Способ получения стеклокристаллического материала

 

Изобретение относится к области производства товаров народного потребления и строительных материалов. Сущность изобретения: способ получения стеклокристаллического материала включает нагрев шихты до 1600-2000°С со скоростью 10³-10⁴ град/ч с использованием плазменного теплоносителя, варку, формование расплава, кристаллизацию и отжиг. Энергозатраты в среднем составляют не более 5 кВтч/кг. Переработке могут быть подвергнуты разнообразные отходы: шлаки, золы, стеклобой, отвалы горнодобывающих предприятий. 1 табл.

Изобретение относится к области производства товаров народного потребления и строительных материалов, преимущественно стеклокристаллических материалов, и может быть использовано для получения ситаллов и каменного литья с цветным контрастным рисунком типа малахита, яшмы и др.

В производстве декоративных стеклокристаллических изделий различного функционального назначения применяется способ литья, включающий наполнение форм измельченной шихтой, нагревание и плавление шихты, кристаллизацию и охлаждение плава [1]. Этот способ позволяет получать декоративные материалы и изделия с высокими потребительскими свойствами. Однако процесс по этому способу идет медленно и в периодическом режиме, что влечет за собой непроизводительные потери тепла. Так, нагревание шихты до плавления идет со скоростью 180-200^оС в час, а охлаждение - со скоростью 20-30^оС в час. Кроме того, формы из традиционных огнеупоров (корунд, шамот и т.д.) выдерживают указанный темп нагрева только при небольших объемах (до 1-2 л) и при ограниченном количестве плавок. Нетрадиционные огнеупоры (платина, графит, тугоплавкие металлы, нитрид титана и т.п.) или чрезвычайно дороги или подвергаются износу вследствие интенсивного химического взаимодействия с расплавом. Температура варки 1500^оС ограничена в воздушной среде.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения расплава из минералов или сырьевых материалов путем загрузки в печь, подачи туда газа, который нагревается плазмой, с последующим плавлением и выработкой [2].

Недостатком этого способа является то, что плавление шихты происходит медленно, равновесно, что приводит к полной гомогенизации состава и исключает возможность получения изделий с декоративной огненно-полированной поверхностью. Известный способ требует введения специальных добавок к шихте: катализаторов, в том числе довольно дорогих, вызывающих объемную кристаллизацию стекломассы.

Целью изобретения является интенсификация процессов и расширение сырьевой базы.

Для обеспечения способа используют плазменный теплоноситель. Плазменный теплоноситель, например воздух, нагретый электрическим разрядом до температуры 3000-4000^оС, обладает высоким теплосодержанием (1000-2000 ккал/кг) и обеспечивает интенсивный нагрев шихты любого состава до температуры 1600-2000^оС со скоростью 10³-10⁴ градусов в час. При таком нагреве не происходит гомогенизация расплавленной стекломассы и компоненты стекломассы дислоцированы и объеме в соответствии с последовательностью их плавления. Это создает предпосылки для кристаллизации компонентов стекломассы в поверхностном слое без специальных катализаторов, что обеспечивает декорирование поверхности изделий. С другой стороны, интенсивный нагрев шихты до высокой температуры 1600-2000^оС обеспечивает быстрое газоудаление из стекломассы и получение на стадиях формования кристаллизации и отжига огненно полированной поверхности изделий без пороков: трещин, пузырей и т.п.

Принципиальная схема предлагаемого способа получения стеклокристаллических материалов состоит в следующем. Компоненты шихты в измельченном виде дозирующими устройствами подают в смеситель, полученную шихту питателем непрерывно направляют в плазменную печь. Воздух или другой плазмообразующий газ подают в плазменный генератор. Полученный плазменный теплоноситель направляют в печь для нагрева и плавления шихты. Из печи стекломассу разливают в формы. После снижения температуры расплава в поверхностном слое до температуры кристаллизации изделия направляют в отжиговую печь.

Примеры осуществления способа получения стеклокристаллических материалов и каменного литья приведены в таблице.

П р и м е р 1. В плазменной плавильной печи, футерованной легковесным корундовым бетоном, нагревают до температуры 1600-2000^оС стенки печи и шихту, включающую тугоплавкие продукты обогащения хвостов апатитовой флотации. В качестве теплоносителя используют воздушную плазму с температурой 3000-4000^оС. Вводят порцию шихты и под воздействием излучения стенок и тепла расплава нагревают ее до температуры 1600-2000^оС за 10-90 мин (10⁴-10³ град/ч). Скорость нагрева шихты регулируют расходом плазменного теплоносителя, Разливают в приготовленные формы порцию плава, соответствующую введенной порции шихты. Охлаждают полученные изделия до температуры начала кристаллизации тугоплавких компонентов шихты в поверхностном слое расплава и помещают изделия в отжиговую печь. Температуру в отжиговой печи снижают с эмпирически определяемой скоростью. Полученные изделия обладают разнообразно декорированной, огненно-полированной поверхностью без видимых пороков (трещин, пузырей и т.п.) и отличаются высокими физико-техническими свойствами: прочностью, твердостью, термостойкостью. Основной фактор интенсификации - скорость нагрева шихты в плавильной печи - имеет ограничения, связанные с обеспечением высокого качества поверхности изделия. Слишком медленный нагрев - менее 10³ град/ч - приводит к растворению расцвечивающих компонентов в расплаве, гомогенизации расплава и исчезновению декоративных свойств поверхности получаемых изделий, поскольку не обеспечивает полного удаления газов из расплава и приводит к изъявлению поверхности изделий в результате выделения газовых пузырей при формовании.

Другой фактор интенсификации - высокая температура варки стекломассы - имеет теплофизические ограничения. Если температура варки превышает 2000^оС, возникают затруднения с подбором материала для футеровки печи. Доступные огнеупоры не выдерживают нагрева выше 2000^оС. Охлаждение стенок печи приводит к большим энергозатратам. Снижение температуры варки ниже 1600^оС не обеспечивает плавления тугоплавких компонентов шихты, в результате при кристаллизации возникают напряжения, которые приводят к трещинам в изделиях.

В примере 3 основными компонентами шихты являются SiO₂ 41-44 мас.%, СаО 10-24 мас.%, TiO₂ 14-16 мас.%, Al₂O₃ 11-13 мас.%. Для получения качественных изделий такую шихту приходится нагревать до температуры 1700^оС. Здесь использованы компоненты отходов апатитового производства.

Использование изобретения по сравнению с известными способами обеспечивает следующие преимущества: - стадия нагрева и варки стекломассы интенсифицируется, что позволяет уменьшить габариты плавильной печи и снизить энергозатраты (энергозатраты в среднем составляют 5 кВт˙ч/кг массы, габариты 0,5х0,3х0,3 м³); - переработке в ситаллы и каменное литье могут быть подвергнуты разнообразные отходы: отвалы горнодобывающих предприятий и их компоненты, шлаки металлургических производств, отработанные катализаторы, золы и шлаки теплоагрегатов, стеклобой и т.п., что способствует решению экологических проблем, комплексному использованию полезных ископаемых и расширению сырьевой базы производства ситаллов и каменного литья; - получаются изделия с глянцевой огненно-полированной поверхностью с многоцветным рисунком, имитирующим поверхность полированных природных камней типа яшмы, малахита и т.п., что существенно расширяет сферу хозяйственного и культурно-художественного применения получаемых изделий.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА путем подготовки шихты, нагрева и варки стекломассы с использованием плазменного теплоносителя, формования, кристаллизации и отжига, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса и расширения сырьевой базы, нагрев до 1600 - 2000^oС ведут со скоростью 10³ - 10⁴ град./ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1