Композиция для изготовления защитного покрытия

 

Использование: для пористой огнеупорной футеровки тепловых агрегатов. Сущность изобретения: композиция включает в мас.%: молотые отходы кварцевого стекла 72-80, борная кислота 12-25, по крайней мере один оксид переходного металла из группы: железо, медь, никель, кобальт, хром 3-10. Характеристики: термостойкость (1100-20^oC) - 4000-4286 теплосмен, механическая прочность 5,9-9,8 кг/см². 1 табл.

Изобретение относится к области высокостойких огнеупорных покрытий и может быть использовано для пористой огнеупорной футеровки тепловых агрегатов, в частности в вакуумных печах для обработки зубопротезных керамических изделий.

Известна сырьевая смесь для получения теплоизоляционного покрытия [1] содержащая, мас.

Барханный песок с тониной помола 0,01-0,05 мм 35-40 Алюмохромфосфатное связующее 10-25 Жидкое стекло Остальное Смесь огнестойка, имеет достаточно высокую прочность (7,0 мПа) и обладает низкой теплопроводностью.

Недостатком известной смеси является высокая пористость структуры покрытия, что не исключает присутствие мелкодисперсной пыли в рабочем пространстве теплового агрегата при работе в вакуумном режиме, и потому не может быть использована в печах для обработки изделий с повышенными требованиями к чистоте поверхности, например для обработки зубопротезных керамических изделий. Кроме того, присутствие в составе смеси алюмохромфосфатного связующего отрицательно сказывается на долговечности металлических элементов, например электронагревателей печи, термопары и др. вследствие коррозии, обусловленной их взаимодействием с выделяющимися в процессе обжига оксидами фосфора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату изобретения является сырьевая смесь для изготовления защитного покрытия [2] включающая следующие компоненты, мас.

Алюмохромфосфатное связующее 41-55 Борная кислота 12-15 Стеклопорошок 23-29 Окись диспрозия 10-15 Защитное покрытие из известной сырьевой смеси [2] обладает термостойкостью 120-150 теплосмен при температуре 750-20^oC в контакте с расплавом алюминия.

Недостатком известной сырьевой смеси [2] как и смеси [1] является присутствие в ее составе алюмохромфосфатного связующего, а использование покрытия при температуре выше 750-800^oC резко снижает срок его службы при контакте с расплавом. Использование в составе смеси в качестве стеклопорошка молотых отходов стеклотарного производства приводит к увеличению термического коэффициента линейного расширения покрытия и образованию дефектов в виде трещин и сколов, особенно в условиях частых теплосмен.

Заявляемая композиция для изготовления защитного покрытия, включающая стеклопорошок и борную кислоту, отличается тем, что она содержит в качестве стеклопорошка молотые отходы кварцевого стекла и дополнительно содержит по крайней мере один оксид переходного металла из группы: железо, медь, никель, кобальт, хром при следующем соотношении компонентов, мас.

Молотые отходы кварцевого стекла 72-80 Борная кислота 15-25 По крайней мере один оксид указанной группы 3-10
Сущность заявляемой композиции состоит в том, что она содержит в качестве стеклопорошка молотые отходы кварцевого стекла, борную кислоту и по крайней мере один оксид переходного металла из группы: железо, медь, никель, кобальт, хром в указанном количественном соотношении.

Использование в составе композиции для изготовления защитного покрытия молотых отходов кварцевого стекла, борной кислоты и по крайней мере одного оксида из указанной группы переходных металлов в определенном количественном соотношении позволяет получить нетоксичное покрытие различных цветовых оттенков с высокой термостойкостью и механической прочностью, стабильностью этих свойств в условиях термоциклирования, в виде равномерного по толщине стеклокерамического слоя с шероховатой поверхностью, прочно "схватывающегося" с поверхностью огнеупора.

Применение покрытия в печах для обжига керамических зубопротезных изделий, работающих в вакуумном режиме, обеспечивает высокое качество изделий, благодаря исключению механических примесей в рабочем пространстве, обусловленных прочностью покрытия, с одной стороны, равномерный нагрев, благодаря практически всестороннему омыванию газовой средой нагреваемых изделий, размещенных на шероховатой поверхности покрытия, с другой стороны, а также создает условия для выполнения контрольных эстетических функций в технологическом процессе, благодаря наличию какого-либо цветового оттенка.

Кроме того, защитное покрытие заявляемого состава позволяет также увеличить срок эксплуатации нагревательных элементов и пористых огнеупоров, повысить надежность контролирующей термопары, имеет низкую стоимость.

Использование кварцевого стекла в составе композиции в сочетании с борной кислотой и оксидами переходных металлов из группы: железо, медь, никель, кобальт, хром в указанном количественном соотношении позволяет получить защитное покрытие с достаточно низкой теплоемкостью и термическим коэффициентом линейного расширения, что обеспечивает высокую сопротивляемость покрытия образованию трещин при резких перепадах температур, высокую механическую прочность, необходимую шероховатость и требуемую цветовую гамму, создающую фон для визуальной оценки состояния обрабатываемых керамических зубопротезных изделий.

В отличие от композиции, принятой за прототип, в заявляемом решении в качестве стеклопорошка использованы отходы кварцевого стекла и его содержание увеличено до 72-80% против 23-29% в известном решении, увеличено содержание борной кислоты до 15-25% против 12-15% а также дополнительно введен по крайней мере один оксид переходного металла из группы: железо, медь, никель, кобальт, хром.

