Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ВОЛЛАСТОНИТА

Изобретение относится к технологии производства футеровочных и конструкционных керамических элементов оснастки литейных агрегатов алюминиевой промышленности, в которой в последнее время происходит активная замена асбестосодержащих огнеупорных материалов, обладающих канцерогенными свойствами, на более экологически чистые волластонитовые материалы, отличающиеся высокой химической инертностью к расплаву алюминия.

Известен способ изготовления формованных изделий из легкого гидратированного силиката кальция ксонотлитового типа [Патент Японии №JP 2757877, В2 3141172 А, опубл. 26.10.89 г.], сущность которого заключается в том, что исходный порошковый кремнеземистый материал смешивают с известняковым материалом при молярном соотношении CaO/SiO₂, составляющим 0,7-1,1, добавляют порошок металлического алюминия, полученное тесто заливают в рамочную форму, вспенивают и выдерживают. Формованный продукт обрабатывают в автоклаве паром высокого давления при температуре 190-240°С до тех пор, пока количество образовавшегося ксонотлита не достигнет ~35% от общей массы композиции, затем обжигают при температуре 750°С. Полученное изделие обладает объемной плотностью 0,3-0,8 г/см³ и прочностью при сжатии ~20 МПа и может использоваться длительное время при температуре поверхности около 750°С.

Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, потребность в сложном дорогостоящем оборудовании, каким являются автоклавы высокого давления, и проблематичность изготовления сложнопрофильных изделий.

Известна технология получения изделий для алюминиевой промышленности из концентрата природного волластонита с добавками каолина 25-30 мас.% и активатора спекания, включающая подготовку шихты, формование заготовки методом полусухого прессования с последующей сушкой, обжигом при температуре 950-1000°С и механической обработкой [Алексеев М.К. и др. Керамические материалы для металлургии. Наука-производству, 1999, №9, с.25-26]. Материал изделий имеет плотность 1,66-1,70 г/см³, прочность при статическом изгибе 15-20 МПа, химически устойчив к расплаву алюминия.

Основными недостатками описанного способа являются запыленность рабочих мест при подготовке формовочных масс и заполнении пресс-форм и невозможность получения сложнопрофильных габаритных изделий.

Известен способ получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита; описанный в патенте РФ №2132829, С04В 28/18, опубл. 10.07.99 г.

Способ включает:

- совместное сухое измельчение 6-12 мас.% негашеной извести и 24-38 мас.% кварцевого песка;

- увлажнение смеси после измельчения до влажности 40% с целью гашения извести;

- перемешивание 50-70 мас.% волластонита с водной суспензией алюминиевой пудры (~0,3 мас.%);

- перемешивание смеси гашеной извести, кварцевого песка, волластонита и алюминиевой пудры при увлажнении смеси до влажности 35-40%;

- формование листового материала виброспособом;

- запаривание влажного отформованного материала в автоклаве при давлении насыщенного пара 1,0-2,6 МПа и температуре 180-250°С в течение 12-24 ч;

- сушку при 250-350°С в течение 1,5-3,0 ч;

- обжиг при 850-900°С в течение 4-6 ч.

Данный способ позволяет получать листовой теплоизоляционный материал с плотностью 0,75-1,15 г/см³ и пределом прочности при сжатии 4-6 МПа. Материал может использоваться при контакте с алюминиевым сплавом при температуре до 1000°С.

Недостатками данного технического решения являются:

- необходимость использования сложного, дорогостоящего оборудования автоклавов высокого давления;

- невозможность изготовления сложнопрофильных изделий;

- низкая прочность материала;

- сложность подготовки исходного волластонита;

- образование значительных щелочных стоков и необходимость в дорогостоящей очистке этих стоков от щелочи.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения керамических изделий на основе волластонита [Патент РФ №2298537, С1 С04В 33/28, опубл. 10.05.2007 г.] (прототип), включающий:

- одновременный мокрый помол следующих компонентов в соотношении, мас.%: природный волластонит 70-80, каолин 10-20, глина 5-10 с добавлением воды в количестве 27-32% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды в качестве стабилизаторов;

- формование изделий шликерным литьем в пористые формы;

- обжиг при 950-1000°С в течение 1 3 ч.

