Способ получения керамических изделий на основе волластонита с применением водного литья под давлением Российский патент 2024 года по МПК C04B35/16 B28B1/26 

Изобретение относится к технологии производства функциональных керамических элементов оснастки металлопроводов алюминиевой промышленности, в которой за последние десятилетия всё более широко применяются изделия на основе природного волластонита.

Известен способ изготовления формованных изделий из легкого гидратированного силиката кальция ксонотлитового типа [патент Японии JP № 2757877, МПК С 04В 38/02, С 04В 22/04, С 04В 22/14, С 04В 28/18, С 04В 40/02, номер публ. № 03-141172, опубл. 17.06.1991 г.], который включает в себя метод автоклавной обработки кремнеземистых и известняковых материалов паром высокого давления при температуре 190-240°С.

Недостатками данного решения являются сложность технологического процесса при изготовлении сложнопрофильных изделий, дорогостоящее техническое обслуживание автоклавов высокого давления, высокая стоимость технологического оборудования.

Известен способ получения изделий из концентрата природного волластонита. [Алексеев М.К. и др. Керамические материалы для металлургии. «Наука-производству», 1999, №9, с.25-26]. Данная технология предполагает подготовку шихты, формование методом полусухого прессования, сушку и обжиг при температуре 950-1000 °С.

Недостатками данного технического решения являются невозможность получения сложнопрофильных и крупногабаритных изделий, наличие в технологическом процессе этапа механической обработки заготовок, а также запыленность рабочих мест при подготовке формовочных масс и заполнении пресс-форм.

Известен способ получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита [патент РФ № 2132829, МПК С04В 28/18, С04В 14/38, С04В 111/20, опубл. 10.07.1999 г.], который включает подготовку формовочной массы, формование листового материала виброспособом, запаривание влажного отформованного материала в автоклаве при давлении насыщенного пара 1,0-2,6 МПа и температуре 180-250 °С, сушку, обжиг при 850-900 °С.

Недостатками данного способа являются невозможность изготовления сложнопрофильных изделий, низкая прочность керамики, сложная подготовка формовочной массы, необходимость использования сложного дорогостоящего оборудования (автоклав).

Известен способ получения керамических изделий на основе волластонита [патент РФ № 2358951, МПК С04В 33/28, С04В 35/16, опубл. 20.06.2009 Бюл. №17], включающий приготовление водного шликера путем совместного помола природного волластонита, глины, каолина, воды, жидкого стекла, кальцинированной соды с последующим добавлением вермикулита, затем осуществляют формование изделий в пористые гипсовые формы, сушку и обжиг.

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототип) является способ получения керамических изделий на основе волластонита [патент РФ № 2365559, МПК С04В 33/28, С04В 33/28, опубл. 27.08.2009 Бюл. №24], включающий приготовление водного шликера из смеси природного волластонита, глины, каолина, воды, жидкого стекла, кальцинированной соды и 5-10 мас.% наполнителя с удлиненной формой частиц в виде алюмосиликатного волокна, рубленного на отрезки 12-15 мм, литье в пористую форму, сушку и обжиг.

Основными недостатками двух выше указанных известных способов являются длительный этап формования (процесс набора заготовок занимает не менее 20 часов), длительная сушка отформованных изделий и гипсовых форм (до 50 часов), небольшой ресурс работы оснастки (15-30 циклов литья, вследствие уменьшения водоотдачи из-за забивки форм мелкодисперсными частицами), наличие дефектов типа раковин, пустот у отформованных заготовок.

Проблемой является нарушение однородности заготовок при большой длительности процесса набора массы, так как тонкодисперсные частицы оседают ближе к стенкам формы, в то время как крупные частицы оседают на дно формовочной массы. В большинстве случаев требуется механическая обработка изделий.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является сокращение продолжительности технологического цикла изготовления крупногабаритных и сложнопрофильных изделий на основе природного волластонита, за счет снижения времени этапа формования и исключения из процесса (или сведения к минимуму) механической обработки заготовок.

Техническим результатом изобретения является повышение производительности способа и сокращение времени технологического цикла получения изделий с высокой трещиностойкостью и термостойкостью.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения керамических изделий на основе волластонита с применением водного литья под давлением, включающий приготовление водного шликера из смеси природного волластонита, глины, каолина, воды, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг, отличающийся тем, что в шликер дополнительно вводят в качестве наполнителя порошок природного концентрата волластонита с удлиненной формой частиц при соотношении l/d 15:1 с размером частиц 50-70 мкм, в количестве 2,0-9,0 % от массы шликера, формование изделий осуществляют методом шликерного литья под давлением 0,35 - 0,7 МПа в полимерные матрицы с пористостью 15-56%, продолжительность формования составляет 1,25-3 часа, с последующей сушкой при температуре 100-120 °С в течение не более 3 часов, затем проводят обжиг при температуре 900-1000 °С.

