Состав для изготовления высокотемпературного пенокерамического материала
Владельцы патента RU 2345973:
Общество с ограниченной ответственностью, научно-производственное предприятие "Химические композиционные материалы (сокращенная форма наименования-ООО НПП "Хикома") (RU)
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и, главным образом, к получению жаростойких керамических материалов, предназначенных для применения в промышленном строительстве для теплоизоляции технологического оборудования, эксплуатируемого при высоких значениях температуры (в том числе в вакууме), а также в условиях прямого контакта с открытым пламенем газовых горелок, печей и др. Техническим результатом изобретения является снижение температуры спекания и влагопоглощения, повышение прочности и термостойкости изделий. Состав для изготовления жаростойкого керамического материала включает фосфатное связующее, глинистое сырье, пенообразователь, модифицирующие добавки и воду, при следующем соотношении компонентов в мас.%: глинистое сырье - 8,0-40,0; фосфатное связующее - 20,0-48,0; пенообразователь - 0,1-0,35; модифицирующие добавки - 0,24-40,0; вода - 0-5,0. В качестве глинистого сырья используется в мас.%: тонкомолотая глина ПГСОА - 8,0-20,0 и/или мертель-шамот - 0-20,0 и/или мертель-хром - 0-11,0; фосфатное связующее - ортофосфорная кислота и/или алюмоборфосфатная связка - 0-48,0; пенообразователь - алюминиевая пудра марки ПАП - 0-0,35; модифицирующие добавки: высокоглиноземистый цемент - 0-12,0; Fe3O4 - 0-6,0; корунд - 0-22,4; оксид кальция - 0-1,7; гидроксид алюминия - 0-0,1; сажа - 0-4,0. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Область техники
Изобретение относится к промышленности строительных материалов и, главным образом, к получению жаростойких керамических материалов, предназначенных для применения в промышленном строительстве для теплоизоляции технологического оборудования, эксплуатируемого при высоких значениях температуры (в том числе в вакууме), а также в условиях прямого контакта с открытым пламенем газовых горелок, печей и др.
Уровень техники
Разработанный состав решает ту же задачу создания высокоэффективных жаростойких керамических материалов, работающих в области высоких температур, что и известные технические решения.
Известна огнезащитная композиция "Файрекс-600" [RU №2249569 С1, 10.04.2005], содержащая следующие компоненты, мас.%:
| Связующее - жидкое стекло | |
| или силикофосфатное связующее | 55.0-65.0 |
| Каолин | 11.0-13.0 |
| Мел | 6.0-12.0 |
| Щелочь | 0.01-0.50 |
| Алюминиевая пудра | 0.1-0.5 |
| Вспученный вермикулит | 9.0-14.0 |
| Зола-унос | 7.0-9.0 |
Техническим результатом данного решения является повышение огнестойкости кабельных проходок в строительных конструкциях зданий и сооружений, таких как туннели, для обеспечения распространения по ним пламени.
Недостатком указанного метода является высокая стоимость исходных компонентов, таких, как гидроксид натрия, каолин, завоз которых в другие районы является экономически невыгодным.
Известен способ изготовления огнеупорных изделий на основе корунда, обладающих высокой прочностью и термостойкостью [RU №2245864 C1, 10.02.2005].
Для изготовления огнеупорных изделий на стадии подготовки шихты поверхность сфероидных частиц электрокорундового наполнителя смачивают олеиновой или стеариновой кислотой в количестве 0.5-1.0 мас.% от общего количества фосфатного связующего.
В процессе смешивания вводят мелкодисперсную смесь совместного помола, содержащую следующие компоненты, мас.%:
| Al2O3 | 47.0-80.0 |
| ZrO2-SiO2 | 20.0-53.0 |
Фосфатное связующее в виде ортофосфорной кислоты или фосфата алюминия при содержании компонентов в шихте, мас.%:
| Электрокорундовый наполнитель | 50.0-70.0 |
| Мелкодисперсная смесь совместного помола | 30.0-50.0 |
| Фосфатное связующее сверх 100% | 5.0-10.0 |
Недостатками указанного метода являются высокая стоимость электрокорунда и цирконового концентрата, высокая температура отжига полученной композиции - 900-1100°С.
Известна композиция для изготовления среднеплотных корундовых огнеупоров плотностью 2760-2810 кг/м3, позволяющая снизить температуру спекания и пористость, а также повысить прочность и термостойкость до 1300°С [RU №2250885 C1, 27.04.2005].
