КЕРАМИЧЕСКОЕ ИЗДЕЛИЕ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК C04B35/10 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Керамические частицы производятся для применения в широком ряду промышленных применений. Некоторые из этих применений включают использование множества керамических частиц: в качестве расклинивающего наполнителя для облегчения извлечения жидкостей и/или газов из буровых скважин, пробуренных в геологических формациях; в качестве среды для промывания, измельчения или полировки; в качестве опорных сред в химическом реакторе; в качестве теплопередающей среды; в качестве фильтрующей среды; и в качестве кровельных гранул при нанесении на рубероидную кровельную плитку.

Примеры патентов, которые раскрывают керамические частицы и способы их производства, включают патент США 4632876, патент США 7036591 и патент Канады 1217319.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления данного изобретения представляют способы получения керамических частиц, которые создают и поддерживают пористость на протяжении всего технологического процесса получения частиц. Способ представляет альтернативу способам, которые используют значительные количества порообразующих материалов, которые нужно удалять из частицы во время технологического процесса. Другие варианты осуществления данного изобретения представляют керамические изделия со специфическим химическим составом и кристаллической фазой.

В одном варианте осуществления данное изобретение представляет собой способ получения керамических частиц, который может включать следующие этапы: формирование частицы-предшественника, включающей более 5 вес.%, но менее 30 вес.% первого керамического материала и, по меньшей мере, 40 вес.% второго керамического материала; причем керамические материалы в основном однородно распределены в предшественнике; нагревание предшественника до максимальной температуры выше температуры спекания первого керамического материала и ниже температуры спекания второго керамического материала. Общая пористость керамической частицы составляет, по меньшей мере, 10%.

В другом варианте осуществления данное изобретение представляет собой керамическое изделие, включающее химическую композицию, включающую Аl₂O₃ и SiO₂, где соотношение весового процента Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, как определено анализом XRF, составляет менее 0,72; и, по меньшей мере, 5 вес.% изделия составляет кристаллическая фаза оксида алюминия, как определено анализом XRD с использованием внутреннего стандарта.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг.1 является блок-схемой способа согласно одному варианту осуществления; и

Фиг.2 является дилатометрической кривой.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как используется в данном документе, фраза “сопротивление дроблению” означает способность частицы противостоять дроблению. Сопротивление дроблению обычно используется для обозначения прочности расклинивающего наполнителя и может быть определено с использованием ISO 13503-2:2006(E). Прочный расклинивающий наполнитель производит сопротивления дроблению с более низким весовым процентом, чем непрочный расклинивающий наполнитель при одном и том же напряжении, вызывающим смыкание трещины. Например, расклинивающий наполнитель, который имеет сопротивление дроблению 2 вес.%, считают прочным расклинивающим наполнителем и предпочитают непрочному расклинивающему наполнителю, который имеет сопротивление дроблению 10 вес.%.

Как используется в данном документе, фраза “общая пористость керамической частицы” означает сумму открытой пористости и закрытой пористости частицы. Общая пористость, закрытая пористость и открытая пористость керамической частицы могут быть определены, как будет описано ниже.

Как используется в данном документе, фраза “кристаллическая фаза оксида алюминия” включает любую кристаллическую фазу, которая содержит упорядоченную расстановку атомов алюминия и кислорода и, в частности, включает кристаллические фазы, обычно обозначаемые, например, как альфа-оксид алюминия, тета-оксид алюминия, дельта-оксид алюминия, гамма-оксид алюминия, хи-оксид алюминия и каппа-оксид алюминия. Общепринятые названия для некоторых из кристаллических фаз оксида алюминия также могут использоваться в данном описании. Например, альфа оксид алюминия также может быть обозначен в данном описании как корунд.

Как используется в данном документе, ссылки на химический состав керамического изделия означают весовой процент компонента измеренного химического соединения.

Способы производства керамических частиц были разработаны и использовались много лет для производства больших количеств керамических частиц, таких как расклинивающие наполнители. Так как расклинивающие наполнители используются в самых различных геологических формациях, на различных глубинах и подвергаются экстремальным значениям температуры и давления, физические характеристики расклинивающих наполнителей могут нуждаться в адаптации для оптимизации рабочей характеристики расклинивающего наполнителя в конкретной окружающей среде. Некоторые из свойств, которые могут влиять на рабочую характеристику расклинивающего наполнителя, включают: удельную массу, пористость, прочность на раздавливание и проводимость. Изменение одного физического свойства может по существу изменить одно и более из других свойств нежелательным образом. Поэтому предпринимались значительные усилия для разработки способов, которые изменяют свойства, важные для одного применения, при одновременной минимизации нежелательных изменений других свойств частицы. Кроме того, производители расклинивающих наполнителей пытались снизить стоимость производства расклинивающих наполнителей путем исключения материалов и/или технологических операций без ущерба для рабочей характеристики расклинивающего наполнителя.

