способ получения керамических изделий
Классы МПК: | C04B35/00 Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом; керамические составы; обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий |
Автор(ы): | Бабиевская Ирина Зиновьевна (RU), Гавричев Константин Сергеевич (RU), Дергачева Нина Петровна (RU), Дробот Наталия Федоровна (RU), Ермаков Владимир Анатольевич (RU), Изотов Александр Дмитриевич (RU), Кренев Владимир Александрович (RU), Кузнецов Николай Тимофеевич (RU), Новоторцев Владимир Михайлович (RU), Рюриков Вадим Федорович (RU) |
Патентообладатель(и): | Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук (ИОНХ РАН) (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2007-02-22 публикация патента:
27.12.2008 |
Изобретение относится к технологии керамики на основе оксида магния и может быть использовано при изготовлении изоляторов магнитных гидродинамических (МГД) генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов, тиглей для плавления высокочистых черных, цветных и редких металлов, а также в технологии магнезитовых огнеупоров. Согласно предложенному способу получения керамических изделий для приготовления формовочной массы в порошок оксида магния вводят связующее, ингредиенты (5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% оксида магния) перемешивают при комнатной температуре до однородного состояния, к смеси также при перемешивании добавляют 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего и выдерживают 5-10 часов. Из полученной формовочной массы проводят формование изделий и их термообработку при температуре 150-300°С. В качестве связующего используют безводный дигидроортофосфат магния Mg(H2PO4) 2. Формование изделий осуществляют прессованием с усилием 700-1200 кг/см2. Предложенный способ позволяет упростить стадию приготовления формовочной массы и существенно снизить энергозатраты за счет проведения процесса термообработки изделий при значительно более низких температурах. 1 з.п ф-лы.
Формула изобретения
1. Способ получения керамических изделий, заключающийся в том, что для приготовления формовочной массы в порошок оксида магния вводят связующее, ингредиенты перемешивают при комнатной температуре до однородного состояния и выдерживают 5-10 ч, затем из полученной формовочной массы проводят формование изделий и их термообработку, отличающийся тем, что в качестве связующего используют безводный дигидроортофосфат магния Mg(H 2PO4)2, приготовление формовочной массы осуществляется смешением 5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% оксида магния, перед выдерживанием к смеси также при перемешивании добавляют 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего, а термообработку отформованных изделий проводят при температуре 150-300°С.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование изделий осуществляют прессованием с усилием 700-1200 кг/см2.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к технологии технической керамики на основе оксида магния и может быть использовано при изготовлении изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов, тиглей для плавления высокочистых черных, цветных и редких металлов, а также в технологии магнезитовых огнеупоров.
Предлагаемая технология основана на использовании в процессе приготовления керамической формовочной массы дигидроортофосфата магния в качестве связующего.
Известен способ получения керамической массы [RU 2233816, 2004] на основе ультрадисперсных плазмохимических порошков оксидов металлов, в том числе плазмохимического порошка оксида магния, а также его композиций с плазмохимическими порошками оксидов алюминия, циркония, иттрия, кальция и церия путем смешивания порошков и органической связки.
Перед смешиванием плазмохимические порошки предварительно подвергают отжигу на воздухе при температуре 800-1400°С в течение 0.5-1.0 часа, а затем проводят механическую активацию в шаровой мельнице с добавлением поверхностно-активного вещества в течение 50-100 час. В качестве органической связки используют парафин в количестве 16-20 вес.%, содержащий 4-5 вес.% пчелиного воска. В качестве поверхностно-активного вещества при активации используют олеиновую кислоту в количестве 1-2 вес.%.
Описанный способ имеет ряд существенных недостатков: использование в качестве исходного сырья достаточно дорогих порошков оксидов плазмохимического производства; энергоемкие операции отжига при 800-1400°С и механической активации в шаровой мельнице в течение 2-4 суток; использование в качестве органической связки парафина, обладающего низкой адгезией по отношению к оксиду магния и высоким коэффициентом термического расширения, превышающим таковой для оксида магния в 1000 раз, что может вызвать разрушение отформованных изделий в процессе их термообработки.
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления массы для формования основных огнеупоров [RU 2136630, 1999] (прототип).
Согласно прототипу, масса для формования основных огнеупоров содержит оксиды кальция и магния и гидрофобное связующее, состоящее из таллового масла и гидроксида кальция в качестве пластификатора.
В соответствии с независимым п.2 формулы и примером 2 прототипа способ изготовления массы состоит в том, что в исходный порошок, содержащий СаО и MgO, нагретый до температуры не более чем 150°С, вводится 0.11 мас.% таллового масла, которое перемешивается не менее 2 часов с исходным порошком при охлаждении до температуры не менее 117°С. Затем в массу вводится 3.05 мас.% гидроксида кальция и перемешивание продолжается при остывании массы до комнатной температуры. После вылеживания массы до 10 часов в условиях атмосферной влажности 72-81% из нее прессовали в виде кубиков 50×50×50 мм (давление прессования в патенте не указано) изделия, а также кирпичи по ГОСТ 390-83. Обожженные при 1600°С изделия и кирпичи имели плотность 2990 и 2830 кг/м3 соответственно.
Недостатками этого способа является сложность и многостадийность процесса приготовления формовочной массы, использование горючего таллового масла с температурой вспышки 221°С, обладающего резким запахом, высокая температура отжига изделий, что требует больших энергозатрат.
