сырьевая смесь и способ получения высокопрочной огнеупорной керамики на ее основе

Формула изобретения

1. Сырьевая смесь для получения высокопрочной огнеупорной керамики, включающая порошок слабокристаллического или аморфного титаната калия и порошок огнеупорной глины на основе каолинита, взятые в следующем соотношении, мас.%:

порошок слабокристаллического или
аморфного титаната калия	26-50
порошок огнеупорной глины	50-74

2. Способ получения высокопрочной огнеупорной керамики на основе титаната алюминия, включающий приготовление гомогенной сырьевой смеси из порошка слабокристаллического или аморфного титаната калия и порошка огнеупорной глины на основе каолинита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок слабокристаллического или
аморфного титаната калия	26-50
порошок огнеупорной глины	50-74,

увлажнение смеси, формование из нее керамических заготовок с последующим нагревом и обжигом при температуре не менее 1100°С до образования керамической структуры, содержащей титанат алюминия в качестве основной кристаллической фазы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к керамической промышленности, а именно к способам получения огнеупорных материалов на основе титаната алюминия, и может найти применение в производстве высокопрочной огнеупорной керамики, обладающей низким термическим коэффициентом линейного расширения и предназначенной для использования в цветной металлургии для футеровки систем транспортировки, распределения и приема расплавов алюминия и его сплавов.

Керамика на основе титаната алюминия является одним из наиболее перспективных материалов в производстве огнеупоров. Это связяно с чрезвычайно высокой стойкостью титаната алюминия к тепловому удару (высокая термостойкость определяется очень низким значением коэффициента теплового расширения), а также высокой стойкостью к расплавам алюминия и его сплавов. Однако в интервале температур 750-1200°С кристаллы титаната алюминия нестабильны и имеют тенденцию частичного распада на Аl₂О₃ и TiO₂. Кроме того, вследствие анизотропии термического коэффициента линейного расширения (ТКЛР) титаната алюминия получение прочных керамических изделий на его основе в спеченном состоянии затруднено из-за возникновения механических напряжений и образования микротрещин при охлаждении (см., например, Высокотемпературные материалы с низким интегральным коэффициентом термического расширения / С.А.Суворов, А.В.Русинов, В.Н.Фищев, И.В.Алексеева // Огнеупоры и техническая керамика. - 2008. - № 2. - С.11-17). Следует отметить, однако, что растрескивание кристаллов титаната алюминия происходит только в случае, если размер частиц превышает 3 мкм.

Для стабилизации кристаллов Аl₂ТiO₅ в состав керамики вводят различные добавки, в качестве которых используют MgO, ZrO ₂, SiO₂, Fе₂О₃ или Аl ₂О₃. Стабилизирующие добавки вводят в состав сырьевой смеси как в чистом виде, так и в составе различных соединений; при этом стабилизация кристаллов Al₂TiO₅ происходит как чистыми оксидами (ZrO₂, Аl₂ О₃), так и продуктами реакционного синтеза (MgTiO ₃, муллит, стеклофаза).

Так, например, в патенте Германии № 3706209, МПК С04В 35/478, F01N 7/16, С04В 35/462, F01N 7/00, опубл. 29.10.1987, керамические изделия на основе титаната алюминия предлагается производить с использованием сырьевой смеси, включающей оксид титана и оксид алюминия в пропорции 1:(0,95-1,05), кварц в количестве 3-5% и примеси других оксидов в количестве не более 0,2%. Керамика, синтезируемая на основе указанной сырьевой смеси, имеет следующий фазовый состав: ТiO₂ 15-35%, Al₂TiO₅ 60-85%, Аl₂О₃ до 5%, муллит до 17%, другие фазы не более 0,2%.

Однако механическая прочность полученной керамики не превышает 38 МПа.

