Способ получения теплонакопительных материалов

Изобретение относится к области производства теплонакопительных материалов. Технический результат изобретения - повышение удельной теплоемкости материала на основе талькомагнезита. Способ получения теплонакопительных материалов на основе талькомагнезита включает получение 30-60% водной суспензии талькомагнезита путём измельчения талькомагнезита, смешение его с водой, дополнительное введение в суспензию 5-15 мас.% окислов железа, 0,5-4 мас.% жидкого стекла, 0,05-7 мас.% цемента, обработку в роторном кавитационном аппарате при числе оборотов ротора 3000-12000 в минуту, температуре 15-70^оС, числе циклов обработки 5-50, формование полученной массы под давлением и ее термическую обработку.

 

Изобретение относится к области производства огнеупоров и может быть использовано для получения материалов с повышенной теплонакопительной способностью и теплоемкостью.

Основным направлением успешного развития огнеупорной промышленности в России в настоящее время является значительное увеличение экспорта огнеупоров - сначала огнеупорного сырья, а затем изделий [1-4].

В условиях высоких широт особое значение имеет получение материалов с теплонакопительными свойствами.

Известен теплонакопительный материал магнезитовый мертель, используемый для производства периклазовых кирпичей [5-6]. Он включает, мас.%: оксида магния 89, оксида кальция 4,5, диоксида кремния 3 и оксида железа до 2,5.

Для получения кирпичей измельченную массу смешивают с водой, формуют, формовки сушат при 120-150°С, затем обжигают при 1600°С, охлаждают и используют. Получают периклазовые кирпичи со следующими химическими и теплофизическими свойствами: открытая пористость до 26%, предел прочности при сжатии - не ниже 40 Н/мм², температура начала размягчения - выше 1550°С, плотность 2,6 г/см³, теплоемкость 1,08 кДж/кг·К, температуропроводность 1,25 мм²/°С, коэффициент аккумуляции тепла 99,14 Вт·°С/м²·К, термический коэффициент линейного расширения 13,5·10^-6 К^-1, коэффициент теплопроводности 3,5 Вт/м·К.

Недостаток известного способа заключается в относительно низкой теплоемкости материала.

Описан способ получения теплонакопительных материалов на основе талькомагнезита, принятый за прототип [6].

Для получения теплонакопительных материалов измельченную массу, указанного выше состава, подсушивают при температуре 70°С, смешивают с водой, формуют под давлением 80-150 МПа, затем обжигают при температурах до 1600°С, охлаждают и складируют. Получают материалы со следующими физическими характеристиками: плотность 2980 кг/м³, точка размягчения 1630-1640°С, удельная теплоемкость 0,98 Дж/г·°С, теплопроводность 6,4 Вт/м²·К, коэффициент линейного расширения 0,000017 К^-1, максимальное давление 25 МН/м².

Недостаток известного способа (прототипа) связан с низкой теплоемкостью материала.

Задачей настоящего изобретения является повышение удельной теплоемкости (теплонакопительной способности материала) на основе талькомагнезита.

Это достигается тем, что в способе получения теплонакопительных материалов на основе талькомагнезита, заключающемся в его измельчении, смешении с водой и другими компонентами, формовании полученной массы под давлением, ее термической обработке, охлаждении и использовании полученных изделий, 30-60%-ную водную суспензию талькомагнезита, содержащую дополнительно, мас.%: окислы железа 5-15, жидкое стекло 0,5-4, цемент 0,05-7, обрабатывают в роторном кавитационном аппарате при числе оборотов ротора 3000-12000 в мин, температуре 15-70°С, числе циклов обработки 5-50, обработанную суспензию далее используют для производства изделий по известной технологии.

При кавитации, сопровождаемой люминесценцией, ионизацией и др. воды и талькомагнезитовой смеси, возникают газовые пузырьки размером 50-120 мкм, приводящие к активации воды и образованию активных центров на твердой поверхности [7]. Эти кавитационные пузырьки заполнены газом, паром или их смесью. Захлопывание пузырьков сопровождается адиабатическим нагревом газа и смеси до температуры 10⁴ °С [8]. Поэтому происходит нагревание воды и талькомагнезитовой массы, способствующее удалению из них низкокипящих соединений. Кроме того, при кавитации в воде образуются радикалы НО₂ ^-, ^-ОН и перекись водорода, а также радикалы талькомагнезита, способствующие значительному повышению реакционной способности смеси, ее объемной сшивке и повышению теплоемкости.

Пузырьки захлопываются во время полупериодов сжатия, создавая кратковременные (порядка 10^-6 с) импульсы давления (до 10⁴ кгс/см² и более). Эти импульсы давления, возникающие в кавитационных пузырьках обусловливают образование радикалов и активных центров в составе талькомагнезитовой суспензии, что приводит к их взаимодействию между собой, формированию прочных объемных связей и повышению теплоемкости материала. Накопление перекиси водорода приводит к окислению компонентов смеси, что повышает их склонность к адгезионному взаимодействию между собой.

