Мертель для склеивания корундовой керамики

Изобретение относится к мертелям, используемым при изготовлении конструкционных изделий методом склейки из отдельных деталей корундовой керамики, фрагментов футеровки из корундовых огнеупоров, а также для ремонта различных изделий корундового состава, частично разрушенных при обжиге или при эксплуатации. Техническим результатом изобретения является повышение прочность клеевого шва и сохранение ее при температуре эксплуатации выше 1500°С. Указанный технический результат достигается тем, что мертель состоит из электрокорунда, фторида кальция и алюмоборофосфатной связки, при следующем соотношении компонентов в мас.%: электрокорунд 47-69; фторид кальция 1-3 и алюмоборофосфатная связка 30-50. 1 табл.

 

Изобретение относится к мертелям, используемым при изготовлении конструкционных изделий методом склейки из отдельных деталей корундовой керамики (например, корундовых труб для электрических печей обжига), при склеивании фрагментов футеровки из корундовых огнеупоров, для ремонта корундовых изделий, частично разрушенных при обжиге или при эксплуатации (например, корундовых чехлов для термопар, корундового огнеприпаса, корундовых огнеупоров). Толщина клеевого шва в зависимости от проводимой операции и структуры склеиваемого корундового материала находится в пределах 0,05-1 мм.

Известна сырьевая смесь (А.С. СССР №1158541, С 04 В 28/34,1985 г.) для приготовления огнеупорного клея, включающая, мас.%: алюмоборофосфатное связующее 40-60, тальк 4-7, высокоглиноземистый мертель - остальное. Прочность клеевого шва при склеивании огнеупоров достаточно высокая и составляет 14,1 МПа. Недостатком клея из указанной смеси является невысокая температура эксплуатации - 1400°С и он используется главным образом для ремонта огнеупоров.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является сырьевая смесь для приготовления огнеупорного клея (А.С. СССР №1158541, С 04 В 28/34, 1985 г.), состоящий из: высокоглиноземистого мертеля - 33-56; талька - 4-7 и алюмоборфосфатного связующего - 40-60 мас.%. Этот мертель имеет недостаточную прочность связи с корундовой футеровкой: после обжига при 1500°С: σ_сдвига=7,6-10 МПа, а при получении тонкого шва толщиной до 1 мм при эксплуатации выше 1500°С возможно появление микротрещин в клеевом шве, что снижает работоспособность склеенного изделия.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка состава мертеля, позволяющего повысить прочность клеевого шва при склейке корундовой керамики и огнеупоров с содержанием в них Al₂O₃ более 95% и сохранить прочность при температуре эксплуатации 1550°С с многократным нагревом и охлаждением в режиме обжига керамических изделий.

Поставленная задача достигается тем, что мертель, включающий корундовый наполнитель и фосфатную связку, отличающийся тем, что он для повышения прочности клеевого шва и сохранения прочности при температуре эксплуатации выше 1500°С дополнительно содержит фторид кальция, в качестве корундового наполнителя используется тонкомолотый электрокорунд, а в качестве фосфатной связки алюмоборофосфатная связка при следующем соотношении компонентов, мас.%: электрокорунд 47-69; алюмоборофосфатная связка (АБФС) 30-50; фторид кальция 1-3 мас.%.

При взаимодействии α-Al₂О₃ (электрокорунд) с АБФС в процессе нагревания происходят сложные химические реакции. Уже при 270°С появляется алюмоборофосфатное стекло на полимерной основе, а при 430°С - бороалюминатное, а далее образуется устойчивое соединение фосфата алюминия - AlPO₄, сначала в форме берлинита, а затем кристаболита. При этом фосфат алюминия образуется главным образом на поверхности зерен корунда, между которыми располагается стеклофаза. Ионы бора стеклофазы являются зародышами ранней субмикрокристаллизации уже при 300°С, а с 1200°С они пронизывают всю структуру шва, делая ее плотной и термостойкой с возможным образованием бороалюмината 9Al₂O₃·2В₂O₃.

С введением фторида кальция количество стеклофазы в материале клеевого шва при температуре обжига 1550°С увеличивается, что способствует сцеплению шва со склеиваемым корундовым материалом. При этом реакция взаимодействия компонентов клеевой композиции между собой и со склеиваемыми деталями существенно зависит от дисперсности наполнителя. Серией экспериментов доказано, что наиболее целесообразно применять порошок электрокорунда с дисперсностью менее 50 мкм, где основная фракция 0,1-20 мкм.