Поставленная задача решена путем создания шихты для изготовления огнеупоров, включающей электрокорунд и фосфатное связующее, причем она содержит электрокорунд, модифицированный легкоразлагающейся добавкой алюминатного состава (нитратом алюминия, формиатом алюминия, бокситом) в количестве 1.0-5.0 мас.%, а в качестве фосфатного связующего - алюмоборфосфатную или алюмохромфосфатную связку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Модифицирующий корунд | 90.0-93.0 |
| Фосфатное связующее | 7.0-10.0 |
Недостатками данного метода являются высокая стоимость электрокорунда, высокая плотность образцов ˜2800 кг/м3, высокая температура спекания - 1300°С.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению, т.е. прототипом, является способ получения шихты для изготовления жаростойких пенокерамических материалов [RU №2251540 С1, 10.05.2005]. Способ получения пенокерамических изделий включает перемешивание тонкомолотой глины, наполнителя, фибры, воды и вспенивающего агента, нагревание и обжиг. В качестве фибры используют базальтовое, асбестовое волокно или стекловолокно, в качестве наполнителя - молотое стекло или обожженную при температуре 550-600°С глину, в качестве вспенивающего агента - отдельно приготовленную пену. Дополнительно вводят пластификатор, жидкое стекло, фосфорную кислоту. Соотношение компонентов смеси составляет, мас.%:
| Глина | 46.0-55.0 |
| Наполнитель | 7.8-12.8 |
| Жидкое стекло | 0.07-0.77 |
| Фибра | 0.39-0.43 |
| Пластификатор | 0.13-0.23 |
| Фосфорная кислота | 0.13-0.38 |
| Пена | 2.6-3.8 |
| Вода | Остальное |
Нагревание изделий при сушке осуществляется при 35-45°С, обжиг - при температуре 940-980°С.
Недостатком данного метода является высокое водопоглощение полученных образцов 28-42%.
Сущность изобретения
Задачей изобретения была разработка шихты для изготовления среднеплотных огнеупоров, позволяющая существенно снизить температуру спекания, повысить прочность и термостойкость, в том числе в вакууме, а также существенно снизить влагопоглощение.
Поставленная задача решена путем создания шихты для изготовления огнеупоров, включающая, мас.%:
| Глинистое сырье | 8-40 |
| Фосфатное связующее | 20-48 |
| Пенообразователь | 0.1-0.35 |
| Модифицирующие добавки | 0.24-40 |
| Вода | 0-5 |
В качестве глинистого сырья используется в мас.%: тонкомолотая огнеупорная глина марки ПГСОА (ТУ-У-322-7-00190503-086-97, с содержанием Al2О3 35.5%) 8.0-20.0 и/или мертель-шамот (марки МШ-31, ГОСТ 6137-80, с содержанием Al2О3 45%, Fe2O3 2.5%, Na2CO3 0.14%) 0-20.0 и/или мертель-хром (марки МХПВ ТУ 14-8-147-75, с содержанием Mg не менее 55%, Cr2О3 не менее 15%, SiO2 не более 3%, СаО не более 3%) 0-11.0; в качестве фосфатного связующего - ортофосфорная кислота и/или алюмоборфосфатная связка (ТУ 113-08-606-87) 20-48; в качестве пенообразователя - алюминиевая пудра марки ПАП 0.1-0.35; в качестве модифицирующих добавок, по крайней мере, одна из следующих: высокоглиноземистый цемент (ВГЦ ТУ-6-03-339-78, с содержанием Al2О3 70.3%, СаО 28.6%, Fe2O3 0.06%, SiO2 0.56%, MgO 0.18%) 0-12.0; Fe3O4 0-6.0; корунд (ГОСТ 24704-81, с содержанием Al2O3<95%, Fe2O3 не более 0.6%) 0-22.4; оксид кальция 0-1.7; гидроксид алюминия 0-0.1; сажа 0-4.0.
В соответствии с изобретением в способ, включающий изготовление керамического материала, введены новые признаки, а именно:
- в качестве глинистого сырья используется смесь, в мас.%: огнеупорной глины ПГСОА 8.0-20.0 и/или мертель-шамота 0-20.0 и/или мертель-хрома 0-11.0, при этом глина не подвергается предварительному обжигу;
- используется, по крайней мере, одна из следующих модифицирующих добавок, в мас.%: высокоглиноземистый цемент 0-12.0; Fe3O4 0-6.0; корунд 0-22.4; оксид кальция 0-1.7; гидроксид алюминия 0-0.1; сажа 0-4.0.
Выбор оптимальных соотношений компонентов фосфатного связующего, глинистого сырья, пенообразователя, модифицирующих добавок позволяет уменьшить температуру обжига с 980°С по прототипу до 500°С при сохранении высоких пределов прочности при сжатии 3.0-6.0 МПа и значениях коэффициента теплопроводности 0.11-0.20 Вт/м·°С, расширить пределы термической стойкости до 1600-2000°С, в том числе в вакууме, и снизить влагопоглощение материала с 30% по прототипу до 1.5-3.0%.
Состав готовят следующим образом. Отдозированное глинистое сырье подают в шаровую мельницу, где его измельчают и перетирают до дисперсии 0.2-0.3 мм. Сухую шихту после шаровой мельницы подают в бетоносмеситель, куда добавляют отдозированное фосфатное связующее, модифицирующие добавки и воду. Смесь перемешивают до однородной пластичной массы. К полученной массе добавляют отдозированное количество вспенивателя, смесь перемешивают до получения однородной массы, которую затем наносят на поверхность конструкции или заполняют конструкцию.
