Способ получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита

 

Способ получения теплоизоляционного материала относится к способам получения листовых теплоизоляционных материалов из природного сырья, в частности из волластонита, кварца, извести. В способе получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита, включающем совместное измельчение высокочистых негашеной извести и кварцевого песка, увлажнение смеси с целью гашения извести, интенсивное перемешивание смеси гашеной извести, кварцевого песка и высокоигольчатого волластонита с добавлением в качестве порообразователя либо водной суспензии алюминиевой пудры, либо в качестве вспенивателя водного раствора поверхностно-активного вещества, формование смеси во влажный листовой теплоизоляционный материал, автоклавную обработку, сушку, калибровку, обжиг; согласно изобретению для получения мелкопористой структуры и высокой прочности материала используют высокоигольчатый волластонит, взятый в количестве 50-70% от веса сухих компонентов с содержанием элементарных игл с отношением длины иглы к диаметру 5-20 не менее 50%, в том числе с содержанием игл с отношением длины иглы к диаметру 10-20 не менее 15%, формование влажной смеси в листовой материал осуществляют виброспособом, сушку осуществляют при 250-300^oC с выдержкой в течение 1,5-3 ч, обжиг - при 850-900^oC в течение 4-6 ч. Изобретение решает задачу получения мелкопористого листового безасбестового теплоизоляционного материала, применяемого при температуре до 1000^oC для контакта с жидким аллюминием и в судостроении, экономичным и экологически чистым способом.

Изобретение относится к теплоизоляционный материалам, а именно к способам получения листовых теплоизоляционных материалов из природного сырья, в частности из волластонита, кварцевого песка, извести.

Известна смесь для изготовления теплоизоляции на основе волластонита, которую можно использовать в металлургии при температуре выше 700^oC (1). Предложенная смесь для изготовления теплоизоляции включает известь в количестве 4-10% в пересчете на CaO, кремнеземистый компонент в пересчете на SiO₂ 6-12%, наполнитель (смесь волластонита кристаллической структуры с волластонитом аморфной структуры) остальное. Подобное соотношение сырьевых компонентов и отсутствие обжига при изготовлении материала не обеспечивает необходимую прочность. Использование в рецептуре не игольчатого волластонита аморфной структуры не позволяет получить мелкопористую структуру конечного теплоизоляционного материала, следовательно, достигнуть низкой теплопроводности конечного материала.

Известен способ получения безасбестового плиточного материала на основе силиката кальция, извести и волластонита (2), наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способу и выбранный авторами за прототип.

Способ включает приготовление смеси кварцевого песка, извести, волластонита в количестве от 10 до 40% от веса сухих компонентов, используемой в промышленности отбеливающей или неотбеливающей пульпы в количестве 2-10% от веса сухих компонентов, увлажнение смеси до влажности 97%, формование плиты по бумагоделательной сеточной технологии, пропарку плиты в автоклаве при давлении насыщенного пара от 0,5 до 1,8 МПа, температуре 151-225^oC. Одним из вариантов рецептуры материала является добавка в исходную смесь отдельно полученных кристаллов силиката кальция в количестве 1- 30% от веса сухих компонентов, улучшающих технологичность процесса производства. После пропарки в автоклаве плиточный материал высушивают. Недостатками данного способа являются невысокие механические свойства конечной плиты (предел прочности при сжатии не более 2,5 МПа, что недостаточно для требований судостроительной промышленности - не менее 6 МПа) и ограниченная область применения. Материал, полученный по этому способу, рекомендуется применять в строительной и судостроительной промышленности. В технологии предусмотрено применение большого количества воды (97%), в которой частично растворяется известь, что влечет за собой образование значительных промышленных стоков. Вовлечение стоков в процесс производства требует либо дорогостоящей очистки их от щелочи, либо сложной корректировки дозирования извести, так как при избыточном или недостаточном содержании извести в рецептуре материала нарушается процесс твердения извести и кварцевого песка при взаимном растворении в процессе автоклавирования.

Предлагаемый способ решает задачу создания экономичного и экологически чистого способа получения безасбестового высокопрочного листового теплоизоляционного материала на основе волластонита, а также позволяет использовать материал в цветной металлургии в технологии переработки алюминия для контакта с расплавленным металлом при температуре 750-850^oC (до 1000^oC).

