Керамическая шихта для изготовления фарфоровых изделий Российский патент 2023 года по МПК C04B33/24 C04B33/132 

Изобретение относится к электротехнической и фарфоро - фаянсовой промышленности, в частности, к технологии изготовления керамических материалов и может найти применение в производстве электротехнических (электрофарфор), химически стойких и бытовых фарфоровых изделий.

Известна керамическая шихта для изготовления фарфоровых изделий различного хозяйственно-бытового назначения [Сулименко Л.М. Общая технология силикатов /Л.М. Сулименко. - М.: ИНФРА-М. – 2004.- 336 с.]. Шихта включает пластичные компоненты, в качестве которых используют каолины и огнеупорные глины, плавни, которыми могут быть полевые шпаты, пегматиты, перлиты, мел, доломит, тальк, нефелиновые сиениты, сподумен и другие минералы, материалы, а также отощающие материалы. В качестве отощителей применяют: кварцевый песок, кварцевые отходы (отходы обогащения каолинов), шамот, бой изделий утильный и политой. В известном техническом решении применяют сырьевые материалы природного происхождения за исключением небольшого количества боя изделий, что позволяет утилизировать технологический брак и регулировать технологические свойства шликера, уменьшить усадку изделий в сушке и обжиге. Природное происхождение сырьевых материалов и, следовательно, неизбежные затраты на их добычу и обогащение, тонкое измельчение отощающих и плавней увеличивают затраты в себестоимости продукции.

Известна керамическая масса содержащая пегматит, кварцевый песок, каолин, огнеупорную глину, фарфоровый бой при следующем соотношении компонентов, мас. %: пегматит - 26-29, кварцевый песок - 29-31, каолин - 14-18, огнеупорная глина - 6-9, фарфоровый бой - 20-22 [Авторское свидетельство СССР №1063797, МПК C04B 33/24, 1982]. Избыточное количество фарфорового боя может не обеспечиваться стабильным технологическим процессом, а большое суммарное количество каменистых (75 – 82 мас. %) увеличивает затраты на их измельчение, что является недостатком данного технического решения.

Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является масса для изготовления фарфоровых изделий содержащая, мас.%: пегматит 21,2 - 24,3, кварцевый песок 17,5 - 20,6, глина 4,9 - 5,02, каолин 32,1 - 35,0, череп 1-го обжига 3,2 - 3,4, череп 2-го обжига 1,6 - 1,7, отходы фарфорового производства 13,2 - 16,2 (обрезы при изготовлении изделий способом литья и формования, а используемые отходы фарфорового производства имеют следующий химический состав при содержании компонентов, мас.%: SiO₂ 66,1 - 66,5, Al₂O₃ 21,7 - 22,16, CaO 1,06 - 1,16, MgO 0,88 - 0,9, K₂O 2,39 - 2,41, Fe₂O₃ 0,28 - 0,3, N₂O 1,35 - 1,37, неучтенные компоненты и ППП (потери при прокаливании) – остальное [Патент РФ №2133242, МПК С04В 33/24, 1997]. Изготовление фарфоровых изделий включает подготовку керамической массы в виде гомогенизированной суспензии, состоящей из кварцевого песка и пегматита (плавни), каолина, и глины (пластичное сырье) «черепа» первого и второго обжига, отходов фарфорового производства, доведение указанной суспензии до заданной степени влажности, вылеживание образующейся коржевой массы до «созревания», роспуск коржевой массы для получения шликера с заданными влажностью, вязкостью и плотностью, из которого методами шликерного литья или пластического формования производят фарфоровые полуфабрикаты с последующими сушкой и обжигом. Недостатками состава массы являются его многокомпонентность, многостадийность, необходимость введения в шихту 18 – 21 мас. % отходов и производственного брака, которые могут не обеспечиваться стабильным технологическим процессом. Известная шихта наиболее близкая к заявляемому решению по рациональному составу используемых компонентов для производства фарфоровых изделий.

Техническая задача - упрощение технологического процесса.