Что касается получения расклинивающего наполнителя, имеющего желаемую удельную массу, некоторые способы основаны на применении порообразующих материалов для создания пористости в расклинивающем наполнителе. Два общих класса порообразователей известны как или удаляемые, или in-situ. Удаляемые порообразователи могут буть удалены из расклинивающего наполнителя термическим или химическим способом, что ведет к созданию поры или пор, приблизительно равных по объему материалу, который был удален. Примеры удаляемых порообразователей включают ореховую скорлупу, синтетический органический материал, опилки и отходы зерновых. В отличие от этого “in-situ” порообразователи, как правило, расширяются при нагревании и создают пору, которая значительно больше, чем объем, занимаемый порообразователем до нагревания. Примером in-situ порообразователя является карбид кремния. Поры, созданные порообразователями, могут быть открытыми порами и/или закрытыми порами.

Одна проблема использования порообразователей заключается в том, что они увеличивают стоимость получения, так как порообразователь нужно приобрести, смешать с другими ингредиентами, используемыми для создания расклинивающего наполнителя, и затем нужно использовать энергию и/или материалы для удаления порообразователя. В некоторых способах удаление порообразующих материалов ведет к образованию твердых или газообразных побочных продуктов, что может вызвать экологические проблемы, которые нужно будет решать, и повышает стоимость технологического процесса. Более того, применение порообразователей может создавать изменчивость в технологическом процессе расклинивающих наполнителей, так как этапы, используемые для включения и удаления порообразующего материала, могут включать незначительные различия в процедурах смешивания, температурах нагревания и т.п. Хотя изменение температуры, на которую нагревают расклинивающий наполнитель, может показаться относительно небольшим, изменение температуры может вызвать значительное изменение объема газа, образуемого in-situ порообразователем, что приведет к большей поре, чем созданной при несколько более низкой температуре.

Варианты осуществления данного изобретения решают некоторые из проблем, описанных выше, путем отбора материалов и этапов обработки, которые дают возможность производителю расклинивающего наполнителя получать частицу-предшественник, которая имеет приблизительно желаемую пористость, включенную в частицу-предшественник, и эта пористость сохраняется в расклинивающем наполнителе. Для создания пористости не нужны порообразователи.

На Фиг.1 показана блок-схема способа варианта осуществления, которая включает следующие этапы. Этап 20 включает обеспечение смеси, которая включает первый керамический материал и второй керамический материал, где температура спекания первого керамического материала меньше температуры спекания второго керамического материала. Факультативно, смесь может включать другие материалы, такие как связующие и растворители. Приемлемые растворители включают воду и некоторые спирты. Связующее может быть одним или более материалами, выбранными из органический крахмалов, таких как буровой крахмал, а также камедей или смол, которые продаются для таких целей. Связующее также может быть неорганическим материалом, таким как глина или кислота. Связующие обычно добавляют в количестве менее 10 вес.% смеси и могут быть добавлены сухими или как раствор. Несмотря на то, что связующее может отвечать за некоторый уровень пористости в керамической частице, связующие не считаются порообразователями в данном описании. Композиция смеси может быть ограничена до менее 0,1 вес.% одного или более порообразователей, выбранных из перечня, состоящего из удаляемого порообразователя, in-situ порообразователя и их комбинаций. Удаляемые порообразователи могут быть ограничены до менее 0,05 вес.% смеси. In-situ порообразователи могут быть ограничены до менее 0,01 вес.% смеси. В одном варианте осуществления смесь не будет включать какие-либо порообразователи.

Этап 22 включает формирование частицы-предшественника, которая определена в данном описании как частица, где первый и второй керамические материалы в основном однородно распределены по ней, и растворители, такие как вода, удалены так, что потеря при высушивании (LOD) предшественника после нагревания до 110°С-130°С в течение двух часов составляет менее одного процента начального веса предшественника. Предшественник может содержать или может не содержать факультативные ингредиенты, такие как связующее. Предшественник может включать от 5 вес.% до 30 вес.% первого керамического материала и, по меньшей мере, 40 вес.% второго керамического материала. В некоторых вариантах осуществления предшественник может включать от 10 вес.% до 20 вес.% первого керамического материала.