Сущность способа заключается в том, что на первой стадии совместно измельчают сухие компоненты: негашеную известь с активностью не менее 90%, взятую в количестве 6-12% от веса сухих компонентов в пересчете на CaO, кварцевый песок с содержанием SiО₂ не менее 99%, взятый в количестве 24-38% от веса сухих компонентов. Смесь после измельчения увлажняет до влажности 40% с целью гашения извести. Высокоигольчатый волластонит с содержанием элементарных иголок с отношением длины иглы к диаметру 5-20 не менее 50% при содержании игл с отношением длины иглы к диаметру 10-20 не менее 15% крупностью менее 0,1 мм в сухом виде перемешивают с водной суспензией алюминиевой пудры. На второй стадии смесь гашеной извести и кварцевого песка перемешивают с волластонитом и алюминиевой пудрой. В процессе перемешивания добавляют воду до влажности смеси 35-40%. В процессе смешения гидроокись кальция взаимодействует с алюминиевой пудрой с выделением водорода, при этом формируется пористая структура смеси. Количеством введенной в смесь алюминиевой пудры можно изменять плотность влажной смеси и, соответственно, плотность и пористость конечного материала. Формировать пористую структуру теплоизоляционного материала по другому варианту предлагаемого способа можно путем интенсивного механического перемешивания смеси кварцевого песка, гашеной извести и волластонита при введении в смесь водного раствора поверхностно-активного вещества (не используя при этом алюминиевую пудру). На третьей стадии смесь, обладающая высокой пластичностью за счет введения значительного количества волластонита - 50-70% от веса сухих компонентов, разливается в формы и формуется виброспособом. В процессе виброформования происходит ориентация игл волластонита преимущественно в горизонтальном направлении и окончательно формируется мелкопористая структура влажной смеси теплоизоляционного материала. Влажный отформованный материал на четвертой стадии запаривается в автоклаве при параметрах насыщенного пара: давлении 1-2,6 МПа, температуре 180- 225^oC, время автоклавной обработки 12-24 часа. При длительной автоклавной обработке (более 12 часов) при при давлении насыщенного пара более 1 МПа и температуре более 180^oC в отформованной смеси происходит интенсивное взаимное растворение окиси кальция и кварцевого песка с образованием гидросиликатов кальция-тоберморита и ксонотлита, последний имеет игольчатую кристаллическую структуру. На пятой стадии сформированный в процессе автоклавной обработки листовой теплоизоляционный материал высушивается с выдержкой в течение 1,5-3 часов при температуре 250-350^oC. При этом материал дополнительно упрочняется до такой степени (прочность 3-5 МПа при сжатии), что плиты при необходимости можно обрабатывать механическим способом (например, калибровать). На шестой стадии откалиброванные механическим способом плиты подвергают обжигу с выдержкой при температуре 850-900^oC в течение 4-6 часов. В процессе обжига происходит перекристаллизация ксонотлита в β- волластонит. Таким образом, конечный листовой теплоизоляционный материал содержит в своей структуре природный игольчатый и искусственно полученный кристаллический β- волластонит, обладает пористой структурой, высокой механической прочностью легко обрабатывается механическим способом. При сушке материала при температуре менее 250^oC с выдержкой менее 1,5 часа материал недостаточно упрочняется для механической обработки, влага не полностью удаляется из материала. При сушке материала с выдержкой при температуре более 350^oC в материале могут возникнуть трещины из-за слишком интенсивного удаления влаги. Сушка материала при 250- 350^oC с выдержкой более 3 часов приводит к излишней затрате электроэнергии, что приводит к удорожанию материала. При обжиге материала при температуре менее 850^oC и времени обжига менее 4 часов происходит неполная перекристаллизация ксонотлита в β- волластонит, обжиг при температуре более 900^oC и времени обжига более 6 часов приводит к излишней затрате электроэнергии. Неполная перекристаллизация ксонотлита в β- волластонит приводит к снижению алюмофобных свойств теплоизоляционного материала. При содержании волластонита в сухой смеси менее 50% ухудшается алюмофобные свойства конечного материала, материал хуже обрабатывается механическим способом, при содержании волластонита более 70% уменьшается конечная прочность теплоизоляционного материала. При использовании для изготовления теплоизоляционного материала волластонита, в котором содержание элементарных игл с отношением длины иглы к диаметру 5-20 менее 50%, в том числе количество игл с отношением длины иглы к диаметру 10-20 менее 15%, нельзя получить необходимую пористую структуру и высокую плотность материала, при этом ухудшаются теплоизоляционные свойства материала.

