Способ получения изделий из кварцевой керамики

 

Изобретение относится к технологии производства изделий из кварцевой керамики различного назначения и позволяет получать крупногабаритные изделия с высокими прочностными характеристиками и однородностью материала. Технологический процесс получения водного шликера включает приготовление порошкообразного наполнителя в шаровой мельнице путем сухого помола кварцевого стекла в течение 10-60 мин при соотношении стекло : мелющие тела, равном 1: (1,5-2,5). Затем в мельницу с наполнителем заливают 60-90% по твердой фазе формовочного шликера первичный шликер с плотностью 1,85-1,89 г/см³, перемешивают и процеживают через сетку с ячейкой 1 мм. Из полученного шликера формуют изделия и обжигают. Фракционность наполнителя с размером зерна 0,10-1,0 мм в количестве не менее 95% регулируют временем помола и соотношением стекло : мелющие тела, а верхний предел зерен в шликере ограничивают сеткой с ячейкой 1 мм при сливе шликера из мельницы. С целью исключения перемола при перемешивании формовочного шликера, количество мелющих тел в мельнице не превышает 80% от массы твердой фазы в шликере. Технический результат изобретения - упрощение технологии получения формовочного шликера и улучшение условий труда при работе с порошкообразным наполнителем. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к керамическому производству, к технологии получения изделий из кварцевой керамики различного назначения - сталеразливочные стаканы и защитные трубы для непрерывной разливки стали, мешалки, плунжеры, валы, поддоны стекольного производства, штампы, формы, тигли для литья и прессования металлов.

Известен способ получения кварцевой керамики для изготовления крупногабаритных изделий (авт. св. СССР 1668338, кл. С 04 В 35/14, бюл. 29, 1991 г.), включающий мокрый помол кварцевого стекла и получение первичного шликера, введение в него наполнителя в виде сухого порошка кварцевого стекла, перемешивание до получения однородной формовочной массы, шликерное литье отливок в гипсовых формах, сушку и обжиг. Порошкообразный наполнитель получают путем дробления и помола кварцевого стекла и сухого рассева (отсева) нужной фракции. Затем производят взвешивание и засыпку порошка в мельницу со шликером. Все операции по изготовлению порошкообразного наполнителя, его затаривание, взвешивание и засыпка в мельницу сопряжены с выделением кварцевой пыли, вредной для здоровья человека.

Иногда (авт. св. СССР 1701701, кл. С 04 В, бюл. 48, 1991 г.), в том числе и с целью снижения запыленности, в качестве наполнителя используют порошки с более крупным зерном (от 0,25 до 3,5 мм), затем производят домол суспензии до остатка на сите 0,063 мм в количестве 25-30%. Однако, в связи с тем, что процесс приготовления наполнителя не исключает сухой рассев порошка по фракциям, запыленность не устраняется. Кроме того, предложенная трехстадийная технология получения шликера усложняет производство, делает его более трудоемким.

Наиболее близким по технологическому решению является способ получения формовочного шликера, описанный в патенте РФ 2153481, кл. С 04 В 35/14, бюл. 21, 2000 г. Он включает: - приготовление первичного шликера с плотностью 1,89-1,93 г/см³ мокрым помолом кварцевого стекла; - приготовление наполнителя с дисперсностью 0,1-2,0 мм путем дробления стекла, рассева порошка на фракции и магнитного обогащения; - увлажнение наполнителя формовочным сливом с плотностью 1,40-1,65 г/см³ до влажности 2-5%; - смешение первичного шликера и наполнителя с размером зерна от 0,1 до 2,0 мм в бетоносмесителе на протяжении не менее 5 мин.

В дальнейшем осуществляют формование изделий методом центробежного литья, сушку и обжиг.

По сравнению с аналогами прототип имеет то преимущество в части подготовки формовочной массы (шликера), что на последнем этапе работ с наполнителем - смешением его с первичным шликером, применено увлажнение порошка низкоплотной (1,4-1,5 г/см³) суспензией из отходов (слива) при центробежном формовании изделий. Недостатком прототипа, как и аналогов, является необходимость проведения технологических операций с сухим порошком (рассев, взвешивание, затаривание и др. ), что приводит к ухудшению условий труда, усложняет и удлиняет процесс приготовления шликера. Требуется также дополнительное оборудование по рассеву порошка, смешению наполнителя со сливом и первичным шликером.

Кроме того, недостатком предложенного способа является то, что выбранные технологические параметры формовочного шликера (высокая плотность первичного шликера 1,89-1,93 г/см³ и наличие крупных частиц кварцевого стекла 1-2 мм) не позволяют осуществлять контроль шликера по основным технологическим параметрам (плотность, вязкость, текучесть), которые определяют качество не только шликера, но и отформованных заготовок. Не случайно, эти параметры в описании отсутствуют. Без контроля выходных параметров шликера организовать стабильный технологический процесс производства изделий не представляется возможным.

Кварцевая керамика, полученная по этому способу, имея в своей структуре слабо спеченное зерно стекла размером 1-2 мм, отличается большой неоднородностью и низкой прочностью при изгибе, растяжении, что существенно ограничивает области ее применения.

