состав для изготовления высокотемпературного пенокерамического материала

Формула изобретения

1. Состав для изготовления жаростойкого керамического материала, включающий фосфатное связующее, глинистое сырье, пенообразователь, модифицирующие добавки и воду, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:

глинистое сырье	8,0-40,0
фосфатное связующее	20,0-48,0
пенообразователь	0,1-0,35
модифицирующие добавки	0,24-40,0
вода	0-5,0,

причем в качестве глинистого сырья используется тонкомолотая глина ПГСОА 8,0-20,0 и/или мертель-шамот 0-20,0 и/или мертель-хром 0-11,0; в качестве фосфатного связующего - ортофосфорная кислота и/или алюмоборфосфатная связка; в качестве пенообразователя - алюминиевая пудра марки ПАП; в качестве модифицирующих добавок, по крайней мере, одна из следующих: высокоглиноземистый цемент 0-12,0; Fe ₃O₄ 0-6,0; корунд 0-22,4; оксид кальция 0-1,7; гидроксид алюминия 0-0,1; сажа 0-4,0.

2. Состав по п.1, отличающийся тем, что глина не подвергается предварительному обжигу.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к промышленности строительных материалов и, главным образом, к получению жаростойких керамических материалов, предназначенных для применения в промышленном строительстве для теплоизоляции технологического оборудования, эксплуатируемого при высоких значениях температуры (в том числе в вакууме), а также в условиях прямого контакта с открытым пламенем газовых горелок, печей и др.

Уровень техники

Разработанный состав решает ту же задачу создания высокоэффективных жаростойких керамических материалов, работающих в области высоких температур, что и известные технические решения.

Известна огнезащитная композиция "Файрекс-600" [RU №2249569 С1, 10.04.2005], содержащая следующие компоненты, мас.%:

Связующее - жидкое стекло
или силикофосфатное связующее	55.0-65.0
Каолин	11.0-13.0
Мел	6.0-12.0
Щелочь	0.01-0.50
Алюминиевая пудра	0.1-0.5
Вспученный вермикулит	9.0-14.0
Зола-унос	7.0-9.0

Техническим результатом данного решения является повышение огнестойкости кабельных проходок в строительных конструкциях зданий и сооружений, таких как туннели, для обеспечения распространения по ним пламени.

Недостатком указанного метода является высокая стоимость исходных компонентов, таких, как гидроксид натрия, каолин, завоз которых в другие районы является экономически невыгодным.

Известен способ изготовления огнеупорных изделий на основе корунда, обладающих высокой прочностью и термостойкостью [RU №2245864 C1, 10.02.2005].

Для изготовления огнеупорных изделий на стадии подготовки шихты поверхность сфероидных частиц электрокорундового наполнителя смачивают олеиновой или стеариновой кислотой в количестве 0.5-1.0 мас.% от общего количества фосфатного связующего.

В процессе смешивания вводят мелкодисперсную смесь совместного помола, содержащую следующие компоненты, мас.%:

Al2O3	47.0-80.0
ZrO 2-SiO2	20.0-53.0

Фосфатное связующее в виде ортофосфорной кислоты или фосфата алюминия при содержании компонентов в шихте, мас.%:

Электрокорундовый наполнитель	50.0-70.0
Мелкодисперсная смесь совместного помола	30.0-50.0
Фосфатное связующее сверх 100%	5.0-10.0

Недостатками указанного метода являются высокая стоимость электрокорунда и цирконового концентрата, высокая температура отжига полученной композиции - 900-1100°С.

Известна композиция для изготовления среднеплотных корундовых огнеупоров плотностью 2760-2810 кг/м³, позволяющая снизить температуру спекания и пористость, а также повысить прочность и термостойкость до 1300°С [RU №2250885 C1, 27.04.2005].