На этапе 24 предшественник нагревают до максимальной температуры, которая выше температуры спекания первого керамического материала и ниже температуры спекания второго керамического материала. В некоторых вариантах осуществления предшественник может быть нагрет до максимальной температуры, которая выше температуры плавления первого керамического материала, которая выше температуры спекания первого керамического материала. На этапе нагревания, если температура превышает температуру плавления первого керамического материала, то первый керамический материал может превратиться из твердого материала в текучий материал и может обтекать второй керамический материал. На этапе 26 частицу-предшественник охлаждают до окружающей температуры, тем самым формируя керамическую частицу.

Что касается этапа 20, как первый, так и второй керамические материалы могут быть представлены как порошки, которые включают множество гранул. В конкретных вариантах осуществления гранулы могут варьировать от 1 до 10 микрон, более конкретно от 6 до 8 микрон. Первый и второй керамические материалы могут быть выбраны так, чтобы температура спекания первого керамического материала была выше температуры плавления первого керамического материала, и обе были ниже температуры спекания второго керамического материала. Кроме того, точная разница между температурой плавления первого керамического материала и температурой спекания второго керамического материала может не быть критической, в конкретных вариантах осуществления пригодной разницей может быть 50°С.

Например, приемлемый первый керамический материал может быть выбран из группы, состоящей из полевого шпата и нефелинового сиенита, который имеет температуру плавления приблизительно 1100°С, и их комбинаций. Приемлемый второй керамический материал может быть выбран из группы, состоящей из глины, оксида магния, оксида алюминия и боксита, который имеет температуру спекания приблизительно 1450°С, и их комбинаций.

Что касается этапа 22, формирование частицы-предшественника может быть достигнуто обработкой смеси при помощи машины, такой как смеситель Eirich RO2, который доступен от American Process Systems, Eirich Machines Inc., Gourney, IL, США, таким образом формируя, по меньшей мере, часть смеси в большое число маленьких гранул, которые могут рассматриваться как сырец. Если гранулы содержат факультативные ингредиенты, такие как растворители и связующие, то факультативные ингредиенты могут быть удалены высушиванием гранул в печи до достаточно высокой температуры, такой как 200°С или выше, для выведения факультативных ингредиентов из гранул. Если нужно, частицы-предшественники могут быть обработаны на аппарате для просеивания, который включает сито №8 обозначения ASTM, имеющее 2,36 мм отверстия, и сито №70 обозначения ASTM, имеющее 212 µм отверстия сита. Предшественники, выбранные для нагревания на этапе 24, могут проходить через сито №8, но не проходить через сито №70.

На этапе 24 предшественник нагревают до максимальной температуры, которая выше температуры спекания и, возможно, выше температуры плавления, первого керамического материала и ниже температуры спекания второго керамического материала. Следовательно, максимальная температура этапа нагревания меньше температуры спекания второго керамического материала. В конкретных вариантах осуществления максимальная температура этапа нагревания, по меньшей мере, на 25°С меньше температуры спекания второго керамического материала. Как используется в данном документе, температура плавления керамического материала является температурой, при которой керамический материал начинает становиться мягким и становится текучим. Текучесть первого керамического материала при температуре, которая ниже температуры спекания второго керамического материала, может позволить первому керамическому материалу, по меньшей мере, частично затекать на второй керамический материал. Контакт между первым и вторым керамическими материалами на этапе нагревания может позволить создание связей между гранулами первого и второго керамических материалов.

Температура спекания керамического материала может быть определена построением графика дилатометрических данных и установлением температуры, которая отвечает средней точке кривой. Например, на Фиг.2 показан типичный график дилатометрической кривой, где процент линейного изменения (PLC) отложен в зависимости от температуры для гипотетического керамического материала, который может быть использован для образования расклинивающего наполнителя. Процент линейного изменения может быть определен с использованием дилатометрии. Коммерчески доступным дилатометром является Anter модель 1161. Профиль спекания 28 включает первую область 30, где длина материала остается по существу неизменной по мере повышения температуры материала. Вторая область 32 профиля спекания определяется первой температурой 34, при которой материал начинает сжиматься, и второй температурой 36, при которой усадка прекращается. Третья область 38 профиля спекания начинается при температуре 36 и представляет область, где материал больше не сжимается, несмотря на дальнейшие повышения температуры материала. Температура 34 показывает начало усадки, и температура 36 показывает прекращение усадки. Температура 40 представляет номинальную температуру спекания материала, которая может быть определена идентификацией точки на кривой, где материал достиг 50% величины усадки, раскрытой кривой, и затем определением температуры, при которой достигнута 50% усадка. Общая величина усадки 42 представлена разницей между значением начального линейного размера 44 и значением окончательного линейного размера 46.

