Экзотермическая смесь для получения мертелей или огнеупорного материала для покрытий алюмосиликатных изделий

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕРТЕЛЕЙ ИЛИ ОГНЕУПОРНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПОКРЫТИЙ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Волочко Александр Тихонович Жукова Анна Анатольевна Шипко Алексей Алексеевич Волосюк Василий Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(56)2213073 2, 2003.20081342, 2009.20090137, 2009.2182569 1, 2002.2101263 1, 1998.2228310 2, 2004.588211, 1978. ПОДБОЛОТОВ К.Б. и др. Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2009. -3. - С. 42-53.(57) Экзотермическая смесь для получения мертелей или огнеупорного материала для покрытий алюмосиликатных изделий, содержащая наполнитель, включающий алюминий и диоксид кремния, и связующее, включающее жидкое натриевое стекло, отличающаяся тем, что содержит наполнитель, дополнительно включающий оксид магния при следующем соотношении компонентов, мас.алюминий 20-30 оксид магния 30-40 диоксид кремния остальное,содержит связующее, дополнительно включающее триполифосфат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.жидкое натриевое стекло 95-97 триполифосфат натрия 3-5,и дополнительно содержит диоксид титана в качестве активной добавки при следующем соотношении компонентов экзотермической смеси, мас.наполнитель 70-75 связующее 15-20 активная добавка 5-15. Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для получения защитных термостойких покрытий и обмазок на алюмосиликатных изделиях, а также в качестве мертелей для соединения штучных огнеупоров. 15063 1 2011.12.30 Известен экзотермический огнеупорный мертель, который содержит, мас.оксид железа 22-40 алюминий 17-29 огнеупорную глину 15-23 глинозем 5-22 гипс 4-15 триполифосфат натрия 1-3. Этот мертель 1 получают простым смешиванием и увлажнением компонентов до получения однородной смеси. Нагревание смеси приводит к химическому взаимодействию компонентов с выделением большого количества тепла. Алюминий является сильным восстановителем и взаимодействует с оксидами железа, кремния, а также гипсом с образованием оксида алюминия, кремния, сульфида железа, силикатов и алюминатов железа. Большое количество выделяющегося тепла приводит к протеканию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Недостатком данного экзотермического мертеля является сравнительно низкая температура применения (1600 С) из-за присутствия соединений железа и кальция, которые образуют легкоплавкие эвтектики. СВС-процессы широко используются при получении различных огнеупорных материалов. Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, его прототипом является СВС-материал 2, включающий золу-унос, алюминий, глину и 20 -ный раствор жидкого стекла при следующем составе исходной смеси, мас.зола-унос 74-85 алюминий 12-18 глина 3-5 20 -ный раствор жидкого стекла,от массы шихты 10-15. Однако данный СВС-материал характеризуется рядом недостатков, а именно низкими прочностными свойствами и температурой применения. Зола-унос взаимодействует с алюминием, образуя муллит, выход которого составляет 65-68 . Однако, вследствие того что зола-унос, полученная при сжигании каменного угля, представляет смесь алюмосиликатного стекла, кварца, оксидов железа и небольшого количества несгоревшего углерода,продуктами СВС-реакции являются силикаты и алюминаты железа, характеризующиеся низкой температурой плавления, что снижает температуру применения предлагаемого мертеля. Уменьшение прочностных свойств происходит вследствие образования пор в СВСматериале при выгорании примесей углерода, входящего в состав золы-уноса. Задачей заявляемого изобретения является повышение прочностных свойств и температуры применения экзотермического огнеупорного материала для покрытий и мертелей алюмосиликатных изделий. Поставленная задача решается тем, что экзотермическая смесь для получения мертелей или огнеупорного материала для покрытий алюмосиликатных изделий, содержащая наполнитель, включающий алюминий и диоксид кремния, и связующее, включающее жидкое натриевое стекло, содержит наполнитель, дополнительно включающий оксид магния при следующим соотношении компонентов, мас.