Состав шихты для получения кордиеритовой керамики Российский патент 2024 года по МПК C04B35/195 B82Y30/00 

Изобретение относится к производству технической огнеупорной керамики, а именно к составам шихт для получения кордиеритовой термостойкой керамики.

Изобретение направлено на увеличение выхода кордиерита, повышение термостойкости и прочности огнеупорной керамики при одновременном повышении реакционной способности шихты за счет введения нановолокон оксида алюминия.

Известна сырьевая керамическая масса для получения кордиеритовой керамики из природных материалов, содержащих соединения магния, кремния и алюминия, включающая серпентинитовую породу, в качестве которой используют отходы обогащения асбестовых руд и каолин в соотношении (1:1,5)-(1:5), а также дополнительно содержащая кордиерит при массовой доле до 50%, предварительно синтезированный из смеси серпентинитовой породы и каолина, взятых в соотношении 1:1. Обжиг изделий проводят при температуре 1250–1400 °С [Патент RU № 2016878, МПК С04В 35/18, опубл. 30.07.1994]

Недостатком данного состава является высокая температура обжига керамики, а также введение в шихту предварительно синтезированного кордиерита, что приводит к усложнению технологии и увеличению энергозатрат на производство керамики.

Известен состав шихты для получения кордиеритовой керамики [Патент RU № 2211199, МПК C04B 35/18, опубл.: 27.08.2003], включающий соединения магния, кремния и алюминия, а так же добавку сверхтонкого порошка металлического алюминия (СТП), полученного методом электрического взрыва проводника (ЭВП), при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Глина – 34,5 – 49,0

Сырой тальк – 32,5 – 35,0

Гидроксид алюминия – 11,0 – 32,5

СТП алюминия – 0,5 – 5,0

Недостатком этого состава является то, что эффект повышения реакционной способности керамической шихты достигается при значительном содержании (до 5 масс. %) сверхтонкого порошка алюминия, получаемого методом взрыва электропроводящего проводника, что приводит к значительному повышению стоимости керамики.

В работе [Синтез кордиеритомуллитовой керамики с заданным фазовым составом на основе сырья Казахстана А.А. Бирюкова, Т. А. Тихонова, Е.С. Меркибаев, Т.А. Хабас, В.М. Погребенков. Комплексное использование минерального сырья. № 2. 2016, С. 88–94] предложен состав керамической шихты для получения кордиерита со следующим содержанием компонентов, масс.%:

Огнеупорная глина – 39,5

Серпентинит – 47,1

Глинозем – 13,4

Основным недостатком предложенной керамической шихты является низкие значения физико-механических свойств и высокая температура обжига.

Наиболее близким по технической сущности является состав для получения кордиеритовой керамики [Патент BY № 16163, МПК С04В 35/18, опубл. 30.08.2012.], включающий глину огнеупорную и тальк, отличающийся тем, что дополнительно содержит глинозем технический и алюминиевую пудру при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Глина огнеупорная – 40,0 – 55,0

Тальк – 28,0 – 44,0

Глинозем технический – 10,5 – 14,5

Алюминиевая пудра – 2,5 – 5,5

Основным недостатком предложенного состава шихты является высокие значения показателей водопоглощения и открытой пористости получаемой кордиеритовой керамики. Эффект повышения физико-механических свойств достигается при значительном содержании добавки алюминиевой пудры, 2,5–5,5 масс.%, что способствует повышению себестоимости кордиеритовой керамики.

Целью изобретения является увеличение выхода фазы кордиерита, снижение водопоглощения, повышение термостойкости и прочности кордиеритовой керамики при одновременном повышении реакционной способности шихты.

Поставленная цель достигается тем, что в состав шихты для получения кордиеритовой керамики, включающий огнеупорную глину, тальк и глинозем, согласно изобретению, дополнительно вводят нановолокона оксида алюминия, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Огнеупорная глина – 44,0 – 47,8

Тальк – 34,8 – 36,8

Глинозем – 14,4 – 19,1

Нановолокна оксида алюминия – 0,1 – 1,0

В изобретении сырьевые компоненты шихты совместно измельчают и гомогенизируют в кольцевой мельнице до крупности частиц менее 0,056 мм. Производят компоновку исходных сырьевых материалов с учетом их химического состава и диаграммы состояния трёхкомпонентной системы MgO–Al₂O₃–SiO₂.

С целью повышения физико-механических свойств керамики в подготовленную шихту добавляют двухпроцентную водную суспензию нановолокон оксида алюминия. Полученную массу подсушивают до относительной влажности 8–10 масс.%. и методом полусухого прессования при давлении 35–40 МПа производят формование образцов кордиеритовой керамики.

Заявляемый состав шихты (масс.%) в приведенных количественных пределах подобран экспериментально с учетом химического состава входящих в него компонентов и обеспечивает максимальный выход кордиерита, при температуре спекания 1200–1250°С, а также повышение термостойкости и прочности получаемой огнеупорной керамики.

