Способ получения керамических материалов на основе измельченной породы габбро, армированной базальтовым волокном Российский патент 2023 года по МПК C04B35/16 C04B35/80 

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов на основе измельченной магматической породы габбро, армированной базальтовым волокном, с использованием жидкого калиевого стекла в качестве связующего компонента.

Магматические горные породы, наиболее распространенными среди которых являются габбро и базальты, обладают огромным потенциальным сырьевым ресурсом для получения различных функциональных материалов (дискретных и непрерывных волокон, изделий петрургии, керамических изделий различного назначения). По официальным данным, на сегодняшний день насчитывается более 50 эксплуатируемых месторождений пород габбро-базальтовой группы в России. В настоящее время переработка основного объема габбро-базальтового сырья ведется для получения щебня, облицовочного камня и других продуктов неглубокой переработки и лишь незначительная его часть используется для производства изделий каменного литья и минеральных волокон, а также функциональных материалов на их основе. Проблема заключается в том, что исследования по глубокой переработке габбро-базальтового сырья проводились на основе зарубежных месторождений, и применить эти наработки к российскому сырью нельзя, так как в большинстве случаев оно представлено кислыми породами, требующими модифицирования химического и минерального состава. Переход на отечественное сырье в настоящее время бесспорно актуален и требует разработки принципиально новых способов модифицирования состава сырья и его комплексной переработки, а также методов получения каменной керамики и функциональных материалов на их основе [Кренев В.А., Печенкина Е.Н., Фомичёв С.В. Габбро-базальтовое сырье России // ЖНХ. 2021. Т. 66. №2. С. 259-264; Габбро-базальтовое сырье для производства базальтового волокна/ Под редакцией Раскиной Э.М., Земцова А.Н. // Промышленность строительных материалов. Серия 6. Вып. 1,2. Пермь 2003. 96 с.].

Авторами работы [Фомичёв С.В., Дергачёва Н.П., Стеблевский А.В. и др. Получение керамических материалов спеканием измельченного базальта // Хим. технология. 2010. Т. 11. №2. С. 106-110] исследован процесс нагрева измельченного базальта и методом спекания изготовлены образцы базальтовой керамики без связующего компонента. Исследования показали принципиальную возможность получения базальто-керамических изделий из мелкодисперсных порошков без использования связующего компонента. Было установлено, что спекание базальта, дающее образцы керамики с плотностью 1.96 г/см³ и 2.27 г/см³, и твердостью 139-328 НВ, происходит в интервале температур 1080-1150°С. Показано, что кислотостойкость базальтовой керамики выше, чем природного и плавленого базальта.

Однако использование связующего позволяет упростить процедуру изготовления заготовок и в некоторых случаях позволяет снизить требования к аппаратурному оформлению производства. Известны способы получения керамических изделий из горных пород основной группы с использованием связующего компонента, в качестве которого, в частности, авторы патента [RU 2361844] предложили использовать фосфорную кислоту плотностью 1.50÷1.85 г/см³. Способ позволяет получать изделия плотностью от 0.7 до 2.4 г/см³ и твердостью от 130 до 330 НВ.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ изготовления керамических материалов на основе габбро с использованием в качестве связующего компонента жидкого калиевого стекла [Печёнкина Е.Н., Фомичёв С.В., Комилова А.Н., Кренёв В.А. Получение керамики на основе габбро с калиевым жидким стеклом в качестве связующего компонента // Стекло и керамика. 2021. №9. С. 12-15], выбранный в качестве прототипа. В работе показано, что на основе другой распространенной магматической породы - габбро, вместо базальта, можно получить образцы керамики, по своим характеристикам даже превосходящие изделия из базальта. Для получения керамики использовали следующую процедуру. Смешивали порошок габбро двух фракций месторождения Наволокское определенной фракции (или смесей 2-х фракций) с калиевым жидким стеклом. Полученную смесь помещали в пресс-форму и выдерживали 10 минут под давлением 620 атм. Затем образцы помещали в сушильный шкаф при температуре 70°С на 2 часа, а затем - в высокотемпературную печь, и нагревали до 1250°С. При этой температуре образцы выдерживали 30 минут, после чего охлаждали до комнатной температуры и извлекали из печи.

