Способ получения керамических изделий на основе природного волластонита с применением метода замораживания формовочной массы Российский патент 2025 года по МПК C04B35/22 C04B33/28 C04B35/80 

Изобретение относится к керамической промышленности, а именно к технологии производства конструкционных керамических элементов оснастки литейных агрегатов для металлургии алюминиевых сплавов, в которой в последнее время происходит активная замена огнеупорных материалов, содержащих асбест и обладающих канцерогенными свойствами, на более экологически чистые материалы на основе волластонита, отличающиеся высокой химической инертностью к расплаву алюминия.

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.

Материал полученных изделий обладает объемной плотностью 0,3-0,8 г/см³ и пределом прочности при сжатии 20 МПа.

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, с последующей сушкой, обжигом при температуре 950-1000°С и механической обработкой.

Материал полученных изделий обладает кажущейся плотностью 1,66-1,70 г/см³ и прочностью при статическом изгибе 15-20 МПа.

Недостатками данного технического решения являются невозможность получения сложнопрофильных и крупногабаритных изделий, 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 совместное измельчение негашеной извести и кварцевого песка, перемешивание волластонита с водной суспензией алюминиевой пудры, увлажнение 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.

Описанный способ позволяет получить листовой материал плотностью 0,7-1,15 г/см³ и пределом прочности при сжатии 4-6 МПа.

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

Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототип) является способ получения керамических изделий на основе волластонита [патент РФ № 2365559 С2, МПК С04В 33/28, С04В 35/80, С04В 35/16, опубл. 27.08.2009 Бюл. №24], включающий приготовление водного шликера путем одновременного помола природного волластонита, каолина, глины с добавлением воды, жидкого стекла, кальцинированной соды, с дополнительным введением в шликер наполнителя, а именно алюмосиликатного волокна 3-15 мм в количестве 5-10% от массы шликера, формование изделий в пористые гипсовые формы, сушку и обжиг.

Полученный по известному способу керамический материал имеет плотность 1,30-1,45 г/см³ и прочность при статическом изгибе 8-22 МПа.

Недостатками известного технического решения 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.

Задача предложенного изобретения заключается в сокращении продолжительности технологического процесса изготовления крупногабаритных и сложнопрофильных изделий на основе природного волластонита, что достигается за счет снижения времени этапа формования и расширение номенклатуры конструкционных волластонитовых элементов для литейных агрегатов алюминиевой промышленности.

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

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения керамических изделий на основе природного волластонита с применением метода замораживания формовочной массы, включающий приготовление водного шликера путем одновременного помола следующих компонентов в соотношении, мас. %: концентрат природного волластонита 75-79, каолина 14-15, глины 7-10, с добавлением воды в количестве 29-30% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг, отличающийся тем, что в шликер дополнительно вводят кремнеземное волокно длиной 5-20 мм в количестве 3,0-8,0% от массы шликера, формование изделий осуществляют методом замораживания шликерной массы в силиконовых формах с последующим отстаиванием в морозильной камере, продолжительность формование составляет 1,5-5 часов при температуре от -10 до -18°С.

Преимуществом предложенного способа является ускорение технологического процесса, за счет снижения времени этапа формования формования, что достигается благодаря методу замораживания водной шликерной массы при отрицательных температурах, вследствие замораживания свободной воды в формовочной массе.

В предложенном способе применяют кремнеземные волокна, рубленные на отрезки длинной до 20 мм, с диаметром элементарного волокна 6-10 мкм.

Использование кремнеземного волокна, нарезанного на более длинные отрезки, затрудняет перемешивание наполненного шликера и не обеспечивает равномерность распределения волокна по объему.

Введение в шликер кремнеземного волокна в количестве более 8,0 % от массы шликера проводит к потере реологических свойств – увеличению вязкости и, следовательно, к ухудшению литейной способности.