Технический результат достигается тем, что в керамической шихте для изготовления фарфоровых изделий, содержащей глину, каолин, отощающие и плавни, согласно изобретению, в качестве отощающих и плавня использованы кварц-полевошпатовое сырье Е-2103 и отработанный катализатор крекинга, при следующем содержание компонентов шихты, мас.%:

кварц-полевошпатовое сырье Е-2103 50-60

глина ДН-1 15-25

каолин КЖЭ 10-20

отработанный катализатор крекинга 5-15.

Отработанный катализатор крекинга (ОКК) образуется при эксплуатации катализатора на крекинг-заводах, где в процессе переработки нефти, протекающей с расщеплением тяжелых углеводородов на компоненты с меньшей молекулярной массой и синтезом новых веществ. Каталитический крекинг (КК) является важнейшим крупнотоннажным способом переработки нефти. Мировое производство катализатора крекинга составляет более 550 тыс. тонн в год, из которых на Россию приходится около 50 тыс. т/год. В процессе эксплуатации катализатора происходит истирание и измельчение частиц в результате действия механических нагрузок, что приводит к понижению каталитических свойств и замене отработанного катализатора на «свежий». Каталитический крекинг нефтяного сырья представляет собой крупный источник образования отработанного катализатора, который желательно использовать. В РФ количество отработанного катализатора достигает десятков тонн в сутки. Очевидно, что утилизация ОКК способствует решению экологических проблем и развитию ресурсосберегающих и безотходных технологий. Проведенные исследования показали, что образцы ОКК преимущественно содержат оксиды алюминия и кремния (90 – 92 мас. %) при размере частиц около 1-2 мкм, и отходы могут быть применены в качестве замены отощающих и плавня в керамическом производстве без измельчения с использованием существующей технологической схемы и оборудования и без дополнительных капитальных вложений. Рыночная цена ОКК на данный момент отсутствует и применение отработанного катализатора является экономически целесообразным, позволяя уменьшить себестоимость продукции.

В заводских условиях была приготовлена опытная партия изделий, содержащих ОКК в шихте (таблица 1). Использовали шихту для производства электротехнического материала подгруппы 110 ГОСТа 20419-83 (силикатный фарфор, массовая доля Аl₂О₃ до 30%).

Таблица 1. Составы и характеристики исследованных шихт

№ Компоненты шихты, мас.% Характеристики шихты Кварц-полев.
сырье Е-2103 Глина ДН-1 Каолин КЖЭ Пегматит Бой фарф. ОКК Содержание
глинистых, % Модуль
калиевый 1 60,0 20,0 10,0 5,0 5,0 - 43,2 7,8 2 35,0 25,0 10,0 - - 30,0 42,7 5,3 3 45,0 20,0 15,0 - - 20,0 44,9 7,3 4 50,0 15,0 20,0 - - 15,0 46,0 8,8 5 55,0 20,0 15,0 - - 10,0 47,1 9,6 6 60,0 25,0 10,0 - - 5,0 48,2 10,2

ОКК не обладают пластичностью и поэтому, по сравнению с заводским, контрольным составом (под №1), содержание глинистых было увеличено в сумме на 5 %. Содержание глинистых компонентов для придания шихте необходимой пластичности должно быть не менее 41-42 %, а калиевый модуль не менее 2-х для сохранения интервала спекания (отношение содержания оксида калия к оксиду натрия). Отходы катализатора использовали для замены фарфорового боя, пегматита и части кварц-полевошпатового сырья, в котором содержание глинистых составляет 22 % (исходя из содержания каолинита в смеси). Содержание глинистых в сумме менее 35 мас. % приводило к повышенному браку изделий при формовании и сушке.

