Шихта для получения пористого керамического материала
Изобретение относится к получению пористой, проницаемой керамики для изготовления керамических фильтрующих элементов. Технический результат изобретения - повышение качества пористого керамического материала. Шихта содержит электрокорундовый наполнитель в количестве 10-70% и мелкодисперсную смесь в количестве 30-90% при содержании компонентов в смеси: мас.%: дистен-силлиманит 9-41, оксидал 6-61, глинозем ГК 9-40, каолин 3-13, бентонит 4-9, глина 1-4. В качестве связующего шихта содержит 4-6% декстрина сверх 100%, при соотношении размера частиц мелкодисперсной смеси и электрокорундового наполнителя от 0,02 до 0,06. 2 табл.
Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению пористой, проницаемой керамики для изготовления керамических фильтрующих элементов.
Разработка установок для очистки горячих газов с температурой до 1000°С потребовала создания фильтрующих элементов с повышенными требованиями к механической прочности и термической стойкостью, их эффективной работоспособности в условиях коррозионного воздействия кислотных или щелочных компонентов отходящих газов, с высокой степенью очистки от пылевых частиц размером 1-2 мкм.
Основным методом получения пористой проницаемой керамики является использование шихты, содержащей наполнитель определенной дисперсности, минеральные связки, формирующие макро- и микроструктуру и органические связующие для придания транспортной прочности полуфабрикату (Смирнова К.А. Пористая керамика для фильтрации и аэрации. - М: Стройиздат, 1968 -196 с; Беркман А.С., Мельникова Н.Г. Пористая проницаемая керамика - Л.: Стройиздат, 19691-141 с; Пугин B.C. Пористые проницаемые материалы - Киев: Наукова Думка, 1970).
Соотношение наполнителя и керамической связки определяют объемное содержание проницаемых пор, их гидравлический диаметр, компоненты керамического связующего формируют прочностные и термопрочностные характеристики, а кристаллические структуры, образующиеся в процессе синтеза проницаемой керамики, должны обеспечивать эффективную работоспособность в условиях воздействия кислотных или щелочных компонентов очищаемых газов.
Практика показала, что амфотерный оксид алюминия эффективно работает в кислотных и щелочных средах и может быть использован в качестве наполнителя.
Известны шихты для получения пористого керамического материала, содержащие в основном электрокорундовые наполнители с использованием в качестве минеральной связки простых и сложных оксидных соединений и органических связующих (SU 1013435, 23.04.1983, SU 1036704, 23.08.1983, SU 1654290, 07.06.1991, RU 2033987, 30.04.1995, RU 2114090, 27.06.1998).
Недостатками пористой керамики из известных шихт являются невысокие значения проницаемой пористости и прочности, получаемый минимальный гидравлический размер пор, на уровне 18-20 мкм, не позволяет использовать известные шихты для изготовления фильтрующих элементов для очистки газов с пылевыми частицами размером 1-2 мкм, а образующиеся кристаллические фазы не устойчивы в кислотных или щелочных средах.
Наиболее близким к заявляемому объекту по решаемой технической задаче - прототипом - является масса для изготовления пористой фильтрующей керамики, включающая фракционированный электрокорунд или шамот, в качестве глинистого компонента - натриевый монтмориллонит и органическую связку в виде декстрина или поливинилацетатную связку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Указанный монофракционный электрокорунд | |
| или шамот, или их смесь в соотношении 1:1 | 69-78 |
| Натриевый монтмориллонит | 21-30 |
| Органическая связка | 1-5 |
(SU 1654290 А 1, кл. С 04 В 38/00, опубл. 07.06.1991 Бюл.21) Недостатком известной смеси является то, что она содержит повышенное содержание натриевого монтмориллонита, что снижает общую пористость материала. Синтезированные фазы обладают низкой устойчивостью, как в щелочной, так и в кислотной среде, а размеры пор при фракциях корунда 40-50 мкм не позволяют достичь возможной очистки от пыли размером 1-2 мкм вследствие большого коэффициента вариации гидравлического диаметра пор.
Задачей изобретения является разработка шихты для изготовления пористого проницаемого, керамического материала, обеспечивающей достижение цели изобретения - повышение качества пористого керамического материала.
Поставленная цель достигается в отличие от известной шихты тем, что мелкодисперсная связка включает следующие компоненты, мас.%
| Димстен-силлиманит | 9-41 |
| Глинозем ГК | 9-40 |
| Оксидал | 6-61 |
| Каолин | 3-13 |
| Бентонит | 4-9 |
| Глина | 1-4 |
при соотношении компонентов шихты, мас.%, электрокорундовый наполнитель 10-70, мелкодисперсная связка 3-90, органическое связующее сверх 100% 4-6 и соотношении размера частиц мелкодисперсной смеси и электрокорундового наполнителя от 0,02 до 0,06
Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем:
- присутствие дистена увеличивает открытую и проницаемую пористость вследствие увеличения объема при переходе более плотного кианита тригональной структуры в ромбический муллит с менее плотной упаковкой и компенсирует усадочные процессы за счет образования жидких фаз бентонита и глинистых компонентов;
- совокупность компонентов мелкодисперсной смеси позволяет получать пористый проницаемый материал с равномерным объемным распределением мелких пор, с узким доверительным интервалом их размеров, а процентное соотношение компонентов обусловлено граничными условиями: минимальное содержание компонентов не приводит к повышению прочности пористого каркаса при максимальной его пористости, максимальное содержание компонентов резко снижает объем проницаемых пор при максимальной прочности;
- введение оксидала (α - Al2О3) и глинозема ГК позволяет устранить возможные дефекты пористого каркаса, образованного электрокорундовым наполнителем, а соотношение размеров частиц мелкодисперсной смеси и электрокорундового наполнителя от 0,02 до 0,06 позволяет получать мелкие поры в широком диапазоне общей пористости;
- временное технологическое связующее в виде водного раствора декстрина при содержании 4-6% на сухой вес сверх 100% не участвует в образовании кристаллических фаз пористого материала, а используется как средство для придания прочности полуфабриката при прессовании и транспортировке в технологических операциях.
