Результат интеллектуальной деятельности: Способ изготовления термостойкой керамики

Изобретение относится к области производства керамических изделий, выдерживающих высокие температуры, многократное нагревание и охлаждение, и может быть использовано в различных отраслях промышленности при изготовлении футеровки тепловых агрегатов, установочного огнеприпаса (капселей, лодочек и т.д.), для использования в дымовых трубах и вентиляционных каналах, а также при изготовлении кирпичей и плиток для отделки стен и полов в котельных, топочных и печных помещениях промышленного и бытового назначения.

Известен состав для изготовления керамических материалов [1], который включает (в мас. %) технический глинозем γ-формы 56-70 и огнеупорная глина остальное. Указанный состав позволяет получать изделия с высокими значениями прочности на изгиб (20-40 МПа) и термостойкости 1000°С - вода (более 100 теплосмен) при относительно невысокой температуре обжига, равной 1100-1200°С. Недостатками применения данного состава являются высокое давление формования изделий (40 МПа) и длительность технологического цикла, связанная с необходимостью вылеживания состава не менее суток после перемешивания.

Известна шихта для изготовления огнеупорных изделий [2], которая включает (в мас. %): муллит плавленый, фракций менее 0,2 мм - 20-30; бой муллитокорундовых изделий 45-65; глинозем Гк - 15-25; отходы формовочной массы муллитокорундовых изделий, фракций не более 4,0 мм - 5-20 (сверх 100%). Бой муллитокорундовых изделий включает фракции, (в мас. %): 4,0-1,0 мм - 60,0-100,0; 1,0-0,2 мм - 0-40,0. Получаемые на основе указанной шихты изделия характеризуются высокими значениями прочности на сжатие (30-60 МПа), термостойкости 1000°С - вода (60-94 теплосмен) и рабочей температуры (1550-1600°С). Недостатками использования данной шихты являются высокая открытая пористость изделий (20-25%), высокая температура обжига (1550-1600°С), сложный гранулометрический состав компонентов, а также длительность и энергоемкость производства, связанные с необходимостью помола глинозема марки Гк до удельной поверхности 6500-7200 см²/г.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому способу является шихта для изготовления огнеупорных изделий [3], которая включает (в мас. %): муллит плавленый или бой муллитокорундовых изделий, фракций, мм: 3,0-0,8 12-20; 0,8-0,2 8-16; электрокорунд 80-50 20-32; 10 10-18; глинозем 27,5-32,7; карбид кремния 10-14 0,5-1,0; дисперсный алюминий 0,8-1,6. Преимуществом применения данной шихты является достаточно высокая термостойкость 1300°С - вода (28-35 теплосмен). К недостаткам применения данной шихты относятся сравнительно невысокая прочность на сжатие (25-35 МПа) и высокая открытая пористость (23-27%), а также высокая температура обжига (1350-1360°C) изделий.

Техническими задачами, на решение которых направлено предлагаемое изобретение являются повышение прочности на сжатие, снижение открытой пористости и температуры обжига при сохранении термостойкости изделий на уровне прототипа.

Поставленные задачи решаются за счет применения состава, обжигаемого при температурах 1200-1300°C и включающего глинозем и бой листового оконного стекла при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Данное изобретение предполагает использование неметаллургического глинозема марки ГК (ГОСТ 30559-98) с содержанием альфа-оксида алюминия не менее 90 мас. % и боя листового оконного стекла следующего состава (в мас. %): SiO₂ = 73,5; CaO = 7,4; MgO = 1,9; Na₂O = 11,1; K₂O = 5,2; Al₂O₃ = 0,9.

В предлагаемом способе частицы глинозема в составе шихты выполняют роль наполнителя с высокой термостойкостью, огнеупорностью, прочностью и твердостью, а бой листового оконного стекла является флюсующе-упрочняющей добавкой, образующей при обжиге стекловидную фазу, которая позволяет проводить спекание при более низкой температуре.