Помол компонентов шихт осуществляли в шаровой мельнице мокрым способом до остатка на сите 0056 не более 0,1%. Поскольку ОКК мелкодисперсный его вводили вместе с глиной ДН-1 и каолином КЖЭ после помола кварц-полевошпатового сырья Е-2103. Влажность шликера составляла 55 %. Полученный шликер обезвоживали до формовочной влажности для обеспечения пластического формования или подсушивали для приготовления пресс-порошка. Для прессования использовали жировую связку, принятую на предприятии и содержащую 3% солярки и 0,8% олеиновой кислоты. Образцы подвяливали на воздухе и сушили до нулевой влажности. Обжиг проводили в газовой печи по режиму, принятому для электротехнического фарфора подгруппы 110.

Свойства приготовленных формовочных масс и обожженной керамики приведены в таблице 2. Видно, что с увеличением содержания отходов в шихте возрастает влажность формовочной массы за счет нанопористой структуры цеолитов, которые содержаться в катализаторе и полностью не разрушаются. При сушке повышенная влажность приводит к появлению трещин. В результате при содержании в шихте более 15 % ОКК возрастает количество брака в сушке, уменьшается прочность керамики, что объяснимо, учитывая их плохое спекание. Вводить ОКК в состав шихты в количестве более 15 % технически неоправданно. Меньше 5 % вводить ОКК в состав шихты также нецелесообразно, т. к. уменьшение количества отощающих приводит к повышенной усадке полуфабриката, появлению брака в сушке и обжиге.

Таблица 2. Характеристики масс и керамических материалов

№ шихты Влажность массы, % Характеристики изделий Экструзия Прессование Сушка Водопоглощение, % Усадка
в обж., % Прочность на изгиб, МПа 1 18-23 13-15 хорош. 0,0/0,4* 13/12 65 2 33,0 23-24 треск - - 45 3 25,5 18,0 удовл. 0,2/0,6 16/14,5 55 4 24,5 17.0 хорош. 0,0/0,5 15/14 63 5 23,8 16,0 хорош. 0,0/0,5 14/13 63 6 22,0 15,0 хорош. 0,0/0,4 13/12 65

Примечание: * -- через дробь – характеристики керамики, приготовленной экструзией и прессованием.

Испытания полученной керамики показали ее соответствие требованиям материала подгруппы 110 ГОСТа 20419-83, а именно, кажущаяся плотность 2,32-2,34 г/см³, открытая пористость 0,0 %, прочность на изгиб неглазурованного образца 63-65 МПа, стойкость к термоударам 180 – 190°С, электрическая прочность 26-28 кВ/мм при частоте 50 Гц, средний коэффициент термического линейного расширения при температуре от 20°С до 100°С 3,4 – 5,2 К^-1·10^-6.

Использование шихты позволит снизить себестоимость производства фарфоровых изделий за счет уменьшения количества и стоимости используемых сырьевых компонентов в составе керамической шихты, сократить затраты на измельчение компонентов при одновременном сохранении качества фарфоровых изделий.

Использование керамической шихты для изготовления фарфоровых изделий позволит упростить технологический процесс.

Изобретение относится к электротехнической и фарфоро-фаянсовой промышленности. Керамическая шихта для изготовления фарфоровых изделий содержит глину, каолин, отощающие и плавни при следующем содержании компонентов шихты, мас.%: кварц-полевошпатовое сырье Е-2103 50-60, глина ДН-1 15-25, каолин КЖЭ 10-20, отработанный катализатор крекинга 5-15. Основу отработанного катализатора крекинга составляют оксиды алюминия и кремния, при размере частиц около 1-2 мкм, что позволяет применять его в качестве замены отощающих и плавня в керамическом производстве. Использование разработанной керамической массы обеспечивает упрощение технологического процесса за счёт сокращения количества измельчаемых компонентов при одновременном сохранении качества фарфоровых изделий. 2 табл.

Керамическая шихта для изготовления фарфоровых изделий, содержащая глину, каолин, отощающие и плавни, отличающаяся тем, что в качестве отощающих и плавней использованы кварц-полевошпатовое сырье Е-2103 и отработанный катализатор крекинга при следующем содержании компонентов шихты, мас.%:

кварц-полевошпатовое сырье Е-2103 50-60 глина ДН-1 15-25 каолин КЖЭ 10-20 отработанный катализатор крекинга 5-15