Установлено, что приложенное к шликеру давление должно быть не менее 0,35 МПа, так как снижение указанной величины приводит к существенному замедлению процесса формования.

Превышение показания давления больше 0,7 МПа также нецелесообразно, так как требуется существенное усложнение конструкций формовых комплектов систем подачи шликера под давлением.

В предложенном способе, в качестве наполнителя, применяют природный волластонит с удлиненной формой частиц (соотношение l/d = 15:1) и с большим размером частиц (в 2-3 раза больше, по сравнению с основным порошком).

Введение в шликер предлагаемого наполнителя более 9,0 мас. % приводит к увеличению вязкости и, следовательно, к ухудшению реологических свойств и литейной способности.

Содержание в шликере предлагаемого наполнителя в количестве меньше 2,0 мас. % не обеспечивает заданного технического эффекта.

Добавленный в шликер волластонитовый порошок с удлиненной морфологией частиц скрепляет разрозненные «иголки» основного порошка, существенно повышая трещиностойкость и термостойкость, благодаря чему изделия находятся в эксплуатационных условиях долгое время без возникновения трещин (первые трещины появляются после 15 термоциклов при режиме нагрева от 850 °С и быстрого охлаждения до 25 °С на воздухе).

Длительности сушки изделий (заготовок) при температуре 100-120 °С в течение не более 3 часов хватает для полного удаления физически-связанной воды. Большее время сушки является экономически не выгодным.

Применение полимерных форм с пористостью ниже 15% не обеспечивает достижения целевого показателя, так как при приложении давления из формовочной массы не происходит интенсивного отбора воды и воздуха.

Использование форм с пористостью выше 56% не целесообразно, такая форма является недолговечной и не обладает достаточным уровнем прочностных характеристик, что бы выдерживать давлением выше 0,3 МПа.

Экспериментальным путем выявлено, что при должном давлении в 0,7 МПа изделие успевает набрать массу за 1,25 часа. При меньшем времени формования изделие не успевает приобрести достаточные показатели прочностных характеристик и извлечь заготовку из формового комплекта без нарушения целостности и геометрических размеров не является возможным.

Преимуществом предложенного технического решения является то, что новый способ дает возможность исключить из технологического процесса или свести к минимуму механическую обработку изделий (заготовок), так как полимерная форма изначально создается под заданные размеры сложнопрофильных изделий.

Полимерные формы значительно долговечнее гипсовых и могут эксплуатироваться в течение 300-600 циклов.

Формы просты в обслуживании, их очистка и подготовка к работе заключается в промывании проточной водой и/или продувке сжатым воздухом после формования в течение 5 мин.

Таким образом, производительность технологического процесса получения керамических изделий из природного волластонита с использованием недорогих полимерных матриц на порядок выше, чем формование волластонитовой керамики в гипсовых формах.

Изделия, полученные способом формования в полимерных формах, характеризуются высокой однородностью, имеют разброс плотности по объему не более 1%.

Формование с интенсивным отбором воды и воздуха позволяет избежать внутренних и внешних дефектов на изделиях типа раковин, трещин, пузырей, что в свою очередь существенно снижает засорение металла керамическими включениями.

Способом литья в пористые полимерные формы под давлением 0,35-0,7 МПа в течение 1,25-3 часа получены сложнопрофильные изделия на основе природного волластонита с плотностью 1,50-1,75 г/см³, с высокой однородностью свойств (по плотности не превышает 1%), высокой термостойкостью, стойкостью к расплаву алюминия до 800 °С. Изделия выдерживают до 30 теплосмен при режиме нагрева от 850 °С и быстрого охлаждения до 25 °С на воздухе.

Примеры осуществления способа

Таблица

Природный
волластонит Марка Соотношение l/d Размер частиц, мкм Насыпная плотность, г/см³ Основной ВП-25 5:1 28-35 0,8 - 1,0 Наполнитель ВП-25F 15:1 50-70 0,5 - 0,7

Пример 1

Природный волластонит 70-80 мас. %, каолин 10-20 мас. % и глину 5-10 мас. % с добавлением в качестве стабилизаторов жидкого стекла 0,1-0,3% и кальцинированной соды 0,1-0,3% измельчают в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 27-32 % от массы сухих компонентов. Затем полученный шликер заливают в рамную мешалку и добавляют в нее, в качестве наполнителя, порошок природного концентрата волластонита с удлиненной формой частиц (ВП-25F), в количестве 3% от массы шликера.

