Способ упрочнения необожженной силикатной керамики

 

Изобретение относится к области химии силикатов, а именно к способам гидротермального упрочнения безобжиговых, содержащих преимущественно кальциево-магниевые силикаты строительных керамических изделий. Задачей изобретения является повышение прочности керамических необожженных силикатных изделий и снижение расхода энергоносителей. Поставленная задача решается за счет того, что в качестве активизатора упрочнения используют карбонат натрия, а в качестве ингибитора - двуокись углерода. При этом гидротермальное упрочнение силикатной керамики производят в паровом автоклаве при давлении до 0,3 МПа в течение 2 - 3 часов по следующему способу: подъем давления производят с помощью барботированного раствором карбоната натрия пара, а выдержку при максимальном давлении производят в присутствии двуокиси углерода, причем скорость подъема и снижения давления в интервале 0,01 - 0,05 МПа не должна превышать 9·10^-4 и для объемных и 13·10^-4 МПа/мин для тонкостенных изделий. Для улучшения товарного вида загрузку изделий в автоклав перед упрочнением производят при температуре его рабочей камеры 100 - 110^oC. Применение способа позволяет получать изделия высокой прочности при коротких режимах гидротермальной обработки, что позволяет в несколько раз снизить расход энергоносителей. Способ предусматривает применение экологически чистой технологии. 1 з. п. ф-лы. 4 табл.

Изобретение относится к области химии, а именно к способам гидротермального упрочнения необожженных содержащих преимущественно кальциево-магниевые силикаты строительных керамических изделий.

Известны способы изготовления и упрочнения керамических изделий путем пропитки их различными отвердителями перед сушкой.

Например, способ отверждения необожженной кварцевой керамики по а. с. N 1137091, C 04 B 35/14 содержит пропитку изделий этилсиликатом и обработку их 1 5% раствором аммиака перед сушкой, а способ изготовления строительных изделий по а. с. N 1283239 включает измельчение вяжущих компонентов в растворе серной кислоты и обработку изделий 5 15% раствором хлористого кальция.

Известны также способы упрочнения керамики, включающие применение различных ингибиторов твердения, например, хлоридов, сульфатов, фторидов, фосфатов и др. химических соединений.

Например, строительный раствор по а. с. N 1291575 в качестве активизатора твердения содержит 0,46 0,97% хлористого кальция, а сырьевая смесь для получения строительных изделий по а. с. N 13033576, C 04 B содержит 3 15% фторида кальция и сульфата кальция.

Известны способы упрочнения керамических изделий с помощью жидкого стекла с использованием гидротермальной обработки в автоклавах. Например, способ изготовления декоративных облицовочных плит по а. с. N 1719351 включает пропитку изделий 25% раствором жидкого стекла. Известен способ упрочнения безобжиговой кварцевой керамики по а. с. N 771052, С 04 В, включающий добавку в кварцевый шликер жидкого стекла до получения рН 9,5 10,25 с последующим упрочнением отформованных изделий в паровом автоклаве при температуре 170 180^oC.

Известны способы упрочнения различных бетонов в автоклавах, включающие быстрый подъем давления до 0,8 1,2 МПа в течение часа и медленное снижение давления в течение 3 5 час, что обеспечивает максимальную прочность строительных изделий /1/.

Основными недостатками гидротермальных способов упрочнения, широко применяемых в промышленности, являются высокая стоимость процесса упрочнения ввиду повышенного расхода энергоносителей для получения пара высокого давления в пределах 0,8 1,2 МПа. Кроме того, способы интенсивного подъема давления при упрочнении керамики не могут использоваться ввиду сильной деформации изделий и высокого процента брака при автоклавной обработке. Другим недостатком известных способов является сравнительно низкая прочность изделий.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления декоративных гипсовых плит по а. с. N 1224295, C 04 B 40/02, включающий гидротермальную обработку изделий в паровом автоклаве при давлении до 0,25 МПа по следующему режиму: 1 стадия, давление 0,09 0,11 МПа, время выдержки 0,5 1 ч.

