способ получения керамических изделий на основе волластонита
Классы МПК: | C04B33/28 литье из шликера C04B35/80 волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы C04B35/16 на основе силикатов, кроме глины |
Автор(ы): | Русин Михаил Юрьевич (RU), Викулин Владимир Васильевич (RU), Русанова Лидия Николаевна (RU), Куликова Галина Ивановна (RU), Алексеев Михаил Кириллович (RU), Конанова Анна Юрьевна (RU), Ёва Татьяна Ивановна (RU), Горчакова Лидия Ивановна (RU), Бизин Игорь Николаевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-10-23 публикация патента:
27.08.2009 |
Изобретение относится к технологии производства конструкционных керамических элементов оснастки литейных агрегатов алюминиевой промышленности. Техническим результатом изобретения является расширение ассортимента конструкционных изделий на основе природного волластонита для алюминиевой промышленности, обладающих повышенной термостойкостью и увеличенным ресурсом работы, а также существенное снижение засорения алюминиевых слитков керамическими включениями. Предлагаемый способ включает приготовление водного шликера путем одновременного помола природного волластонита, каолина, глины с добавлением воды, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг. В шликер дополнительно вводят алюмосиликатное волокно длиной 3-15 мм в количестве 5,0-10,0% от массы шликера. Формование изделий осуществляют способом шликерного литья в пористые формы.
Формула изобретения
Способ получения керамических изделий на основе волластонита, включающий приготовление водного шликера путем одновременного помола следующих компонентов в соотношении, мас.%: природный волластонит 75-79, каолин 14-15, глина 7-10 с добавлением воды в количестве 29-30% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды в качестве стабилизаторов до тонины помола с остатком на сите 0063 - 20-22%, формование изделий в пористые формы, сушку и обжиг, отличающийся тем, что в шликер дополнительно вводят алюмосиликатное волокно длиной 3-15 мм в количестве 5,0-10,0% от массы шликера.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии производства 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 В 23141172 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, составляющем 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 и 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° в течение 4-6 ч.
Данный способ позволяет получать листовой теплоизоляционный материал с плотностью 0,75-1,15 г/см 3 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:
- недостаточная термостойкость материала, ограничивающая его применение во многих конструкционных элементах керамической оснастки литейных агрегатов;
- относительно низкий ресурс работы изделий в условиях эксплуатации;
- склонность материала к катастрофическому разрушению в процессе эксплуатации изделий и, как следствие, засорение металла керамическими включениями.
Задачей изобретения является повышение термостойкости материала на основе природного волластонита, увеличение ресурса работы изделий с сохранением их целостности в процессе эксплуатации и расширение номенклатуры конструкционных волластонитовых элементов для литейных агрегатов алюминиевой промышленности.
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 алюмосиликатное волокно в количестве 5,0-10,0% от массы шликера.
Преимуществами указанного способа являются:
- возможность получения материала на основе природного волластонита с повышенной термостойкостью с сохранением химической устойчивости к алюминиевым расплавам до температуры 1000°С, позволяющая расширить области применения волластонитовой керамики как конструкционного материала для оснастки литейных агрегатов;
- увеличение ресурса работы изделий в условиях эксплуатации в 2,5-3 раза;
- существенное снижение засорения металла керамическими включениями вследствие сохранения целостности изделий в процессе эксплуатации.
Материал, описанный в прототипе, характеризуется высокой химической устойчивостью к алюминиевым расплавам до 1000°С. Введение в волластонитовую керамику волокна алюмосиликатного состава, например муллитокремнеземистого, каолинового и др., в заявляемом количестве не влияет на химическую устойчивость материала в расплаве алюминия.
В предлагаемом способе применяют волокна, рубленные на отрезки длиной до 15 мм, с диаметром элементарного волокна 5-50 мкм. Использование волокна, нарезанного на более длинные отрезки, затрудняет перемешивание наполненного шликера и не обеспечивает равномерность распределения в нем волокна.
Введение в шликер волокна в количестве более 10,0 мас.% приводит к потере его технологичности - увеличению вязкости и, следовательно, ухудшению реологических свойств и литейной способности. Содержание в шликере волокна в количестве менее 5,0 мас.% не обеспечивает заданного технического эффекта.
