Результат интеллектуальной деятельности: Шихта для изготовления термостойких керамических изделий

Изобретение относится к области производства технической керамики и огнеупоров, преимущественно огнеупорного и клинкерного кирпича, термостойких плиток для футеровки тепловых агрегатов в химической, стекольной, керамической и металлургической отраслях промышленности, для использования в дымовых трубах и вентиляционных каналах, эксплуатируемых при высоких температурах и в агрессивных средах.

Известна керамическая масса для производства термостойкой облицовочной плитки [1]. Керамическая масса включает следующие компоненты, мас.%: глинистое сырье 62,0-65,0; молотый кварц 10,2-11,8; пегматит 14,2-14,8; трепел 10,0-12,0. Компоненты размалывают до удельной поверхности частиц 2500-3500 см²/г и готовят керамическую массу с влажностью 11-13%, из которой формуют изделия требуемой конфигурации. На поверхность изделий напыляют слой цветной глазури и при температуре 1050-1100°С проводят обжиг. Получаемые по данному составу керамической массы изделия имеют термостойкость около 270°С.

Недостатками данной массы являются многокомпонентный состав, необходимость отдельной подготовки и нанесения глазури, а также низкая термостойкость.

Известна шихта для изготовления шамотных огнеупоров [2], которая содержит следующие компоненты, мас.%: глину огнеупорную 30; шамот с размером зерен 3-0,5 мм 30-50 и 20-40% топазсодержащего компонента с размером зерен менее 0,088 мм и содержанием топаза не менее 70%. Для приготовления массы сшихтованный крупнозернистый шамотный отощитель с размером частиц 3-0,5 мм увлажняется до влажности 6-8% глиняным шликером. Затем полученная смесь увлажненного шамота смешивается с тонкодисперсной композицией топазсодержащего компонента и подготовленной глиносвязки. Оформление изделий производится методом полусухого прессования при давлениях 60-80 МПа в зависимости от содержания отощителя. Обжиг изделий осуществляется при 1320-1350°С. Получаемые изделия имеют термостойкость 1300-20°С, вода до 11 теплосмен и прочность при изгибе до 23,5 МПа.

Недостатками данной шихты являются применение дорогостоящего и относительно дефицитного топазсодержащего компонента, а также сравнительно высокая температура термообработки изделий.

Наиболее близким к предлагаемому решению является состав для изготовления керамических материалов [3], включающий глинозем γ-формы и глинистый компонент, в качестве глинистого компонента содержит огнеупорную глину при следующем соотношении компонентов, мас.%: технический глинозем γ-формы - 56-70; огнеупорная глина - остальное. Изделия получают путем смешивания компонентов в шаровой мельнице всухую с последующим добавлением 25-30% воды и вылеживанием в течение суток. Полученную массу просеивают через сито 063, формуют полусухим прессованием при давлении 30-40 МПа и обжигают при температуре 1100-1200°С. Получаемые изделия имеют термостойкость 1000°С - вода более 100 теплосмен и прочность при изгибе до 20 МПа.

Недостатками данного состава являются сравнительная сложность и длительность технологического цикла, высокие температура обжига и давление прессования, повышающие себестоимость и энергоемкость производства.

Технической задачей данного изобретения является разработка шихты для производства термостойкого и химически стойкого керамического материала с высокой прочностью при низких затратах на сырьевые и энергетические ресурсы.

Поставленная задача решается следующим образом:

Термическая и химическая стойкость материала обеспечивается за счет образования на поверхности и по всему объему материала стеклофазы, содержащей оксид церия. Самоглазурование в объеме материала также будет способствовать повышению прочности керамики, так как образующаяся стеклофаза будет выступать в роли связующего между частицами материала и заполнять пустоты и поры внутри него.

Снижению затрат на производство по сравнению с известными составами будут способствовать применение в качестве глинистого компонента малопластичной глины вместо высокопластичных и огнеупорных глин, снижение давления прессования до 15 МПа и температуры обжига до 1050°С.