Недостатками данного технического решения являются:

- большая продолжительность процесса набора заготовки при формовании крупногабаритных и сложнопрофильных изделий;

- сложность изготовления толстостенных изделий (толщиной более 35 мм); недостаточная термостойкость и сравнительно высокая теплопроводность материала, ограничивающие его применение во многих узлах керамической оснастки литейных агрегатов.

Задачей изобретения является сокращение продолжительности технологического цикла производства крупногабаритных и сложнопрофильных изделий на основе природного волластонита, расширение ассортимента волластонитовых изделий для алюминиевой промышленности, обладающих повышенной термостойкостью и пониженной теплопроводностью с сохранением химической устойчивости к алюминиевым расплавам до температуры 1000°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения керамических изделий на основе волластонита, включающем приготовление водного шликера путем одновременного помола природного волластонита, каолина, глины с добавлением воды, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий в пористые формы, сушку и обжиг, в шликер дополнительно вводят вермикулит вспученный с зерновым составом 0,6-2,5 мм в количестве 2,0-3,0% от массы шликера.

Преимуществами указанного способа являются:

- сокращение продолжительности набора заготовок при формовании изделий в 1,4-1,5 раза;

- возможность изготовления крупногабаритных и сложнопрофильных изделий толщиной 35-70 мм, что позволяет расширить ассортимент волластонитовых изделий для алюминиевой промышленности;

- возможность получения материала с пониженной теплопроводностью и повышенной термостойкостью с сохранением химической устойчивости к алюминиевым расплавам до температуры 1000°С, позволяющая расширить области применения волластонитовой керамики как теплоизоляционных футеровочных материалов.

Материал, описанный в прототипе, характеризуется высокой химической устойчивостью к алюминиевым расплавам до 1000°С. Вермикулит, вводимый в шликер по предлагаемому способу, также химически инертен к расплаву алюминия, и его используют в виде прессованных плит в качестве теплоизоляционного и огнеупорного материала, например, в алюминиевых электролизерах. Поэтому присутствие вермикулита в волластонитовой керамике не влияет на химическую устойчивость последней в алюминиевом расплаве.

Вермикулит вспученный представляет собой сыпучий пористый материал в виде чешуйчатых частиц с объемным весом менее 0,15 г/см³ и коэффициентом теплопроводности 0,048-0,06 Вт/м·К.

Важным технологическим параметром, лимитирующим технологию формования изделий способом водного шликерного литья в пористые формы, является время набора заготовки, которое тем больше, чем толще формуемая стенка. Кроме того, чем больше время формования и толще заготовка, тем труднее обеспечить ее равноплотность и отсутствие дефектов.

В предлагаемом способе вводимая в шликер пористая добавка - вспученный вермикулит выполняет роль поглотителя воды. Вермикулит, равномерно распределенный в шликере, залитом в гипсовую форму, впитывает в себя воду, что обеспечивает равномерное бездефектное уплотнение заготовки и сокращает время ее набора в 1,4-1,5 раза. По этой же причине становится возможным формование толстостенных изделий толщиной 35 70 мм.

Введение в формовочную массу вермикулита в количестве более 3,0 мас.% приводит к потере технологичности шликера увеличению его вязкости и, следовательно, ухудшению реологических свойств и литейной способности. Содержание в шликере добавки в количестве менее 2,0 мас.% не обеспечивает заданный технический эффект.

Гранулометрический состав вспученного вермикулита характеризуется широким диапазоном размеров частиц от 0,16 до 6,0 мм. В предлагаемом способе применяется торговая марка с фракцией зерен размером 0,6 2,5 мм. Частицы мельче 0,6 мм быстро впитывают воду еще на стадии приготовления формовочной массы, увеличивая ее вязкость и ухудшая литейные свойства. Использование зерен размером более 2,5 мм обусловливает появление в материале крупных включений, которые приводят к снижению прочности керамики.

Присутствие в керамике вермикулита, характеризующегося низким коэффициентом теплопроводности, обусловливает получение материала с более высокими теплоизоляционными свойствами (в сравнении с материалом прототипа). Кроме того, зерна вермикулита, равномерно распределенные в объеме материала, блокируют распространение микротрещин, которые возникают в режимах резких температурных перепадов в процессе эксплуатации изделий. Это обеспечивает повышение трещиностойкости и термостойкости материала (в сравнении с материалом прототипа).