На этапе 26 частицы первого керамического материала и второго керамического материала охлаждают до окружающей температуры, которая определена в данном описании как любая температура от 20°С до 30°С, при этом формируется связанная, керамическая частица. Общий вес первого и второго керамического материала может представлять, по меньшей мере, 85 вес.%, более предпочтительно 90 вес.%, керамической частицы. Во время этапа нагревания первый керамический материал может образовывать стеклофазу. Материалы и условия обработки выбирают так, чтобы вес керамической частицы мог составлять в пределах восьми процентов веса предшественника. В некоторых вариантах осуществления вес керамической частицы может составлять в пределах четырех весовых процентов или даже в пределах двух весовых процентов веса предшественника. Если нужно, керамические частицы могут быть обработаны на аппарате для просеивания, который включает первую решетку, которая устраняет частицы с диаметром больше отверстия первой решетки, и вторую решетку, которая устраняет частицы с диаметром меньше отверстия второй решетки. Приемлемая первая решетка является ситом №8 ASTM, которое имеет 2,36 мм отверстия, а приемлемая вторая решетка является ситом №70 ASTM, которое имеет 212 µм отверстия. Керамические частицы, выбранные для применения в качестве расклинивающего наполнителя, могут проходить через сито №8, но не проходить через сито №70.

Керамические изделия, такие как расклинивающие наполнители, сделанные способом согласно вариантам осуществления данного изобретения, подвергаются очень небольшому уплотнению во время этапов нагревания и связывания, поскольку в предшественник включено очень мало или совсем не включены порообразователи, и максимальная температура нагревания не превышает температуру спекания второго керамического материала. Из-за отсутствия уплотнения величина пористости, которая по существу включена в предшественник на этапе формирования, может оставаться в основном такой же, что и величина пористости в керамической частице после формирования керамической частицы. Общая пористость керамической частицы может составлять, по меньшей мере, 2%, 5%, 10% или даже 15% общего объема керамической частицы. Закрытая пористость частицы может составлять более 70%, 75% или 80% общей пористости. Открытая пористость частицы может составлять менее 20%, 15% или даже 10% общей пористости. Также возможны промежуточные значения, такие как 82-процентная закрытая пористость и 18-процентная открытая пористость; или 88-процентная закрытая пористость и 12-процентная открытая пористость.

Общая пористость, открытая пористость и закрытая пористость частицы может быть определена следующим образом. Начать с применения пикнометра GEO, который использует мелкий порошок для измерения предполагаемой удельной массы (ρ_GEO) частицы. Мелкий порошок эффективно инкапсулирует частицу и не проникает в открытые или закрытые поры частицы. Затем измерить предполагаемую удельную массу (ρ_{Несчастица}) частицы с использованием гелиевого пикнометра, где гелий проникает в открытые поры частицы. Затем определить истинную плотность (ρ_{Непорошок}) керамической частицы с помощью измельчения частицы так, чтобы измельченные частицы проходили через решетку 60 меш, а затем применить гелиевый пикнометр для определения объема измельченных частиц. Затем общая пористость (Р_общая), закрытая пористость (Р_{закрытая}) и открытая пористость (Р_{открытая}) могут быть вычислены с использованием следующих формул:

Открытая пористость=Р_{открытая}=Р_общая-Р_{закрытая}

ПРИМЕРЫ

Три партии расклинивающих наполнителей, обозначенные в данном описании как Партия А, Партия В и Партия С, изготовили следующим образом. Партия А представляет собой керамические частицы, сделанные традиционным способом и спеченные при 1250°С. Партия В представляет собой керамические частицы, сделанные тем же традиционным способом, что и Партия А, но спеченные при 1450°С. Партия С представляет собой керамические частицы, сделанные по варианту осуществления способа данного изобретения. В Таблице 1 показаны исходные материалы партий, температуры спеканий, данные дробления и данные пористости.

Таблица 1   Партия А (сравнение) Партия В (сравнение) Партия С (данное изобретение) Основная загрузка       Альфа оксид алюминия 5455 г 5455 г - Смесь 80:20 вес.% альфа-оксида алюминия и нефелинового сиенита       - 5455 г     Буровой крахмал 108,9 г 108,9 г 108,9 г вода 1145,6 г 1145,6 г 1145,6 г Пылевая       Альфа-оксид алюминия 1364 г 1364 г - Смесь 80:20 вес.% альфа-оксида алюминия и нефелинового сиенита       - 1364 г             Температура спекания 1250°С 1450°С 1250°С         Среднее дробление при 51,7 МПа (7500 фунтов на кв. дюйм) 14,4% 2,2% 8,1%         Общая пористость 17,8% 1,0% 12,4% Закрытая пористость (% общей пористости) 1,3% (8,5) 1,0% (100) 10,6% (87)