Наиболее эффективно поставленная задача решается при использовании следующего состава, мас.%:

В предлагаемом составе применяется глина Суворотского месторождения Владимирской области, которая в соответствии с ГОСТ 9169-75 относится к малопластичным, так как имеет число пластичности 5,2. В состав данной глины входят следующие соединения, мас.%: SiO₂ - 77,2; CaO⋅Al₂O₃⋅2SiO₂ - 5,3; Al₂O₃⋅2SiO₂⋅H₂O - 7,0; K₂O⋅Al₂O₃⋅6SiO₂ - 5,9; Na₂O⋅Al₂O₃⋅SiO₂ - 4,6. Перед использованием глина высушивается при температуре 130°С, измельчается в шаровой мельнице с отбором фракции менее 0,63 мм.

Образование стеклофазы в объеме материала и эффект самоглазурования поверхности при обжиге достигается за счет введения в состав шихты оксида церия, который при температурах 1300°С образует стекловидную фазу в результате взаимодействия с оксидом кремния и щелочными оксидами, содержащимися в глине. Образующаяся стеклофаза, содержащая оксид церия, повышает термическую и химическую стойкость керамики. Для снижения температуры образования стеклофазы и достижения эффекта самоглазурования керамики в состав шихты вводится борная кислота марки В 2-го сорта (ГОСТ 18704-78). Борная кислота также повышает количество образующейся стеклофазы и позволяет получить самоглазурующуюся керамику при температуре обжига 1050°С.

Выбор содержания компонентов в шихте также направлен на достижение поставленных технических задач.

При повышении содержания в составе шихты оксида церия до 10 мас.% прочность, а также химическая и термическая стойкость керамики повышаются практически линейно. При введении более 10 мас.% оксида церия свойства материала меняются незначительно, однако происходит потеря формы изделиями и повышается себестоимость их производства.

Введение менее 5 мас.% борной кислоты недостаточно для снижения температуры образования стеклофазы, содержащей оксид церия, и самоглазурования изделий, а введение свыше 5 мас.% приводит к избытку стеклофазы и как следствие к потере формы изделиями и уменьшению их прочностных характеристик, а также снижению экологической безопасности, что связано с токсичностью борной кислоты. Также повышает себестоимость производства изделий.

Обоснованность и преимущества заявляемого изобретения основаны на измерении физико-механических и эксплуатационных показателей с различным содержанием оксида церия (от 1 до 15 мас.%) и борной кислоты (от 1 до 10 мас.%).

Предпочтительна реализация заявляемого изобретения по следующей технологии: предварительно измельченная и высушенная глина тщательно перемешивается с оксидом церия и борной кислотой стандартной тонкости помола в соответствии с заданной рецептурой в сухом состоянии. Полученная смесь дополнительно перемешивается с добавлением 8 мас.% воды и из готовой шихты формуют сырец при удельном давлении прессования 15 МПа. Затем, минуя стадию сушки, сырец нагревается до 1050°С при скорости нагрева 5°С/мин и выдерживается при максимальной температуре в течение получаса.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:

1. К 94 мас.% глины добавляют 5 мас.% оксида церия и 1 мас.% борной кислоты, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

2. К 94 мас.% глины добавляют 1 мас.% оксида церия и 5 мас.% борной кислоты, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

3. К 90 мас.% глины добавляют 5 мас.% оксида церия и 5 мас.% борной кислоты, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

4. К 85 мас.% глины добавляют 10 мас.% оксида церия и 5 мас.% борной кислоты, перемешивают и получают материал по указанной технологии;

5. К 80 мас.% глины добавляют 10 мас.% оксида церия и 10 мас.% борной кислоты, перемешивают и получают материал по указанной технологии.

Свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемого составов, приведены в таблице 1.

*Для предлагаемых составов определялась открытая пористость.

Источники информации

1. Патент на изобретение №2437856, кл. C04B 33/13 (2006.01), 2011.

2. Патент на изобретение №2213713, кл. C04B 33/22 (2000.01), 2003.

3. Патент на изобретение №2116278, кл. C04B 35/101, C04B 35/18, 1998.