Пример изготовления шихты
Для изготовления шихты были использованы компоненты:
Электрокорунд, ТУ 3988-075-0022450-99;
Дистен-силлиманит ТУ - 11-10-017-93;
Оксидал (α - Al2О3) - пыль электрофильтров Ачинского глиноземного комбината, очищенная от железа и щелочных компонентов ТУ - 8.39157-26003;
Глинозем ГК-1 Гост 30559-98;
Каолин КЕ-1 ТУ - 57-29-070-00284530-96.
Бентонит Болгарский ТУ-3-94-08-658-86
Глина Печорская ТУ - 56171-05
Все компоненты керамической связки были подготовлены путем дробления и измельчения до величины частиц 1-3 мкм. Из подготовленных компонентов изготавливали шихту. Схема изготовления шихты во всех вариантах была идентична и состояла в следующем: смешивали расчетное количество электрокорунда, оксидала, дистен-силлиманита, глинозема всухую в течение 5-10 мин, добавляли раствор декстрина в воде и продолжали смешение в течение 5 мин, к подготовленной массе добавляли смесь глинистых компонентов, смешанных всухую, в течение 3-5 мин, и все компоненты дополнительно перемешивали в течение 5-10 мин. Подготовленную шихту помещали в герметичную емкость и осуществляли вылежку в течение 24-48 часов.
Подготовленную шихту формовали в металлических пресс-формах при давлении 20-40 мПа, превышение которого нецелесообразно из-за разрушения крупных фракций наполнителя.
Отформованные плиты размером 300×300×10 мм спекали в воздушной среде при температуре 1300±100°С. Примеры составов и характеристики проницаемых, керамических фильтрующих элементов представлены в таблице 1, 2. Изделия, изготовленные из предлагаемых шихт, были испытаны на демонстрационной мусоросжигающей установке, в интервале температур отходящих газов 500-700°С, результаты испытаний показали эффективность работы проницаемых, керамических материалов, позволивших достигнуть степени очистки воздуха ≈99,9% от продуктов сжигания твердых бытовых отходов.
Таким образом, была подтверждена техническая полезность и реализованы поставленные цели, а также выявлена возможность использования предложенного технического решения для изготовления керамического проницаемого материала для сохранения экологии окружающей среды.
| Таблица 1. Характеристики фильтрующих материалов. | ||||
| Компоненты шихты | Содержание компонентов, масс.% | Прототип | ||
| Шихта 1 | Шихта 2 | Шихта 3 | ||
| Электрокорунд (50-60 мкм) | 10 | 40 | 70 | 69 |
| Дистен-силлиманит | 7,8 | 9,7 | 11,6 | |
| Оксидал | 52,8 | 27,3 | 1,7 | |
| Глинозем | 7,7 | 9,5 | 11,3 | |
| Каолин | 11,2 | 6,0 | 0,9 | |
| Бентонит | 3,5 | 3,0 | 2,5 | 30 |
| Глина | 3,5 | 1,9 | 0,3 | |
| Декстрин | 3,5 | 2,6 | 1,7 | 1,0 |
| Таблица 2 | ||||
| Характеристика | Предложенное техническое решение | Прототип | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Пористость, % | 40 | 50 | 65 | 27-32 |
| Размер пор, мкм | 1,2 | 1,5 | 2,0 | 21 |
| Проницаемость, пм2 | 10 | 15 | 20 | 5 |
| Прочность, МПа | 90 | 82 | 60 | 50-55 |
| Термостойкость теплосмен (1000±50)°С охлаждение в воде | 15 | 12 | 10 | 8 |
| Кислотостойкость % | 99,2 | 99,7 | 99,8 | 95,6 |
| Щелочестойкость, % | 100 | 100 | 100 | 98,5 |
Шихта для получения пористого керамического материала, содержащая монофракционный электрокорунд, мелкодисперсную минеральную связку и органическое связующее, отличающаяся тем, что мелкодисперсная связка включает следующие компоненты, мас.%:
| Дистен-силлиманит | 9-41 |
| Оксидал | 6-61 |
| Глинозем ГК | 9-40 |
| Каолин | 3-13 |
| Бентонит | 4-9 |
| Глина | 1-4 |
при соотношении компонентов шихты, мас.%:
| Электрокорундовый наполнитель | 10-70 |
| Мелкодисперсная связка | 30-90 |
| Органическое связующее сверх 100% | 4-6 |
и отношении размера частиц мелкодисперсной смеси и электрокорундового наполнителя от 0,02 до 0,06.
