Способ получения огнеупорной керамики

(51) 04 35/14 (2010.01) 04 35/00 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ машиностроительная,в стекловаренном производстве, строительной индустрии. Способ получения огнеупорной керамики включает помол кварца (51,00-59,50) масс. ,волластонита (2,00-8,00) масс. , янтарной кислоты(2,00-3,50) масс.и нашатырного спирта (1,503,00) масс.в планетарно центробежной мельнице,перемешивание с алюминием (28,00-30,50) масс.и кремнегелем (3,00-8,00) масс. , формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 750-900 С. При реализации заявляемого способа, получают огнеупорную керамику, обладающую прочностью на сжатие (62,5 -78,0) МПа, огнеупорностью (19002000)С,плотностью(72) Мофа Нина Николаевна Антонюк Валерий Иосифович Садыков Бахтияр Сейсембекович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт проблем горения Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан(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 химическая,металлургическая 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. (А.с. 996389, кл. С 04 В 35/14, опубл. 15.02.83, бюл. 6) Недостатком известного способа является сложность производства, а также пониженная термостойкость - полученный кристобалит имеет температуру перехода в стеклофазу 1700 С (Р.Айлер Химия кремнезема. Изд. Мир, 1982 г., 4.1, с.29) Известен 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 13,219,8 МПа, линейное расширение 8,4-10-6 1/К (при 900-1200 С),огнеупорность// Создание композиционных материалов на базе СВС-технологий, с. 46-51). Наиболее близким техническим решением к заявляемому,является способ получения огнеупорной керамики включающий 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) масс.кварца и (30,00 37,5) масс.алюминия. (Инновационный патент 22038, кл. С 04 В 35/14, опубл. 15.12.09, бюл.12). Недостатком известного способа является повышенная энергоемкость в следствие науглероживания кварца при температуре 750 800 С в течение 10-20 минут и пониженные технологические характеристики. Задачей заявляемого технического решения является разработка способа получения керамики с использованием сырья Казахстана. 2 Техническим эффектом заявляемого технического решения является пониженная энергоемкость способа, повышенная прочность на сжатие и пониженная плотность и теплопроводность получаемой огнеупорной керамики при той же огнеупорности. Задача решается тем, что способ получения огнеупорной керамики включает помол кварца(51,00 -59,50) масс. , волластонита (2,00-8,00) масс. , янтарной кислоты (2,00-3,50) масс.и нашатырного спирта (1,50-3,00) масс.в планетарно центробежной мельнице,перемешивание с алюминием (28,00-30,50) масс.и кремнегелем (3,00-8,00) масс. , формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 750-900 С. Отличительным признаком заявляемого технического решения является то, что помол кварца осуществляют совместно с воллостанитом,янтарной кислотой и нашатырным спиртом, а перед формованием смеси в нее вводят кремнегель, при этом количественное соотношение используемых компонентов следующее, масс.кварц 51,00 59,50 воллостанит 2,00-8,00 янтарная кислота 2,003,50 нашатырный спирт 1,5-3,00 алюминий 28,0030,50 кремнегель 3,00-8,00. 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 Использование волластонита в способе получения огнеупорной керамики,главным образом,в качестве микроармирующего наполнителя,определено особенностью его структуры. Кристаллы волластонита имеют игольчатую форму частиц, упрочняющие материал. Электронно-микроскопический анализ показывает,что частицы волластонита сохраняют свою структуру при помоле в ПЦМ. Кроме того, СаО 48,3 2-51,7 - оксиды, входящие в химический состав волластанита,взаимодействуя с компонентами шихты в процессе самораспространяющегося высокотемпературного синтеза(СВС),образуют сложные ультрадисперсные соединения повышающие прочность огнеупорной керамики. Янтарную кислоту и нашатырный спирт в заявляемом техническом решении используют в качестве модифицирующих добавок, повышающих скорость нагрева до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 750-900 С. Это предотвращает окисление алюминия кислородом воздуха и повышает его химическую активность, следствием чего является повышение температуры горения при СВС. При нагреве молекула нашатырного спирта разлагается на воду и аммиак. Аммиак взаимодействует с янтарной кислотой, образуя аммонийную соль янтарной кислоты. Соль янтарной кислоты теряет две молекулы воды и превращается в полный амид янтарной кислоты. Амид янтарной кислоты при нагревании теряет из двух своих аминогрупп (-2) одну молекулу аммиака и превращается в пятичленное циклическое соединение - имид янтарной кислоты (имидная группа ). Затем идет процесс окисления аммиака с образованием воды и азота. Вода взаимодействует с алюминием, а образующийся при этом водород участвует в восстановлении из кварца кремния. Азот взаимодействует с алюминием с образованием нитрида алюминия. Реакция экзотермическая и протекает с выделением большого количества тепла. Кроме того, введение янтарной кислоты и нашатырного спирта в заявляемый способ,обеспечивает достижения технического результата повышение пористости и снижение теплопроводности конечного продукта за счет выделения водорода и паров воды. Помол в ПЦМ кварца и волластонита совместно с янтарной кислотой и нашатырным спиртом определено тем, что в процессе измельчения происходит равномерное насыщение поверхности измельчаемых частиц кварца и волластонита органическими соединениями и повышение их химической активности, 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 теплоотвода,а,следовательно, росту температуры горения смеси и более активного взаимодействия компонентов шихты. Таким образом, осуществляя помол кварца и волластонита совместно с янтарной кислотой и нашатырным спиртом в планетарно центробежной мельнице,одновременно осуществляют их механохимическую активацию (МХА). Е.