Высокопрочная наноизоляционная плита и способ ее получения Российский патент 2025 года по МПК C04B35/16 C04B38/08 B82Y40/00 

Техническая область

[1] Настоящее изобретение относится к области материалов, в частности к высокопрочной наноизоляционной плите и способу ее получения.

Фоновая техника

[2] Энергопотребление в черной металлургии Китая в целом высокое, энергосбережение и сокращение потребления стали важной целью предприятий, разумное и эффективное снижение перепада температуры расплавленной стали в сталеразливочном ковше и других металлургических сосудах является важной частью металлургического процесса, а важным фактором, определяющим перепад температуры расплавленной стали, является теплоизоляционные свойства материала футеровки печи сталеразливочного ковша и других металлургических сосудов. В настоящее время основными теплоизоляционными материалами футеровки металлургических сосудов являются легкая фанеровочная смесь, волокнистая теплоизоляционная плита, наноизоляционная плита и т. д., среди них наноизоляционная плита имеет наилучший эффект сохранения тепла.

[3] Наноизоляционная плита представляет собой плитчатый теплоизоляционный продукт, полученный путем смешивания и прессования ультрамелкого порошка SiO₂, который используется в качестве основного компонента. Китайский патент с номером объявления о разрешении CN 105541313B раскрывает способ получения наноизоляционного материала и наноплиты. Прочность наноплиты на сжатие при комнатной температуре составляет 1,2-1,4 МПа, а теплопроводность - 0,02-0,029 Вт/м K (600°C); китайский патент с номером объявления о разрешении CN 102853211A раскрывает высокопрочного наноизоляционную плиту для производства теплотехнического оборудования и способ ее получения. Прочность наноплиты на сжатие при комнатной температуре составляет 3 МПа, а теплопроводность - 0,021Вт. /м K (600°C).

[4] В настоящее время при разработке конструкции сталеразливочного сталеразливочного ковша и других металлургических сосудов в полной мере учитывается теплоизоляция сталеразливочного ковша, поэтому используется наноизоляционная плита с низкой теплопроводностью. Однако во время использования, особенно в дальнейшем сроке службы сталеразливочного ковша, перегрев высокотемпературной расплавленной стали приводит к расширению кирпичей рабочей футеровки и постоянной футеровки сталеразливочного ковша, высокое статическое давление расплавленной стали и термической деформацией оболочки ковша приведет к повреждению наноизоляционной плиты; в то же время сам материал содержит больше органических веществ, которые легко разрушаются после высокотемпературного нагрева, это приведет к дальнейшей деформации и пылению футеровки, даже приводит к потере теплоизоляционных свойств наноизоляционной плиты.

Сущность изобретения

[5] Цель изобретения: Целью настоящего изобретения является создание наноизоляционной плиты с высокой прочностью и низкой теплопроводностью, приготовленной из твердых отходов, которая обладает высокой надежностью при эксплуатации в металлургических сосудах, таких как сталеразливочные ковши.

[6] Техническое решение: Высокопрочная наноизоляционная плита по настоящему изобретению включает в массовых процентах:

[7] Теплоизоляционную засыпку- 43~75%;

[8] Глушитель стекла-7~15%;

[9] Связующее -10~20%;

[10] Армирующее волокно- 2~6%;

[11] Пластификатор- 0,5~2%;

[12] Функциональную присадку- 1~5%;

[13] Воду -3~10%;

[14] Среди них теплоизоляционная засыпка представляет собой один или несколько из пыли коричневого корунда, белой сажи и плавающих шариков, диаметр частиц которых ≤ 0,2 мм. Функциональная присадка представляет собой щелочные соли или соли щелочных металлов с химической формулой ROH, R₂ CO₃, R - Li, Na или K, размер частиц которых <0,044 мм.

[15] Кроме того, глушитель стекла представляет собой один или оба из нанокарбида кремния и наноциркона, размер частиц которых <200 нм.

[16] Кроме того, связующее представляет собой алюмосиликат магния с размером частиц <0,044 мм.

[17] Кроме того, армирующее волокно представляет собой одно или оба из волокна оксида алюминия, волокна диоксида циркония или волокна силиката алюминия с длиной волокна <5 мм.

[18] Кроме того, пластификатор представляет собой стеарат магния с размером частиц <0,044 мм.