Предложенный связующий компонент - жидкое калиевое стекло позволил получить образцы керамики с плотностью до 2.73 г/см³ и твердостью до 753 НВ. Использование жидкого калиевого стекла обусловлено тем, что при высокой температуре оно образует полевошпатные легкоплавкие фазы, которые улучшают процесс спекания, а, кроме того, из-за его нетоксичности и экологической нейтральности работа с ним безопасна.

Недостатком прототипа, как и других вышеописанных способов получения керамических материалов на основе магматических пород, являются их недостаточно высокие технологические характеристики, в первую очередь, основные - твердость и плотность, для промышленных применений.

Изобретение направлено на разработку способа получения керамических материалов на основе магматических пород, обладающих более высокими значениями плотности и твердости по сравнению с прототипом.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения керамических материалов на основе магматической породы, включающий получение порошка габбро, имеющего химический состав, масс. %: 49.1 SiO₂, 0.7 TiO₂, 13.3 Al₂O₃, 6.5 Fe₂O₃, 8.4 FeO, 9.6 MgO, 9.7 CaO, 2.0 Na₂O, 0.4 K₂O, в виде двухфракционной смеси частиц, добавление к нему в качестве связующего компонента калиевого жидкого стекла, формование прессованием под давлением 620 атм. в течение 10 мин, сушку на воздухе при температуре 70°С до постоянной массы с дальнейшей термической обработкой и выдержкой при заданной температуре 30 мин, отличающийся тем, что диапазон размеров частиц фракций породы составляет от 0.125 мм до 0.25 мм и от 0.063 мм до 0.045 мм, взятых в соотношении 1:10, количество калиевого жидкого стекла составляет 8 масс. % от исходной массы породы, перед стадией прессования в смесь породы и калиевого жидкого стекла вводят армирующую добавку в виде рубленого базальтового волокна длиной 3 мм и толщиной 12 мкм в количестве 4 масс. % от массы исходной породы, а термическую обработку проводят при 1100°С.

Указанные технические параметры подобраны экспериментально для конкретной магматической породы определенного месторождения - Наволокское (Республика Карелия), и, соответственно, ее химического и фазового состава, определенного на основании компьютерного физико-химического моделирования. По результатам такого моделирования были предложены и апробированы температурный профиль нагревания, температура спекания, и другие характеристики для получения керамических материалов, обладающих улучшенными свойствами.

Размер частиц двухфракционной смеси, их соотношение, количество используемого калиевого жидкого стекла также установлены экспериментально и обеспечивают получение материалов с высокими эксплуатационными характеристиками.

Выбор компонентов обусловлен полной химической совместимостью материала матрицы и наполнителя, близостью их физико-химических свойств, механической прочности и химической стойкости, доступностью, дешевизной и неограниченными запасами сырья, его экологической безопасностью, а также широким спектром возможностей применения нового материала.

Сущность изобретения заключается в том, что введение армирующей добавки близкого химического состава к основной породе, но большей твердости, увеличивает прочность и твердость получаемых керамических материалов. Снижение температуры термообработки с 1250°С до 900÷1200°С по сравнению с прототипом обусловлено тем, что при более высокой температуре вводимые волокна сплавляются и теряют свои армирующие свойства. Значения длины и толщины базальтового волокна, а также его массового содержания определены опытным путем и обеспечивают оптимальное связывание наполнителя при спекании.

Ниже приведены примеры иллюстрирующие, но не ограничивающие предложенный способ.

Пример 1.