Партию А изготовили объединением 5,455 г альфа-оксида алюминия с 108,9 г бурового крахмала. Сухие ингредиенты поместили в смеситель Eirich RO2 с вращением как поддона, так и ротора. Скорость ротора установили на 80% максимальной скорости. Через 30 секунд в смеситель влили воду непосредственно во вращающиеся сухие ингредиенты. Приблизительно 30 секунд использовали для распределения воды, тем самым получая увлажненную смесь. Увлажненной смеси, которая может быть названа в данном описании “основной загрузкой”, позволили вращаться в течение трех минут, в течение которых сформировалось множество сфер. Затем скорость ротора снизили до минимальной скорости, тогда как поддон продолжал вращаться. Затем 1,364 г альфа-оксида алюминия, который может быть описан как “пылевая” загрузка, медленно добавили к вращающимся сферам. Медленное добавление пылевой загрузки заняло приблизительно три минуты и может быть описано в данном описании как “всыпание” альфа-оксида алюминия. После завершения всыпания альфа-оксида алюминия поддон продолжал вращаться в течение приблизительно 20 секунд. Образованные сферы из альфа-оксида алюминия, связующего и воды удалили из смесителя, высушили в течение ночи и спекали во вращающейся печи при 1250°С в течение двух часов.

Керамические частицы в Партии В изготовили точно так же, как частицы в Партии А, за исключением того, что частицы-предшественники спекали при 1450°С.

Керамическое частицы в Партии С изготовили с использованием 80:20 весового соотношения альфа-оксида алюминия и нефелинового сиенита, соответственно, как основную загрузку и пылевую загрузку. Все другие ингредиенты и условия обработки были такими же, как используемые для получения предшественников в Партиях А и В. Частицы-предшественники в Партии С спекали при 1250°С, что выше точки плавления нефелинового сиенита и ниже температуры спекания альфа-оксида алюминия.

После спекания все партии были просеяны до общего гранулометрического состава. Сопротивление дроблению, общую пористость и закрытую пористость определили, как описано выше. Данные показывают, что керамические частицы Партии А имели надлежащую общую пористость (17,8%), но сопротивление дроблению при 51,7 МПа составляло 14,4%, что может быть нежелательным для использования в промышленных эксплуатациях. Партия В имела очень хорошее сопротивление дроблению (2,2%), но общая пористость (1%) была намного ниже желаемой 10% общей пористости. В отличие от этого Партия С, которая представляет собой керамические частицы, сделанные по варианту осуществления способа данного изобретения, имела приемлемое сопротивление дроблению (8,1%) и приемлемую общую пористость (12,4%). Более того, только Партия С имела общую пористость и закрытую пористость более 10%. Варианты осуществления данного изобретения могут иметь сопротивление дроблению менее 15% при 51,7 МПа (7500 фунтов на кв. дюйм) и общую пористость более 10%.

Вариант осуществления способа данного изобретения может быть использован для создания керамических изделий, включая частицы расклинивающего наполнителя, которые имеют особую комбинацию химического состава и кристаллической фазы оксида алюминия. Согласно фазовой диаграмме для двухкомпонентной системы Аl₂О₃ и SiQ₂, если весовое соотношение Аl₂О₃ к общему Аl₂О₃ и SiO₂ составляет более 0,72, то изделие будет проявлять кристаллическую структуру оксида алюминия. Напротив, если соотношение Аl₂О₃ к общему Аl₂О₃ и SiO₂ составляет менее 0,72, то изделие не будет проявлять кристаллическую структуру оксида алюминия. В отличие от этой идеи, керамические изделия данного изобретения могут иметь соотношение Аl₂О₃ к общему Аl₂О₃ и SiO₂ менее 0,72, и в то же время, по меньшей мере, часть изделия имеет струтуру кристаллической фазы оксида алюминия. В некоторых вариантах осуществления кристаллическая фаза оксида алюминия может составлять более 5%, 10% или даже 20% по весу, как определено анализом XRF, и соотношение Аl₂О₃ к общему Аl₂О₃ и SiO₂ может составлять менее 0,65, 0,55 или даже 0,45. Что конкретно касается расклинивающих наполнителей, желательна структура кристаллической фазы оксида алюминия, поскольку кристаллическая фаза оксида алюминия улучшает прочность на раздавливание расклинивающего наполнителя. Эти особые комбинации химического состава и фазы могут быть получены с использованием варианта осуществления способа данного изобретения. Более того, как будет проиллюстрировано и описано ниже, обжиг второго керамического материала до формирования смеси, используемой для изготовления изделия, также может быть использован в сочетании с ранее описанным способом для получения керамического изделия, имеющего конкретную зависимость между химическим составом и кристаллической фазой оксида алюминия.