Поставленная задача решена путем создания шихты для изготовления огнеупоров, включающей электрокорунд и фосфатное связующее, причем она содержит электрокорунд, модифицированный легкоразлагающейся добавкой алюминатного состава (нитратом алюминия, формиатом алюминия, бокситом) в количестве 1.0-5.0 мас.%, а в качестве фосфатного связующего - алюмоборфосфатную или алюмохромфосфатную связку при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Модифицирующий корунд	90.0-93.0
Фосфатное связующее	7.0-10.0

Недостатками данного метода являются высокая стоимость электрокорунда, высокая плотность образцов ˜2800 кг/м³, высокая температура спекания - 1300°С.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению, т.е. прототипом, является способ получения шихты для изготовления жаростойких пенокерамических материалов [RU №2251540 С1, 10.05.2005]. Способ получения пенокерамических изделий включает перемешивание тонкомолотой глины, наполнителя, фибры, воды и вспенивающего агента, нагревание и обжиг. В качестве фибры используют базальтовое, асбестовое волокно или стекловолокно, в качестве наполнителя - молотое стекло или обожженную при температуре 550-600°С глину, в качестве вспенивающего агента - отдельно приготовленную пену. Дополнительно вводят пластификатор, жидкое стекло, фосфорную кислоту. Соотношение компонентов смеси составляет, мас.%:

Глина	46.0-55.0
Наполнитель	7.8-12.8
Жидкое стекло	0.07-0.77
Фибра	0.39-0.43
Пластификатор	0.13-0.23
Фосфорная кислота	0.13-0.38
Пена	2.6-3.8
Вода	Остальное

Нагревание изделий при сушке осуществляется при 35-45°С, обжиг - при температуре 940-980°С.

Недостатком данного метода является высокое водопоглощение полученных образцов 28-42%.

Сущность изобретения

Задачей изобретения была разработка шихты для изготовления среднеплотных огнеупоров, позволяющая существенно снизить температуру спекания, повысить прочность и термостойкость, в том числе в вакууме, а также существенно снизить влагопоглощение.

Поставленная задача решена путем создания шихты для изготовления огнеупоров, включающая, мас.%:

Глинистое сырье	8-40
Фосфатное связующее	20-48
Пенообразователь	0.1-0.35
Модифицирующие добавки	0.24-40
Вода	0-5

В качестве глинистого сырья используется в мас.%: тонкомолотая огнеупорная глина марки ПГСОА (ТУ-У-322-7-00190503-086-97, с содержанием Al ₂О₃ 35.5%) 8.0-20.0 и/или мертель-шамот (марки МШ-31, ГОСТ 6137-80, с содержанием Al₂ О₃ 45%, Fe₂O ₃ 2.5%, Na₂CO₃ 0.14%) 0-20.0 и/или мертель-хром (марки МХПВ ТУ 14-8-147-75, с содержанием Mg не менее 55%, Cr₂О ₃ не менее 15%, SiO₂ не более 3%, СаО не более 3%) 0-11.0; в качестве фосфатного связующего - ортофосфорная кислота и/или алюмоборфосфатная связка (ТУ 113-08-606-87) 20-48; в качестве пенообразователя - алюминиевая пудра марки ПАП 0.1-0.35; в качестве модифицирующих добавок, по крайней мере, одна из следующих: высокоглиноземистый цемент (ВГЦ ТУ-6-03-339-78, с содержанием Al₂О₃ 70.3%, СаО 28.6%, Fe₂O₃ 0.06%, SiO₂ 0.56%, MgO 0.18%) 0-12.0; Fe ₃O₄ 0-6.0; корунд (ГОСТ 24704-81, с содержанием Al₂O₃ <95%, Fe₂O₃ не более 0.6%) 0-22.4; оксид кальция 0-1.7; гидроксид алюминия 0-0.1; сажа 0-4.0.

В соответствии с изобретением в способ, включающий изготовление керамического материала, введены новые признаки, а именно:

- в качестве глинистого сырья используется смесь, в мас.%: огнеупорной глины ПГСОА 8.0-20.0 и/или мертель-шамота 0-20.0 и/или мертель-хрома 0-11.0, при этом глина не подвергается предварительному обжигу;

- используется, по крайней мере, одна из следующих модифицирующих добавок, в мас.%: высокоглиноземистый цемент 0-12.0; Fe₃O₄ 0-6.0; корунд 0-22.4; оксид кальция 0-1.7; гидроксид алюминия 0-0.1; сажа 0-4.0.