Полученный шликер заливают в камеру, в которой сжатым воздухом создают давление 0,35 МПа, чтобы формовочная масса полностью через шланги перешла в полимерную матрицу. Матрица в виде полого конуса с металлическим сердечником выполнена под форму изделия «дюза». Через 15 минут давление увеличивают до 0,4 МПа и выдерживают 1,5 часа, затем выдерживают 1 час при давлении 0,5 МПа. В общей сложности, продолжительность формования составляет 2 часа 45 минут. Далее изделия сушат при температуре 120 °С в течение 2,5 часов, затем обжигают при температуре 980 °С в течение 3 часов. Керамика имеет плотность 1,61 г/см³, пределы прочности при изгибе и сжатии 14 МПа и 21 МПа соответственно, разноплотность не превышает 1%. Термостойкость «дюзы» в режиме нагрева до 850° С и быстрого охлаждения до 25 °С на воздухе до потери 2% от массы изделия составляет 20 циклов. Материал инертен к расплаву алюминия и может длительно эксплуатироваться при температуре не менее 1000 °С.

Пример 2

Шликер, полученный по примеру 1, заливают в рамную мешалку и добавляют в нее, в качестве наполнителя, порошок природного концентрата волластонита с удлиненной формой частиц (ВП-25F), в количестве 5% от массы шликера. Полученный шликер заливают в камеру, в которой создается давление 0,5 МПа. Матрица для формования изделия «дюза» выполнена в виде полого конуса с активным полимерным сердечником. Через 5 минут давление увеличивают до 0,6 МПа и выдерживают 1,5 часа, затем выдерживают 0,5 часа под давлением 0,7 МПа. Продолжительность формования составляет 2 часа 5 мин. Сушат изделия при температуре 120 °С в течение 2 часов. Обжигают изделия в печи при температуре 950 °С в течение 3 часов.

Материал «дюзы» имеет плотность 1,70 г/см³, пределы прочности при изгибе и сжатии 14 МПа и 23 МПа соответственно, разноплотность не превышает 1%, термостойкость «дюзы» в режиме нагрева на воздухе до 850°С и быстрого охлаждения до 25 °С составляет 22 цикла, до потери 2% от массы изделия. Материал инертен к расплаву алюминия и может длительно эксплуатироваться до температуры не менее 1000°С.

Пример 3

Шликер, полученный по примеру 1, заливают в рамную мешалку и добавляют в нее, в качестве наполнителя, порошок природного концентрата волластонита с удлиненной формой частиц (ВП-25F), в количестве 7% от массы шликера. После чего, формовочную массу заливают в камеру под давлением в 0,2 МПа, подают в полимерную матрицу с активным сердечником и выдерживают 2 часа, после чего давление повышают до 0,3 МПа с выдержкой 2 часа, затем давление повышают до 0,35 МПа с выдержкой 2 часа. После 6 часов формования, заготовка не приобрела прочности, достаточной для ее извлечения из формы без нарушения геометрии.

Изобретение относится к технологии производства функциональных керамических элементов оснастки металлопроводов алюминиевой промышленности. Предложен способ получения керамических изделий на основе волластонита с применением водного литья под давлением, включающий приготовление водного шликера из смеси природного волластонита, глины, каолина, воды, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг. В шликер дополнительно вводят в качестве наполнителя порошок природного концентрата волластонита с удлиненной формой частиц при соотношении l/d 15:1 с размером частиц 50-70 мкм, в количестве 2,0-9,0% от массы шликера. Формование изделий осуществляют методом шликерного литья под давлением 0,35-0,7 МПа в полимерные матрицы с пористостью 15-56%, продолжительность формования составляет 1,25-3 часа, с последующей сушкой при температуре 100-120°С в течение не более 3 часов, затем проводят обжиг при температуре 900-1000°С. Техническим результатом изобретения является улучшение трещиностойкости и термостойкости. Кроме того, изобретение обеспечивает сокращение продолжительности технологического цикла изготовления крупногабаритных и сложнопрофильных изделий на основе природного волластонита за счет снижения времени этапа формования и сведения к минимуму механической обработки заготовок. 1 табл., 3 пр.

Способ получения керамических изделий на основе волластонита с применением водного литья под давлением, включающий приготовление водного шликера из смеси природного волластонита, глины, каолина, воды, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг, отличающийся тем, что в шликер дополнительно вводят в качестве наполнителя порошок природного концентрата волластонита с удлиненной формой частиц при соотношении l/d 15:1 с размером частиц 50-70 мкм в количестве 2,0-9,0% от массы шликера, формование изделий осуществляют методом шликерного литья под давлением 0,35-0,7 МПа в полимерные матрицы с пористостью 15-56%, продолжительность формования составляет 1,25-3 ч с последующей сушкой при температуре 100-120°С в течение не более 3 ч, затем проводят обжиг при температуре 900-1000°С.