Способ изготовления огнеупорных изделий
Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть использовано при производстве теплозащитных экранов на основе тугоплавких окислов и силикатообразующих добавок. Техническим результатом изобретения является повышение качества огнеупорных изделий. Способ включает подготовку порошковых, полифракционных керамических смесей, включающих электрокорунд и добавки термопластичного связующего, изготовление термопластичного шликера, литье под давлением в металлическую форму, удаление связующего и окончательный обжиг при 1650°С в течение 4-5 часов. В сфероподобные порошки электрокорунда вводят 15-20% мелкодисперсной смеси каолина и глины при соотношении в мелкодисперсной смеси компонентов 1:1, причем соотношение удельных поверхностей порошка электрокорунда и мелкодисперсной смеси составляет от 0,05 до 0,07. Термопластичное связующее содержит парафин, воск и микрокристаллический парафин при соотношении компонентов в мас.%: парафин - 75-82; микрокристаллический парафин - 15-20; воск - 3-5. Удаление термопластичного связующего ведут на подложке из капиллярно-пористого проницаемого материала в три этапа с выдержкой в течение 1-2 часов при температурах ликвидуса воска, парафина и микрокристаллического парафина. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к огнеупорной промышленности, в частности к производству теплозащитных экранов на основе тугоплавких окислов и силикатообразующих добавок.
Интенсификация технологических процессов в газовых котлах дожигания продуктов газоперерабатывающих предприятий диктует необходимость создания огнеупорных конструкционных элементов для защиты трубных решеток и трубопроводов, работающих при температурах свыше 1000°С.
Изготовление таких изделий в России отсутствует и газоперерабатывающие предприятия используют керамические защитные гильзы типа «Феррул», поставляемые французской фирмой «LAFARGE» и изготовленные по технологии сборных конструкций (RU 2019533, 15.09.94 Бюл №17). Используемые технические решения трудоемки в своем исполнении, а полученные соединения вследствие негомогенности состава в местах соединения не гарантируют эксплуатационной надежности при нестационарных тепловых потоках.
Известный способ получения огнеупоров методом шликерного литья в гипсовые формы (RU 2122534, 24.07.97) включает заполнение литейной массой гипсовой формы, набора толщины стенки и отделения избытка литейной массы, сушку и обжиг. Недостатком способа является зависимость толщины стенки и скорости ее набора от общей пористости гипсовой формы и ее распределения, а длительное время набора толщины стенки при использовании полифракционного керамического наполнителя приводит к гравитационному эффекту и искажению кристаллической структуры по высоте полуфабриката, особенно в полуфабрикате с изменяющимся сечением по высоте.
Метод горячего литья под давлением термопластичных шликеров более производителен и позволяет получать из любых твердых материалов изделия различной конфигурации (Грибовский П.О. «Горячее литье керамических изделий», М.-Л.: Госэнергоиздат, 1961, 400 с.; Бабич В.Ф., Белоус К.П. «Химическое оборудование из керамики», М.: «Машиностроение», 1987, с. 36-39). Этот метод получения полуфабриката позволяет исключить гравитационные эффекты, но возможная ориентация крупнокристаллических кристаллов, например, корунда в одном направлении снижает значительно термостойкость изделий (Семкина Н.В., Пермикина Н.М., Кудрявцева Т.Н. Труды Вост ИО, М., 1964, вып.5).
В общем случае качество получаемых изделий зависит от гранулометрического и химического состава керамического наполнителя, текучести термопластичного шликера, скорости заполнения пресс-форм, конфигурации полуфабриката, режимов удаления пластифицирующей связки и обжига. Решение этих задач в едином технологическом процессе изготовления изделий целевого назначения позволяет конструировать структуру готовых изделий с заданными потребителем физико-механическими свойствами и термостойкостью.
Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности существенных признаков и достигаемому техническому результату является способ изготовления огнеупорных изделий.
Известное техническое решение включает подготовку порошковой полифракционной керамической смеси, включающей электрокорунд и добавки, а для приготовления термопластичного шликера в смесь при перемешивании добавляют расплавленное термопластичное связующее на основе парафина и воска. Формируют изделия методом горячего литься под давлением, причем перед формованием массу разогревают до 65-155°С, удаляют связующее и осуществляют окончательный обжиг при 1650°С (SU 421670 A1, опубл. 15.10.71).