Выбор оптимальных соотношений компонентов фосфатного связующего, глинистого сырья, пенообразователя, модифицирующих добавок позволяет уменьшить температуру обжига с 980°С по прототипу до 500°С при сохранении высоких пределов прочности при сжатии 3.0-6.0 МПа и значениях коэффициента теплопроводности 0.11-0.20 Вт/м·°С, расширить пределы термической стойкости до 1600-2000°С, в том числе в вакууме, и снизить влагопоглощение материала с 30% по прототипу до 1.5-3.0%.

Состав готовят следующим образом. Отдозированное глинистое сырье подают в шаровую мельницу, где его измельчают и перетирают до дисперсии 0.2-0.3 мм. Сухую шихту после шаровой мельницы подают в бетоносмеситель, куда добавляют отдозированное фосфатное связующее, модифицирующие добавки и воду. Смесь перемешивают до однородной пластичной массы. К полученной массе добавляют отдозированное количество вспенивателя, смесь перемешивают до получения однородной массы, которую затем наносят на поверхность конструкции или заполняют конструкцию.

Формирование керамического материала и его отверждение происходит в две стадии. Первая стадия - вспенивание 6-20 мин и последующее отверждение массы 45-60 мин, вторая - нарастание механической прочности материала до максимального значения в течение 1-2 суток при комнатной температуре. Затем полученный материал подвергается отжигу при 500°С.

В табл.1 приведены возможные примеры составов заявляемых композиций, в табл.2 - зависимость свойств керамики от состава композиции.

Таблица 1
Примеры составов заявляемых композиций
Содержание компонентов, мас.%
	Глинистое сырье			Модифицирующие добавки						Фосфатное связующее		Пенообразо ватель Al	Вода
	Глина ПГСОА	Мертель-шамот	Мертель-хром	Fe3O 4	Корунд	ВГЦ	CaO	Сажа	Al(ОН)3	Н 3PO4	АБФК
Заявляемые составы
1	11,2	-	-	4,5	22,4	11,0	1,7	-	-	22,4	23,3	0,1	3,4
2	11,0	-	-	4,4	22,0	11,2	1,7	-	-	46,3	-	0,1	3,3
3	14,1	20,0	-	6,0	-	12,0	-	-	-	23,75	23,8	0,35	-
4	20,0	20,0	-	6,0	-	-	1,7	4,0	0,1	46,7	-	0,1	-
5	15,0	-	11,0	4,5	22,4	-	-	-	-	47,0	-	0,1	-
Запредельные составы
6	22,2	22,2	-	8,3	-	-	0,5		-	46,3	-	0,5	-
7	22,3	-	-	8,9	22,2	-	-		-	-	46,5	0,1	-
Составы по прототипу ***
8	46(глина) + 12,8 (обожженная глина)	-	-	-	-	-	-		-	0,38	0,77*	3,8 **	35,01
* - жидкое стекло
** - пенообразователь
*** - кроме того - базальтовое волокно 0,41, пластификатор 0,23

Таблица 2
Зависимость свойств керамики от состава композиции
Свойства	Показатели для составов
	1	2	3	4	5	6	7	прототип
Средняя плотность, кг/м 3	600	760	1000	1000	860	1000	1270	610-720
Предел прочности при сжатии, МПа	6,0	5,6	5,8	5,9	5,6	4,5	4,6	3,0-5,6
Водопоглощение, %	1,5	1,5	1.5	1,4	1,5	2,0	3,0	28,0-43,0
Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С	0,12	0,13	0,14	0,13	0,12	0,15	0,16	0,13-0,18
Термостойкость, °С	2000	2000	1950	2000	1950	1800	1700
Термостойкость в вакууме, °С	1300-1700	1300-1700	1300-1700	1300-1700	1300-1700	Не выдерживает	Не выдерживает	Не выдерживает
Пористость, %	54,0	42,0	57,0	46,0	43,0	43,0	43,0	-