[19] Способ получения высокопрочной наноизоляционной плиты настоящего изобретения включает следующие этапы:

[20] (1) Подготовьте сырье в соответствии с соотношением, сначала смешайте армирующее волокно и пластификатор, затем диспергируйте их с помощью механической мешалки или ультразвукового диспергатора;

[21] (2) Смешайте указанную смесь с теплоизоляционной засыпкой, глушителем стекла, связующим, пластификатором и функциональной присадкой в миксере, добавьте воду и замесите до получения глиняной массы;

[22] (3) Сформируйте плиты разных размеров из глиняной массы методом компрессионного формования, а после высыхания упаковывайте плиты под вакуумом в пленку или фольгу.

[23] Кроме того, время смешивания составляет 1 ~ 3 часа.

[24] Кроме того, время замешивания составляет 20 ~ 60 минут.

[25] Кроме того, температура высыхания составляет 100 ~ 150°C.

[26] Положительные эффекты: по сравнению с известным уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие существенные преимущества:

[27] (1) Наноплита, полученная по настоящему изобретению, характеризуется низкой стоимостью, высокой прочностью на сжатие при комнатной температуре и низкой теплопроводностью. Все выбранные теплоизоляционные засыпки представляют собой сырье с низкой теплопроводностью и легким весом, а в качестве глушителей стекла используются нанокарбид кремния и наноциркон, которые могут значительно ингибировать радиационную теплопередачу теплоизоляционной плиты в рабочих условиях. В качестве пластификатора стеарат магния не только обладает хорошим смазывающим и пластифицирующим эффектом, легкой плотностью, но и делает волокно легко диспергируемым, а глиняная масса, полученная путем замешивания, обладает хорошей текучестью и сжимаемостью, легко улетучивается при 200°C, а при этом пористость увеличивается, что способствует теплоизоляции. В качестве связующего алюмосиликат магния особенно подходит для склеивания порошков. В отличие от других органических связующих, алюмосиликат магния не перемещается на поверхность теплоизоляционной плиты в процессе высыхания. Эта неустранимая характеристика необходима для обеспечения структурной однородности изделия. В настоящем изобретении одновременно используются щелочные соли или соли щелочных металлов, обладающие такими преимуществами, как низкая температура плавления, легко испаряется и легко вступает в реакцию с алюминиево-кремнеземистыми материалами: R(OH)+SiO₂/Al₂O₃ → R₂SiO₃/RAlO₂+H₂O; R₂CO₃+SiO₂/Al₂O₃→R₂SiO₃/RAlO₂+CO₂. Указанная реакция достаточна для образования новой структурно-армирующей фазы в теплоизоляционной плите in-situ в рабочем состоянии, которая обладает высоким коэффициентом объемного расширения, это позволяет избежать явления горения или пыления при длительном использовании традиционных изоляционных плитных материалов. Из вышеизложенного видно, что высокопрочная наноизоляционная плита не только обладает хорошими теплоизоляционными характеристиками, но также может сохранять достаточную прочность, чтобы избежать потери эффекта при комнатной температуре и высокой температуре. Можно видеть, что настоящее изобретение. имеет выдающуюся инновационную и экономическую ценность. Высокопрочная теплоизоляционная плита по настоящему изобретению обладает следующими характеристиками:

[28] Объемный вес/г⋅см^-3 -<0,3

[29] Прочность на сжатие при комнатной температуре/МПа ->4,0

[30] Теплопроводность при температуре 800°C/Вт/м⋅К- <0,055

[31] Изменение линейных размеров после термообработки при 800°C в течение 4 часов /% -<0,50

[32] Прочность на сжатие после термообработки при 800°C в течение 4 часов /Мпа - >2,0.

[33] (2) Способ получения по настоящему изобретению прост, эффективен, экологичен и безопасен для окружающей среды, подходит для крупномасштабного производства.

Конкретные варианты осуществления

[34] Техническое решение настоящего изобретения более подробно описана ниже.

[35] Вариант осуществления 1

[36] Подберите идеальное соотношение веса ингредиентов, при котором, выбранная теплоизоляционная засыпка представляет собой пыль коричневого корунда в массовых процентах 20%, белую сажу в массовых процентах 20%, плавающие шарики в массовых процентах 35 %, размер частиц которых ≤ 0,2 мм; выбранный глушитель стекла представляет собой нанокарбид кремния в массовых процентах 3% и наноциркон в массовых процентах 4%, размер частиц которых <200 нм; Выбранное связующее представляет собой алюмосиликат магния с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 10%; выбранное армирующее волокно представляет собой волокно оксида алюминия в массовых процентах 1%, волокно силиката алюминия в массовых процентах 1%, длина волокна <5 мм; выбранный пластификатор представляет собой стеарат магния с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 2%; выбранная функциональная присадка представляет собой LiOH с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 1%; вода в массовых процентах 3%.