Согласно Европейскому патенту № 463437, МПК С04В 35/46, опубл. 02.01.1992, керамика на основе титаната алюминия, стабилизированного муллитом, может быть синтезирована при температуре 1250-1600°С с использованием сырьевых смесей, включающих оксид алюминия, оксид титана, каолин и титанат магния и содержащих (мас.%): Аl₂О₃ 50,0-61,5; TiO₂ 36,0-47,5 и SiO₂ 2,5-5,0, а также сверх 100%, но не более 1% других оксидов, а именно: MgO 0,3-1,0% и Fe₂O₃ 0,015-0,5%.

Однако механическая прочность этой керамики также относительно невелика (прочность на изгиб не превышает 50 МПа).

Согласно патенту Японии № 5279116, МПК С04В 35/46, С04В 35/46, опубл. 26.10.1993, керамика на основе титаната алюминия может быть получена при обжиге (1450-1520°С) стехиометрической (эквимолярной) смеси порошков оксида титана и оксида алюминия, имеющих размер частиц не более 0,5 мкм, и 8-12% добавок, содержащих оксиды кремния, магния и алюминия, предпочтительно в виде талька, и глинистых минералов.

Керамика, полученная согласно этому патенту, имеет механическую прочность не более 45 МПа.

В другом варианте керамический материал на основе титаната алюминия также может быть получен с использованием стехиометрической (эквимолярной) смеси оксидов титана и алюминия с добавлением 9-15% оксида циркония, оксида железа и/или оксидов редкоземельных металлов (патент Японии № 5051250, МПК С04В 35/46, опубл. 02.03.1993), но прочность этой керамики также низка и не превышает 45 МПа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является композиционный материал на основе титаната алюминия согласно патенту Японии № 6305828, МПК С04В 35/46, С04В 35/78, опубл. 01.11.1994, в котором в качестве компонента, стабилизирующего кристаллы титаната алюминия, было предложено использовать стеклофазу. Данный материал предлагается синтезировать с использованием сырьевой смеси, содержащей оксид алюминия (Аl₂О₃) или гидроксид алюминия Аl(ОН)₃, оксид титана (TiO₂) и силикатное стекло, содержащее либо оксид алюминия, либо оксид титана. Химический состав синтезируемого согласно патенту стеклокристаллического композита включает: SiO₂ 40-95%, Аl₂О ₃+ТiO₂ 5-60%, термический коэффициент линейного термического расширения составляет не более 2·10^-6 К^-1.

Недостатком данного технического решения являются высокие энергозатраты, необходимые для производства стеклокристаллического материала, предполагающие предварительное получение и измельчение высокоплавкого стекла в системе Al ₂O₃-TiO₂-SiO₂. Кроме того, синтез стеклокерамики этого состава необходимо проводить при высокой температуре (1500-1600°С).

Задачей настоящего изобретения является получение высокопрочной керамики на основе титаната алюминия при относительно низкой температуре спекания.

Техническим результатом, достигаемым при решении настоящей задачи, является снижение энергозатрат при получении высокопрочной и термостойкой огнеупорной керамики.

Поставленная задача решается тем, что сырьевая смесь для получения высокопрочной огнеупорной керамики включает порошок слабокристаллического или аморфного титаната калия и порошок огнеупорной глины на основе каолинита, взятые в следующем соотношении, мас.%:

порошок слабокристаллического или
аморфного титаната калия	26-50
порошок огнеупорной глины	50-74.

Способ получения высокопрочной огнеупорной керамики на основе титаната алюминия включает приготовление гомогенной сырьевой смеси из порошка слабокристаллического или аморфного титаната калия и порошка огнеупорной глины на основе каолинита при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок слабокристаллического или
аморфного титаната калия	26-50
порошок огнеупорной глины	50-74,

увлажнение смеси, формование из нее керамических заготовок с последующим нагревом и обжигом при температуре не менее 1100°С до образования керамической структуры, содержащей титанат алюминия в качестве основной кристаллической фазы.