Волокно, равномерно распределенное в объеме материала, играет роль арматуры, обусловливающей существенное повышение его трещиностойкости и термостойкости. Кроме того, волокна препятствуют разрушению и раскрошиванию изделий даже при возникновении трещин в материале вследствие резких термоперепадов в процессе эксплуатации. В итоге обеспечивается целостность изделий и, следовательно, увеличение ресурса их работы, при этом существенно снижается вероятность засорения металла керамическими включениями (в сравнении с материалом прототипа).
Полученный по предлагаемому способу материал химически устойчив к расплавам алюминия до температуры 1000°С, имеет плотность 1,30-1,45 г/см3, прочность при статическом изгибе 8-22 МПа, высокую термостойкость (выдерживает до 35 теплосмен от 850 до 20°С на воздухе) и повышенный ресурс работы изделий в условиях эксплуатации - 30-35 циклов литья алюминиевых слитков на литейном агрегате.
Указанная совокупность признаков способа позволяет получать конструкционные изделия на основе природного волластонита с термостойкостью и ресурсом работы, превосходящими в 2,5-3 раза эти характеристики у материала-прототипа.
Примеры осуществления способа
Пример 1.
Природный волластонит 79 мас.%, каолин 14 мас.% и глину 7 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) - 22%;
- условную вязкость - 86 с;
- рН 10,5.
К полученному шликеру добавляли 5,0 мас.% муллитокремнеземистого волокна, рубленного на отрезки длиной 5-10 мм, и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 8 минут. Из наполненного шликера формовали в гипсовой форме изделие «тепловая насадка» для кристаллизатора литейного агрегата (размеры изделия: диаметр внешний - 160 мм; диаметр внутренний - 100 мм; высота - 115 мм).
Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 3 ч и обжигали при 950°С в течение 2 ч.
Материал «тепловой насадки» имел плотность 1,45 г/см3 , прочность при статическом изгибе 22 МПа; разноплотность материала по объему изделия не превышала 1%; термостойкость - 31 теплосмена при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 теплосмен). Коэффициент теплопроводности материала - 0,39 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа 0,5 - 0,6 Вт/м·К). Ресурс работы изделия - 30 циклов литья алюминиевых слитков (ресурс работы изделия из материала-прототипа - до 10 циклов). 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 10,0 мас.% алюмосиликатного волокна (содержание окиси кремния - 80 мас.%), рубленного на отрезки длиной 12-15 мм, и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 10 минут. Из наполненного шликера формовали в гипсовой форме изделие «втулка» для перелива расплава алюминия из желоба в изложницу (размеры изделия: диаметр внешний - 60 мм; диаметр внутренний - 55 мм; высота - 160 мм).
Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 2 ч и обжигали при 950°С в течение 1 ч.
Материал «втулки» имел плотность 1,30 г/см3, прочность при статическом изгибе 10 МПа; разноплотность материала по объему изделия не превышала 1%; термостойкость - 35 теплосмен при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 теплосмен). Коэффициент теплопроводности материала - 0,30 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа - 0,5-0,6 Вт/м·К). Ресурс работы изделия - 35 циклов литья алюминиевых слитков (ресурс работы изделия из материала-прототипа - до 10 циклов). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 100°С.
Пример 3.
К шликеру, полученному по примеру 2, добавляли 7,0 мас.% каолинового волокна, рубленного на отрезки длиной 3-6 мм, и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 10 минут. Из наполненного шликера формовали в гипсовой форме изделие «труба» для подачи расплава алюминия в форму (размеры изделия: диаметр внешний - 70 мм; диаметр внутренний - 50 мм; высота - 300 мм).
Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 2 ч и обжигали при 950°С в течение 2 ч.
Материал «трубы» имел плотность 1,36 г/см3, прочность при статическом изгибе 16 МПа; разноплотность материала по объему изделия не превышала 1,5%; термостойкость - 33 теплосмены при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 теплосмен). Коэффициент теплопроводности материала - 0,35 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа - 0,5-0,6 Вт/м·К). Ресурс работы изделия - 32 цикла литья алюминиевых слитков (ресурс работы изделия из материала-прототипа - до 10 циклов). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.
Как видно из представленных примеров, предлагаемый способ решает задачу получения материала из природного волластонита и конструкционных изделий на его основе, характеризующихся повышенной термостойкостью, химической устойчивостью в расплаве алюминия и высоким ресурсом работы в условиях эксплуатации.
Класс C04B33/28 литье из шликера
Класс C04B35/80 волокна, нити, пластинки, спиральные пружины или подобные им формованные материалы
Класс C04B35/16 на основе силикатов, кроме глины