2 стадия, давление 0,16 0,24 МПа, время выдержки 0,4 1 ч.

3 стадия, давление 0,09 0,11 МПа, время выдержки 0,3 0,4 ч.

Основным недостатком указанного способа является сравнительно низкая прочность полученных изделий, не превышающая при сжатии 25 35 МПа. Для повышения прочности предусматривается циклично-периодическая термообработка путем снижения давления, доувлажнения изделий и повторной обработки их в автоклаве, например, способ по а. с. N 1146292, C 04 B 28/14, что в конечном счете значительно снижает производительность и повышает себестоимость гидротермального упрочнения.

Задачей изобретения является повышение прочности керамических необожженных силикатных изделий и снижение расхода энергоносителей.

Поставленная задача решается за счет того, что в качестве активизатора упрочнения используют карбонат натрия, а в качестве ингибитора двуокись углерода. При этом гидротермальное упрочнение необожженной силикатной керамики, включающее выдержку изделий в паровом автоклаве при давлении до 0,3 МПа в течение 2 3 часов, производят следующим способом: подъем давления в автоклаве производят с помощью барботированного раствором карбоната натрия пара, а выдержку при максимальном давлении производят в присутствии углекислой среды, причем скорость подъема и снижения давления в интервале 0,01 0,05 МПа не должна превышать для объемных изделий 9·10^-4 и для тонкостенных 13·10^-4 МПа/мин. Кроме того, загрузку изделий в автоклав перед упрочнением производят при температуре его рабочей камеры 100 100^oC.

Указанные отличительные признаки обеспечивают следующие преимущества. Присутствие карбоната натрия в паровой среде способствует более активному образованию кремниевой кислоты с гелями кремнезема, что в свою очередь активизирует возникновение кальциево-магниевых силикатов устойчивыми вяжущими соединениями в системе CаО-MgO-SiO₂ или C₂S-SiO₂ /1/.

Выдержка изделий в автоклаве в присутствии углекислоты активизирует появление свободных радикалов НCО₃, что в сочетании с кальцием, магнием и гелями кремнезема активизирует образование Mg-кальцита с упорядоченной катионной структурой и прочной, устойчивой микроструктурой кристаллов. Создание углекислой среды при гидротермальном упрочнении наиболее целесообразно при подъеме давления до максимальной заданной величины, когда заканчиваются переходные процессы и устанавливается постоянный объем газов в равновесном состоянии при минимальном поступлении в автоклав свежих порций пара с окислительной средой /2/.

Ограничение скорости подъема и снижения давления пара в интервале 0,01 - 0,05 МПа до указанных величин позволяет исключить возникновение микротрещин или деформаций изгиба при нагреве и охлаждении изделий в автоклаве, что также повышает прочность керамики. Основными причинами возникновения деформаций при автоклавировании является неравномерный прогрев изделий, причем перепад температур в центре и снаружи изделий может составлять 40 50^oC. Указанный перепад температур приводит к деформации изделий при быстром подъеме давления и растрескиванию изделий при интенсивном снижении давления за счет вскипания жидкой фазы в порах в момент охлаждения изделий в их верхних слоях до 100^oC и ниже, т. е. при переходе через критические значения для насыщенного пара. Эти процессы прошли многократную экспериментальную проверку в лабораторных и промышленных условиях, рекомендуемые скорости повышения и снижения давления выведены из условий эксперимента опытным путем.

Загрузка изделий в автоклав при температуре его рабочей камеры в пределах 100 110^oC исключает обильную конденсацию пара в начальный период упрочнения и предохраняет изделия от размыва, что позволяет улучшить товарный вид облицовочных материалов и их прочностные характеристики. Способ упрочнения экологически чистый.