В соответствии с полученными экспериментальными данными, использование в составе сырьевой смеси комбинации слабокристаллического или аморфного титаната калия (источник оксида титана) и огнеупорной глины на основе каолинита (источник оксида алюминия) позволяет при относительно низких температурах (1100-1200°С) синтезировать керамику, содержащую титанат алюминия в качестве основной кристаллической фазы, а также другие высокоплавкие кристаллические фазы, такие как оксид титана (рутил), муллит, кальсилит и леузит, а также остаточную стеклофазу, стабилизирующую титанат алюминия. Реакционный синтез керамики происходит при относительно низких температурах благодаря тому, что оба компонента сырьевой смеси полностью аморфизуются в ходе нагрева и интенсивно взаимодействуют друг с другом.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена рентгеновская дифрактограмма образца материала, полученного из сырьевой смеси, состав которой приведен в примере 3 таблицы 1; на фиг.2 - микрофотография образца материала.

Заявляемый способ получения высокопрочного наполнителя огнеупорной керамики на основе титаната алюминия реализуют следующим образом.

Берут сухую смесь порошков огнеупорной глины (каолина) и слабокристаллического или аморфного титаната калия в следующем соотношении, мас.%: порошок огнеупорной глины - 50-74, порошок слабокристаллического или аморфного титаната калия - 26-50, при этом получают сырьевую смесь следующего химического состава: ТiO₂ 22-41%, Аl₂O₃ 22-31%, SiO₂ 27-40%, K₂O 5,5-8,9%, примесные оксиды (MgO, CaO и Fе₂О₃) не более 1,5% (при этом TiO₂ и K₂О вводят в состав сырьевой смеси в виде слабокристаллического или аморфного титаната калия, a SiO₂ и Аl₂О₃ - в составе огнеупорной глины). Полученную смесь гомогенизируют в смесителе, увлажняют (влажность 7-10%), брикетируют и обжигают при температуре не ниже 850°С (температура полной аморфизации реакционной смеси предлагаемого состава), предпочтительно при температуре выше 1100°С, при которой происходит формирование расплава, ускоряющего процесс реакционного синтеза. В результате взаимодействие компонентов сырьевой смеси происходит при относительно низких температурах; при этом в ходе обжига образуются тугоплавкие кристаллические фазы: титанат алюминия (Аl₂ТiO₅), оксид титана (TiO₂, рутил), а также муллит и кальсилит (KAlSiO ₄). Полученный в результате обжига материал может быть использован как самостоятельный огнеупорный материал или в качестве наполнителя огнеупорной керамики с применением огнеупорных глин в качестве связующего.

Новизна изобретения заключается в том, что при обжиге материалов на основе предложенных сырьевых смесей образование кристаллического тиатаната алюминия происходит при значительно более низких температурах по сравнению с известными техническими решениями, что позволяет снизить энергозатраты при производстве; при этом формируется керамика, имеющая высокоплотную стабилизированную структуру, характеризуемую высокой механической прочностью и низким значением термического коэффициента линейного расширения.

Результаты экспериментальных исследований, показывающих влияние содержания компонентов в реакционной смеси на фазовый состав и свойства синтезируемой при обжиге керамики, приведены в примерах (таблицы 1, 2).

Приготавливали смесь, состоящую из порошков слабокристаллического титаната калия, имеющего химический состав (мас.%): K₂О - 18,4; TiO ₂ - 81,6, и огнеупорной глины, включающей в свой состав (мас.%): K₂O - 0,5; Аl₂O₃ - 42,9; SiO₂ - 54,3; TiO₂ - 0,3; Fе₂ О₃ - 0,9; CaO - 0,2; MgO - 0,9; при различных пропорциях сырьевых материалов полученную смесь гомогенизировали в шаровой мельнице, увлажняли при распылении дистиллированной воды из расчета достижения влажности смеси, равной 10%, и прессовали в брикеты размером 50×50×50 мм. Полученные брикеты выдерживали на воздухе при комнатной температуре в течение 12 ч, а затем подвергали термической обработке, включающей: нагрев до температуры 400°С со скоростью 5°С/мин, выдержку при температуре 400°С в течение 4 ч, нагрев от 400 до 1200°С со скоростью 10°С/мин, выдержку при 1200°С в течении 3 ч, охлаждение от 1200°С до комнатной температуры со скоростью 10°С/мин.

