Способ получения огнеупорной керамики

(51) 04 35/14 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ химическая, металлургическая машиностроительная, в стекловаренном производстве, строитель-ной индустрии. Способ получения огнеупорной керамики включает помол кварца в планетарно центробежной мельнице, его науглероживание в среде пропан бутановой смеси при температуре 750-800 С в течение 10-20 минут с последующим охлаждением в инертной среде, перемешивание с алюминием,формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 750-900 С, при количественном соотношении(62,50-70,00) мас.кварца и (30,00 - 37,5) мас.алюминия. Получаемая огнеупорная керамика обладает следующими характеристиками прочность на сжатие (48,1-60,0) МПа, огнеупорность (1886 2000)С, плотность (1710-1950) кг/м 3, пористость(72) Мансуров Зулхаир Аймухаметович Абдулкаримова Роза Габдуловна Емуранов Михаил Михайлович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт проблем горения, Комитетата науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Иванов О.Н., Малинин С.Е., Гафиятуллина Г.П., Кутявина И.В. Конверсия в машиностроении в России / Создание композиционных материалов на базе СВС-технологий,5, с.46-51, 2002(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕУПОРНОЙ КЕРАМИКИ(57) Изобретение относится к получению термостойкой керамики, которая может применяться в качестве конструкционного материала при изготовлении элементов тепловой защиты во многих отраслях промышленности, таких как 22038 Изобретение относится к получению термостойкой керамики,которая может применяться в качестве конструкционного материала при изготовлении элементов тепловой защиты во многих отраслях промышленности, таких как химическая, металлургическая машиностроительная,в стекловаренном производстве,строительной индустрии. Известен способ получения керамики из пирогенной двуокиси кремния, предварительно обработанной аммиаком или его производными,включающий приготовление пористых агломератов,сушку, термообработку в вакууме или инертной среде, мокрое измельчение, литье заготовок и их обжиг. Недостатком известного способа является сложность и вредность производства(использование аммиака), а также пониженная термостойкость - полученный кристобалит имеет температуру перехода в стеклофазу 1700 С (Р.Айлер Химия кремнезема. Изд.Мир, 1982 г., Ч.1, с.29)(А.с.996389, кл. С 04 В 35/14, опубл. 15.02.83,бюл.6). Наиболее близким техническим решением к заявляемому, является способ получения керамики,включающий помол и перемешивание кварцевого песка, алюминия и добавок функционального и технологического назначения, формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС)(700-800 С). Керамика, полученная известным способом имеет среднюю плотность 1700-1800 кг/м 3, предел прочности на сжатие 13,2-19,8 МПа,линейное расширение 8,410-6 1/К (при 900-1200 С),огнеупорность (температуру применения) 17001800 С, пористость 34-38. (Конверсия в машиностроении в России, 5, 2002 г./ О. Н. Иванов, С. Е. Малинин, Г. П. Гафиятуллина, И. В. Кутявина. / Создание композиционных материалов на базе СВС-технологий, с.46-51). Недостатком известного способа является пониженные огнеупорность и предел прочности на сжатие. Задачей заявляемого технического решения является разработка способа получения керамики,обладающей повышенными технологическими характеристиками. Задача решается тем, что способ получения огнеупорной керамики включает помол кварца в планетарно центробежной мельнице,его науглероживание в среде пропан - бутановой смеси при температуре 750 - 800 С в течение 10-20 минут с последующим охлаждением в инертной среде,перемешивание с алюминием, формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза - 750900 С, при количественном соотношении (62,50 70,00) мас.кварца и (30,00-37,5) мас.алюминия. 2 Отличительным признаком заявляемого технического решения является то, что в качестве кварцсодержащего компонента используют кварц,помол которого осуществляют в планетарно центробежной мельнице с последующим науглероживанием в среде пропан - бутановой смеси при температуре 750 - 800 С в течение 10-20 минут и охлаждением в инертной среде, а нагрев в печи формованной смеси из (62,50 - 70,00) мас.кварца и (30,00 - 37,50) мас.алюминия доводят до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза - 750900 С. Использование в способе получения огнеупорной керамики кварца в качестве кварцсодержащего компонента определено его химическим составом и природным месторасположением. В заявляемом способе используют Казахстанский кварц Талды Курганского месторождения следующего состава 2 - 98,8423 - 0,39 А 12 О 3 - 0,55 Т 2 -0,12 Помол кварца в планетарно центробежной мельнице - активаторе динамического действия обеспечивает его повышенную химическую активность, которая связана с образованием,накоплением и перераспределением как в объеме,так и на поверхности частиц различного рода дефектов разрыв связей, образование реакционных центров, вакансии, дислокации и пр. Повышенная химическая активность способствует увеличению скорости развития реакции взаимодействия между частицами компонентов, снижению тепло-отвода, а,следовательно, росту температуры горения смеси и более активного взаимодействия компонентов шихты и продуктов реакции с атмосферным кислородом и азотом, Таким образом, осуществляя помол кварца в планетарно центробежной мельнице,одновременно осуществляют его механохимическую активацию (МХА). Е.Г. Авакумов. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск Наука. 