Известное решение позволяет изготавливать длинномерные изделия с равномерной толщиной стенки по высоте, но отсутствует возможность изготовления цельнолитых длинномерных изделий со сложным переходом от одного сечения к другому по высоте изделия, т.к. в зависимости от толщины стенки изменяются условия шликерного литья полуфабриката, а сложные физико-химические процессы образования новых фаз приводят к различным усадочным эффектам, что предопределяет различные технологические допуски, свойственные керамическим материалам, а получение конечных изделий требует значительных затрат на механическую обработку полуфабриката.
Задачей авторов является разработка способа изготовления огнеупорных изделий, обеспечивающего повышение их качества.
Поставленная цель достигается в отличие от известного способа тем, что на этапе подготовки порошковых смесей в сфероподобные порошки электрокорунда вводят 15-20% мелкодисперсной смеси каолина и глины при соотношении компонентов в мелкодисперсной смеси 1:1, причем соотношение удельных поверхностей порошка электрокорунда и мелкодисперсной смеси составляет от 0,05 до 0,07, термопластичное связующее дополнительно содержит микрокристаллический парафин при соотношении компонентов, мас.%:
| Парафин | 75-82 |
| Микрокристаллический | |
| парафин | 15-20 |
| Воск | 3-5 |
компоненты термопластичного связующего нагревают до температуры выше температуры солидуса, но ниже температуры ликвидуса микрокристаллического парафина, расплав гомогенизируют, дозированно вводят порошковую полифракционную смесь при постоянном перемешивании с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний, полученный термопластичный шликер охлаждают до температуры, близкой к температуре солидуса микрокристаллического парафина, помещают его в камеру давления в количестве на 5-7 об.% выше объема полуфабриката, осуществляют вязкотекучее истечение термопластичного шликера в формообразующий объем стальной формы со скоростью выше скорости охлаждения наименьшего сечения полуфабриката, осуществляют изобарную выдержку до достижения температуры солидуса парафина, снимают давление, производят разборку пресс-формы, удаление термопластичного связующего ведут на пористой корундовой подложке в режиме поэтапного постоянного капиллярного удаления образующихся жидких компонентов связующего, окончательный обжиг осуществляют в течение 4-5 часов.
Сущность заявляемого технического решения состоит в комплексе операций и последовательности их выполнения, которые в совокупности с выбранными компонентами позволяют осуществить комплексный технологический процесс получения цельнолитых керамических теплозащитных трубок с заданной структурой материала в изделиях, являющихся основополагающим фактором для достижения цели изобретения.
Введение 15-20% мелкодисперсной смеси каолина и глины при соотношении компонентов 1:1 необходимо и достаточно для получения максимальной упаковки частиц в термопластичном шликере при выбранном соотношении удельных поверхностей порошка электрокорунда и мелкодисперсной смеси, при их соотношении от 0,05 до 0,07. Кроме того, при содержании 75-80% сфероподобных частиц электрокорунда в полуфабрикате образуется каркас из стабилизированных по структуре частиц, который не дает усадочных эффектов при последующем обжиге, а каолин и глина придают термопластичному шликеру дополнительную пластичность, исключающую неразрывность каркаса при скоростном заполнении рабочего объема металлической формы.
Введение в состав термопластичного связующего микрокристаллического парафина в количестве 15-20% придает заготовке твердость, прочность и расширяет диапазон температур появления жидких фаз, что позволяет увеличить скорость нагрева при удалении термопластичного связующего без деформаций полуфабриката.
Общее количество термопластичного связующего колеблется в пределах 10-15 мас.% и обусловлено вязкотекучим характером истечения термоспластичного шликера при установленном соотношении удельных поверхностей порошка электрокорунда и мелкодисперсной смеси каолин-глина.
Нагрев компонентов термопластичного связующего до температур выше температуры солидуса, но ниже температуры ликвидуса микрокристаллического парафина предусматривает перевод в жидкое состояние микрокристаллического парафина в области температур 80-85°С. Достигнутая при этом вязкость смеси после гомогенизации исключает процессы расслаивания после загрузки полифракционной порошковой смеси, а воздействие ультразвуковыми колебаниями интенсифицирует процесс равномерного распределения компонентов в термопластичном шликере.