Структуру и фазовый состав полученных после спекания материалов исследовали методами рентгеновского фазового анализа (диффрактометр ДРОН-4) и электронной сканирующей микроскопии (электронный микроскоп Philips XL30). Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) определяли с помощью дилатометра NETZSCH DIL 402 PC, a механическую прочность на сжатие - с помощью автоматизированного пресса Controls-15 KN 65-L 1301.

В таблице 1 приведены составы реакционных смесей, использованных для синтеза керамических материалов, и фазовый состав полученных на их основе керамических материалов. В таблице 2 представлены результаты измерений, характеризующие влияние состава сырьевой смеси на механическую прочность и ТКЛР полученной при обжиге керамики в сопоставлении с аналогичными характеристиками керамики, выбранной за прототип.

Согласно полученным результатам, огнеупорная керамика, синтезированная при спекании изделий на основе сырьевой смеси, состоящей из слабокристаллического или аморфного титаната калия и огнеупорной глины с высоким содержанием каолинита (95%), взятых в следующем соотношении, мас.%: порошок слабокристаллического или аморфного титаната калия - 26-50, порошок огнеупорной глины - 50-74, обладает механической прочностью, превышающей прочность керамики, получаемой при обжиге чистого каолинита (керамика на основе муллита). При этом полученная керамика имеет высокое содержание кристаллических фаз с низким значением ТКЛР (титанат алюминия, рутил), диспергированных в стеклокристаллической матрице, состоящей из муллита, леузита и калсилита (тугоплавкие оксиды) и остаточной стеклофазы (фиг.1, 2).

Увеличение содержания титаната калия в реакционной смеси более 50% приводит к резкому изменению фазового состава получаемой керамики (таблица 1, пример 1); увеличивается содержание стеклофазы и леузита, кристаллы которого имеют низкую трещиностойкость, что приводит к падению механической прочности и резкому увеличению значения ТКЛР (таблица 2).

При увеличении содержания в сырьевой смеси огнеупорной глины до 75% и выше основной кристаллической фазой получаемой керамики становится муллит, который препятствует образованию тиалита (Al₂TiO₅) и способствует выделению ТiO₂ в качестве самостоятельной фазы (таблица 1, пример 5).

Стеклокерамика, синтезированная согласно известному техническому решению (патент Японии № 6305828), по сравнению с керамикой, полученной согласно изобретению, имеет значительно более низкую механическую прочность (таблица 2, пример 6) и не может быть использована в качестве наполнителя огнеупорной керамики, получаемого с использованием огнеупорной глины как неорганического связующего, поскольку муллитовая керамика, синтезированная на основе огнеупорной глины и обожженная в аналогичных условиях при 1500°С, обладает более высокой прочностью (160 и 67 МПа соответственно). Более того, спекание керамического композита согласно патенту Японии № 6305828 при температуре 1200°С невозможно в силу высокой тугоплавкости стекол системы Аl₂О₃-ТiO ₂-SiO₂.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет при значительно меньших энергозатратах получить огнеупорную керамику на основе титаната алюминия, имеющую высокоплотную стабилизированную структуру и высокую механическую прочность в сочетании с низким значением термического коэффициента линейного расширения.

Таблица 2.
Свойства керамики, полученной при спекании.
Пример №	Прочность на сжатие, МПа	ТКЛР, К-1·10-6
Температура обжига, °С	1200	1500	1500
1	87	107	3,5
2	179	195	2,4
3	189	300	2,1
4	162	380	1,9
5	118	Материал не может быть получен	3,8
6	Материал не может быть получен	67	1,1