Гомогенность, жизнеспособность и текучесть мертеля зависят как от дисперсности электрокорунда, так и от плотности АБФС. При плотности АБФС менее чем 1,4 г/см³ мертель имеет малую вязкость, происходит его расслоение и отекание с поверхности склеивания, а при плотности более 1,5 г/см³ мертель имеет вязкий характер, очень плохо растекается, липнет к склеиваемым деталям. При плотности 1,4-1,5 г/см³ мертель отличается хорошей гомогенностью, смачиваемостью и растекаемостью по склеиваемым поверхностям, проникая в поверхностные поры склеиваемых изделий, что обеспечивает повышенную адгезию мертеля к корундовому материалу и образование после обжига прочного клеевого шва.

Основные операции приготовления мертеля следующие:

- помол электрокорунда до дисперсности - 0,1-50 мкм при Sуд.=3500-4000 см²/г с содержанием фракции 0,1-20 мкм более 90%;

- приготовление алюмоборофосфатной связки: в качестве связки используется алюмоборофосфатный концентрат плотностью 1,6 г/см³, который разбавляется дистиллированной водой до необходимой плотности;

- приготовление мертеля производят в смесителе при механическом перемешивании или в любой емкости при ручном перемешивании;

- склейка деталей: предварительно детали протираются увлажненной тканью, мертель наносится кисточкой или др. способом на склеиваемые поверхности, которые потом прижимаются друг к другу вручную, при необходимости выдерживаются под грузом, остатки клея снимаются. Способ прижима и выдержки под грузом выбирается в каждом конкретном случае в зависимости от конструкции узла склеивания;

- сушка и обжиг: сушку в условиях цеха проводят при 20°С в течение 8-24 ч, затем обжигают со скоростью 25-50°С (в зависимости от толщины и конструкции клеевого шва) до 300°С, далее со скоростью 50-100°С до температуры обжига 1550°С; при этом допускается совмещение обжига склеенного изделия с режимом его эксплуатации в интервале температур 300-1550°С.

Пример 1. Приготовляют мертель следующего состава, мас.%: электрокорунд 47; фторид кальция 3,0; АБФС (плотность 1,5 г /см³) 50. Мертель наносят на корундовые детали (например, на стыковые поверхности замкового соединения склеиваемых цилиндров из керамики ТСМ-303, содержащей 97% Al₂О₃). Детали склеивают под нагрузкой 0,1 кг/см², выдерживают 2 часа на воздухе, затем без нагрузки - 4-8 часов при 60°С, после чего обжигают до 300°С со скоростью 25-50°С/ч, а далее по режиму эксплуатации изделий до температуры обжига 1550°С.

Жизнеспособность мертеля составляет более 1 часа в открытом виде, более 24 часов под смоченной тканью, более 1 месяца в герметичной таре.

Пример 2. Приготовляют мертель следующего состава: электрокорунд 58%; фторид кальция 2%; АБФС 40%. Мертель наносят на увлажненные поверхности деталей корундовых экранов, совмещают склеиваемые детали, далее обеспечивают их сжатие, сушат и обжигают по технологии примера 1.

Пример 3. Приготовляют мертель следующего состава: электрокорунд 69%, фторид кальция 1%, АБФС 30%. Мертель наносят на корундовые детали, имеющие дефекты после обжига или эксплуатации (например, корундовые термопарные чехлы с микротрещинами, элементы корундовых огнеупоров с трещинами до 1 мм). Затем растирают мертель по месту дефекта, убирают излишки мертеля, далее сушат и обжигают по технологии примера 1.

Составы мертеля и прочность клеевого шва приведены в таблице. Из таблицы видно, что предложенный состав мертеля по величине прочности клеевого шва при сдвиге превосходит в 1,5-2 раза прототип и обеспечивает сохранение прочности клеевого шва при термоциклировании в туннельной печи в режиме обжига изделий до температуры 1550°С. Разброс значений прочности обусловлен разной пористостью склеиваемых корундовых деталей.

Таблица
Составы клеевой композиции
Компоненты	Составы	Прототип
1	2	3
Электрокорунд, Sуд.=3500-4000 см2/г	47	58	69	-
Корундовый наполнитель (глинозем ГК)	-	-	-	90-97
Фторид кальция	3	2	1	-
Алюмоборофосфатная связка, плотность - 1,4-1,5 г/см3	50	40	30	-
Полифосфат натрия				2,8-9,8
Временная связка, например сульфитспиртовая барда				0,1-0,2
Прочность при сдвиге при температуре 20°С, МПа	12	20	15	7,6-10,0
Прочность после нагрева до 1550°С выдержки 4 ч и охлаждения до 20°С в режиме обжига керамики, 8 обжигов, МПа	12	25	18	-

Мертель для склеивания корундовой керамики, включающий высокоглиноземистый наполнитель, добавку и алюмоборфосфатную связку, отличающийся тем, что он в качестве высокоглиноземистого наполнителя содержит электрокорунд фракции 0,1-20 мкм, а в качестве добавки - фторид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Электрокорунд фракции 0,1-20 мкм	47-69
Фторид кальция	1-3
Алюмоборофосфатная связка	30-50