Дозированный ввод полифракционной порошковой смеси исключает процессы локального переохлаждения в контакте с разогретым термопластичным связующим и интенсифицирует процесс равномерного распределения компонентов в термопластичном шликере.
Охлаждение термопластичного шликера до температуры, близкой к температуре солидуса микрокристаллического парафина (66-68°С), сводит к минимуму объемной усадки в полуфабрикате при жидкотекучем состоянии парафина и воска.
Заполнение термопластичным шликером камеры давления на 5-7% выше объема полуфабриката исключает попадание газовых включений в полуфабрикат, а при его охлаждении под действием выдержки идет дополнительное поступление материала в пределах заполняемого объема металлической формы.
Вязкотекучее истечение термопластичного шликера со скоростью выше скорости охлаждения наименьшего сечения полуфабриката обеспечивает непрерывность заполнения формообразующего объема, исключает образование пробок и полостей, обеспечивает объемное вытеснение воздуха через микрополости металлической формы.
Контакт свободных поверхностей полуфабриката с капиллярно-пористым материалом обеспечивает градиентное распределение жидких компонентов термопластичного связующего в процессе нагрева под действием капиллярных сил и дает возможность поэтапного удаления в зависимости от температуры плавления компонентов, что позволяет интенсифицировать процесс удаления связующего без образования газообразных фаз, приводящих к дефектам в объеме полуфабриката.
Обжиг в течение 4-5 часов при температуре 1650°С осуществляет завершение физико-химических и усадочных процессов, обеспечивающих технические характеристики и надежность изделий в эксплуатационных условиях.
В результате осуществления технологического процесса может быть использовано:
- парафин с температурой плавления 49-59°С;
- микрокристаллический парафин с температурой плавления 65-100°С из ряда церезин, озокерит, петролатум или их смесь;
- кинематическая вязкость термопластичного связующего при вязкотекучем истечении термопластичного шликера от 20 до 100 мм2/с;
- среднегидравлический диаметр пор в капиллярно-пористом проницаемом материале от 2 до 10 мкм.
Пример осуществления.
Предлагаемый способ был осуществлен при изготовлении керамических гильз по форме и геометрическим размерам, идентичным поставляемым фирмой «LAFARGE». На фиг.1 представлен поперечный разрез изделия, на фиг.2 представлено изделие в плане.
На первоначальной стадии подготавливали мелкодисперсную смесь каолин-глина при соотношении 1:1 соответственно путем совместного помола компонентов в вибромельнице до удельной поверхности 5000 см2/г. Полученную мелкодисперсную смесь в количестве 18 мас.% вводили в электрокорунд с удельной поверхностью 300 см2/г путем смешивания в сухом виде в смесителе типа «Айриха». Время получения 100 кг смеси составляло ≈ 5 мин.
На втором этапе расчетное количество компонентов термопластичного связующего помещали в ультразвуковую обогреваемую ванну, доводили температуру до 80°С и при интенсивном перемешивании получали гомогенный расплав термопластичного связующего. В качестве микрокристаллического парафина использовали озокерит.
Порошковую смесь дискретно по 10-15 вес.% от расчетного количества добавляли в расплавленное термопластичное связующее при постоянном перемешивании с наложением ультразвуковых колебаний частотой 35 кГц. После введения заданного количества порошковой смеси из расчета термопластичного связующего, равного 12,5 мас.% в термопластичном шликере, проводили процесс гомогенизации в течение 2-3 мин.
Полученный термопластичный шликер выгружали в стальные противни, охлаждали до температуры 68°С, что на 3°С выше температуры солидуса микрокристаллического парафина. Заполняли камеру давления, расположенную над большим сечением полуфабриката, в количестве 505 см3 при объеме полуфабриката 476 см3.
Процесс литья под давлением производили в металлическую разборную форму, охлажденную до 15°С, при линейной скорости истечения термопластичного шликера, равной 40,30 см/с, что соответствовало объемной скорости заполнения рабочего объема формы 95,22 см3/с и времени заполнения 5 сек.