Чтобы проиллюстрировать влияние, которое добавление первого керамического материала ко второму керамическому материалу оказывает на соотношение весовых процентов Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, получили две партии, обозначенные в данном описании как Партия D и Партия Е, и из них изготовили дискообразные изделия. Партия D была изготовлена с использованием бокситовой руды, которую розмололи для достижения размера частиц d₅₀ приблизительно 8 µм. Известное количество размолотой бокситовой руды смешали с растворителем, 10 вес.% воды и связующего, 1 вес.% раствора (20% концентрация) поливинилового спирта (PVA). Дозу 6,5 г смеси поместили в полость круглой головки, которая имела диаметр приблизительно 32 мм. Затем круглую пластину, прикрепленную к прессу, использовали для спрессовывания смеси в полости до приблизительно 34,5 МПа (5000 фунтов на кв. дюйм), тем самым образовывая диск, диаметр которого составлял приблизительно 32 мм. Партия Е была изготовлена с использованием 80:20 смеси бокситовой руды и нефелинового сиенита. Перед смешиванием с 10 вес.% воды и 1 вес.% PVA как руду, так и нефелиновый сиенит отдельно размололи для достижения размера частиц d₅₀ приблизительно 8 µм. Диск сформировали из смеси в партии Е с использованием того же способа, который использовали для изготовления диска в партии D. Затем все диски были нагреты до 1250°С в течение двух часов. Затем использовали прибор для рентгеновского флуоресцентного анализа (XRF) для определения соотношения вес.% Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂. Для определения фаз каждого диска использовали прибор для рентгеновского дифракционного анализа (XRD) с применением Si порошка в качестве внутреннего стандарта. Ниже в Таблице 2 показаны XRF и XRD аналитические результаты для Партий D и Е.

Таблица 2   Партия D Партия Е XRF¹ 0,771 0,658 XRD 24% корунда 38% корунда ¹соотношение весового процента Аl₂О₃ к общему Аl₂О₃ и SiO₂

Данные подтверждают заключение о том, что Партия Е, которая включала добавление нефелинового сиенита по сравнению с Партией D, имела 0,658 соотношение весового процента Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, которое было ниже 0,771 соотношения весового процента Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, установленного в Партии D. В то же время, Партия Е имела 38% корунда, что было выше 24% корунда в Партии D.

Для демонстрации влияния обжига второго керамического материала в этом варианте осуществления на (1) соотношение весового процента Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂ изделия и (2) кристаллическую фазу оксида алюминия, получили две партии, обозначенные в данном описании как Партия F и Партия G, и из них изготовили дискообразные компоненты. Партию F изготовили с использованием бокситовой руды, которую обожгли при от 800°С до, по меньшей мере, 900°С в промышленной обжиговой печи перед розмолом руды до размера частиц d₅₀ приблизительно 8 µм. Затем размолотая обожженная руда была смешана с 10 вес.% воды и 1 вес.% PVA. Диски из смеси из партии F были изготовлены с использованием того же способа, как описано выше по отношению к партиям D и Е. Затем диски из партий D и Е были нагреты до 1250°С в течение двух часов.

Обжиг руды до температуры более 800°С, который в данном описании можно назвать сверхобжигом, как предполагалось, увеличивает содержание кристаллического оксида алюминия руды, а также удаляет органические соединения, как показано снижением потери при прокаливании (LOI) руды. В некоторых вариантах осуществления содержание кристаллического оксида алюминия сверхобожженной руды может составлять, по меньшей мере, 5 вес.%, 10 вес.% или даже 20 вес.%. LOI руды могут составлять менее 3 вес.%, 2 вес.% или даже 1 вес.%. Руда с более низкими LOI менее химически активна, чем руда с более высокими LOI. Содержание кристаллического оксида алюминия сверхобожженной руды и LOI можно контролировать путем контроля времени и температуры способа сверхкальцинирования.

Партия G была изготовлена с использованием 80:20 смеси бокситовой руды и нефелинового сиенита. Перед смешиванием с нефелиновым сиенитом бокситовую руду, используемую в партии G, обожгли при от 800°С до, по меньшей мере, 900°С в промышленной печи для обжига. И сверхобожженная руда, и нефелиновый сиенит были отдельно размолоты для достижения размера частиц d₅₀ приблизительно 8 µм перед смешиванием руды и нефелинового сиенита с 10 вес.% воды и 1 вес.% PVA. С использованием способа прессования, описанного выше, из доз 6,5 г смеси из партии G были сделаны диски.