Формирование керамического материала и его отверждение происходит в две стадии. Первая стадия - вспенивание 6-20 мин и последующее отверждение массы 45-60 мин, вторая - нарастание механической прочности материала до максимального значения в течение 1-2 суток при комнатной температуре. Затем полученный материал подвергается отжигу при 500°С.
В табл.1 приведены возможные примеры составов заявляемых композиций, в табл.2 - зависимость свойств керамики от состава композиции.
| Таблица 1 | |||||||||||||
| Примеры составов заявляемых композиций | |||||||||||||
| Содержание компонентов, мас.% | |||||||||||||
| Глинистое сырье | Модифицирующие добавки | Фосфатное связующее | Пенообразо ватель Al | Вода | |||||||||
| Глина ПГСОА | Мертель-шамот | Мертель-хром | Fe3O4 | Корунд | ВГЦ | CaO | Сажа | Al(ОН)3 | Н3PO4 | АБФК | |||
| Заявляемые составы | |||||||||||||
| 1 | 11,2 | - | - | 4,5 | 22,4 | 11,0 | 1,7 | - | - | 22,4 | 23,3 | 0,1 | 3,4 |
| 2 | 11,0 | - | - | 4,4 | 22,0 | 11,2 | 1,7 | - | - | 46,3 | - | 0,1 | 3,3 |
| 3 | 14,1 | 20,0 | - | 6,0 | - | 12,0 | - | - | - | 23,75 | 23,8 | 0,35 | - |
| 4 | 20,0 | 20,0 | - | 6,0 | - | - | 1,7 | 4,0 | 0,1 | 46,7 | - | 0,1 | - |
| 5 | 15,0 | - | 11,0 | 4,5 | 22,4 | - | - | - | - | 47,0 | - | 0,1 | - |
| Запредельные составы | |||||||||||||
| 6 | 22,2 | 22,2 | - | 8,3 | - | - | 0,5 | - | 46,3 | - | 0,5 | - | |
| 7 | 22,3 | - | - | 8,9 | 22,2 | - | - | - | - | 46,5 | 0,1 | - | |
| Составы по прототипу*** | |||||||||||||
| 8 | 46(глина) + 12,8 (обожженная глина) | - | - | - | - | - | - | - | 0,38 | 0,77* | 3,8** | 35,01 | |
| * - жидкое стекло | |||||||||||||
| ** - пенообразователь | |||||||||||||
| *** - кроме того - базальтовое волокно 0,41, пластификатор 0,23 |
| Таблица 2 | ||||||||
| Зависимость свойств керамики от состава композиции | ||||||||
| Свойства | Показатели для составов | |||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | прототип | |
| Средняя плотность, кг/м3 | 600 | 760 | 1000 | 1000 | 860 | 1000 | 1270 | 610-720 |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 6,0 | 5,6 | 5,8 | 5,9 | 5,6 | 4,5 | 4,6 | 3,0-5,6 |
| Водопоглощение, % | 1,5 | 1,5 | 1.5 | 1,4 | 1,5 | 2,0 | 3,0 | 28,0-43,0 |
| Коэффициент теплопроводности, Вт/м·°С | 0,12 | 0,13 | 0,14 | 0,13 | 0,12 | 0,15 | 0,16 | 0,13-0,18 |
| Термостойкость, °С | 2000 | 2000 | 1950 | 2000 | 1950 | 1800 | 1700 | |
| Термостойкость в вакууме, °С | 1300-1700 | 1300-1700 | 1300-1700 | 1300-1700 | 1300-1700 | Не выдерживает | Не выдерживает | Не выдерживает |
| Пористость, % | 54,0 | 42,0 | 57,0 | 46,0 | 43,0 | 43,0 | 43,0 | - |
1. Состав для изготовления жаростойкого керамического материала, включающий фосфатное связующее, глинистое сырье, пенообразователь, модифицирующие добавки и воду, отличающийся тем, что он содержит указанные компоненты в следующих количествах, мас.%:
| глинистое сырье | 8,0-40,0 |
| фосфатное связующее | 20,0-48,0 |
| пенообразователь | 0,1-0,35 |
| модифицирующие добавки | 0,24-40,0 |
| вода | 0-5,0, |
причем в качестве глинистого сырья используется тонкомолотая глина ПГСОА 8,0-20,0 и/или мертель-шамот 0-20,0 и/или мертель-хром 0-11,0; в качестве фосфатного связующего - ортофосфорная кислота и/или алюмоборфосфатная связка; в качестве пенообразователя - алюминиевая пудра марки ПАП; в качестве модифицирующих добавок, по крайней мере, одна из следующих: высокоглиноземистый цемент 0-12,0; Fe3O4 0-6,0; корунд 0-22,4; оксид кальция 0-1,7; гидроксид алюминия 0-0,1; сажа 0-4,0.
2. Состав по п.1, отличающийся тем, что глина не подвергается предварительному обжигу.
