Способ изготовления керамических изделий

 

Использование: изобретение относится к области разработки керамических материалов и технологии изготовления из них изделий. Сущность изобретения: способ включает измельчение, просеивание и сушку глины, смешение ее с технологическими и 10 - 30 мас.% энергетически активных добавок, формование и обжиг изделий в режиме горения при температуре печи не менее температуры начала экзотермической реакции между окислителем и горючим. В качестве энергетически активной добавки используют смесь окислителя и горючего при стехиометрическом соотношении. В качестве окислителя используют нитрат бария и/или нитрат аммония или их смесь с Fe₂O₃ или Fe₃O₄, а в качестве горючего компонента - алюминий. Соотношение компонентов окислителя при использовании двойных смесей Ba(NO₃)₂ : NH₄NO₃ составляет 1:1, двойных смесей Ba(NO₃)₂(NH₄NO₃ : Fe₂O₃(Fe₃O₄) - 3 : 1, тройных смесей Ba(NO₃)₂ : NH₄NO₃ : Fe₂O₃ (Fe₃O₄) - 1 : 1 : 1. Способ позволяет упростить изготовление керамических изделий и снизить энергозатраты. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к разработке керамических материалов и технологии изготовления изделий из них.

Известны способы изготовления керамических изделий из глины методами полусухого и пластического прессования, формования методом экструзии или штампования в формах с последующим обжигом при 900 1000^oC.

Эти способы изготовления включают операции подготовки глинистого сырья (измельчение, просеивание, сушка до остаточной влажности) и технологических добавок, их усреднение, дозирование компонентов, формование изделий (методами полусухого и пластического формования, экструзией или штамповкой), сушки отформованных изделий и обжига их при 900 1000^oC (1).

Существенным недостатком известных процессов производства керамических изделий из глины является необходимость высокой температуры обжига в печи - 900 1000^oC в течение длительного времени 24 28 ч. Поэтому проведение операции обжига требует больших энергетических затрат. Кроме того, при проведении обжига необходимо строго выдерживать в течение длительного времени определенный температурный режим, так как несоблюдение его отрицательно влияет на качество керамических изделий [1] Известен способ производства керамического кирпича из топливосодержащих шихт, включающий операции подготовки глины (измельчение, просеивание и сушку), введение в глину топливосодержащих добавок, представляющих собой отходы углеобогащения и угледобычи, смешения компонентов, формование кирпичей методами полусухого и пластического прессования, сушку отформованных изделий и обжиг при температурах печи 900 1000^oC в течение 24 28 ч (2). В этом способе при обжиге происходит выгорание топлива, находящегося в массе отформованного кирпича, что приводит к повышению температуры самого изделия при обжиге. Повышение температуры обжигаемого изделия до 900 1000^oC достигается как за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива, содержащегося в материале изделия, так и за счет тепла дополнительного топлива, сжигаемого в печи, то есть вне изделия. Использование в качестве топливосодержащих добавок отходов углеобогатительных фабрик, угольного шлама, золы позволяет снизить расход условного топлива при производстве кирпича с 50 до 30 кг на 1000 штук [3] Однако в этом случае экономия сравнительно невелика, так как процесс полного выгорания топливосодержащих добавок длится достаточно долгое время 24 28 ч, выделяющегося тепла недостаточно для прогрева изделия до температуры обжига и для полного протекания процесса спекания керамической массы необходим подвод тепла извне за счет сжигания дополнительного топлива в печи в течение всего этого времени, то есть при этом способе не сокращается время проведения операции обжига по сравнению с обычным способом.

Известен способ получения огнеупорного хромсодержащего материала, включающий подготовку компонентов шихты, формование шитых, содержащей 0,1 50 мас. наполнителя, в качестве которого может быть использована глина, окислителя (хромсодержащего компонента, например, оксида хрома) и 8 20 мас. восстановителя (порошка алюминия, магния и др. металлов и сплавов), инициирование реакции горения, в том числе с использованием предварительного нагрева до начала экзотермической реакции [4] Cущественным недостатком известного способа является то, что он распространяется только на получение керамического хромсодержащего огнеупорного материала, используя в качестве окислителя только хромсодержащего вещества. Этот способ не распространяется на случаи использования других видов окислителей при получении керамических материалов. Необходимо отметить также то, что хромсодержащие вещества, предлагаемые в качестве окислителей в известном способе, экологически не безопасны.

Кроме того, металлокерамические реакции, к которым относятся реакции между хромсодержащими веществами (например, оксидом хрома) и металлическими порошками (алюминием, магнием и другими металлами) отводятся к трудноинициируемым реакциям, что требует создания высоких температур для начала реакции. Поэтому для протекания этих реакций требуются температуры в печи не менее 1100 1300^oC, что приводит в конечном счете к значительным энергетическим затратам.

Задачей настоящего изобретения является упрощение способа изготовления керамических изделий путем снижения температуры нагрева печи, сокращения времени обжига и энергетических затрат.