1980,-с.190, 206. В результате науглероживания помеленного активированного кварца в среде пропан - бутановой смеси при температуре 750 - 800 С в течение 10-20 минут в нем образуется карбид кремния что подтверждает рентгено - фазовый анализ. Таким образом, без дополнительного введения углерода в составе огнеупорной керамики,получаемой заявляемым способом, в результате химических реакций, протекающих при науглероживании,образуется элемент, значительно упрочняющий и повышающий огнеупорность получаемого продукта- карбид кремния. Заявляемые температура и время науглероживания, подобраны экспериментально и является необходимой и достаточной для полного взаимодействия оксидов, входящих в состав кварца,а также образования карбида кремния. Охлаждение науглероженного кварца в инертной среде предотвращает обратимость произошедших химических реакций. Науглераживание кварца после механохимической активации способствует образованию различного вида петельчатых волокон с множеством 22038 металлических включений на конце. Предварительно механоактивированная смесь науглераживается в большей степени, что связано с дефектностью структуры 2,также с наличием включений железа, поступающего со стенок стального сосуда и размалывающих шаров при механической обработке порошка в планетарноцентробежной мельнице. Наблюдается большое количество металлсодержащих частиц, закапсулированных в углеродную оболочку. На поверхности диоксида кремния образуются жесткие каркасные углеродные наноструктуры,положительно влияющие на свойства синтезируемых материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в частности, на прочностные характеристики и огнеупорность.(Сычев А.Е., Мержанов А.Г. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез наноматериалов // Успехи химии. - 2004. - Т. 73,2. - с. 157-170),(Корчагин М.А.,Дудин Д.В. Использование самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и механической активации для получения нанокомпозитов // Физика горения и взрыва. - 2007. - Т. 43,2. -с.58-71). Количественное соотношение компонентов смеси подобрано экспериментально для полного синтеза огнеупорной керамики путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В процессе синтеза протекают следующие реакции Схема реакций 32 412 А 12 О 33(4) Конечными продуктами горения согласно формулам (1) - (4) могут быть муллитовые формы,оксид алюминия - корунд и твердые зерна карбида кремния, образовавшиеся во время горения при взаимодействии соответствующих компонентов. Кроме того, обнаружено образование нитрида алюминия (5) в продуктах СВ-синтеза в результате участия в реакциях синтеза азота из атмосферы воздуха, что подтверждается литературными данными для подобных систем. (В.А.Сургин,С.К.Кондратюк,Е.М.Попенко,А.П.Ильин,А.А.Громов. /Самораспространяющийся высокотемпературный синтез азотсодержащих соединений в волне горения порошков алюминия. Избранные труды докладовВсероссийской научнотехнической конференции. Механика летательных аппаратов и современные материалы // Томск. Издво Томского университета 2000, вып.3 с.87-89). Карбид кремния повышает эрозионную и коррозионную стойкость композита в условиях его работы при высоких температурах и воздействии коррозионных сред. Карбидокремниевые огнеупоры также имеют сравнительно высокую электро- и теплопроводность, термостойкость и стойкость к абразивному воздействию. Они не смачиваются цветными металлами,обладают высокой механической прочностью в холодном и нагретом состоянии, стойки в кислых шлаках. (Гнессин Г.Г. / Карбидкремниевые материалы. // Металлургия, М.,1977, с.216). Рентгенофазовый анализ показал конечный состав продукта синтеза, таблица 1. Таблица 1 3 1, 2, кристоаморфная фаза Заявляемый способ получения огнеупорной керамики выполняют следующим образом. Помолотый в планетарно центробежной мельнице кварц в объеме (62,50-70,00) г загружают в кварцевый реактор и нагревают ее до температуры 750-800 С, одновременно пропуская в нее пропан бутановую смесь, выдерживают в течение 10-20 минут, прекращают подачу пропан - бутановой смеси и отключают печь. Затем в печь подают инертный газ, в котором науглероженный кварц остывает. Остывший науглероженный кварц перемешивают с алюминием в объеме (30,00-37,5) г,формуют смесь методом гидростатического прессования и сушат. Формованную смесь загружают в муфельную печь и нагревают до 750900 С, выдерживают в ней до полного прохождения химических реакций, в результате которых синтезируется огнеупорная керамика со следующими характеристиками Прочность на сжатие (48,1-60,0) МПа,огнеупорность (1886-2000) С, плотность (17101950) кг/м 3, пористость (23,1-28,6). В таблице 2 приведены технические характеристики получаемой огнеупорной керамики заявляемым способом. Температура Время Темперанауглерожи- науглеражитура вания вания инициироС мин. вания С 800 15 900 780 10 800 750 20 750 19922 Способ получения огнеупорной керамики 1 Помолотый в планетарно центробежной мельнице кварц в объеме 62,50 г загружают в кварцевый реактор и нагревают ее до температуры 800 С, одновременно пропуская в нее пропан бутановую смесь, выдерживают в течение 15 минут,прекращают подачу пропан - бутановой смеси и отключают печь. Затем в печь подают инертный газ,в котором науглероженный кварц остывает. Остывший науглероженный кварц перемешивают с алюминием в объеме 37,50 г, формуют смесь в цилиндрические образцы диаметром 2 см и длиной 3 см методом гидростатического прессования и сушат. Образцы загружают в муфельную печь,которую нагревают до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза -900 С. Волна горения распространяется по всему фронту образца, при этом температура в печи повышается до 1800 С. Образцы выдерживают в печи одну минуту до полного прохождения химических реакций, в результате которых синтезируется огнеупорная керамика со следующими характеристиками прочность на сжатие 60,0 МПа, огнеупорность 2000 С, плотность 1950 кг/м 3, пористость 23,1 . ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения огнеупорной керамики,включающий помол кварцсодержащего компонента и его перемешивание с алюминием, формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что в качестве кварцсодержащего компонента используют кварц, помол которого осуществляют в планетарно центробежной мельнице с последующим науглероживанием в среде пропан - бутановой смеси при температуре 750-800 С в течение 10-20 минут и охлаждением в инертной среде,при этом температура инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза составляет 750-900 С, а количественное соотношение используемых компонентов следующее, мас. Кварц 62,50 - 70,00 Алюминий 30,00 - 37,50.