недостатком настоящего изобретения является сложность изготовления конструктивно-теплоизоляционной керамики и высокая плотность материала, полученного настоящим способом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ получения конструкционно-теплоизоляционного строительного материала на основе алюмосиликатных микросфер (Патент №2455253, опубл. 10.07.2012, МПК С04В 28/26), включающий перемешивание алюмосиликатных микросфер и вяжущего - жидкого стекла, формование, термообработку, выдержку, остывание, где в качестве наполнителя используют жидкое стекло натриевое и/или калиевое, осуществляют формование с удельной нагрузкой 1,5-5 МПа, термообработку, включающую: I этап термоудара - путем повышения температуры до 100-130°С за 7-15 мин, выдержку - при 100-130°С 7-15 мин, II этап термоудара - путем подъема температуры до 300-550°С в течение 10-30 мин, выдержку - 40-80 мин и остывание в печи в течение 5-8 ч.

Недостатком настоящего технического решения является высокая плотность и теплопроводность теплоизоляционного материала, полученного указанным способом, а также его низкая прочность.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение механической прочности и снижение теплопроводности конструкционно-теплоизоляционного материала.

Технический результат заключается в повышении эффективности теплоизоляционных характеристик и срока эксплуатации материала, полученного предлагаемым способом.

Это достигается тем, что в известном способе получения конструкционно-теплоизоляционного материала, включающем подготовку формовочной смеси, формование и термообработку, выдержку и остывание, дополнительно проводят полимеризацию, при этом подготовку формовочной смеси проводят в три этапа, на первом этапе готовят смесь на основе алюмосиликатных микросфер, алюмохромфосфатного связующего и катализатора отверждения, на втором этапе готовят смесь на основе алюмосиликатных микросфер и карбамидфурановой смолы, на третьем этапе проводят гомогенизацию двух полученных смесей путем порционного добавления первой смеси ко второй, затем осуществляют формование путем кратковременной виброусадки и постепенного прессования смеси при давлении пуансона 1,5 МПа, далее проводят полимеризацию при комнатной температуре в течение 12 часов, термообработку осуществляют в кислородной среде ступенчатым нагревом до 700°С в течение 16 часов, выдержку проводят при температуре 700°С в течение 4 часов и остывание в печи - в течение 4-5 часов, причем оптимальное соотношение алюмохромфосфатного связующего и карбамидфурановой смолы по объему составляет 70:30, а их общий объем по отношению к алюмосиликатным микросферам составляет 1:6.

Реализация предлагаемого способа получения конструкционно-теплоизоляционного материала осуществляется следующим образом.

На первом этапе готовят смесь на основе алюмосиликатных микросфер, алюмохромфосфатного связующего и катализатора отверждения с помощью планетарного смесителя. Полученную смесь выгружают из смесителя и помещают в закрытую емкость, препятствующую поступлению воздуха для исключения высыхания смеси. На втором этапе готовят смесь на основе алюмосиликатных микросфер и карбамидфурановой смолы. При этом на первом и втором этапах используется одинаковое количество микросфер. На третьем этапе проводят гомогенизацию двух полученных смесей путем порционного добавления первой смеси ко второй с постепенным увеличением скорости вращения смесителя.

Полученную формовочную смесь загружают в матрицу вибропресса и проводят ее виброусадку путем кратковременного включения вибромотора пресса. Далее проводят прессование смеси с вибрацией в течение 5-7 секунд при давлении пуансона 1,5 МПа. Это обеспечивает оптимальную плотность паковки микросферы в полимерной фазе. После прессования поднимают матрицу и пуансон и извлекают заготовку. Затем заготовку оставляют при комнатной температуре на 12 часов для прохождения процесса полимеризации карбамидфурановой смолы.

После этого заготовку помещают в камерную печь и проводят термообработку в кислородной среде со ступенчатым нагревом до 700°С в течение 16 часов. При этом в первые 4 часа при температуре 100-150°С происходит дополимеризация карбамидфурановой смолы с образованием пространственно-сшитого полимера, в следующие 4 часа при температуре 250°С происходит испарение воды и разложение кристаллогидратов в алюмохромфосфатном связующем. В последующие 4-5 часов при температуре 400-500°С начинается реакция термоотверждения алюмохромфосфатного связующего с образованием полифосфатов и оксидов металлов и окончательным удалением кристаллизационной воды, и при этой же температуре начинается карбонизация карбамидфурановой смолы. Оставшееся время идет на окончательную карбонизацию карбамидфурановой смолы с образованием углеродной структуры при температуре 700°С. При этом из алюмохромфосфатного связующего выделяются кристаллы пирофосфата алюминия.

Далее проводят выдержку заготовок при 700°С в течение 4 часов для окончательного удаления углерода из объема материала, который вступает в реакцию с кислородом и выделяется в виде углекислого газа. По окончании процесса термоотверждения печь выключают и оставляют в ней заготовки для плавного остывания в течение 4-5 часов во избежание раскола материала из-за резкого снижения температуры.

Опытным путем было доказано, что при использовании в качестве дисперсного наполнителя алюмосиликатных микросфер диаметром не ниже 100 мкм полученный материал обладает высокими прочностными характеристиками и в процессе обжига при высоких температурах не разрушается. Кроме того, материал имеет предел прочности при изостатическом сжатии 0,5 МПа, что важно в условиях получения материалов методом прессования, поскольку в случае использования более легкой и соответственно хрупкой микросферы велика вероятность разрушения большей ее части при проведении процесса прессования и, как следствие, резкое снижение прочностных и теплофизических параметров.

Полученный предлагаемым способом конструкционно-теплоизоляционный материал прост в изготовлении и обладает следующими характеристиками: теплопроводность составляет 0,089 Вт/(м⋅К), прочность на сжатие - 0,75 МПа, плотность - 0,25 г/см³.

В ходе экспериментов, результаты которых представлены в Таблице 1, было установлено, что с точки зрения соотношения прочностных характеристик и теплопроводности оптимальное соотношение алюмохромфосфатного связующего и карбамидфурановой смолы по объему составляет 70:30, а соотношение объемов связующих и алюмосиликатных микросфер - 1:6.

Конкретным примером реализации предлагаемого способа является создание теплоизоляционных изделий с замками типа шип-паз, применяемых для обмуровки энергетического оборудования. Пример поясняется чертежом, на котором изображено теплоизоляционное изделие 1 размером 200×300×70 мм, выполненное в форме прямоугольного параллелепипеда с замками типа шип 2, 4 - паз 3, 5. Такая форма изделия упрощает монтаж, снижает потери в области тепловых мостиков, а также повышает общую прочность материала. Данные изделия эксплуатируют в диапазоне температур от 0 до 700°С.

Использование изобретения позволяет обеспечить эффективную тепловую защиту оборудования при повышенных температурах за счет низкой теплопроводности материала, полученного предложенным способом, а также повысить срок эксплуатации конструкционно-теплоизоляционного материала.