Поставленная задача решается способом изготовления керамических изделий, включающим подготовку компонентов шихты, содержащей глину и энергетически активные добавки, включающие алюминий и окислитель, формование и обжиг изделия в режиме горения при температуре печи не менее температуры начала экзотермической реакции между окислителем и горючим. Причем используют шихту с содержанием энергетически активной добавки в количестве 10 30 к массе глины при стехиометрическом соотношении компонентов энергетически активной добавки, а в качестве окислителя используют Ba(NO₃)₂ или NH₄NO₃, или их смесь, или смесь Ba(NO₃)₂ и/или NH₄NO₃ c Fe₂O₃ или Fe₃O₄. Соотношение компонентов окислителя при использовании двойных смесей Ba(NO₃)₂ NH₄NO₃, берут равным 1 1, двойных смесей Ba(NO₃)₂(NH₄NO₃) Fe₂O₃(Fe₃O₄) равным 3 1. тройных смесей Ba(NO₃)₂ NH₄NO₃ Fe₂O₃(Fe₃O₄).

равным 1 1.

Пример. Готовят шихту керамической массы, измельчая, просеивая и высушивая глину до 3% влажности, вводят в нее энергетически активные добавки в количестве 10% от массы глины окислитель Ва(NO₃)₂ и горючее - алюминий, взятые в стехиометрическом соотношении 2,125 1,0.

Формование образцов проводят методом прессования. Давление прессования 80 МПа, время выдержки под давлением 30 с. Параллельно по той же технологии готовят контрольные образцы на основе глины без введения энергетически активных добавок.

Относительная влажность сравниваемых образцов составила 0,95 0,96. Число параллельных опытов во всех случаях не менее 5. Доверительная вероятность 0,95.

Отформованные образцы подвергают нагреву в печи до 600^oC и выдерживают при этой температуре в течение всего времени протекания экзотермической реакции (50 60 мин). В данном примере 50 мин. После выдержки образцы извлекают из печи и охлаждают до комнатной температуры. Затем определяют их прочность на сжатие в соответствии с ГОСТ 8462 85. Полученные значения прочности образцов на сжатие приведены в табл. 1.

Остальные примеры осуществления способа аналогичны. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 1.

Предлагаемый способ изготовления керамических изделий позволяет сократить время обжига отформованных изделий и снизить температуру печи до 600 - 650^oC за счет того, что при этой температуре между окислителем и горючим начинается экзотермическая реакция с выделением большого количества тепла. Выделяющееся тепло расходуется на нагрев всего объема изделия. При этом температура изделия повышается до температуры обжига 900 1000^oC, в глине появляется жидкая фаза, и происходит спекание керамической массы.

Использование в способе изготовления керамических изделий энергетически активной добавки, "окислитель-горючее" в количестве 10 30% от массы глины обусловлено тем, что снижение ее меньше 10% приведет к нехватке для прогрева всего изделия до температуры обжига, то есть спекание будет протекать не во всем объеме изделия, что приведет к резкому снижению его прочностных характеристик (см. табл. 1). Увеличение количества вводимой добавки свыше 30% приведет к тому, что в изделии из-за избытка добавки после спекания произойдет частичная потеря формы, значительное изменение его внешних размеров, а также снижение его прочностных характеристик (см. табл. 1).

Выбранный температурный режим обусловлен тем, что инициирование экзотермической реакции между используемыми окислителем и горючим происходит при температуре не ниже 600^oC. Если в керамической массе не пойдет экзотермическая реакция, то она не подвергается спеканию. Вследствие этого прочность образцов будет значительно ниже, чем у обpазцов, в которых произошло спекание. Повышение же температуры нагрева печи выше 650^oC не будет оказывать заметного влияния на полноту протекания спекания керамической массы, так как экзотермическая реакция является самораспространяющейся. Время проведения обжига определяется временем протекания экзотермической реакции - спекание образцов будет полным, если экзотермическая реакция успевает пройти по всему объему образца. Выдержка образцов в печи дольше этого времени нецелесообразна.

Стехиометрическое соотношение окислителя и горючего в энергетически активной добавке обусловлено тем, что оно позволяет получать керамические изделия с требуемыми в соответствии с ГОСТ 8462 85 прочностными характеристиками. Отклонения в любую сторону отрицательно влияют на прочностные характеристики керамических изделий (см. примеры табл. 1, 2, 3).

Предлагаемый способ изготовления керамических изделий позволяет: 1) сократить время проведения обжига керамических изделий в 22 23 раза (с 24 28 ч до 50 60 мин); 2) значительно сократить энергозатраты на проведение обжига за счет снижения температуры нагрева печи до 600 650^oС и уменьшения времени обжига; 3) керамические изделия, изготовленные этим способом, имеют лучшие физико-механические характеристики (табл. 1, 2, 3).

Формула изобретения

1. Способ изготовления керамических изделий путем подготовки компонентов шихты, содержащей глину и энергетически активные добавки, включающие алюминий и окислитель, формования и обжига изделий в режиме горения при температуре печи не менее температуры начала экзотермической реакции между окислителем и горючим, отличающийся тем, что используют шихту с содержанием энергетически активной добавки в количестве 10 30% от массы глины при стехиометрическом соотношении компонентов энергетически активной добавки, а в качестве окислителя используют нитрат бария или нитрат алюминия, или их смесь, или смесь нитрата бария и/или нитрата аммония с Fe₂O₃ или Fe₃O₄.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение компонентов окислителя при использовании двойных смесей Ba(NO₃) NH₄NO₃ берут равным 1:1, двойных смесей Ba(NO₃)₂(NH₄NO₃) Fe₂O₃(Fe₃O₄) равным 3:1, тройных смесей Ba(NO₃)₂
NH₄NO₃ Fe₂O₃(Fe₃O₄) равным 1:1:1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18