Целью изобретения является упрощение технологии получения формовочного шликера из кварцевого стекла, улучшение условий труда при работе с порошкообразным наполнителем.

Поставленная цель достигается тем, что технологический процесс получения формовочного шликера кварцевого стекла с порошкообразным наполнителем включает приготовление наполнителя в шаровой мельнице путем сухого помола кварцевого стекла в течение 10-60 мин при соотношении стекло : мелющие тела, равном 1,0:1,5-2,5, затем в мельницу с наполнителем заливают 60-90% по твердой фазе к наполнителю первичный шликер с плотностью 1,85-1,89 г/см³, перемешивают и процеживают через сетку с ячейкой 1 мм. Фракционность наполнителя с размером зерна 0,10-1,00 мм в количестве не менее 95% регулируют временем помола и соотношением стекло : мелющие тела, а верхний предел зерен в шликере ограничивают сеткой с ячейкой 1 мм при сливе шликера из мельницы.

С целью исключения перемола при перемешивании формовочного шликера, количество мелющих тел в мельнице не должно превышать 80% от массы твердой фазы в шликере.

Авторами экспериментально установлено, что порошки для наполнителя с размером зерна от 0,10 до 1,0-2,0 мм в количестве не менее 95% можно получить в обычных шаровых мельницах при кратковременном помоле в течение 10-60 мин боя кварцевого стекла (после щековой дробилки) корундовыми мелющими телами при соотношении стекло : мелющие тела, равном 1:1,5-2,5.

Так сухой помол кварцевых труб в мельнице ОТА 88 в количестве 40 кг мелющими телами весом 70 кг длительностью 30 мин обеспечивает получение порошка наполнителя с зерновым составом: частиц с размером более 1 мм - 0,5-2,0%, 0,63-1,0 мм - 15-25%, 0,2-0,63 мм - 50-70%, 0,1-0,2 мм - 5-15%, частиц менее 0,1 мм - 0,5-3,0%.

Изменяя соотношение загрузки стекла и мелющих тел, время помола, можно регулировать зерновой состав наполнителя в пределах 0,1-1,0-2,0 мм при общем количестве этой фракции не менее 95%. Ограничение фракционного состава до 1 мм позволило получить более однородный и прочный материал. С целью улучшения условий труда, отсев крупной фракции (около 3% от массы наполнителя) не производили. Такие частицы отделялись при сливе формовочного шликера через сито с ячейкой 1 мм.

Для улучшения технологических и реологических свойств формовочного шликера, обеспечения его контроля по основным технологическим параметрам плотность первичного шликера выбрана в пределах 1,85-1,89 г/см³, при этом плотность формовочного шликера составит 1,90-1,93 г/см³. Такой шликер имеет хорошие литейные свойства, позволяет формовать однородные и с высоким качеством отливки.

Предложенный способ включает следующие технологические этапы:
- приготовление первичного шликера мокрым помолом кварцевого стекла с плотностью 1,85-1,89 г/см³;
- приготовление наполнителя с дисперсностью 0,1-1,0 мм путем сухого помола кварцевого стекла в шаровой мельнице в течение 10-60 мин при соотношении стекло : мелющие тела, равном 1:1,5-2,5;
- заливку в мельницу с наполнителем первичного шликера в количестве 60-90% по твердой фазе к наполнителю;
- контроль формовочного шликера по основным параметрам: плотность, вязкость, рН, влажность, тонина (количество частиц более 63 мкм), количество частиц до 5 мкм и др.

Далее осуществляли формование, сушку и обжиг изделий. При этом, формование изделий можно производить различными методами - водным шликерным литьем в гипсовых формах, электрофорезом или центробежным литьем.

Примеры выполнения способа
Пример 1. В мельницу с корундовой футеровкой ОТА 88 емкостью 300 л загружали 10 кг боя кварцевого стекла размером 5-25 мм и 25 кг алундовых мелющих шаров диаметром 20-40 мм. Через 10 мин помола порошок имел следующий зерновой состав:
частиц с размером до 0,1 мм - 2,5%,
0,1-0,2 мм - 10%,
0,2-0,63 мм - 65%,
0,63-1,0 мм - 20%,
частиц с размером более 1,0 мм - 2,5%.

В аналогичной мельнице готовили первичный шликер мокрым помолом боя кварцевого стекла при соотношении стекло : мелющие тела : вода, равном 1: 1,8:0,13, до тонины (фракции более 0,063 мм) 7%. После отделения мелющих тел шликер стабилизировали в течение 2 сут. Реологические свойства первичного шликера:
Плотность - 1,89 г/см³.

Вязкость - 35 с по ВЗ-1.

рН - 5,4.

Тонина - 7%.

Полученный шликер в количестве 60 л заливали в мельницу с 10 кг наполнителя и 25 кг мелющими телами, затем перемешивали в течение 5 ч. Суспензию выливали из мельницы через сетку с ячейкой 1,0 мм. Выходные параметры формовочного шликера:
Плотность - 1,91 г/см³.