Содержание в шликере кремнеземного волокна в количестве менее 3,0 % не обеспечивает заданного технического эффекта, так как после набора массы при отрицательных температурах, изделие, проходя этап сушки при 100-120°С, претерпевает нарушение целостности и геометрических размеров – изделие «растаивает» и растекается.

Кремнеземное волокно, которое равномерно распределено в объеме материала, играет роль стержней (арматуры), которое способствует существенному повышению термостойкости и трещиностойкости изделия.

Добавленное в состав шликерной массы кремнеземное волокно препятствует полному разрушению материла при появлении трещин.

Экспериментальным путем выявлено, что при формовании изделия толщиной 10 мм при температуре -18°С, изделие успевает набрать массу за 1,5 часа.

При меньшем времени формования изделие не успевает приобрести достаточные показатели прочностных характеристик и извлечь заготовку изделия из силиконовой формы без нарушения целостности и геометрических размеров не является возможным.

Формование изделия при отрицательных температурах более 5 часов, не целесообразно, так как для полного замораживание шликерной массы хватает 5-ти часов, а более длительный этап формования не улучшает конечных прочностных характеристик материала, как до этапа термической обработки, так и после.

Силиконовые формы значительно долговечнее гипсовых и могут эксплуатироваться в течение 1000 циклов.

Силиконовые формы дешевые и просты в обслуживании, отличаются быстрой очисткой и подготовкой к работе.

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

Предложенным способом получены сложнопрофильные изделия на основе природного волластонита с плотностью 1,35-1,50 г/см³, разноплотностью не выше 1%, стойкостью к расплаву алюминия до 950°С, высокой термостойкостью.

Изделия выдерживают до 30 теплосмен при режиме нагрева от 950°С и быстрого охлаждения до 25°С на воздухе.

Примеры осуществления способа.

Пример 1

Природный волластонит 75 мас.%, каолин 15 мас.% и глину 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 29 % от массы сухих компонентов. К полученному шликеру добавляют кремнеземное волокно длинной 5-10 мм в количестве 4,0 % масс. и перемешивают с использованием лопастной мешалки в течение 12 мин. Полученный шликер заливают виброспособом в силиконовую форму, с заранее заданными геометрическими размерами. Форму, наполненную шликером, устанавливают в морозильной камере при температуре -18°С.

Из полученного шликера формовали втулку, представляющую собой цилиндр с внешним диаметром 270мм, высотою 175 мм и толщиною стенки 40 и 10 мм.

Продолжительность формования для изделия толщиной 40 мм составила 2,5 часа, для изделия толщиной 10 мм – 2 часа соответственно.

Отформованное изделие сушили при 120°С в течение 2 часов и обжигали при 950°С в течение 1,5 часа.

Керамика имеет плотность 1,43 г/см3, пористость 42,57%, пределы прочности при изгибе и сжатии 13 МПа и 19 МПа соответственно, разноплотность по объему изделия не превышала 1. Термостойкость в режиме нагрева до 850°С и быстрого охлаждения до 20°С на воздухе до потери 2% от массы изделия составляет 32 циклов. Материал инертен к расплаву алюминия и может длительно эксплуатироваться при температуре не менее 1000°С.

Пример 2

Природный волластонит 78 мас. %, каолин 14 мас.% и глину 8 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 30% от массы сухих компонентов. К полученному шликеру добавляют кремнеземное волокно длинной 10-15 мм в количестве 8,0 % масс. и перемешивают с использованием лопастной мешалки в течение 16 мин. Полученный шликер заливают виброспособом в силиконовую форму, с заранее заданными геометрическими размерами. Форму, наполненную шликером, устанавливают в морозильной камере при температуре -10°С.

Из полученного шликера формовали изделие «дюза», работающее в активном контакте с алюминиевым расплавом по всей поверхности изделия, представляющее собой полый конус с внешним диаметром 200 мм, высотою 285 мм и толщиною стенки 40 и 10 мм.

Продолжительность формования для изделия толщиной 40мм составила 3 часа, для изделия толщиной 10 мм – 2,5 часа соответственно.