алюминий 20-30 оксид магния 30-40 диоксид кремния остальное,содержит связующее, дополнительно включающее триполифосфат натрия при следующим соотношении компонентов, мас.жидкое натриевое стекло 95-97 триполифосфат натрия 3-5,2 15063 1 2011.12.30 и дополнительно содержит диоксид титана в качестве активной добавки при следующем соотношении компонентов экзотермической смеси, мас.наполнитель 70-75 связующее 15-20 активная добавка 5-15. Сущность заявляемого технического решения заключается в образовании шпинели,которая характеризуется более высокой температурой плавления, а также в образовании фосфатов, которые увеличивают прочностные свойства. При нагревании экзотермической смеси до температуры плавления алюминия(Т 660 С) начинается экзотермический СВС-процесс за счет взаимодействия алюминия и диоксида кремния, что приводит к восстановлению его до кремния и выделению из расплава твердых частиц оксида алюминия, который взаимодействует сс образованием шпинели 24. Хорошую адгезию покрытиям и мертелям с подложкой обеспечивает беспрепятственное проникновение исходной экзотермической смеси в поры изделия. Заявляемое техническое решение поясняется следующими уравнениями химических реакций 3242233,(1)(3) Металлический алюминийявляется сильным восстановителем и основным компонентом экзотермической смеси. Его наличие обуславливает протекание процесса СВС,а также образование шпинели, являющейся основной фазой в синтезируемом материале. При содержании алюминия менее 20 СВС-процесс затухает, а образующийся материал имеет низкие прочностные свойства при содержании алюминия более 30 на поверхности материала образуются трещины из-за высокой скорости разогрева. Оксид магнияявляется одним из компонентов, участвующих в образовании шпинели. Кроме того, оксид магния способен образовывать с диоксидом кремния соединения, которые образуют расплав в ходе СВС и способствуют повышению адгезии материала за счет проникновения расплава в поры основы. Введение оксида магния в количестве менее 30 не обеспечивает повышение температуры применения материала ввиду нехватки его для образования шпинели, а содержание его более 40 разрыхляет структуру материала в результате объемных изменений при образовании большого количества силикатов магния, в результате чего снижаются прочностные свойства. Диоксид кремния в составе экзотермического материала является основным компонентом СВС-системы, участвующим в химических процессах с выделением тепла, необходимого для поддержания процессов горения, а также для образования силикатов. Введение триполифосфата натрия (5310) в качестве связующего активирует процесс спекания и способствует повышению прочности материала за счет образования сложных фосфатов, а также силикатофосфатов, образующихся в результате взаимодействия фосфатов с материалом шихты. Экспериментально установлено, что при введении триполифосфата в количестве менее 3 на поверхности материала образуются трещины и поры, а при количестве триполифосфата более 5 материал неравномерно наносится на поверхности изделия из-за нарушения реологических свойств системы. Жидкое стекло представляет собой соединение 222. При недостатке жидкого стекла в материале (менее 95 ) наблюдается снижение сырой адгезионной прочности. Добавление связующего в количестве более 97 приводит к ухудшению прочностных свойств материала, а именно на поверхности появляются трещины в результате испарения воды из жидкого стекла при сушке, а также снижения температуры применения материала. 15063 1 2011.12.30 Диоксид титана (2) является катализатором СВС-процесса. В процессе химических реакций, протекающих между компонентами экзотермического материала, он взаимодействует с кремнием, образуя силицид титана , что подтверждается рентгенофазовым анализом и термодинамическим моделированием.