Диски из партий F и G были нагреты до 1250°С в течение двух часов. Аналитические техники XRD и XRF, используемые для характеристики Партий D и Е, были использованы для характеристики Партий F и G. Результаты показаны в Таблица 3.

Таблица 3   Партия F Партия G XRF¹ 0,824 0,717 XRD 44% корунда 49% корунда ¹соотношение весового процента Аl₂О₃ к общему Аl₂О₃ и SiO₂

Данные подтверждают вывод о том, что Партия G, которая включала добавление нефелинового сиенита по сравнению с Партией F, имела 0,717 соотношение весового процента Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, которое было ниже, чем 0,824 соотношение весового процента Аl₂O₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, выявленное в Партии F. В то же время Партия G имела 49% корунда, что было выше, чем 44% корунда в Партии F.

Для удобства, данные из Таблиц 2 и 3 собраны ниже в Таблице 4.

Таблица 4   Партия D Партия Е Партия F Партия G XRF¹ 0,771 0,658 0,824 0,717 XRD (% корунда) 24 38 44 49 ¹соотношение весового процента Аl₂О₃ к общему Аl₂O₃ и SiO₂

Партии D и F представляют керамические изделия, где соотношение весового процента Аl₂O₃ к Аl₂О₃ и SiO₂ первышает 0,72, и согласно фазовой диаграмме Аl₂О₃ и SiO₂ можно ожидать присутствие оксида алюминия в кристаллических фазах (т.е. корунде). В отличие от этого, партии Е и G представляют керамические изделия, где соотношение весового процента Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂ было менее 0,72, и можно не ожидать присутствия оксида алюминия в кристаллических фазах. Неожиданно, керамические изделия вариантов осуществления данного изобретения включают как химическую композицию, где соотношение весового процента Аl₂O₃ к Аl₂O₃ и SiO₂ составляет менее 0,72, так и присутствие кристаллической фазы оксида алюминия. Не вдаваясь в конкретную теорию, полагают, что варианты осуществления данного изобретения обеспечивают создание относительно прочных керамических предшественников без достижения состояния равновесия, где содержание альфа-оксида алюминия может быть поставлено под сомнение. Объединенное влияние применения нефелинового сиенита и сверхобожженной руды является очевидным из данных для партии G, которая, согласно данным XRD, имела содержание кристаллической фазы оксида алюминия (а именно 49%), что было в два раза больше количества кристаллической фазы оксида алюминия, выявленного в Партии D (а именно 24%), которая не включает ни нефелиновый сиенит, ни сверхобожженную руду.

Приведенное выше описание рассматривается только в конкретных вариантах осуществления. Модификации данного изобретения будут очевидны специалистам в данной области, а также тем, кто осуществляют или используют данное изобретение. Таким образом, следует понимать, что варианты осуществления, показанные в графических материалах и описанные выше, служат исключительно иллюстративным целям и не предназначены ограничивать объем данного изобретения, который определяется следующей формулой изобретения.

Изобретение относится к получению керамических частиц, таких как расклинивающие наполнители. Техническим результатом изобретения является снижение пористости изделий. Способ получения керамической частицы включает формирование частицы-предшественника, включающей более 5 вес.%, но менее 30 вес.% первого керамического материала и, по меньшей мере, 40 вес.% второго керамического материала, причем указанные керамические материалы в основном однородно распределены в указанном предшественнике. После чего осуществляют нагревание указанного предшественника до максимальной температуры выше температуры спекания указанного первого керамического материала и ниже температуры спекания указанного второго керамического материала, при этом общая пористость керамической частицы составляет, по меньшей мере, 10%. 2 н. и 37 з.п. ф-лы, 4 табл., 2 ил.

1. Способ получения керамической частицы, включающий этапы: формирования частицы-предшественника, включающей более 5 вес.%, но менее 30 вес.% первого керамического материала и, по меньшей мере, 40 вес.% второго керамического материала, причем указанные керамические материалы в основном однородно распределены в указанном предшественнике; нагревания указанного предшественника до максимальной температуры выше температуры спекания указанного первого керамического материала и ниже температуры спекания указанного второго керамического материала, при этом общая пористость керамической частицы составляет, по меньшей мере, 10%.

2. Способ по п.1, в котором первый керамический материал имеет температуру плавления ниже температуры спекания второго керамического материала, а этап нагревания включает нагревание предшественника выше температуры плавления первого керамического материала и ниже температуры спекания второго керамического материала.

