Способ получения керамических изделий на основе волластонита

Изобретение относится к керамической промышленности, а именно к изготовлению футеровки агрегатов и литейной оснастки для металлургии алюминиевых сплавов. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии получения сложнопрофильных, крупногабаритных изделий на основе природного волластонита, обладающих высокой прочностью, термостойкостью и химической устойчивостью к алюминиевым сплавам до температуры 1000°С. Предлагаемый способ включает приготовление формовочной массы путем одновременного мокрого помола концентрата природного волластонита 70-80%, каолина 10-20% и глины 5-10% с добавлением воды в количестве 27-32% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды в качестве стабилизаторов до тонины помола с остатком нм сите 0063 - 5-23%. Формование изделий осуществляют методом шликерного литья в пористые формы. Обжигают изделия при температуре 950-1000°С в течение 1-3 ч.

 

Изобретение относится к керамической промышленности, а именно к изготовлению футеровки агрегатов и литейной оснастки для металлургии алюминиевых сплавов, в которой в последнее время происходит активная замена асбестсодержащих огнеупорных материалов, обладающих канцерогенными свойствами, на более экологически чистые волластонитовые материалы, отличающиеся высокой химической инертностью к расплаву алюминия.

Известен способ изготовления формованных изделий из легкого гидратированного силиката кальция ксонотлитового типа [Патент Японии № JP 2757877 В 2 3141172 А, опубл. 26.10.89 г.], сущность которого заключается в том, что исходный порошковый кремнеземистый материал смешивают с известняковым материалом при молярном соотношении CaO/SiO₂, составляющем 0,7-1,1, добавляют порошок металлического алюминия, полученное тесто заливают в рамочную форму, вспенивают и выдерживают. Формованный продукт обрабатывают в автоклаве паром высокого давления при температуре 190-240°С до тех пор, пока количество образовавшегося ксонотлита не достигнет ≈35% от общей массы композиции, затем обжигают при температуре 750°С. Полученное изделие обладает объемной плотностью 0,3-0,8 г/см³ и прочностью при сжатии ≈20 МПа, может использоваться длительное время при температуре поверхности около 750°С.

Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, потребность в сложном дорогостоящем оборудовании, каким являются автоклавы высокого давления, проблематичность изготовления сложнопрофильных изделий, низкая прочность материала.

Известна технология получения изделий для алюминиевой промышленности из концентрата природного волластонита с добавками каолина 25-30 мас.% и активатора спекания, включающая подготовку шихты, формование заготовки методом полусухого прессования с последующей сушкой, обжигом при температуре 950-1000°С и механической обработкой [Алексеев М.К. и др. Керамические материалы для металлургии. "Наука - производству", 1999, №9, с.25-26]. Материал изделий имеет плотность 1,66-1,70 г/см³, прочность при статическом изгибе 15-20 МПа, химически устойчив к расплаву алюминия.

Основными недостатками описанного способа являются запыленность рабочих мест, связанная с подготовкой формовочных масс и заполнением пресс-форм, и невозможность получения сложнопрофильных габаритных изделий.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита [Патент РФ №2132829 С 04 В 28/18, опубл. 10.07.99 г.] (прототип), включающий:

- совместное сухое измельчение негашеной извести 6-12% и кварцевого песка 24-38%;

- увлажнение смеси после измельчения до влажности 40% с целью гашения извести;

- перемешивание волластонита 50-70% с водной суспензией алюминиевой пудры (≈0,3%);

- перемешивание смеси гашеной извести, кварцевого песка, волластонита и алюминиевой пудры при увлажнении смеси до влажности 35-40%;

- формование листового материала виброспособом;

- запаривание влажного отформованного материала в автоклаве при давлении насыщенного пара 1-2,6 МПа и температуре 180-250°С в течение 12-24 ч;

- сушку при 250-350°С в течение 1,5-3 ч;

- обжиг при 850-900°С в течение 4-6 ч.

Данный способ позволяет получать листовой теплоизоляционный материал с плотностью 0,75-1,15 г/см³ и пределом прочности при сжатии 4-6 МПа. Материал может использоваться при контакте с алюминиевым сплавом при температуре до 1000°С.