Изобретение направлено на упрощение стадии приготовления формовочной массы и создание энергосберегающей технологии получения технической керамики на основе оксида магния.
Технический результат достигается тем, что предложен способ получения керамических изделий, заключающийся в том, что для приготовления формовочной массы в порошок оксида магния вводят связующее, ингредиенты перемешивают при комнатной температуре до однородного состояния и выдерживают 5-10 часов, затем из полученной формовочной массы проводят формование изделий и их термообработку, отличающийся тем, что в качестве связующего используют безводный дигидроортофосфат магния Mg(H 2PO4)2, приготовление формовочной массы осуществляется смешением 5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% оксида магния, перед выдерживанием к смеси также при перемешивании добавляют 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего, а термообработку отформованных изделий проводят при температуре 150-300°С.
Целесообразно, что формование изделий осуществляют прессованием с усилием 700-1200 кг/см 2.
Дисперсность MgO в качестве наполнителя определяется исходным сырьем и способом получения оксида магния. Для получения керамических изделий рекомендуется дисперсность наполнителя 0,05-0,1 мкм [Химическая технология керамики и огнеупоров под ред. П.П.Будникова и Д.Н.Полубояринова. М., Стройиздат, 1972, стр.55].
Количество связующего Mg(H2PO4 )2 5-15 мас.% определяется получением изделий с требуемыми потребительскими свойствами.
Способность оксида магния взаимодействовать с водой определяет последовательность приготовления формовочной массы, а именно: сначала готовят сухую смесь наполнителя MgO и связующего Mg(H2 PO4)2, а затем добавляют воду. В этом случае добавление воды в количестве 2-7 мас.% по отношению к массе связующего не вызывает гидратации оксида магния, т.к. в первую очередь вода взаимодействует с безводным гидрофильным дигидроортофосфатом магния с образованием кристаллогидратов с 2, 3 или 4 молекулами.
Выдерживание формовочной смеси в течение 5-10 часов перед процессом формования необходимо для протекания химического активирования контактных связей в системе MgO-Mg(H2PO4) 2·nH2O, где n=2, 3 или 4.
Температура термообработки 150-300°С определяется необходимостью упрочнения химически активированных контактных связей путем удаления гидратированной воды [Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. Ю.Е.Пивинский. СПб., Стройиздат, 2003, т.1, стр.215]. При температуре свыше 300°С значительно возрастает доля энергозатрат в себестоимости керамических изделий.
Время термообработки определяется геометрическими размерами изделий и их назначением и может составлять от 3 до 24 часов.
Усилие формования 700-1200 кг/см2 определяется требованиями, предъявляемыми к потребительским свойствам получаемой керамики.
Заявленный способ реализуется следующим образом: исходный оксид магния подвергают измельчению до получения порошка с размером частиц 0,05-0,1 мкм; к порошку оксида магния добавляют безводный дигидроортофосфат магния в качестве связующего в соотношении 5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% MgO; смесь перемешивают до однородного состояния, добавляют также при перемешивании 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего; приготовленную таким образом формовочную массу выдерживают при температуре 10-30°С в течение 5-10 часов; полученную формовочную массу отформовывают и подвергают термообработке при температуре 150-300°С в течение 3-24 часов. При необходимости формование осуществляют путем прессования с усилием 700-1200 кг/см3 .
Ниже приведены примеры осуществления заявленного способа, которые иллюстрируют способ, но не ограничивают его.
Пример 1
85 мас.% оксида магния в качестве наполнителя смешивали с 15 мас.% безводного дигидроортофосфата магния, затем к этой смеси добавляли 7 мас.% воды по отношению к связующему и перемешивали в шнековой мешалке. Смесь выдерживали в течение 10 часов при 20°С. После этого из смеси формовали изделия, которые подвергали термообработке при 300°С в течение 12-ти часов. Плотность полученных изделий составляла не менее 2300 кг/м 3. При формовании с усилием 1000 кг/см2 плотность изделий составляла не менее 2680 кг/м 3.
Пример 2
90 мас.% оксида магния в качестве наполнителя смешивали с 10 мас.% безводного дигидроортофосфата магния, затем к этой смеси добавляли 5 мас.% воды по отношению к связующему и перемешивали в шнековой мешалке. Смесь выдерживали в течение 8 часов при 20°С. После этого из смеси формовали изделия, которые подвергали термообработке при 250°С в течение 12-ти часов. Плотность полученных изделий составляла не менее 2400 кг/м3. При формовании с усилием 1000 кг/см2 плотность изделий составляла не менее 2800 кг/м3.
Пример 3
95 мас.% оксида магния в качестве наполнителя смешивали с 5 мас.% безводного дигидроортофосфата магния, затем к этой смеси добавляли 2 мас.% воды по отношению к связующему и перемешивали в шнековой мешалке. Смесь выдерживали в течение 3 часов при 20°С. После этого из смеси формовали изделия, которые подвергали термообработке при 150°С в течение 12-ти часов. Плотность полученных изделий составляла не менее 2180 кг/м3. При формовании с усилием 1000 кг/см2 плотность изделий составляла не менее 2520 кг/м3.
Предложенный способ получения керамических изделий на основе оксида магния позволяет упростить стадию приготовления формовочной массы и существенно снизить энергозатраты за счет проведения процесса термообработки изделий при значительно более низких температурах.
Класс C04B35/00 Формованные керамические изделия, характеризуемые их составом; керамические составы; обработка порошков неорганических соединений перед производством керамических изделий