Соотношение талькомагнезитовая смесь/вода равно 70/30-40/60. Увеличение этого отношения выше 70/30 нежелательно, так как возрастает вязкость талькомагнезитовой смеси, а понижение отношения ниже 40/60 сильно разжижает массу и увеличивает энергозатраты на ее обработку.

Кавитация водной талькомагнезитовой суспензии проводится при числе оборотов ротора кавитатора (ЧОРК) 3000-12000 в минуту. Уменьшение ЧОРК ниже 3000 в минуту не позволяет получить талькомагнезитовую смесь с повышенной теплоемкостью. Повышение ЧОРК более 12000 в минуту ограничивается техническими возможностями.

Число циклов (ЧЦ) обработки водной талькомагнезитовой суспензии равно 5-50. При ЧЦ обработки меньше 5 получается материал с более низкой теплоемкостью. ЧЦ, равное 50 и ниже, необходимо для получения материалов на основе талькомагнезита с оптимальной теплоемкостью. Увеличение ЧЦ выше 50 повышает энергозатраты на активацию талькомагнезитовой суспензии.

В процессе кавитации талькомагнезитовая суспензия нагревается с 15 до 70°С, что способствует удалению из нее легколетучих соединений и ее активации.

Суть предлагаемого способа поясняется на примерах.

Пример 1.

21 кг талькомагнезита и 6 кг FeO измельчают и смешивают с 1,5 кг жидкого стекла и 15 кг воды (соотношение твердая фаза/вода равно 65,52/34,48). Полученную суспензию обрабатывают в кавитационном аппарате, описанном в патенте РФ №2131087, при ЧОРК 6000 в минуту, числе циклов 50 и температуре 15°С. При кавитационной обработке температура смеси повышается до 70°С, в результате чего из нее удаляются низкокипящие соединения, а ее реакционная способность увеличивается. Обработанную суспензию затем используют для получения изделий по известной технологии.

Получен теплонакопительный материал с удельной теплоемкостью 1,54 кДж/кг·К. Аналогичный материал, полученный без использования обработки в кавитаторе, имеет удельную теплоемкость, равную 1,39 кДж/кг·К.

Пример 2.

12 кг талькомагнезита, 3 кг FeO, 2 кг цемента измельчают и смешивают с 15 кг воды при соотношении твердая фаза/вода, равном 53,12/46,88. Полученную суспензию обрабатывают в кавитационном аппарате при ЧОРК 3000 в минуту, числе циклов 20 и температуре 15°С. Обработанную суспензию далее используют для получения изделий по обычной технологии.

Получен материал с удельной теплоемкостью 0,793 кДж/кг·К, пористостью 56,2% (по ГОСТ 2409), кажущейся плотностью 1,27% (по ГОСТ 2409) и пределом прочности при сжатии 0,75 Н/мм² (по ГОСТ 4071).

Аналогичный материал, полученный без его обработки в кавитаторе, характеризуется удельной теплоемкостью 0,758 кДж/кг·К, пористостью 49,9%, кажущейся плотностью 1,6, пределом прочности на сжатие 0,19 Н/мм².

Следовательно, использование кавитационной технологии позволяет повысить удельную теплоемкость теплонакопительного материала на основе талькомагнезита на 4,6-9,7%.

Литература

1. Гринберг В. География на экспорт. Национальная металлургия. 2003. №5. с.13-17.

2. Аналитическая группа. Аналитика. Металлургия в цифрах, факты, комментарии. Национальная металлургия. 2003. №5, с.77-83.

3. Шаккум М. Условия успешного роста. Металлы Евразии. 2003. №5. С.4-6.

4. Андно Ю. Корпорация - новый уровень управления. Металлы Евразии. 2003. №5. С.24-29.

5. Большая Советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1973. №12. С.55.

6. Стрелов К.К., Кащеев И.Д., Мамыкин П.С. Технология огнеупоров. - М.: Металлургия. 1988. 528 с. С.351.

7. Гривнин Ю.А., Зубрилов А.С., Зубрилов С.П., Афанасьев С.П. // Ж. физ. химии. 1996. Т.70. №5. С.927-930.

8. Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 3-е изд. 1973. Т.11. С.111-113.

Способ получения теплонакопительных материалов на основе талькомагнезита, включающий получение 30-60%-ной водной суспензии талькомагнезита путём измельчения талькомагнезита, смешение его с водой, дополнительное введение в суспензию 5-15 мас.% окислов железа, 0,5-4 мас.% жидкого стекла, 0,05-7 мас.% цемента, обработку в роторном кавитационном аппарате при числе оборотов ротора 3000-12000 в минуту, температуре 15-70^оС, числе циклов обработки 5-50, формование полученной массы под давлением и ее термическую обработку.