Состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики

(51)04 35/195 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СОСТАВ ШИХТЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРДИЕРИТОВОЙ КЕРАМИКИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Терещенко Игорь Михайлович Попов Ростислав Юрьевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) Состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики, включающий тальк, огнеупорную глину и глиноземсодержащий компонент, отличающийся тем, что в качестве огнеупорной глины содержит каолинит-гидрослюдистую глину с соотношением каолинитгидрослюда 101, в качестве глиноземсодержащего компонента - гидроксид алюминия синтетический и дополнительно содержит кордиеритовый спек фракции менее 1 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.тальк 31-34 каолинит-гидрослюдистая глина 42-46 гидроксид алюминия синтетический 18-20 кордиеритовый спек фракции менее 1 мкм 3-5. Изобретение относится к технологии изготовления керамических изделий на основе кордиерита и может быть использовано в электротехнической, абразивной, машиностроительной и химической промышленности, а также в производстве огнеупорных и строительных материалов. Предлагаемый состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики позволяет снизить температуру обжига и расширить его температурный интервал при сохранении высокого уровня технико-эксплуатационных характеристик изделий. Известен способ получения кордиеритовой керамики путем однократного обжига сырьевой смеси, состоящей из природных сырьевых материалов - талька, высококачественной огнеупорной глины и синтетического сырья - технического глинозема либо электроплавленного корунда 1. Смесь измельченных исходных материалов, содержащих оксиды , 23, 2, взятых в стехиометрическом соотношении, подвергается формованию, сушке и однократному обжигу при температуре 1300-1410 С. При этом полу 8183 1 2006.06.30 чают кордиеритовую керамику с содержанием не менее 75 кордиерита, которому сопутствуют энстатит, муллит и стеклофаза. Такой материал имеет высокую устойчивость к термическому удару. Однако применяемый состав массы обладает существенными недостатками высокой температурой обжига, необходимой для синтеза кордиерита, а также для надлежащей степени спекания образцов узким интервалом обжига (25-30 С), что объясняется быстрым возрастанием количества расплава при высоких температурах. Это обстоятельство вызывает опасность деформации изделий в обжиге и ухудшает их физико-механические свойства. Для устранения этих недостатков в кордиеритовые массы вводят различные добавки. Так, известен состав шихты 2 для получения спекшегося материала на основе кордиерита, включающий, мас.тальк - 39-41 каолин - 19-20 глинозем - 23-25 кварцевый песок - 8-12 полевой шпат - 4-6. Состав обеспечивает высокое содержание кордиерита в продуктах обжига, высокую прочность и плотность изделий лишь при температурах обжига не ниже 1300 С. Однако температурный интервал обжига расширен до 70 С. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является состав шихты 3, отличительной особенностью которой является то, что она кроме известных компонентов (огнеупорная глина, каолин, глинозем и тальк) содержит дополнительно легкоплавкую глину кирпичного производства, при следующем соотношении компонентов, мас.огнеупорная глина - 20-25 каолин - 5-20 глинозем - 15-30 тальк - 25-50 легкоплавкая глина кирпичного производства - 5-15 . Состав обеспечивает получение прочных изделий с высоким выходом кордиерита при пониженных температурах обжига 1240-1280 С. Однако интервал обжига невелик и составляет 40 С. При повышенных температурах обжига фиксируются деформация изделий и ухудшение их свойств. Задачей предлагаемого технического решения является снижение температуры обжига масс при сохранении высокого выхода кордиерита, а также расширение температурного интервала обжига. Для решения поставленной задачи предлагается. Состав шихты для изготовления кордиеритовой керамики, включающий тальк, огнеупорную глину, глиноземсодержащий компонент, отличающийся тем, что в качестве огнеупорной глины используют каолинит-гидрослюдистую глину с соотношением каолинитгидрослюда 101, в качестве глиноземсодержащего компонента - гидроксид алюминия синтетический, и дополнительно содержит кордиеритовый спек фракции менее 1 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас.тальк 31-34 каолинит-гидрослюдистая глина 42-46 гидроксид алюминия синтетический 18-20 кордиеритовый спек фракции менее 1 мкм 3-5. Анализ рассмотренных технических решений показывает, что при синтезе кордиеритовой керамики в качестве пластичного компонента традиционно используют каолинитсодержащие глинистые материалы (каолины, пластичные огнеупорные каолинитовые глины), являющиеся основным источником глинозема и кремнезема в составе кордиерита, а также обеспечивающие возможность получения изделий практически любым из известных способов. С целью расширения температурного интервала обжига кордиеритовых масс используют введение оксидов щелочных металлов, полевого шпата, нефелин-сиенита и других добавок, что, однако, имеет ряд недостатков. На наш взгляд, весьма полезным в этом плане является дополнительное введение в состав опытных масс гидрослюдистого компонента. Известно, что гидрослюда, введенная в умеренном количестве в состав керамических масс, способна оказывать положительное влияние на их спекание, обеспечивая снижение температуры обжига 4. Это объясняется особенностью кристаллической 2 8183 1 2006.06.30 структуры гидрослюды, в которой тесный контакт ионов К, А 3 и 4 обеспечивает раннее формирование жидкой фазы при обжиге, начиная с 750 С, следствием чего и является интенсификация процесса спекания масс, включающих гидрослюдистый компонент. Образующаяся жидкая фаза характеризуется повышенной вязкостью (калийалюмосиликатное стекло), что положительно влияет на температурный интервал спекания, расширяя его. Как показывают экспериментальные данные, введение гидрослюдистого компонента благоприятно влияет на оба основных процесса, протекающих при синтезе кордиерита 1) спекания материала, идущего по жидкофазовому механизму 2) формирования кордиерита в ходе твердофазовых реакций. Количество гидрослюды, однако, следует ограничивать во избежание возникновения проблемы деформации изделий при повышенной температуре обжига. При этом ограничивающим критерием является общее содержание оксидов щелочных металлов в кордиеритовой керамике, которое, по данным Будникова 5, не должно превышать 2 мас. . На основе проведенных предварительных расчетов в качестве глинистого сырья для синтеза кордиеритовой керамики предложена глина ДН-0. При ее использовании суммарное содержание 2 в массах не превышало 1,6-1,7 , причем доминирующим является катион К (отношение 2/2 более 20). Одной из составных частей масс, применяемых для синтеза кордиеритовых материалов, может являться тальк. Этот минерал, используемый в качестве магнийсодержащего компонента, является гидросиликатом магния с химической формулой 3422. Тальк относится к подклассу слюдоподобных силикатов со сложной кристаллической решеткой псевдогексагонального строения, моноклинной сингонии. По ряду причин он является незаменимым компонентом кордиеритсодержащих масс, хотя в литературе известны попытки заменить его асбест-хризотиловыми и хлоритовыми породами. Использование талька способствует снижению энергии активации образования кордиерита, тем самым стимулируя его синтез, а также влияет на рост его зерен. Также ко всем вышеописанным положительным характеристикам можно добавить его хорошие огнеупорные, тепло- и электроизоляционные свойства, высокую кислотоустойчивость. Третьим компонентом опытных масс выбран гидроксид алюминия А 3, которым восполняется недостаток глинозема, вводимого глинистым сырьем в исследуемые композиции. А(ОН)3 является промежуточным продуктом получения технического глинозема по способу Байера. При его нагреве в широком интервале температур 320-1200 С происхо дит дегидратация по следующей суммирующей реакции 23233 2, в ходе которой, во-первых, образуются так называемые переходные нестабильные формы глинозема (, ,и другие), активно участвующие в химических реакциях. Во вторых, в ходе дегидратации резко возрастает дисперсность исходных частиц, причем удельная поверхность продукта может достигать 300 м 2/г, что соответствует размеру частиц менее 0,1 мкм. Наличие высокодисперсных реакционно-активных форм глинозема также положительно повлияет на процессы спекания и структурообразования опытных масс. Именно в этом состоит принципиальное различие в действии гиббсита от технического глинозема,часто используемого в кордиеритовых массах. Что же касается применения тонкоизмельченного кордиеритового спека, то введенные в состав масс частицы спека являются центрами, на которых впоследствии при обжиге растут кристаллы кордиерита. Это существенно снижает величину энергетического барьера и интенсифицирует процесс кристаллизации масс. Таким образом, новизна предлагаемого технического решения состоит в том, что наряду с традиционным сырьевым материалом - тальком в качестве огнеупорной глины используется каолинит-гидрослюдистая глина при соотношении гидрослюдакаолинит 110,в качестве глиноземсодержащего компонента - гидроксид алюминия синтетический, а также дополнительно вводится кордиеритовый спек фракции менее 1 мкм в количестве 45 мас . В итоге создаются предпосылки для реализации скоростного (скорость подъема 3 8183 1 2006.06.30 температуры до 500 С/ч) низкотемпературного обжига масс, содержащих после обжига не менее 80 кордиерита. Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующим примером исходные компоненты тщательно размалывают до среднего размера частиц менее 2 мкм, перемешивают всухую в соотношениях, приведенных в табл. 1. Далее шихта увлажняется водой до влажности 5-6 мас . и подвергались полусухому прессованию в пресс-формах различной конфигурации и размеров. Сформованные изделия высушивают и подвергают обжигу в электрической печи, поднимая температуру со скоростью 450-500 С/ч до 1180-1200 С,выдерживают при максимальной температуре 1-1,5 ч, затем охлаждают (инерционно). После обжига получают изделия преимущественно кордиеритового состава (выход кордиерита 82-88 ), что следует из данных рентгенофазового анализа и ТКЛР образцов. Таблица 1 Рациональный состав опытных смесей (мас. ) Номер состава 1 2 3 4 5 1. Тальк Шабровский 31 33 34 27 36 2. Глина ДН-0 46 44 42 48 41 3. Гидрат оксида алюминия 20 18 20 23 17 4. Кордиеритовый спек 3 5 4 2 6 Свойства получаемых изделий приведены в табл. 2. Как следует из приведенных данных, по предлагаемому способу получают материал с высокой термической устойчивостью, оптимальной пористостью, высокой прочностью, при поддержании высокого качества изделий в широком интервале температур обжига (1200-1350 С) при условии сохранения оптимального соотношения исходных компонентов, приведенного в формуле изобретения (составы 1-3). Компоненты Таблица 2 Влияние состава исходной шихты на свойства образцов Свойства Выход кордиерита,77-79 80-85 85-90 85-90 75-80 70-76 7 ТКЛР 10 2,4 2,3 2,2 2,2 2,7 2,9 Температурный интервал обжига, С 1240-1280 1200-1350 1180-1350 1180-1350 1240-1300 1250-1320 Водопоглощение,13,9-13,3 13,1-9,48 6,5-1,8 8,3-1,5 13,86-11,11 13,13-всп. Плотность кажущаяся, г/см 3 2,04-2,08 2,02-2,13 2,10-2,25 2,03-2,21 1,96-2,00 1,86-всп. Пористость открытая,28,1-27,60 26,5-20,22 13,5-4,40 17,1-3,30 27,4-22,4 27,4-22,4 Предел прочности при сжатии,МПа 68-85 52-56 70-77 72,5-85 55-61 80-83 Термостойкость, кол-во теплосмен более 120 82 более 130 более 130 75 71- Термостойкость определялась для изделий, прошедших обжиг при 1200 С. 4 8183 1 2006.06.30 Как показывают результаты исследований, составы, содержащие количество 2 большее оптимального (состав 4), спекаются лучше, однако при повышенных температурах в них наблюдается вспучивание, а содержание кордиеритовой фазы в продуктах обжига уменьшается (значения ТКЛР выше). Для составов, в которых содержание талька превышает оптимальное (состав 5), отмечается сужение температурного интервала обжига. Таким образом, предлагаемые настоящим изобретением композиции имеют следующие преимущества перед прототипом 1) обеспечивается расширение температурного интервала обжига с 40 С до 170 С(при сохранении высокого уровня основных показателей термостойкости, механической прочности и выхода кордиерита) 2) температура обжига может быть снижена на 50-60 С в сравнении с прототипом (на 12-15 ), что позволяет уменьшить энергоемкость производства при сохранении должного качества керамических изделий, определяемого высоким содержанием кордиерита в продуктах обжига. Полученные изделия успешно прошли испытания в качестве электроизоляционных элементов нагревателей печей отжига. Возможно также использование предлагаемых материалов в установках для высокотемпературных процессов, работающих в условиях резких перепадов температур и агрессивных сред. Источники информации 1. Пат. США,4814303, МПК С 04 В 35/18, 1989. 2. Пат. 2036883 РФ, МПК 3 С 04 В 35/18. Состав для изготовления кордиеритовой керамики / Анциферов В.Н., Марченко Г.Д., Порозова С.Е. -5029277/33 Заявл. 25.02.92 Опубл. 9.06.95 // Изобретения. -16. - 6 с. 3. Пат. 94011934 РФ, МПК 3 С 04 В 35/20, 35/18. Композиция для изготовления термостойких керамических изделий / Бердичевский И.М., Бердичевская Е.Я. -94011934/33 Заявл. 5.04.94 Опубл. 27.12.95 // Изобретения. -36. - 6 с. 4. Августинник А.И. Керамика Учеб для студентов вузов. - Л. Стройиздат, 1975. - 260 с. 5. Химическая технология керамики и огнеупоров / Под ред. П.П. Полубояринова. М. Стройиздат, 1972. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5