Вязкость - 40 с по ВЗ-1.

рН - 5,5.

Тонина - 15%.

Из полученного шликера формовали цилиндрические трубы диаметром 200 мм, высотой 800 мм с толщиной стенки 30 мм методом электрофореза. Изделия сушили и обжигали при 1200^oC в течение 2 ч. Пористость материала 13%, прочность при изгибе 30-40 МПа.

Пример 2. В мельницу загружали 50 кг дробленого на щековой дробилке кварцевого стекла с размером кусков 3-25 мм и 90 кг алундовых мелющих шаров. Через 30 мин сухого помола порошок имел следующий зерновой состав:
частиц с размером до 0,1 мм - 2%,
0,1-0,2 мм - 6%,
0,2-0,63 мм - 75%,
0,63-1,0 мм - 15%,
частиц с размером более 1,0 мм - 2,0%.

Из такого же сырья мокрым помолом аналогично п.1 готовили первичный шликер, который после стабилизации имел свойства:
Плотность - 1,87 г/см³.

Вязкость - 25 с по ВЗ-1.

рН - 5,6.

Тонина - 5%.

45 л шликера переливали в мельницу с наполнителем. Туда же для получения требуемой плотности вводили дистиллированную воду и перемешивали. После перемешивания в течение 10 ч шликер имел свойства:
Плотность - 1,90 г/см³.

Вязкость - 50 с по ВЗ-1.

рН - 5,4.

Тонина - 17%.

Из полученного шликера в гипсовых формах формовали сталеразливочные стаканы ОТИ 990.001 высотой 720 мм, диаметром 200 мм и толщиной стенки 25-35 мм. Изделия сушили и обжигали при Т=1200^oC с выдержкой 2 ч. Пористость изделий 11-12%.

Пример 3. В мельницу загружали 40 кг боя стеклотруб и 70 кг алундовых мелющих шаров. Через 60 мин помола порошок наполнителя имел следующий зерновой состав:
частиц с размером до 0,10 мм - 3%,
0,10-0,20 мм - 18%,
0,20-0,63 мм - 69%,
0,63-1,00 мм - 9,5%,
частиц с размером более 1,00 мм - 0,5%.

Из такого же сырья мокрым помолом аналогично пп. 1, 2 приготавливали шликер с параметрами:
Плотность - 1,85 г/см³.

Вязкость - 25 с по ВЗ-1.

рН - 5,5.

Тонина - 4%.

Полученный шликер в количестве 60 л заливали в первую мельницу с наполнителем, перемешивали с шарами в течение 2 ч. Шликер процеживали через сетку с ячейкой 1,0 мм и формовали в гипсовых формах плиты размером 150ν800ν30 мм. Свойства формовочного шликера:
Плотность - 1,93 г/см³.

Вязкость - 60 с по ВЗ-1.

рН - 5,4.

Тонина - 20%.

Изделия сушили и обжигали при максимальной температуре 1230^oC длительностью 2 ч. Материал имел пористость 10%, прочность при изгибе 50-60 МПа.

Предложенный способ получения изделий из кварцевой керамики имеет следующие достоинства:
- полное исключение запыленности при производстве кварцевой керамики с применением порошкообразных наполнителей и, тем самым, улучшение условий труда;
- упрощение технологии приготовления формовочного шликера за счет исключения операций рассева, взвешивания, затаривания порошка, использования в технологическом процессе получения шликера только однотипного оборудования закрытого типа - шаровой мельницы;
- обеспечивает получение крупногабаритных изделий из кварцевой керамики с высокими прочностными характеристиками и однородностью;
- позволяет осуществлять полный контроль реологических и технологических свойств шликера перед формованием изделий, чем обеспечивается непрерывный контроль технологического процесса и облегчает стабилизацию технологии и производство качественных изделий.

Основные принципы способа можно применять также для получения других видов керамики, например, ситаллокерамики, шамотной керамики и других.

Формула изобретения

1. Способ получения изделий из кварцевой керамики, включающий мокрый помол кварцевого стекла и получение первичного шликера, приготовление порошкообразного наполнителя, перемешивание первичного шликера с наполнителем, формование и обжиг изделий, отличающийся тем, что приготовление порошкообразного наполнителя осуществляют путем сухого помола кварцевого стекла в шаровой мельнице в течение 10-60 мин при соотношении стекло : мелющие тела, равном 1,0: (1,5-2,5), затем в мельницу с наполнителем заливают первичный шликер с плотностью 1,85-1,89 г/см³ в количестве 60-90% по твердой фазе формовочного шликера, после перемешивания шликер процеживают через сетку 1,0 мм.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фракционность наполнителя с размером зерна 0,10-1,00 мм в количестве не менее 95% регулируют временем помола и соотношением стекло : мелющие тела, а верхний предел зерен в шликере ограничивают сеткой с ячейкой 1,0 мм при сливе шликера из мельницы.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью исключения перемола при перемешивании формовочного шликера, количество мелющих тел в мельнице не должно превышать 80% от массы твердой фазы в шликере.