Основные отличительные признаки в своей совокупности являются новыми и неизвестными ранее, поэтому изобретение отвечает критерию "Новизна".

Отличительные признаки для специалистов явным образом не следуют из существующего уровня технологии, не являются очевидными, поэтому заявленное техническое решение удовлетворяет критерию "Изобретательский уровень".

Техническое решение по изобретению может быть реализовано промышленным способом с использованием стандартного оборудования.

Cпособ осуществляют следующим образом.

Перед гидротермальной обработкой изделий производят прогрев автоклава паром до повышения температуры стенки его рабочей камеры в пределах 100 - 110^oC, затем сбрасывают давление пара и производят загрузку изделий на специальных вагонетках или в контейнерах. Время загрузки рассчитывают таким образом, чтобы в момент начала цикла термообработки температура камеры не остыла ниже 90^oC.

Подъем давления в автоклаве производят с помощью пара, пропускаемого через барботажное устройство известной конструкции, заполненное необходимым из расчета количеством 5 10% раствора карбоната натрия или содового раствора. При достижении давления 0,01 МПа скорость подъема давления ограничивают до указанных выше величин путем дросселирования пара или за счет открывания сильфонного (сливного) клапана, которым снабжены все промышленные автоклавы. После подъема давления до 0,05 МПа скорость нагрева не ограничивается и выбирается экспериментально по критериям энергосберегающей технологии.

При достижении максимально заданного давления приток пара в автоклав прекращают, закрывают сильфонный клапан автоклава, производят подключение ресивера с углекислым газом к вводной магистрали автоклава при равенстве давлений газов внутри автоклава и в ресивере, что исключает появление гидравлических ударов или возникновение резких перепадов давлений. Дальнейшее поддержание давления производят с помощью подачи в автоклав углекислоты совместно с паром или без последнего.

По окончании цикла упрочнения производят сброс давления в произвольном режиме, отключают подачу углекислоты. При снижении давления до 0,055 МПа производят подпитку автоклава паром, обеспечивая скорость дальнейшего снижения в указанных пределах. После снижения давления до 0,01 МПа скорость охлаждения автоклава может быть произвольной.

Процесс гидротермального упрочнения в автоклавах легко поддается автоматизации и может проводиться по заданной программе в автоматическом режиме управления.

Барботажное устройство может быть размещено автономно или смонтировано внутри автоклава. Второй вариант наиболее предпочтителен, так как к нему не предъявляются специальные требования Госгортехнадзора. Опыт эксплуатации позволил выявить высокую надежность устройства.

При использовании электрических автоклавов преимущественно лабораторного типа карбонат натрия добавляют в заливаемую в камеру воду в соотношении 1:10 1: 20 в зависимости от состава керамической массы. При этом регулирование скорости подъема и снижения давления производят путем отключения нагревателей автоклава известными способами. Создание углекислой среды можно производить двумя способами: путем продувки автоклава углекислым газом перед автоклавированием или указанным выше способом. Последовательность операций при упрочнении сохраняется в соответствии с заявляемым способом.

В таблицах 1 4 приведены экспериментальные данные, подтверждающие заявленные параметры по способу упрочнения.

Формула изобретения

1. Способ упрочнения необожженной силикатной керамики, преимущественно содержащей кальциево-магниевые силикаты, включающий выдержку керамических изделий в паровом автоклаве при давлении до 0,3 МПа в течение 2 3 ч, отличающийся тем, что подъем давления в автоклаве производят с помощью барботированного водным раствором карбоната натрия пара, а выдержку при максимальном давлении производят в присутствии двуокиси углерода, причем скорость подъема и снижения давления в интервале 0,01 0,05 МПа не должна превышать для объемных изделий 9·10 МПа/мин и для тонкостенных 13·10^-4 МПа/мин.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что загрузку изделий в автоклав перед упрочнением производят при температуре его рабочей камеры 100 110°С.

РИСУНКИ

Рисунок 1