Волластонитовая структура теплоизоляционного материала придает материалу алюмофобные свойства, поэтому полученный по предлагаемому способу листовой теплоизоляционный материал можно использовать в технологии переработки алюминия для контакта с жидким металлом при температуре 750-850^oC (до 1000^oC). Материал изготовлен из высококачественных чистых сырьевых компонентов и не загрязняет жидкий металл вредными примесями при контакте. Листовой теплоизоляционный материал обладает высокими прочностными показателями и может быть использован в строительной и судостроительной индустрии.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Негашеную известь активностью 90% в количестве 6% от веса сухих компонентов и кварцевый песок с содержанием кварца 99% в количестве 24% от веса сухих компонентов совместно измельчают в шаровой мельнице, увлажняют до влажности 40% и перемешивают в течение 20 минут. Обогащенный волластонит с содержанием основного минерала не менее 90% крупностью менее 0,1 мм с отношением длины иглы к диаметру 5-10 35% и 10-20 15% в количестве 70% от веса сухих компонентов перемешивавт с водной суспензией алюминиевой пудры в количестве 0,4% от веса сухих компонентов (сверх 100%). Смесь кварцевого песка, гашеной извести, волластонита, алюминиевой пудры перемешивают с добавлением воды до влажности смеси 35% в течение 0,5 часа. Готовую смесь формуют виброспособом в листовой материал, подвергают автоклавной обработке в течение 16 часов при температуре насыщенного пара 180^oC и давлении 1 МПа, высушивают с выдержкой в течение 1,5 часа при температуре 250^oC, калибруют, обжигают с выдержкой в течение 6 часов при температуре 850^oC. Конечный материал обладает алюмофобными свойствами, может применяться при температуре до 1000^oC, плотность материала 0,8 г/см³, предел прочности при сжатии 4 МПа.

Пример 2.

Негашеную известь активностью 95% в количестве 12% от веса сухих компонентов и кварцевый песок с содержанием кварца 99% в количестве 38% от веса сухих компонентов совместно измельчают в шаровой мельнице, увлажняют до влажности 40% и перемешивают смесь в течение 20 минут. Обогащенный волластонит с содержанием основного минерала 95% крупностью менее 0,1 мм с отношением длины иглы к диаметру 5-10 35% и 10-20 30% в количестве 50% от веса сухих компонентов перемешивают с водной суспензией алюминиевой пудры в количестве 0,3% от веса сухих компонентов (сверх 100%). Смесь кварцевого песка, гашеной извести, волластонита, алюминиевой пудры перемешивают с увлажнением до влажности 40% в течение 0,5 часа. Готовую смесь формуют виброспособом в листовой материал, подвергают автоклавной обработке в течение 12 часов при температуре насыщенного пара 200^oC и давлении 1,58 МПа, высушивают с выдержкой в течение 2 часов при температуре 300^oC, калибруют, обжигают с выдержкой при температуре 850^oC в течение 5 часов. Конечный материал обладает алюмофобными свойствами, может применяться при температуре до 1000^oC, плотность материала 0,8 г/см³, предел прочности при сжатии 4 МПа.

Пример 3.

Негашеную известь активностью 95% в количестве 12% от веса сухих компонентов и кварцевый песок с содержанием кварца 99% в количестве 38% от веса сухих компонентов совместно измельчают в шаровой мельнице, увлажняют до влажности 40% и перемешивают смесь в течение 20 минут. Обогащенный волластонит с содержанием основного минерала 95% крупностью менее 0,1 мм с отношением длины иглы к диаметру 5-10 35% и 10-20 30% в количестве 50% от веса сухих компонентов перемешивают с водной суспензией алюминиевой пудры в количестве 0,3% от веса сухих компонентов (сверх 100%). Смесь кварцевого песка, гашеной извести, волластонита, алюминиевой пудры перемешивают с увлажнением до влажности 40% в течение 0,5 часа. Готовую смесь формуют виброспособом в листовой материал, подвергают автоклавной обработке в течение 12 часов при температуре насыщенного пара 200^oC и давлении 1,58 МПа, высуживают с выдержкой в течение 2 часов при температуре 300^oC, калибруют, обжигают с выдержкой при температуре 850^oC в течение 5 часов. Конечный материал обладает алюмофобными свойствами, может применяться при температуре до 1000^oC, плотность материала 1 г/см³, предел прочности при сжатии 8 МПа.