Содержание огнеупорной глины в заявляемых пределах обеспечивает необходимую пластичность керамической массы на стадии формования, а также определяется количеством оксида алюминия (23,2 масс.%) и оксида кремния (61,8 масс.%). Тальк содержит оксид магния в количестве не менее 31 масс.%, что обуславливает границы его содержания в шихте. Глинозем в указанных пределах вводится для подшихтовки керамической массы с учетом стехиометрического состава, обеспечивающего максимальных выход кордиерита. Таким образом, содержание талька, огнеупорной глины и глинозема, в заявляемых диапазонах, позволяет достичь стехиометрического соотношения основных оксидов, обеспечивающее формирование фазы кордиерита. Выход за указанные диапазоны составов компонентов шихты приводит к снижению содержания фазы кордиерита в керамике.

В состав шихты дополнительно вводят нановолокна оксида алюминия диаметром от 8 до 10 нм и длиной от 0,5 до 1 мкм в виде 2 % водной суспензии, полученной диспергированием ультразвуком.

Нановолокна оксида алюминия имеют развитую удельную поверхность и, как следствие, обладают значительной поверхностной энергией. Введение нановолокон оксида алюминия значительно увеличивает реакционную способность керамической шихты, что приводит к активации процесса спекания и синтеза новых кристаллических фаз.

Введение нановолокон оксида алюминия менее 0,1 масс. % не позволяет достичь технического эффекта повышения прочности и термостойкости огнеупорной керамики. Введение более 1,0 масс. % нецелесообразно, так как это приводит к коагуляции нановолокон оксида алюминия и образованию в шихте агрегатов, уменьшающих удельную поверхность, что приводит к снижению реакционной способности шихты и снижению прочности и термостойкости огнеупорной кордиеритовой керамики.

Предлагаемое изобретение поясняется следующим примером.

Керамическую шихту следующего вещественного состава, масс.%: огнеупорная глина – 47,8, тальк – 36,8, глинозем – 14,4 подвергают измельчению и гомогенизации в кольцевой мельнице до крупности частиц менее 0,056 мм. Затем в состав шихты вводят 1,0 масс. % нановолокон оксида алюминия в виде 2 % водной суспензии, полученной диспергированием ультразвуком. Далее материал подсушивают до относительной влажности 8–10 масс. %, формуют методом полусухого прессования при давлении 35 МПа и обжигают на воздухе при температуре 1250^oС с изотермической выдержкой в течение 2 ч. Фазовый состав керамики определяется рентгенографическим методом. Физико-механические свойства керамики определяются с использованием стандартных методик. Физико-механические показатели огнеупорной кордиеритовой керамики заявляемого состава шихты и прототипа представлены в таблице 1.

Таблица Примеры компонентного состава шихты и физико-механические свойства кордиеритовой керамики

Компонентный состав шихты, масс. % Свойства керамических образцов Огнеупорная глина Тальк Глинозем Алюминиевая пудра Нановолокна
оксида алюминия ₃ Прочность при сжатии, МПа Водопогло-
щение, % Термостойкость при 850 °С, количество циклов Прототип 40,0 44,0 10,5 5,5 - 197,2 16,5 - Пример 1 44,0 36,8 19,1 - 0,1 188,2 12,2 15 Пример 2 45,9 35,8 17,9 - 0,4 196 11,5 18 Пример 3 46,8 36,2 16,2 - 0,8 198,5 10,3 26 Пример 4 47,8 36,8 14,4 - 1,0 200,1 9,3 30

Как видно из таблицы, предлагаемый состав керамической шихты дополнительно включающий нановолокна оксида алюминия, по сравнению с известным составом, позволяет получить кордиеритовую керамику с более низкими значениями водопоглощения, что обеспечивает ее термостойкость более 15 циклов теплосмен. При этом следует отметить, что прочность при сжатии кордиеритовой керамики в прототипе и заявляемом составе находятся на одном уровне.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является состав керамической массы, включающий дополнительно нановолокна оксида алюминия в количестве от 0,1 до 1,0 масс.%, с повышенной реакционной способностью шихты, позволяющий получать огнеупорную кордиеритовую керамику с лучшими значениями показателя водопоглощения и прочности, а также термостойкостью более 15 циклов теплосмен.

Изобретение относится к производству технической огнеупорной керамики, а именно к составам шихт для получения кордиеритовой термостойкой керамики. В состав шихты для получения кордиеритовой керамики, включающей огнеупорную глину, тальк и глинозем, согласно изобретению дополнительно вводят нановолокона оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: огнеупорная глина 44,0-47,8, тальк 34,8-36,8, глинозем 14,4-19,1, нановолокна оксида алюминия 0,1-1,0. Технический результат изобретения - увеличение выхода кордиерита, повышение термостойкости и прочности огнеупорной керамики при одновременном повышении реакционной способности шихты за счет введения нановолокон оксида алюминия. 1 табл.

Состав шихты для получения кордиеритовой керамики, включающий огнеупорную глину, тальк и глинозем, отличающийся тем, что дополнительно содержит нановолокона оксида алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Огнеупорная глина 44,0–47,8 Тальк 34,8–36,8 Глинозем 14,4–19,1 Нановолокна оксида алюминия 0,1–1,0