Недостатками данного технического решения являются:

- необходимость использования сложного, дорогостоящего оборудования (автоклавов высокого давления);

- невозможность изготовления сложнопрофильных изделий;

- низкая прочность материала;

- сложность подготовки исходного волластонита;

- образование значительных щелочных стоков;

- необходимость в дорогостоящей очистке стоков от щелочи, а при вовлечении их (стоков) в процесс производства необходимость сложной корректировки дозирования извести, т.к. при избыточном или недостаточном содержании извести в рецептуре материала нарушается процесс твердения при автоклавировании.

Задачей изобретения является упрощение технологии получения сложнопрофильных, крупногабаритных изделий на основе природного волластонита, обладающих высокой прочностью, термостойкостью и химической устойчивостью к алюминиевым сплавам до температуры 1000°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения керамических изделий на основе волластонита, включающем приготовление формовочной массы, формование, сушку и обжиг, приготовление формовочной массы осуществляют путем одновременного мокрого помола следующих компонентов в соотношении, мас.%: концентрат природного волластонита - 70-80, каолин - 10-20, глина - 5-10 с добавлением воды в количестве 27-32% от массы сухих компонентов и стабилизаторов (жидкого стекла и кальцинированной соды) до тонины помола (с остатком на сите 0063) 5-23%, формуют изделия шликерным литьем в пористые формы, а обжигают при температуре 950-1000°С в течение 1-3 ч.

Преимуществами указанного способа являются:

- простота приготовления водного шликера;

- формование методом водного шликерного литья в пористые формы, позволяющее получать сложнопрофильные и крупногабаритные изделия;

- исключение из технологии автоклавной обработки, что существенно снижает экономические затраты.

Присутствие в шликере 70-80 мас.% природного волластонита обеспечивает химическую устойчивость материала к алюминиевым сплавам до 1000°С.

Наличие в шликере пластичных компонентов каолина и глины, а также стабилизаторов (жидкого стекла и кальцинированной соды) обеспечивает высокую технологичность шликера. Эти компоненты играют роль связки в материале, что позволяет перемещать отформованные изделия на последующие технологические операции без разрушения.

В процессе обжига глина и каолин в присутствии плавней, роль которых играют в том числе и стабилизаторы, образуют стеклофазу и способствуют спеканию и упрочнению материала.

Рентгенофазовый анализ материала свидетельствует об образовании анортита, характеризующегося меньшей истинной плотностью, чем волластонит и другие кристаллические фазы, присутствующие в материале. Анортит армирует стеклофазу и упрочняет контакты кристаллизационной структуры материала.

Сохранению формы изделия способствует низкая усадка материала (1-4%), что объясняется образованием каркаса из разнонаправленных игольчато-волокнистых кристаллов волластонита, не взаимодействующих с жидкой фазой при температуре обжига до 1000°С, а также появлением менее плотной кристаллической фазы. Обжиг при температуре выше 1000°С приводит к резкому увеличению стеклофазы в материале, что увеличивает усадку, снижает деформационную устойчивость и термостойкость. Снижение температуры обжига ниже 950°С не позволяет получать высокой прочности материала.

Сушку изделий осуществляют при температуре 100-150°С в течение 2-5 ч.

Шликер готовят путем одновременного мокрого помола исходных компонентов мелющими телами из Al₂О₃ в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 27-32% от массы сухих компонентов до тонины помола (остаток на сите 0063) 5-23%. Такая тонина помола позволяет изготавливать изделия с различными свойствами и различных габаритов.

Полученный по предлагаемому способу материал имеет плотность 1,45-1,65 г/см³, прочность при статическом изгибе 8-25 МПа, высокую термостойкость (выдерживает до 12 теплосмен от 850 до 20°С на воздухе), высокую однородность свойств по высоте изделий (отличие плотности не превышает 3%), химически устойчив к алюминиевыми сплавами до температуры 1000°С.

Данная совокупность признаков способа обеспечивает получение сложнопрофильных, крупногабаритных изделий на основе природного волластонита более простым и эффективным способом.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Природный волластонитовый концентрат 80 мас.%, каолин 13% и глину 7% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 27% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.

Готовый шликер имел:

- влажность - 27 мас.%;

- тонину помола (остаток на сите 0063) - 23%;

- условную вязкость - 88 с;

- рН - 10,4.

Из полученного шликера формовали в гипсовой форме контейнер для фильтра, представляющий собой короб без дна размером 270×250×200 мм с толщиной стенки 25 мм и V-образным отверстием в одной стенке. Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 5 ч и обжигали при 980°С в течение 2 ч.