3. Способ по п.2, в котором температура спекания второго керамического материала превышает температуру плавления первого керамического материала, по меньшей мере, на 50°С.

4. Способ по п.1, в котором максимальная температура, по меньшей мере, на 25°С ниже температуры спекания второго керамического материала.

5. Способ по п.1, в котором частица-предшественник включает от 10 до 20 вес.% первого керамического материала.

6. Способ по п.1, в котором первый керамический материал выбирают из группы, состоящей из полевого шпата и нефелинового сиенита.

7. Способ по п.1, в котором второй керамический материал выбирают из группы, состоящей из боксита, глины, оксида магния и оксида алюминия.

8. Способ по п.1, в котором керамические материалы в совокупности составляют, по меньшей мере, 85 вес.% частицы-предшественника.

9. Способ по п.1, в котором керамические материалы в совокупности составляют, по меньшей мере, 90 вес.% частицы-предшественника.

10. Способ по п.1, в котором, по меньшей мере, 70% общей пористости составляет закрытая пористость.

11. Способ по п.10, в котором, по меньшей мере, 80% общей пористости составляет закрытая пористость.

12. Способ по п.1, в котором керамическая частица включает более 10% закрытой пористости.

13. Способ по п.1, в котором предшественник включает не более 0,1 вес.% порообразователя.

14. Способ по п.13, в котором порообразователь представляет собой удаляемый порообразователь.

15. Способ по п.13, в котором порообразователь представляет собой in-situ порообразователь.

16. Способ по п.1, в котором вес керамической частицы составляет в пределах восьми процентов веса предшественника.

17. Способ по п.1, в котором вес керамической частицы составляет в пределах четырех процентов веса предшественника.

18. Способ по п.1, который включает охлаждение нагретого предшественника до окружающей температуры.

19. Способ по п.1, в котором перед формированием частицы-предшественника содержание кристаллического оксида алюминия второго керамического материала превышает 5 вес.%.

20. Способ по п.19, в котором содержание кристаллического оксида алюминия превышает 10 вес.%.

21. Способ по п.20, в котором содержание кристаллического оксида алюминия превышает 20 вес.%.

22. Способ по п.1, в котором перед формированием частицы-предшественника LOI второго керамического материала не превышает 3 вес.%.

23. Способ по п.22, в котором LOI второго керамического материала не превышает 2 вес.%.

24. Способ по п.23, в котором LOI второго керамического материала не превышает 1 вес.%.

25. Керамическое изделие, включающее химическую композицию, включающую Аl₂O₃ и SiO₂, у которой соотношение весовых процентов Аl₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂, определенное XRF анализом, составляет менее 0,72; и, по меньшей мере, 5 вес.% изделия составляет кристаллическая фаза оксида алюминия, как определено XRD анализом с использованием внутреннего стандарта.

26. Керамическое изделие по п.25, имеющее общую пористость, которая превышает, по меньшей мере, 2%.

27. Керамическое изделие по п.25, имеющее общую пористость, которая превышает, по меньшей мере, 5%.

28. Керамическое изделие по п.25, имеющее общую пористость, которая превышает, по меньшей мере, 10%.

29. Керамическое изделие по п.25, в котором соотношение Аl₂O₃ к Аl₂O₃ и SiO₂ составляет менее 0,65.

30. Керамическое изделие по п.25, в котором соотношение А₂О₃ к Аl₂О₃ и SiO₂ составляет менее 0,55.

31. Керамическое изделие по п.25, в котором соотношение Аl₂O₃ к Аl₂O₃ и SiO₂ составляет менее 0,45.

32. Керамическое изделие по п.25, в котором, по меньшей мере, 10 вес.% частицы составляет кристаллическая фаза оксида алюминия.

33. Керамическое изделие по п.25, в котором, по меньшей мере, 20 вес.% частицы составляет кристаллическая фаза оксида алюминия.

34. Керамическое изделие по п.25, в котором, по меньшей мере, 30 вес.% частицы составляет кристаллическая фаза оксида алюминия.

35. Керамическое изделие по п.25, в котором химическая композиция включает, по меньшей мере, 85 вес.% керамического изделия.

36. Керамическое изделие по п.35, в котором химическая композиция включает, по меньшей мере, 90 вес.% керамического изделия.

37. Керамическое изделие по п.25, которое имеет средний диаметр от 212 µм до 2,36 мм.

38. Керамическое изделие по п.37, которое имеет сопротивление дроблению менее 15% при 51,7 МПа (7500 фунтов на кв. дюйм).

39. Керамическое изделие по п.38, имеющее пористость, которая превышает, по меньшей мере, 10%.