Г. Аввакумов/Механические методы активации химических процессов.//Новосибирск Наука. 1980,с.190, 206. В сумме все эти процессы приводят к снижению индукционного периода взаимодействия кварца и алюминия и повышению температуры горения при СВС до 1900 - 2000 С, необходимой и достаточной для реализации всех исходных компонентов в процессе синтеза. Результатом чего является образование корунда, кремния и муллита высокопрочных огнеупорных составляющих конечного продукта. Кремнегель используют в способе получения огнеупорной керамики в качестве связующего для формования смеси методом гидростатического прессования с целью более эффективного горения образца в режиме СВС. Кремнегель используют в качестве связующего, т.к. основой его является 2. Развитие процесса синтеза и формирование основного фазового состава конечного продукта определяется следующими реакциями Схема реакций 433 О 2 - 226 Н 20(5) В таблице 1 приведены технические характеристики получаемой огнеупорной керамики заявляемым способом. Таблица 1 Темпер Прочно Огнеуп Плотно Теплоп атура сть на орност сть роводн Кварц, г Алюминий, Волласт Янтарн Нашат Кремне иниции сжатие, ь, С кг/м 3 ость,г онит, г ая ырный гель, г ровани МПа Вт/мК кислота спирт,я, С Заявляемый способ получения огнеупорной керамики выполняют следующим образом. В планетарно центробежную мельницу загружают кварц (51,00 - 59,50) г, волластонит (2,008,00) г, янтарную кислоту (2,00-3,50) г и нашатырный спирт (1,50-3,00) г и мелят в течение 15-20 минут. В результате совместного помола кварца с волластонитом и органическими добавками(янтарной кислотой и нашатырным спиртом) получают однородный высокодисперсный порошок(до 12 мкм) оксидов повышенной химической активности. Помолотый в планетарно центробежной мельнице кварц с волластанитом, янтарной кислотой и нашатырным спиртом смешивают с 3(3,00-8,00) г в качестве связующего. Затем формуют смесь методом гидростатического прессования в виде цилиндра, сушат и помещают в печь, нагретую до температуры инициирования самораспространяющегося высокотемпературного синтеза 750-900 С. Компоненты смеси активно взаимодействуют между собой, развиваются окислительно - восстановительные реакции и по образцу проходит волна горения,сопровождающаяся повышением в нем температуры до 1900 - 2000 С. При реализации всех исходных компонентов в процессе синтеза получают пористую огнеупорную керамику, основным компонентом которой является муллит,кремний и другие огнеупорные составляющие, обладающие высокой прочностью на сжатие. Проведенный рентгено - фазовый анализ получнной огнеупорной керамики отражен в таблице 2. Таблица 2 РАФ - рентгеноаморфные фазы При реализации заявляемого способа, получают огнеупорную керамику, обладающую прочностью на сжатие (62,5-78,0) МПа, огнеупорностью (1900 2000)С,плотностью(1578-1781)кг/м 3,теплопроводность 0,119-0,198 Вт/мК. Способ получения огнеупорной керамики 1 В планетарно центробежную мельницу загружают 51,00 г кварца, 8,00 г волластониа, 2,00 г янтарной кислоты и 3,00 г нашатырного спирта и мелят в течение 20 минут. Полученный однородный высокодисперсный порошок повышенной химической активности смешивают с 28,00 г алюминия, затем добавляют 8,00 г кремнегеля и тщательно перемешивают. После этого формуют смесь методом гидростатического прессования в виде цилиндра, сушат и помещают в печь, нагретую до температуры 900 С. Нагреваемый образец воспламеняется и в результате прохождения последовательного цикла химических реакций,определяющих развитие самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (технологическое горение) с температурой до 1900 - 2000 С,синтезируется керамический образец со следующими характеристиками прочность на сжатие 78,0 МПа, огнеупорность 1910 С, плотность 1700 кг/м 3 , теплопроводность 0,198 Вт/мК. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения огнеупорной керамики,включающий помол кварца в планетарно центробежной мельнице, его перемешивание с алюминием,формование смеси методом гидростатического прессования с последующей сушкой и нагревом в печи до температуры 750 900 С, отличающийся тем, что помол кварца осуществляют совместно с волластонитом, янтарной кислотой и нашатырным спиртом, а перед формованием в смесь вводят кремнегель, при этом количественное соотношение используемых компонентов следующее, масс.Кварц 51,00 - 59,50 Волластонит 2,00 - 8,00 Янтарная кислота 2,00 - 3,50 Нашатырный спирт 1,5 - 3,00 Алюминий 28,00 - 30,50 Кремнегель 3,00 - 8,00