Полученный по предлагаемому способу материал химически устойчив к расплавам алюминия до температуры 1000°С, имеет плотность 1,30-1,40 г/см³, прочность при статическом изгибе 8-20 МПа, высокую термостойкость (выдерживает до 25 теплосмен от 850 до 20°С на воздухе) и сравнительно низкий коэффициент теплопроводности 0,3-0,4 Вт/м·К.

Указанная совокупность признаков способа позволяет получать сложнопрофильные и крупногабаритные изделия на основе природного волластонита толщиной - до 70 мм с высокой однородностью свойств по объему материала (отличие плотности не превышает 3%) при продолжительности процесса формования заготовок в 1,4-1,5 раза меньше, чем в способе-прототипе.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Природный волластонит 80 мас.%, каолин 12 мас.% и глину 8 мас.% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 29% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.

Готовый шликер имел:

- влажность 29 мас.%;

- тонину помола (остаток на сите 0063) 23%;

- условную вязкость 85 с;

- рН - 10,4.

К полученному шликеру добавляли 2,0% вермикулита от массы шликера с зерновым составом 0,6-2,5 мм и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 6 минут. Через 5 минут после приготовления наполненного шликера формовали в гипсовой форме желоб алюмопровода V-образного профиля размером 220×250×610 мм с толщиной стенки 35 мм и дна 50 мм.

Время формования желоба - 19 часов (время формования аналогичного изделия по способу-прототипу 27 часов). Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 5 ч и обжигали при 950°С в течение 2 ч.

Материал желоба имел плотность 1,40 г/см³, прочность при статическом изгибе 20 МПа; разноплотность материала по высоте изделия не превышала 2%; термостойкость желоба 22 цикла при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа 12 циклов). Коэффициент теплопроводности материала 0,40 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа 0,5-0,6 Вт/м·К). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.

Пример 2.

Природный волластонит 75 мас.%, каолин 15 мас.% и глину 10 мас.% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 30% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.

Готовый шликер имел:

- влажность 30 мас.%:

- тонину помола (остаток на сите 0063) 20%;

- условную вязкость 70 с;

- рН - 11,0.

К полученному шликеру добавляли 3,0% вермикулита от массы шликера с зерновым составом 0,6-2,5 мм и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 10 минут. Через 3 минуты после приготовления наполненного шликера формовали в гипсовой форме плиту для футеровки алюмопровода размером 350×550×70 мм.

Время формования плиты 24 часа (время формования аналогичного изделия по способу-прототипу 36 часов). Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 7 ч и обжигали при 950°С в течение 3 ч.

Материал плиты имел плотность 1,30 г/см³, прочность при статическом изгибе 8 МПа; разноплотность материала не превышала 3%; термостойкость плиты 25 циклов при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 циклов). Коэффициент теплопроводности материала 0,30 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа 0,5-0,6 Вт/м·К). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.

Пример 3.

Природный волластонит 75 мас.%, каолин 15 мас.% и глину 10 мас.% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 30% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.

Готовый шликер имел:

- влажность 30 мас.%;

- тонину помола (остаток на сите 0063) 20%;

- условную вязкость 70 с;

- рН - 11,0.

К полученному шликеру добавляли 2,5% вермикулита от массы шликера с зерновым составом 0,6-2,5 мм и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 5 минут. Через 3 минуты после приготовления наполненного шликера формовали в гипсовой форме лоток алюмопровода П-образного профиля размером 190×160×350 мм с толщиной стенки 40 мм и толщиной дна - 45 мм.

Время формования лотка 16 часов (время формования аналогичного изделия по способу-прототипу 23 часа). Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 5 ч и обжигали при 950°С в течение 2 ч.

Материал лотка имел плотность 1,35 г/см³, прочность при статическом изгибе 13 МПа; разноплотность материала не превышала 2%; термостойкость лотка 24 цикла при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа 12 циклов). Коэффициент теплопроводности материала 0,33 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа - 0,5-0,6 Вт/м·К). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.