ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИАЛОНА Российский патент 2009 года по МПК C04B35/599 

Изобретение относится к получению кремнийалюминийоксинитридов, получивших общее наименование сиалона, и может быть использовано в керамической, химической и металлургической промышленности для производства материалов, устойчивых к тепловому удару и воздействию агрессивных сред при высоких температурах. Известны шихты для получения сиалона, состоящие из чистых нитрида кремния β=Si₃N₄ 40 мас.% и окиси алюминия 60 мас.% (Tsuge A., Inone В., Komeya K. "Japanese Ceramic Soc.", 1972, №28), каолина (Wild S. J. of Materials Sci., 1976, №11) и смеси каолиновой глины 80 мас.%, углерода или сажи 19 мас.% и катализатора 1 мас.% (Lee G. 'Industrial Hearting". 1975, V.43, №4, p.50-53).

Недостатком известных шихт для получения сиалона является применение дорогих компонентов шихты (чистые нитрид кремния, окись алюминия (Tsuge A., Inone H., Komeya K. "Japanese Ceramic Soc.", 1972, №28), катализатор (Lee G. "Industrial Hearting". 1975, V.43, №4, p.50-53) и необходимость длительной термической обработки компонентов в специальных условиях (22 ч в аммиачно-водородной среде при 1400°C (Lee G. "Industrial Hearting". 1975, V.43, №4, p.50-53)).

Из области техники известна шихта для получения сиалона, состоящая из глинистого и углеродсодержащего компонентов, в качестве которых она содержит углистый аргиллит и предварительно обожженный углистый аргиллит при заданном процентном соотношении компонентов (Авторское свидетельство СССР №823356, кл. С04В 35/58, опубл. 23.04.81).

Недостатком этой шихты является достаточно высокая стоимость применяемых компонентов при недостаточной интенсивности процесса получения сиалона.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является шихта для получения сиалона, содержащая углеродсодержащий компонент и каолинит в количестве, обеспечивающем заданное соотношение C:SiO₂ в шихте (Патент США №4360506, Кл. С01В 33/26, опубл. 23.11.1982).

Недостатком прототипа является непрогнозируемость состава и свойств получаемых сиалонов.

В основу изобретения поставлена задача получить сиалон заранее заданного состава при повышении интенсификации процесса его получения за счет включения в состав шихты для получения сиалона каолинитсодержащего углистого аргиллита и предварительно обожженного каолинитсодержащего углистого аргиллита, за счет чего повышается газопроницаемость шихты и обеспечивается заданное соотношение углерода и двуокиси кремния.

Задача решается тем, что шихта для получения сиалона, включающая углеродсодержащий компонент и каолинит, в количестве, обеспечивающем заданное соотношение C:SiO₂ в шихте, согласно изобретению в качестве углеродсодержащего компонента и каолинита содержит каолинитсодержащий углистый аргиллит и предварительно обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит, а соотношение C:SiO₂, моль, в шихте равно 2,25:3,0.

В качестве аргиллита шихта может содержать отходы добычи или обогащения углей, в минеральной части которых содержится 60-80% каолинита, 5-10% кварца, гидрослюды и, кроме того, 20-35% тонкодисперсного органического вещества.

Шихта для получения сиалона состоит в основном из каолинита как минерального компонента, а также угля как углеродсодержащего компонента и содержит 70-85 мас.% каолинитсодержащего углистого аргиллита и 15-25 мас.% предварительно обожженного углистого аргиллита. При этом для получения сиалона требуемого состава соотношение C:SiO₂, моль, должно составлять 2,25:3,0. Превышение этого соотношения приводит к преимущественному образованию карбидов кремния, а снижение - оксидов алюминия.

Шихта может состоять из отходов добычи или обогащения углей, в минеральной части которых содержится 60-80 мас.% каолинита, 5-10% кварца, небольшие количества гидрослюд и, кроме того, 20-35% равномерно распределенного тонкодисперсного органического вещества угля.

Высокая дисперсность и особенности генетической связи реагирующих компонентов шихты обеспечивают интенсификацию процесса азотирования по сравнению с искусственно приготовленными смесями каолинитсодержащего и углеродсодержащего компонентов.

Введение в состав шихты предварительно обожженного каолинитсодержащего углистого аргиллита, либо золы, или твердых парафинов, опилок и пр. позволяет повысить количество транспортных пор и, следовательно, газопроницаемость гранул шихты (приблизительно в 10 раз), что приводит к интенсивной диффузии азота внутрь гранул шихты и активному удалению газообразных продуктов реакции CO и SiO, что способствует интенсификации процесса азотирования.

Каолинитсодержащий углистый аргиллит является отходом добычи или обогащения углей, введения углеродного восстановителя не требуется, поэтому применение углеотходов, как компонента шихты, повышает технико-экономическую эффективность производства и, кроме того, расширяет сырьевую базу производства сиалонов.

Шихту для получения сиалонов готовят следующим образом.