Измельчением магматической породы (месторождение Наволокское, Республика Карелия) на конусной дробилке ВКМД-6 и рассеиванием на ситах получали порошок габбро с химическим составом, масс. %: 49.1 SiO₂, 0.7 TiO₂, 13.3 Al₂O₃, 6.5 Fe₂O₃, 8.4 FeO, 9.6 MgO, 9.7 CaO, 2.0 Na₂O, 0.4 K₂O в виде двухфракционной смеси частиц с размерами от 0.125 мм до 0.25 мм и от 0.063 мм до 0.045 мм, взятых в соотношении 1:10. К полученному порошку добавляли в качестве связующего компонента калиевое жидкое стекло (ГОСТ 18958-73) и армирующую добавку в виде рубленого базальтового волокна длиной 3 мм и толщиной 12 мкм в количестве 8 и 4 масс. % от массы исходной породы, соответственно. Полученную смесь формовали прессованием под давлением 620 атм. в течение 10 мин и сушили на воздухе в сушильном шкафу Binder до постоянной массы при температуре 70°С. Затем проводили термическую обработку полученной заготовки в камерной печи GENERAL THERM LHT 03.1400 при 1100°С с выдержкой при заданной температуре 30 мин. В результате получали материал, характеризующийся плотностью 3.46 г/см³ и твердостью (по Бринелю) 777 НВ, что превышает соответствующие значения для материалов, полученных в прототипе.

Пример 2 (негативный, без добавления армирующей добавки).

По примеру 1, отличающийся тем, что в способе отсутствовала стадия добавления базальтового волокна в качестве армирующей добавки. В результате получали материал, характеризующийся плотностью 3.16 г/см³ и твердостью (по Бринелю) 699 НВ, что уступает материалу, полученному с использованием армирующей добавки.

Изобретение относится к технологии получения керамических материалов на основе измельченной магматической породы габбро. Предложен способ получения керамических материалов на основе магматической породы, включающий получение порошка габбро, имеющего химический состав, масс. %: 49,1 SiO₂, 0,7 TiO₂, 13,3 Al₂O₃, 6,5 Fe₂O₃, 8,4 FeO, 9,6 MgO, 9,7 CaO, 2,0 Na₂O, 0,4 K₂O, в виде двухфракционной смеси частиц, добавление к нему в качестве связующего компонента калиевого жидкого стекла, формование прессованием под давлением 620 атм в течение 10 мин, сушку на воздухе при температуре 70°С до постоянной массы с дальнейшей термической обработкой и выдержкой при температуре1100°С в течение 30 мин. Диапазон размеров частиц фракций породы составляет от 0,125 до 0,25 мм и от 0,063 до 0,045 мм, взятых в соотношении 1:10, количество калиевого жидкого стекла составляет 8 масс. % от исходной массы породы. Перед стадией прессования в смесь породы и калиевого жидкого стекла вводят армирующую добавку в виде рубленого базальтового волокна длиной 3 мм и толщиной 12 мкм в количестве 4 масс. % от массы исходной породы. 2 пр.

Способ получения керамических материалов на основе магматической породы, включающий получение порошка габбро, имеющего химический состав, масс. %: 49,1 SiO₂, 0,7 TiO₂, 13,3 Al₂O₃, 6,5 Fe₂O₃, 8,4 FeO, 9,6 MgO, 9,7 CaO, 2,0 Na₂O, 0,4 K₂O, в виде двухфракционной смеси частиц, добавление к нему в качестве связующего компонента калиевого жидкого стекла, формование прессованием под давлением 620 атм в течение 10 мин, сушку на воздухе при температуре 70°С до постоянной массы с дальнейшей термической обработкой и выдержкой при заданной температуре 30 мин, отличающийся тем, что диапазон размеров частиц фракций породы составляет от 0,125 до 0,25 мм и от 0,063 до 0,045 мм, взятых в соотношении 1:10, количество калиевого жидкого стекла составляет 8 масс. % от исходной массы породы, перед стадией прессования в смесь породы и калиевого жидкого стекла вводят армирующую добавку в виде рубленого базальтового волокна длиной 3 мм и толщиной 12 мкм в количестве 4 масс. % от массы исходной породы, а термическую обработку проводят при 1100°С.