Пример 4.

Негашеную известь активностью 93% в количестве 8% от веса сухих компонентов и кварцевый песок с содержанием кварца 99% в количестве 27% от веса сухих компонентов совместно измельчают в шаровой мельнице, увлажняют до влажности 37% при перемешивании в течение 20 минут. Обогащенный волластонит с содержанием основного минерала 96% крупностью менее 0,1 мм с отношением длины иглы к диаметру 5-10 35% и 10-20 17% в количестве 65% от веса сухих компонентов перемешивают с водной суспензией алюминиевой пудры в количестве 0,2% от веса сухих компонентов (сверх 100%). Смесь кварцевого песка, гашеной извести, волластонита, алюминиевой пудры перемешивают с добавлением воды до влажности смеси 38% в течение 0,5 часа. Готовую смесь формуют виброспособом в листовой материал, автоклавируют в течение 24 часов при температуре насыщенного пара 190^oC и давлении 1,28 МПа, высушивают с выдержкой 3 часа при температуре 350^oC, калибруют до заданного размера, обжигают с выдержкой в течение 4 часов при температуре 900^oC. Конечный материал обладает алюмофобными свойствами, может применяться при температуре до 1000^oC, плотность материала 1,15 г/см³, предел прочности при сжатии 6 МПа.

Пример 5.

Негашеную известь активностью 90% в количестве 7% от веса сухих компонентов и кварцевый песок с содержанием кварца 99% в количестве 30% от веса сухих компонентов совместно измельчают в шаровой мельнице, увлажняют до влажности 40% при перемешивании в течение 20 минут. Обогащенный волластонит крупностью менее 0,1 мм с отношением длины иглы к диаметру 5-10 40% и 10-20 20% в количестве 63% от веса сухих компонентов интенсивно перемешивают в течение 0,5 часа со смесью гашеной извести, кварцевого песка при увлажнении смеси до 40% влажности с добавлением в смесь поверхностно-активного вещества в количестве 0,2% (сверх 100%) от компонентов влажной смеси. Готовую смесь формуют виброспособом в листовой материал, подвергают автоклавной обработке в течение 20 часов при температуре насыщенного пара 180^oC и давлении 1 МПа, высуживают с выдержкой в течение 3 часов при температуре 270^oC, калибруют, обжигают с выдержкой в течение 5 часов при температуре 900^oC. Конечный материал обладает аломофобными свойствами, может применяться при температуре до 1000^oС, плотность материала 0,75 г/см³, предел прочности при сжатии 5 МПа.

Источники информации 1. RU патент 2057738, кл. C 04 B 28/18, 10.04.96.

2. US патент 4144121, кл. 21 H 5/18, 13.03.79.

Формула изобретения

Способ получения теплоизоляционного материала на основе волластонита, включающий приготовление смеси извести, кварцевого песка, волластонита и воды, формование из полученной смеси листового теплоизоляционного материала, автоклавную обработку и сушку, отличающийся тем, что при приготовлении смеси негашеную известь активностью не менее 90% в количестве 6 - 12% от веса сухих компонентов в пересчете на CaO и кварцевый песок с содержанием основного минерала не менее 99 мас. % в количестве 24 - 38% от веса сухих компонентов совместно измельчают и увлажняют до влажности 40% для гашения извести, интенсивно перемешивают полученную увлажненную смесь с высокоигольчатым волластонитом в количестве 50 - 70% от веса сухих компонентов с добавлением водной суспензии алюминиевой пудры в качестве порообразователя или водного раствора поверхностно-активного вещества в качестве вспенивателя с формированием пористой структуры при увлажнении смеси до влажности 35 - 40%, формуют виброспособом, сушат сформованный листовой материал при 250 - 350^oС с выдержкой в течение 1,5 - 3 ч и обжигают при 850 - 900^oС с выдержкой в течение 4 - 6 ч, причем содержание в волластоните элементарных игл с отношением длины иглы к диаметру 5 - 20 составляет не менее 59%, в том числе содержание игл с отношением длины иглы к диаметру 10 - 20 составляет 15%.