Каолинитсодержащий углистый аргиллит дробят до крупности менее 0,5 мм. Обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит получают в любом обжиговом аппарате, например в топке с цепной решеткой, при температуре более высокой, чем температура воспламенения входящего в состав аргиллита топлива. Вместо углистого аргиллита можно использовать золу угля, твердые парафины или древесные опилки. Обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит дробят до крупности - 0,2 мм. Компоненты дозируют, тщательно смешивают и гранулируют. Соотношение C:SiO₂, моль, в шихте должно составлять 2,25:3,0. Для каолинитсодержащего углистого аргиллита, в котором соотношение C:SiO₂, моль, составляет 2,0:3,0, можно добавлять твердый парафин или опилки.

Получение сиалона из шихты ведут при 1400°С в течение 1,5 ч при скорости подачи азота 2-2,5 л/мин на 1 кг шихты.

Выполняя данные условия, можно получить β'-сиалон следующего состава

Si_3,60Al_2,40O_2,40N_5,60, обладающего удовлетворительной спекаемостью.

Осуществление изобретения можно продемонстрировать на следующих примерах.

Пример 1. Каолинитсодержащий углистый аргиллит, являющийся отходом добычи углей, может содержать 12-14 мас.% летучих, углерода - C^a 25-28 мас.%, зольность А^d - 60-65 мас.%, состав золы, мас.%: SiO₂ - 60-65; Al₂О₃ - 28-38; СаО+МgO+Fe₂O₃≤5 (при CaO≤2), подвергают дроблению до крупности частиц не более 0,5 мм. Обоженный каолинитсодержащий углистый аргиллит получают его сжиганием в топочном устройстве с цепной решеткой с последующим дроблением до крупности частиц менее 0,2 мм. Из каолинитсодержащего аргиллита и обожженного каолинитсодержащего аргиллита состава составляют шихту, в которой соотношение C:SiO₂, моль, должно составлять 2,25:3,0. При недостаточном количестве углерода можно добавлять обогащенный уголь, при избытке - обожженный углистый аргиллит или золу. После перемешивания шихту гранулируют на тарельчатом грануляторе до образования гранул диаметром 3-7 мм. Гранулы помещают в проточную электрическую печь и подвергают термообработке в токе газообразного азота при 1400°С в течение 1,5 ч. Содержание связанного азота в полученном сиалоне составляет 24,0-25,5 мас.% Карбид кремния обнаружен в следовых количествах.

Пример 2. Сиалон получают аналогично примеру 1, для получения материалов заданного состава в каолинитсодержащий углистый аргиллит (С:SiO₂, моль 2,0:3,0) перед гранулированием вводят 10-15% твердых парафинов. Гранулы нагревают в течение полутора часов в токе азота, очищенного от кислорода. Содержание связанного азота составляет 25,5-27,0 мас.%.

Пример 3. Опыт проводят аналогично примерам 1 и 2, но содержание С в соотношении C:SiO₂, моль, каолинитсодержащего углистого аргиллита в шихте составляет менее 2,0. В шихту добавляют каолинитсодержащий углистый аргиллит и обогащенный уголь таким образом, чтобы соотношение С:SiO₂, моль, находилось в пределах 2,25:3,0. Содержание связанного азота в сиалоне 23,0-26,0 мас.%

Установлено, что при содержании связанного азота 23-27 мас.% в продукте образуются β'-сиалоны, обладающие удовлетворительной способностью к спеканию, при содержании азота свыше 27% образуются сиалоны, которые плохо поддаются спеканию.

Полученный из β'-сиалона керамический материал стоек к воздействию расплавленных металлов: Al, Zn, Fe, горячих концентрированных растворов кислот (соляной, серной, азотной) и 30%-ного раствора едкого натра, а также сохраняет прочность при изгибе при нагревании до 1500°С, стоек к тепловому удару до 2000°С.

Изобретение относится к получению сиалонов - соединений переменного состава, содержащих одновременно Si, Al, О, N, и может быть использовано в керамической, химической и металлургической промышленности для производства конструкционных и других материалов, устойчивых к тепловому удару, расплавленным металлам, воздействию агрессивных сред при высоких температурах. Шихта для получения сиалона содержит каолинитсодержащий углистый аргиллит и предварительно обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит в количестве, обеспечивающем соотношение

C:SiO₂, моль, в шихте, равное 2,25:3,0. Технический результат изобретения - удешевление процесса получения сиалона заданного состава. 1 з.п. ф-лы.

1. Шихта для получения сиалона, включающая углеродсодержащий компонент и каолинит в количестве, обеспечивающем заданное соотношение C:SiO_2, моль, в шихте, отличающаяся тем, что в качестве углеродсодержащего компонента и каолинита она содержит каолинитсодержащий углистый аргиллит и предварительно обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит, а соотношение C:SiO_2, моль, в шихте равно 2,25:3,0.

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве аргиллита она содержит отходы добычи или обогащения углей, в минеральной части которых содержится 60-80% каолинита, 5-10% кварца, гидрослюды и, кроме того, 20-35% тонкодисперсного органического вещества.