Способ получения муллита из каолина

Изобретение относится к области химической технологии и материаловедения. Способ получения муллита включает смешивание каолина с бифторидом аммония при массовом соотношении каолина и бифторида аммония - 1:1-1,1, прокаливание до температуры 350-600°С и спекание при температуре 1200-1300°С. Изобретение позволяет получать чистый муллит без примеси оксида кремния.

 

Изобретение относится к области химической технологии, технологии силикатов и может быть использовано для получения керамических материалов на основе муллита.

Известен способ получения муллита, основанный на спекании смеси оксида кремния и оксида алюминия в пропорции SiO₂·Al₂O₃ = 3:2, при температуре 1200°С. В результате реакции смесь оксидов превращается в иглообразные кристаллы муллита [«Новая керамика», под ред. П.П.Будникова, М., 1969]. Недостатком этого способа является невозможность идеального смешения двух твердых веществ.

Известен способ получения муллита путем термообработки смеси оксидов и/или гидроксидов алюминия и кремния, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения качества целевого продукта, смесь перед термообработкой подвергают механохимической активации путем ее обработки в планетарной мельнице при энергонапряженности 3-150 Вт/г в течение 0,1-3 ч, а термообработку проводят при температуре 1150-1300°С в течение 4-20 ч [Патент РФ № 1213679]. Недостатком способа является высокая стоимость и недостаточная производительность механоактивационного оборудования.

Известен способ получения муллита из топазового концентрата, выбранный в качестве прототипа [Патент РФ № 2272854]. Способ получения муллита включает измельчение исходного кварц-топазового сырья, отделение примесей выщелачиванием соляной кислотой, отделение избыточного оксида кремния в виде гексафторосиликата аммония с помощью бифторида аммония и прокаливание полученного продукта при температуре 1200-1300°С. Недостатком способа прототипа является необходимость использования в качестве сырья достаточно редкого кварц-топазового концентрата и необходимость предварительной его очистки от примесей.

Задачей настоящего изобретения является разработка промышленного способа получения чистого муллита и легковесных муллитовых огнеупоров без примеси оксида кремния из каолина.

Новым решением поставленной задачи является использование в качестве исходного сырья - каолинового концентрата, который в отличие от кварц-топаза (используемого в способе-прототипе) является широко распространенным продуктом, производящимся в промышленных масштабах. Каолин в отличие от кварц-топаза не содержит фтора, что повышает экологическую безопасность процесса, также отпадает необходимость в утилизации выделяющихся при прокаливании топаза фторсодержащих газов.

Известно, что при нагревании чистого каолина до температуры 1200°С получается муллит, содержащий до 30% оксида кремния. Примесь оксида кремния снижает теплофизические свойства полученного материала и не позволяет получать качественные легковесные муллитовые огнеупоры.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения муллита используются операции отделения избыточного оксида кремния с последующим прокаливанием полученной смеси 3Al₂O₃·2SiO₂ до состояния муллита. Отделение избыточного оксида кремния проводят с помощью бифторида аммония. Бифторид аммония взаимодействует с оксидом кремния с образованием гексафторосиликата аммония. Гексафторосиликат аммония при температуре выше 320°С является газообразным продуктом и отделяется от твердого непрореагировавшего остатка. Интенсивное выделение гексафторосиликата аммония начинается при температуре 350°С, поднимать температуру выше 600°С не рекомендуется вследствие возможного коррозионного износа аппаратуры. Количество вносимого в исходное сырье фторида аммония пропорционально количеству удаленного из него оксида кремния. Каолинит - тонкодисперсная глинистая порода, состоящая из оксида алюминия, оксида кремния и воды - Al₂Si₂O₅(OH)₄ (Al₂О₃ - 39,5%, SiO₂ - 46,54%, Н₂O - 13,96% по массе). В обезвоженном каолините содержится Al₂О₃ - 45,91%, SiO₂ - 54,09%. В природном каолиновом концентрате, кроме каолинита, содержится около 10% свободного оксида кремния, который также необходимо удалить. Для состояния муллита необходим состав Al₂O₃ - 72%, SiO₂ - 28%, чтобы добиться такого состава, необходимо удалить из 100 г каолинита 31,18 г SiO₂. На реакцию с 31,18 г оксида кремния расходуется 88,9 г бифторида аммония. Для полного удаления избыточного оксида кремния из каолинового концентрата необходим 20% избыток бифторида аммония. На обработку 100 г каолина необходимо 100-110 г бифторида аммония, т.е. массовое соотношение каолина и бифторида аммония - 1:1-1,1.

Пример

В навеску прокаленного каолинита массой 1 кг добавляют 1 кг бифторида аммония, шихту перемешивают и нагревают. При достижении температуры 320°С начинается выделение газообразного гексафторосиликата аммония. Шихту выдерживают при температуре 500-600°С до окончания выделения паров гексафторосиликата аммония. Отдымленную шихту переносят в огнеупорный контейнер и нагревают до температуры 1200-1300°С за 7 часов, спекают при этой температуре в течение 2 часов, охлаждение проводят со скоростью не более 300°С/час. После охлаждения из контейнера извлекают готовые легковесные муллитовые огнеупорные блоки. Плотность полученного блока составляет 0,5-0,7 г/см³, прочность на сжатие около 5 МПа.

Способ получения муллита, включающий смешивание исходного сырья с бифторидом аммония с последующим прокаливанием до температуры 350-600°С и спеканием при температуре 1200-1300°С, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют каолин при массовом соотношении каолина и бифторида аммония 1:1-1,1.