[37] Подготовьте вышеуказанное сырье в соответствии с соотношением. Сначала смешайте армирующее волокно и стеарат магния, диспергируйте их с помощью механической мешалки или ультразвукового диспергатора, смешайте указанную смесь с теплоизоляционной засыпкой, глушителем стекла, связующим, пластификатором и функциональной присадкой в миксере в течение 1 часа, добавьте необходимое количество воды и замесите в течение 20 минут до получения глиняной массы, сформируйте плиты разных размеров из глиняной массы методом компрессионного формования, после высыхания при 100°С упаковывайте плиты под вакуумом в пленку.

[38] Вариант осуществления 2

[39] Подберите идеальное соотношение веса ингредиентов, при котором, выбранная теплоизоляционная засыпка представляет собой пыль коричневого корунда в массовых процентах 20% , белую сажу в массовых процентах 23%, размер частиц которых ≤ 0,2 мм; выбранный глушитель стекла представляет собой наноциркон с размером частиц <200 нм в массовых процентах 15%; Выбранное связующее представляет собой алюмосиликат магния с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 20%; выбранное армирующее волокно представляет собой волокно диоксида циркония с длиной <5 мм в массовых процентах 6%; выбранный пластификатор представляет собой стеарат магния с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 1%; выбранная функциональная присадка представляет собой Na₂CO с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 35%; вода в массовых процентах 10%.

[40] Подготовьте вышеуказанное сырье в соответствии с соотношением. Сначала смешайте армирующее волокно со стеаратом магния, диспергируйте их с помощью механической мешалки или ультразвукового диспергатора, смешайте указанную смесь с теплоизоляционной засыпкой, глушителем стекла, связующим, пластификатором и функциональной присадкой в миксере в течение 3 часов, добавьте необходимое количество воды и замесите в течение 60 минут до получения глиняной массы, сформируйте плиты разных размеров из глиняной массы методом компрессионного формования, после высыхания при 150°С упаковывайте плиты под вакуумом в пленку.

[41] Вариант осуществления 3

[42] Подберите идеальное соотношение веса ингредиентов, при котором, выбранная теплоизоляционная засыпка представляет собой белую сажу в массовых процентах 20% , плавающие шарики в массовых процентах 36 %, их размер частиц ≤ 0,1 мм; выбранный глушитель стекла представляет собой нанокарбид кремния с размером частиц <150 нм в массовых процентах 12%; Выбранное связующее представляет собой алюмосиликат магния с размером частиц <0,030 мм в массовых процентах 15%; выбранное армирующее волокно представляет собой волокно оксида алюминия в массовых процентах 2%, волокно диоксида циркония в массовых процентах 3%, длина которых <5 мм; выбранный пластификатор представляет собой стеарат магния с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 0,5%; выбранная функциональная присадка представляет собой Li₂CO с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 34%; вода в массовых процентах 7,5%.

[43] Подготовьте вышеуказанное сырье в соответствии с соотношением. Сначала смешайте армирующее волокно со стеаратом магния, диспергируйте их с помощью механической мешалки или ультразвукового диспергатора, смешайте указанную смесь с теплоизоляционной засыпкой, глушителем стекла, связующим, пластификатором и функциональной присадкой в миксере в течение 2 часа, добавьте необходимое количество воды и замесите в течение 40 минут до получения глиняной массы, сформируйте плиты разных размеров из глиняной массы методом компрессионного формования, после высыхания при 120°С упаковывайте плиты под вакуумом в фольгу.

[44] Вариант осуществления 4

[45] Подберите идеальное соотношение веса ингредиентов, при котором, выбранная теплоизоляционная засыпка представляет собой плавающие шарики с диаметром частиц ≤ 0,2 мм в массовых процентах 63 %; выбранный глушитель стекла представляет собой нанокарбид кремния в массовых процентах 6%, наноцирконв массовых процентах 6%, размер частиц которых <150 нм; выбранное связующее представляет собой алюмосиликат магния с размером частиц <0,030 мм в массовых процентах 12%; выбранное армирующее волокно представляет собой волокно силиката алюминия с длиной <5 мм в массовых процентах 3%;выбранный пластификатор представляет собой стеарат магния с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах1,5%; выбранная функциональная присадка представляет собой KOH с размером частиц <0,044 мм в массовых процентах 2 %; вода в массовых процентах 6,5%.