обладает высокой твердостью,вследствие чего прочностные свойства материала повышаются. При введении оксида титана в смесь в количестве менее 5(например, 2 ) СВС-реакция протекать не будет. Содержание активной добавки в смеси в количестве более 15 увеличивает скорость протекания СВС-процесса, что приводит к неравномерному распределению волны горения по всей длине материала. В результате СВС-материал имеет неудовлетворительные прочностные свойства и характеризуется низкой температурой применения. Соотношение компонентов наполнителя и активной добавки к связующему в соответствии с заявляемым составом материала должно обеспечивать приемлемую вязкость смеси, с тем чтобы получившийся конечный материал имел требуемые толщину и свойства. При превышении количества связующего более 20(например, 30 ), что равносильно уменьшению количества наполнителя по отношению к оптимальному составу, исходная смесь характеризуется высокой текучестью, что не позволяет получить материал требуемой толщины, а также приводит к образованию большого числа силикатов, что снижает температуру применения конечного материала. Уменьшение количества связующего до 10 приводит к образованию комков в смеси, что влияет на характеристики СВСматериала. Заявляемый материал используют для изготовления покрытий и мертелей на алюмосиликатных изделиях. Для изготовления экзотермического огнеупорного материала в смеситель загружают сухие порошки, которые предварительно просеивают через сито 0,315 оксид магния, диоксид титана, алюминий, диоксид кремния. Компоненты перемешивают в течение 5-7 мин, затем к шихте добавляют при постоянном перемешивании жидкое натриевое стекло (1400-1600 кг/см 3) и триполифосфат натрия до получения сметанообразной консистенции, после чего наносят слоем 2-5 мм на алюмосиликатные изделия и проводят термообработку (сушка при 100 С для удаления влаги постепенный нагрев со скоростью 12 С/мин до температуры 1100 С, с последующей выдержкой при максимальной температуре - 1 ч). После охлаждения проводят испытания полученных СВСматериалов. Определение предела прочности на сжатие при комнатной температуре осуществляют по ГОСТ 4071.1-94 3. Температуру применения определяют по стандартной методике нагрев материала в печи до 1800 С с выдержкой при этой температуре 1 ч. Результаты испытаний приведены в табл. 1, 2 и 3. Таблица 1 Влияние состава смеси на характеристики экзотермического огнеупорного материала Состав смеси Свойства материала Продолжение таблицы 1 Свойства материала Предел прочТемпература Активная доности на сжаприменения, С бавка, мас.тие, МПа 2 СВС-реакция не протекает 5 18 1800 15 18 1800 4-15 1300-1600 Таблица 2 Влияние состава наполнителя на характеристики экзотермического огнеупорного материала Наполнитель прим,Диоксидп/п Характеристики Алюминий,Оксид магкремния,С мас.ния, мас.мас.затухание СВС 1100 1 15 35 процесса 2 20 35 1600 3 25 35 1730 4 30 35 1800 образование трещин на 5 40 35 1200 поверхности материала остальное отсутствие в материале 6 25 20 достаточного количе- 1370 ства шпинели 7 25 30 1680 8 25 35 1700 9 25 40 1800 разрыхление структу 10 25 60 1230 ры материала Таблица 3 Влияние состава связующего на характеристики экзотермического огнеупорного материала Связующее Жидкоеп/п Характеристики натриевое Триполифосфат прим, С стекло,натрия, мас.мас.низкая сырая адгезионная проч 1 90 10 ность, смесь плохо наносится на 1200 поверхность изделия 2 95 5 1690 3 96 4 1700 4 97 3 1800 образование трещин на поверхно 5 100 1250 сти материала 5 15063 1 2011.12.30 Из приведенных данных видно, что экзотермический огнеупорный материал для покрытий и мертелей, изготовленный в соответствии с заявляемым составом материала, характеризуется, по сравнению с прототипом, более высокими прочностными свойствами(10-18 МПа против 4-15 МПа) и температурой применения (1600-1800 С против 13001600 С). Источники информации 1. Патент 2163579 2, МПК 04 35/65,04 35/66, 2001. 2. Патент 2213073 2, МПК 04 35/185,04 35/65,04 41/87, 2003 (прототип). 3. ГОСТ 4071.1-94. Изделия огнеупорные с общей пористостью менее 45 . Метод определения предела прочности при сжатии при комнатной температуре. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6