Отформованное изделие сушили при 120°С в течение 2 часов и обжигали при 950°С в течение 2,5 часа.

Керамика имеет плотность 1,49 г/см³, пористость 46,20% пределы прочности при изгибе и сжатии 14 МПа и 23 МПа соответственно, разноплотность по объему изделия не превышала 1. Термостойкость в режиме нагрева до 850°С и быстрого охлаждения до 20°С на воздухе до потери 2% от массы изделия составляет 29 циклов. Материал инертен к расплаву алюминия и может длительно эксплуатироваться при температуре не менее 1000°С.

Пример 3

К шликеру, полученному по примеру 2, добавляют кремнеземное волокно длинной 15-20 мм в количестве 1,0 % масс. и перемешивают с использованием лопастной мешалки в течение 5 мин. Полученный шликер заливают виброспособом в силиконовую форму, с заранее заданными геометрическими размерами. Форму, наполненную шликером, устанавливают в морозильной камере при температуре -16°С. Продолжительность формования для изделия толщиной 40 мм составила 2,5 часа, для изделий толщиной 10 мм – 2 час соответственно.

Отформованное изделие сушили при 150°С в течение 6 часов. После этапа сушки целостность заготовки нарушилась, благодаря чему, проведение последующих этапов технологического процесса не являлось возможным.

Как видно из приведенных примеров, предложенное техническое решение решает задачу получения материала из природного волластонита и получения крупногабаритных и сложнопрофильных изделий с высокой трещиностойкостью и термостойкостью.

Использование метода замораживания формовочной массы позволило также получить эксплуатационные изделия – опорнорегулирующие устройства «поплавки», работающие в активном контакте с алюминиевым расплавом по всей поверхности изделия.

Источники информации

1. JP 2757877 B2 3141172 А, опубл. 26.10.89 г. Способ изготовление формованных изделий из легкого гидратированного силиката кальция ксонотлитового типа.

2. Алексеев М.К. и др. Керамические материалы для металлургии. «Наука-производству», 1999, №9, с.25-26.

3. RU 2132829, МПК С04В 28/18, С04В 14/38, С04В 111/20, опубл. 10.07.1999 г.

4. RU 2365559, С2 МПК С04В 33/28, С04В 35/80, С04В 35/16,
опубл. 27.08.2009 Бюл. №24.

Изобретение относится к технологии производства конструкционных керамических элементов оснастки литейных агрегатов для металлургии алюминиевых сплавов. Техническим результатом изобретения является повышение производительности способа и сокращение времени технологического процесса получения изделий с высокой трещиностойкостью и термостойкостью. Предложен способ получения керамических изделий на основе природного волластонита, включающий приготовление водного шликера путем одновременного помола следующих компонентов в соотношении, мас. %: концентрат природного волластонита 75-79, каолин 14-15, глина 7-10, с добавлением воды в количестве 29-30% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг. В шликер дополнительно вводят кремнеземное волокно длиной 5-20 мм в количестве 3,0-8,0% от массы шликера. Формование изделий осуществляют методом вибролитья с последующим замораживанием шликерной массы в силиконовых формах и отстаиванием в морозильной камере при температуре от -10 до -18°С. Продолжительность выдержки при отрицательных температурах составляет 1,5-5 ч. 3 пр.

Способ получения керамических изделий на основе природного волластонита с применением метода замораживания формовочной массы, включающий приготовление водного шликера путем одновременного помола следующих компонентов в соотношении, мас. %: концентрат природного волластонита 75-79, каолина 14-15, глины 7-10, с добавлением воды в количестве 29-30% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий, сушку и обжиг, отличающийся тем, что в шликер дополнительно вводят кремнеземное волокно длиной 5-20 мм в количестве 3,0-8,0% от массы шликера, формование изделий осуществляют методом замораживания шликерной массы в силиконовых формах с последующим отстаиванием в морозильной камере, продолжительность формования составляет 1,5-5 ч при температуре от -10 до -18°С.