[46] Подготовьте вышеуказанное сырье в соответствии с соотношением. Сначала смешайте армирующее волокно со стеаратом магния, диспергируйте их с помощью механической мешалки или ультразвукового диспергатора, смешайте указанную смесь с теплоизоляционной засыпкой, глушителем стекла, связующим, пластификатором и функциональной присадкой в миксере в течение 1,5 часов добавьте необходимое количество воды и замесите в течение 30 минут до получения глиняной массы, сформируйте плиты разных размеров из глиняной массы методом компрессионного формования, после высыхания при 110°С упаковывайте плиты под вакуумом в пленку.

Пример осуществления 1 Вариант осуществления 2 Вариант осуществления 3 Вариант осуществления 4 Объемный вес/г⋅см^-3 0,24 0,29 0,21 0,25 Прочность на сжатие при комнатной температуре/МПа 4,1 5,3 4,9 4,4 Теплопроводность при температуре 800 °C/Вт/м⋅К 0,036 0,052 0,046 0,039 Изменение линейных размеров после термообработки при 800°C в течение 4 часов /% 0,47 0,44 0,49 0,43 Прочность на сжатие после термообработки при 800°C в течение 4 часов/МПа 2 2,8 2,6 2,3

Изобретение предлагает высокопрочную наноизоляционную плиту, которая представляет собой теплоизоляционный продукт и может быть использована для футеровки металлургических сосудов. Наноизоляционная плита включает следующие ингредиенты, мас.%: теплоизоляционный наполнитель 43-75, глушитель 7-15, связующее 10-20, армирующее волокно 2-6, пластификатор 0,5-2, функциональная присадка 1-5, вода 3-10. В качестве теплоизоляционного наполнителя используют пыль коричневого корунда, или белую сажу, или плавающие шарики с размером частиц не более 0,2 мм, или их сочетание, глушитель представляет собой нанокарбид кремния или наноциркон с размером частиц меньше 200 нм, связующее представляет собой алюмосиликат магния, а пластификатор - стеарат магния. Все выбранные теплоизоляционные наполнители представляют собой сырье с низкой теплопроводностью и легким весом. Функциональная добавка представлена щелочами или солями щелочных металлов, обладающими низкой температурой плавления, которые при этом легко испаряются и легко вступают в реакцию с алюминиево-кремнеземистыми материалами с образованием новой структурно-армирующей фазы в теплоизоляционной плите in-situ в рабочем состоянии. Это позволяет избежать явлений спекания или пыления при длительном использовании изоляционных плит. Заявленная высокопрочная наноизоляционная плита обладает хорошими теплоизоляционными характеристиками и имеет достаточную прочность, чтобы избежать потери эффективности как при комнатной, так и при высокой температуре. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

1. Высокопрочная наноизоляционная плита, отличающаяся тем, что включает в мас.%:

Теплоизоляционный наполнитель 43~75 Глушитель 7~15 Связующее 10~20 Армирующее волокно 2~6 Пластификатор 0,5~2 Функциональная присадка 1~5 Вода 3~10,

при этом теплоизоляционный наполнитель представлен пылью коричневого корунда, или белой сажей, или плавающими шариками с размером частиц ≤0,2 мм, или их сочетанием, а функциональная присадка представлена щелочами или солями щелочных металлов с химической формулой ROH, R₂CO₃, R - Li, Na или K, с размером частиц <0,044 мм;

глушитель представлен нанокарбидом кремния или наноцирконом с размером частиц <200 нм или их сочетанием; связующее представлено алюмосиликатом магния с размером частиц <0,044 мм, а пластификатор представлен стеаратом магния с размером частиц <0,044 мм.

2. Плита по п.1, отличающаяся тем, что армирующее волокно представлено волокном оксида алюминия, или волокном диоксида циркония, или волокном силиката алюминия с длиной волокна <5 мм, или их сочетанием.

3. Способ получения высокопрочной наноизоляционной плиты по п.1, отличающийся тем, что включает следующие этапы:

(1) подготовку сырья в соответствии с соотношением ингредиентов, указанным в п.1, при этом сначала смешивают армирующее волокно и пластификатор, затем диспергируют с помощью механической мешалки или ультразвукового диспергатора;

(2) смешивание указанной смеси с теплоизоляционным наполнителем, глушителем, связующим и функциональной присадкой в миксере, добавление воды и замешивание до получения влажной массы;

(3) формирование плиты из влажной массы методом компрессионного формования, а после высыхания упаковку плиты под вакуумом в пленку или фольгу.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что время смешивания составляет 1-3 часа.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что время замешивания составляет 20-60 минут.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что температура высыхания составляет 100-150°С.