Материал контейнера имел плотность 1,45 г/см³, прочность при статическом изгибе 10 МПа, разноплотность материала по высоте изделия не превышала 3%, термостойкость контейнера - 12 циклов от 850 до 20°С (воздух). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.

Пример 2.

Природный волластонитовый концентрат 75 мас.%, каолин 15% и глину 10% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 32% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.

Готовый шликер имел:

- влажность - 32 мас.%;

- тонину помола (остаток на сите 0063) - 5%;

- условную вязкость - 36 с;

- рН - 11.

Из полученного шликера формовали в гипсовой форме вставку в кристаллизатор для алюминиевых сплавов, представляющую собой цилиндр диаметром 225 мм и высотой 35 мм. Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 2 ч и обжигали при 1000°С в течение 1 ч.

Материал имел плотность 1,60 г/см³, прочность при статическом изгибе 25 МПа, разноплотность материала не превышала 1%. Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.

Пример 3.

Природный волластонитовый концентрат 70 мас.%, каолин 20% и глину 10% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 30% от массы сухих компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы исходных компонентов.

Готовый шликер имел:

- влажность - 30 мас.%;

- тонину помола (остаток на сите 0063) - 10%;

- условную вязкость - 54 с;

- рН ˜ 10,7.

Из полученного шликера в гипсовой форме формовали втулку, представляющую собой полый цилиндр с внешним диаметром 250 мм, высотою 200 мм и толщиною стенки 25 мм.

Отформованное изделие сушили при температуре 100-150°С в течение 2 ч и обжигали при температуре 950°С в течение 3 ч.

Материал имел плотность 1,58 г/см³, прочность при статическом изгибе 8 МПа, разноплотность материала по высоте изделия не превышала 3%. Материал химически устойчив к сплавам алюминия до температуры 1000°С.

Пример 4.

Природный волластонитовый концентрат 80 мас.%, каолин 15% и глину 5% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 30% от массы сухих компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы в шликере. Готовый шликер имел:

- влажность - 30 мас.%;

- тонину помола (остаток на сите 0063) - 17%;

- условную вязкость - 75 с;

- рН - 10,6.

Из полученного шликера формовали и обжигали по примеру 1 контейнер дли фильтра.

Материал контейнера имел плотность 1,52 г/см³, прочность при статическом изгибе 15 МПа. Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.

Пример 5

Природный волластонитовый концентрат 80 мас.%, каолин 10% и глину 10% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 32% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы в шликере.

Готовый шликер имел:

- влажность - 32 мас.%;

- тонину помола ( остаток на сите 0063) - 15%;

- условную вязкость - 60 с;

- рН - 10,5.

Из полученного шликера формовали и обжигали по примеру 1 контейнер для фильтра.

Материал контейнера имел плотность 1,50 г/см³, прочность при статическом изгибе 13 МПа. Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.

Как видно из представленных примеров, предлагаемый способ решает задачу создания простой, экологически чистой, технологии получения сложнопрофильных, крупногабаритных изделий на основе волластонита, обладающих высокой прочностью, термостойкостью и химической устойчивостью к алюминиевым сплавам до температуры 1000°С.

Источники информации

1. Патент Японии № JP 2757877 В2 3141172 А, опубл. 26.10.89 г. Способ изготовления формованных изделий из легкого гидратированного силиката кальция ксонотлитового типа.

2. Алексеев М.К. и др. Керамические материалы для металлургии. "Наука - производству", 1999, №9, с.25-26.

3. Патент РФ №2132829 С 04 В 28/18, опубл. 10.07.99 г. Способ получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита - прототип.

Способ получения керамических изделий на основе волластонита, включающий приготовление формовочной массы, формование изделий, сушку и обжиг, отличающийся тем, что приготовление формовочной массы осуществляют путем одновременного мокрого помола следующих компонентов в соотношении, мас.%: концентрат природного волластонита 70-80, каолин 10-20, глина 5-10 с добавлением воды в количестве 27-32% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды в качестве стабилизаторов до тонины помола с остатком на сите 0063 - 5-23%, формуют изделия шликерным литьем в пористые формы, а обжигают при температуре 950-1000°С в течение 1-3 ч.