Стекловидная фаза вступает во взаимодействие с частицами глинозема с образованием новой кристаллической минеральной фазы из группы плагиоклазов с содержанием анортита 53,8%, что позволяет отнести ее к Лабрадору. На образование Лабрадора расходуется около 40% от общего количества стекловидной фазы, в то время как остальная ее часть выступает связующим между частицами глинозема, повышая механическую прочность и твердость. При обжиге стекловидная фаза также заполняет поры и пустоты в объеме изделий, что снижает общую и открытую пористости. Частицы Лабрадора отличаются тугоплавкостью, прочностью и твердостью, выступая в качестве наполнителя наряду с частицами глинозема. Наличие частиц глинозема и Лабрадора с высокими температурами плавления (2020-2050 и 1285-1390°C) позволяет получить материал с рабочей температурой не ниже 1300°C.

Для решения поставленных технических задач нужно учитывать совместное влияние содержания боя листового оконного стекла в составе шихты и температуры обжига на свойства получаемой керамики.

При введении в состав шихты менее 20 мас. % боя листового оконного стекла наблюдается недостаток стекловидной фазы (менее 11,9%), что приводит к низкой механической прочности и расслоению получаемых изделий. При введении в состав шихты более 45 мас. % боя листового оконного стекла наблюдается избыток стекловидной фазы (более 26,7%), происходит деформация изделий, приводящая к нарушению прямолинейности изделий.

Температура обжига менее 1100°C не позволяет получать материал с высокой прочностью и является недостаточной для эффективного спекания предлагаемого состава шихты. Температура обжига в пределах от 1200 до 1300°C позволяет получить максимальные значения прочности на сжатие для предлагаемого состава шихты. При температурах от 1300°C происходит деформация и оплавление граней изделий из-за избытка образующейся стекловидной фазы.

При температурах обжига свыше 1200°C и содержании боя листового оконного стекла в количестве менее 30 мас. % наблюдается повышенная усадка изделий. При температурах обжига свыше 1250°C и содержании боя листового оконного стекла в количестве свыше 40 мас. % наблюдается эффект самоглазурования поверхности и остекловывания в объеме изделий, что значительно упрочняет получаемые изделия и снижает их общую и открытую пористости.

Обоснованность и преимущества заявляемого изобретения основаны на измерении физико-механических и эксплуатационных показателей керамики на основе шихты с различным содержанием боя листового оконного стекла (от 30 до 45 мас. %) и проведении обжига при максимальной температуре в пределах от 1200 до 1300°C.

Предпочтительна реализация заявляемого изобретения по следующей технологии: Бой листового оконного стекла предварительно высушивается при температуре 130°C, а затем измельчается в шаровой мельнице с последующим отбором фракции менее 0,63 мм. После этого бой листового оконного стекла перемешивается с глиноземом в соответствии с заданной рецептурой в сухом состоянии, а полученная смесь дополнительно перемешивается с добавлением 16 мас. % воды. Из готовой шихты при давлении 25 МПа формуют изделия, которые обжигаются при максимальной температуре от 1200 до 1300°C. Скорость нагрева при обжиге составляет 5°C/мин, время выдержки при максимальной температуре составляет полчаса. Сушку изделий перед обжигом не проводят в связи с тем, что вода выполняет роль связующего для необожженных изделий.

Заявляемое изобретение иллюстрируется следующими примерами:

1. К 70 мас. % глинозема добавляют 30 мас. % боя листового оконного стекла, перемешивают и получают материал по указанной выше технологии при максимальной температуре обжига, равной 1250°C;

2. К 65 мас. % глинозема добавляют 35 мас. % боя листового оконного стекла, перемешивают и получают материал по указанной выше технологии при максимальной температуре обжига, равной 1250°C;

3. К 60 мас. % глинозема добавляют 40 мас. % боя листового оконного стекла, перемешивают и получают материал по указанной выше технологии при максимальной температуре обжига, равной 1200°C;

4. К 70 мас. % глинозема добавляют 30 мас. % боя листового оконного стекла, перемешивают и получают материал по указанной выше технологии при максимальной температуре обжига, равной 1300°C;

5. К 55 мас. % глинозема добавляют 45 мас. % боя листового оконного стекла, перемешивают и получают материал по указанной выше технологии при максимальной температуре обжига, равной 1300°C.

Температуры обжига и свойства материалов, полученных с использованием известного и предлагаемых составов, приведены в таблице 1.

Источники информации:

1. Патент на изобретение №2116278, кл. С04В 35/101, 1998;

2. Патент на изобретение №2412133, кл. С04В 35/185, 2011;

3. Патент на изобретение №2191167, кл. С04В 35/101, С04В 35/185, 2002.