Использование указанных компонентов в заявленных количественных соотношениях обеспечило формирование прочного защитного покрытия, благодаря образованию при температуре обжига на границах зерен кварцевого стекла и оксидов переходных металлов из указанной группы активных эвтектик (продуктов взаимодействия расплава борной кислоты с поверхностью частиц стекла и оксидов), снижающих поверхностное натяжение и обеспечивающих "цементацию" частиц стекла и оксидов между собой и с огнеупорной подложкой, а также необходимую шероховатость поверхности.

Новым в заявляемом решении является использование в качестве стеклопорошка молотых отходов кварцевого стекла и борной кислоты с добавлением по крайней мере одного оксида металла указанной группы в определенном количественном соотношении.

Заявляемое качественное и количественное соотношение компонентов, входящих в состав для защитного покрытия, не обнаружено в источниках информации или при практическом использовании, из чего заявляемое вещество отвечает критерию изобретения "новизна".

При определении соответствия заявляемого решения критерию изобретения "изобретательский уровень" обнаружена информация о признаках, являющихся отличительными в предполагаемом изобретении. Так, установлено использование двухкомпонентной смеси кварцита и борной кислоты в производстве набивных масс для тиглей и изоляции индукторов в индукционных печах [4] Количественное соотношение входящих в состав набивных масс компонентов, а именно содержание борной кислоты, не превышающее 2 мас. не обеспечивает достаточной механической прочности и поэтому не может быть использовано в качестве композиции для получения защитного покрытия. Содержание борной кислоты до 2 мас. приводит к уменьшению поверхности взаимодействия между реагентами (зернами стекла, как более тугоплавкой фазы, и борной кислоты, как более легкоплавкой), что оказывает существенное влияние на протекание процесса спекания при обжиге покрытия.

Известно использование в качестве защитного покрытия смеси, содержащей кварцевый песок как основу, в сочетании с огнеупорной глиной (12-27%) и хромалюмосиликатным волокном в защитном покрытии для пористых огнеупоров [5]
Указанная композиция обладает склонностью к образованию трещин и имеет недостаточную прочность сцепления с огнеупором вследствие протекающего при обжиге процесса усадки глинистого компонента при температуре до 300^oC и дальнейшей его активации при удалении связанной воды из глинистых минералов при температуре 900-1100^oC. Применение огнеупорной глины в композиции для защитного покрытия осложняется в известной степени и неоднородностью минералогического состава и химического состава.

Из рассмотренных примеров видно, что известные в науке и практическом использовании признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого вещества, направлены на получение других технических результатов, на основании чего можно сделать вывод, что предлагаемое изобретение соответствует критерию изобретения "изобретательский уровень".

Заявляемое решение соответствует критерию изобретения "промышленная применимость", так как используемые в нем компоненты изготавливаются и используются в промышленности и процесс приготовления смеси может быть осуществлен с использованием известных приемов и знаний.

Количественное соотношение компонентов отрабатывалось экспериментально. Для этого в лабораторных условиях было приготовлено несколько композиций заявляемого состава и композиция известного состава. Компоненты совместно измельчались в шаровой мельнице до тонкости 30-40 мкм, затем смешивались с водой в весовом соотношении 5 3. Полученную суспензию наносили методом распыления на пористые огнеупоры (пеношамот, шамот-легковес, вспененный оксид кремния, вспененный оксид алюминия), высушивали при температуре 100-150^oC в течение 20-25 мин, затем обжигали при температуре 1150-1160^oC в течение 15-17 минут.

В таблице представлены свойства покрытия, нанесенного на вспененный оксид кремния. Аналогичные свойства покрытия получены и при нанесении композиции на пеношамот, шамот-легковес, вспененный оксид алюминия.

Введение в состав композиции стеклопорошка в количестве менее 72% приводит к снижению термостойкости покрытия, а увеличение его содержания более 80% к снижению интенсивности процесса спекания и, как следствие, частичной потере механической прочности.

Оптимальное содержание борной кислоты находится в пределах 15-25% Уменьшение ее содержания ниже 15% снижает термостойкость покрытия, а увеличение сверх 25% снижает огнеупорность покрытия.

Применение оксидов переходных металлов (железа, меди, никеля, кобальта, хрома) обеспечивает цветовую гамму и позволяет увеличить прочность и шероховатость покрытия. Оптимальное содержание оксидов находится в пределах 3-10% Уменьшение содержания ниже 3% не позволяет достичь эффекта окрашивания и нужной степени шероховатости, а увеличение сверх 10% неэффективно из-за повышения стоимости покрытия.

Указанные в таблице сведения о термостойкости покрытия показывают число теплосмен до появления первых пороков (трещин, сколов, шелушения).

Шероховатость представлена значениями R_a и R_z, где R_a среднее отклонение от средней линии, R_z среднее максимальное отклонение.

Результаты проведенных исследований показывают, что защитное покрытие предлагаемого состава выдерживает более 4000 теплосмен, что в 2,2-2,4 раза выше, чем у покрытия известного состава, и характеризуется механической прочностью в 1,2-1,8 раза выше, чем у известного состава.

Защитное покрытие позволяет устранить механические примеси в рабочем пространстве печи, вносимые футеровкой, повысить качество обрабатываемых изделий и одновременно увеличить срок службы нагревательных металлических элементов и термопары.

Формула изобретения

Композиция для изготовления защитного покрытия, включающая стеклопорошок и борную кислоту, отличающаяся тем, что она содержит в качестве стеклопорошка молотые отходы кварцевого стекла и дополнительно содержит по крайней мере один оксид переходного металла из группы: железо, медь, никель, кобальт, хром при следующем соотношении компонентов, мас.

Молотые отходы кварцевого стекла 72 80
Борная кислота 15 25
По крайней мере один оксид переходного металла указанной группы 3 10

РИСУНКИ

Рисунок 1