Во время застывания парафина в течение 5-10 сек осуществляли изобарную выдержку под первоначальным удельным давлением ≈ 50-80 МПа. После прекращения перемещения пуансона снимали давление, освобождали форму от камеры давления, производили разборку формы, осуществляли очистку полуфабриката от микрооблоев.
Полуфабрикат устанавливали большим сечением (шестигранник) на пористую подложку из корунда с общей проницаемой пористостью 42-45% и среднегидравлическим диаметром пор 5-7 мкм, снаружи и внутри полуфабриката устанавливали гильзы по плотной посадке и осуществляли совмещенный процесс термообработки в туннельной печи. Удаление термопластичного пластификатора проводили в три этапа: при температурах ликвидуса воска 60-65°С в течение 1 часа, при температурах ликвидуса парафина 65-70°С в течение 2-х часов, при температурах ликвидуса озокерита 80-85°С в течение 2-х часов, а процесс заканчивали при температуре 1650°С с изотермической выдержкой 4-5 часов до образования муллитовой фазы. В результате обжига, как показывает рентгенофазовый анализ, получили корундомуллитовый материал при идентичных соотношениях фаз по всему объему изделия.
Полномасштабные сравнительные испытания свойств и работоспособности огнеупорных керамических гильз показывают, что поставленная цель достигнута, а получаемые изделия конкурентоспособны с импортным аналогом и могут быть использованы на газоперерабатывающих заводах.
1. Способ изготовления огнеупорных изделий, включающий подготовку порошковых, полифракционных керамических смесей, включающих электрокорунд и добавки термопластичного связующего на основе парафина и воска, изготовление термопластичного шликера, литье под давлением в металлическую форму, удаление связующего и окончательный обжиг при 1650°С, отличающийся тем, что на этапе подготовки порошковых смесей в сфероподобные порошки электрокорунда вводят 15-20% мелкодисперсной смеси каолина и глины, при соотношении компонентов в мелкодисперсной смеси 1:1, причем соотношение удельных поверхностей порошка электрокорунда и мелкодисперсной смеси составляет от 0,05 до 0,07, термопластичное связующее дополнительно содержит микрокристаллический парафин, при соотношении компонентов, мас.%:
| Парафин | 75-82 |
| Микрокристаллический парафин | 15-20 |
| Воск | 3-5 |
компоненты термопластичного связующего нагревают до температуры выше температуры солидуса, но ниже температуры ликвидуса микрокристаллического парафина, расплав гомогенизируют, дозированно вводят порошковую полифракционную смесь при постоянном перемешивании с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний, полученный термопластичный шликер охлаждают до температуры, близкой к температуре солидуса микрокристаллического парафина, помещают его в камеру давления в количестве на 5-7 об.% выше объема полуфабриката, осуществляют вязкотекучее истечение термопластичного шликера в формообразующий объем стальной формы со скоростью выше скорости охлаждения наименьшего сечения полуфабриката, осуществляют изобарную выдержку до достижения температуры солидуса парафина, снимают давление, производят разборку пресс-формы, удаление термопластичного связующего ведут на подложке из капиллярно-пористого проницаемого материала в три этапа с выдержкой в течение 1-2 ч при температурах ликвидуса воска, парафина и микрокристаллического парафина, окончательный обжиг осуществляют в течение 4-5 ч.
2. Способ изготовления огнеупорных изделий по п.1, отличающийся тем, что используют парафин с температурой плавления 49-59°С.
3. Способ изготовления огнеупорных изделий по п.1, отличающийся тем, что используют микрокристаллический парафин с температурой плавления 65-100°С из ряда церезин, озокерит, петролатум или их смесь.
4. Способ изготовления огнеупорных изделий по п.1, отличающийся тем, что вязкотекучее истечение термопластичного шликера осуществляют при кинематической вязкости термопластичного связующего от 20 до 100 мм2/с.
5. Способ изготовления огнеупорных изделий по п.1, отличающийся тем, что используют капиллярно пористый проницаемый материал со среднегидравлическим диаметром пор от 2 до 10 мкм.
