Высокоглиноземистая вяжущая суспензия для получения керамического материала

Изобретение относится к области производства огнеупорных и керамических материалов, используемых для непрерывной разливки сталей, а также в печных огнеупорах. Высокоглиноземистая вяжущая суспензия включает следующие компоненты, мас.%: электроплавленый корунд 56,95-78,49, плавленый кварц 20-40, графит 1,0-2,0, этилсиликат 0,01-0,05, ортофосфорная кислота 0,5-1,0. Технический результат - повышение прочности на сжатие до 500 МПа, термостойкости (1000°С - вода) до 13 теплосмен и устранение расслоения отливок. 1 табл.

 

Изобретение относится к производству огнеупорных и керамических материалов, используемых для непрерывной разливки сталей, и в печных огнеупорах.

Известен шликер для получения керамического материала (Авторское свидетельство СССР №1339110, С04В 35/10, опубл. 23.09.1987 г.), включающий, мас.%:

электрокорунд	83,5-88,4
ортофосфорная кислота	0,1-0,5
вода	11,5-16,0

Недостатком данного шликера является низкая термостойкость полученного из него материала, что не позволяет использовать его для изделий, работающих в режиме термоудара.

Известна также высокоглиноземистая вяжущая суспензия (патент РФ №2141459, С04В 35/10, опубл. 20.11.1999 г.), включающая, мас.% на сухое вещество:

высокоглиноземистый материал	70-90
высокодисперсное кварцевое стекло	5-30

Недостатком суспензии является высокая пористость и низкая прочность отливок из нее. Для повышения прочности и снижения пористости необходима более высокая температура спекания, однако для данной суспензии это невозможно, т.к. вяжущую суспензию получают на основе муллита или боксита, которые, имея большое количество примесей, в том числе и щелочных, вызывают образование кристобалита в кварцевой составляющей смеси при обжиге и, следовательно, разрушение отливок в процессе охлаждения.

Наиболее близкой (прототипом) является высокоглиноземистая суспензия на основе смеси суспензий плавленого кварца и электроплавленого корунда (Тимошенко К.В., Пивинский Ю.Е. Реотехнологические свойства смешанных суспензий в системе SiO₂-Al₂O₃ и некоторые свойства материалов на их основе. Огнеупоры и техническая керамика, 2001 г., №9).

Недостатком этой суспензии является низкая прочность и термостойкость отливок из нее, расслоение отливок по толщине.

Технической задачей изобретения является повышение прочности, термостойкости и исключение расслоения отливок по толщине.

Для решения этой задачи высокоглиноземистая вяжущая суспензия для получения керамического материала, содержащая смесь суспензий электроплавленого корунда и плавленого кварца, получаемых раздельным мокрым помолом, дополнительно содержит графит, этилсиликат и ортофосфорную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.% на сухое вещество:

электроплавленый корунд	56,95-78,49
плавленый кварц	20-40
графит	1,0-2,0
этилсиликат	0,01-0,05
ортофосфорная кислота	0,5-1,0

При смешении суспензий из материалов с таким разным удельным весом (γAl₂O₃ ˜ 4 г/см³, γSiO₂ ˜ 2,21 г/см³) и последующим их литьем в активные формы наблюдается расслоение смеси по толщине отливки, так как более легкие частицы SiO₂ быстрее оттягиваются на активную сторону формы, что легко можно увидеть на поперечном разрезе отливки после обжига: на границе SiO₂-Al₂O₃ наблюдается трещиноватость.

Чтобы избежать подобного явления в смесь суспензий дополнительно вводят "связующий" компонент: графит мелкой фракции менее 0,05 мм, мешающий частицам SiO₂ и Al₂O₃ легко двигаться относительно друг друга. А так как мелкодисперсный графит сразу впитывает в себя влагу из суспензии, то для того, чтобы его легко можно было ввести в суспензию, потребовалось смачивание графита выгорающей органической добавкой - этилсиликатом.

При этом введение графита более 2% делает суспензию не текучей, а введение менее 1% не позволяет достичь желаемого эффекта, т.к. не полностью устраняет расслоение суспензии при отливке.

Кроме того, наличие такого небольшого количества графита практически не отразилось на изменении пористости, а, выгорая при температуре обжига, графит существенно увеличил термостойкость отливок.

Смачивание графита этилсиликатом менее 0,01% не увлажняет его полностью; это не позволяет легко смешать его с суспензией, т.к. несмоченый графит, впитывая влагу, затрудняет текучесть, а введение этилсиликата более 0,05% образует жирную пленку на поверхности, которая, закрывая поры активной формы, препятствует отбору влаги и образованию черепка.

Чтобы нейтрализовать щелочные ионы в суспензии и тем самым увеличить температуру спекания отливки с целью снижения пористости и увеличения прочности в смешанную суспензию дополнительно вводят 0,5-1,0% ортофосфорной кислоты.

Щелочные ионы в кварцевой составляющей суспензии при высокой температуре вызывают образование кристобалита, который при охлаждении разрушает отливку. Дополнительное введение ортофосфорной кислоты позволило обжечь отливки из суспензии плавленый кварц - электроплавленый корунд при температуре 1450°С, при этом отливки не разрушились: рентгенофазовый анализ показал отсутствие кристобалита.

Введение ортофосфорной кислоты менее 0,5% не позволяет полностью нейтрализовать щелочные ионы, образующиеся в процессе помола материалов (это подтверждается наличием кристобалита в отливках), а содержание кислоты свыше 1% нарушает рН суспензии, отливки становятся рыхлыми и прилипают к форме.

Технология изготовления отливок из предлагаемой суспензии заключается в следующем.

Корундовую и кварцевую суспензию получают раздельно по методу мокрого помола в шаровых мельницах: корундовую - в мельнице с корундовой футеровкой и корундовыми мелющими телами в присутствии электролита (в качестве электролита используется ортофосфорная кислота); кварцевую - в мельнице с кварцевой футеровкой и кварцевыми мелющими телами до остатка на сите 005 - не более 10% и плотности:

ρ Al₂O₃=2,7-3,0 г/см³;

ρ SiO₂=1,86-1,89 г/см³.

После получения готовых суспензий их смешивают, добавляют ортофосфорную кислоту, смоченный этилсиликатом графит и загружают эту смесь в мельницу без мелющих тел для перемешивания и стабилизации.

После окончания стабилизации (не менее 0,5 часа) суспензия готова к отливке. Ее заливают в активные (гипсовые) формы, после окончания формообразования (2-8 часов в зависимости от толщины отливки) извлекают из форм и обжигают.

На основе заявляемой суспензии по указанной технологии изготавливались крупногабаритные изделия печного огнеупора размерами до 400×200×50 мм, которые обжигались в газовых печах при 1450°С в течение не менее 6 часов. Такие изделия, используемые в качестве подставок и опор для обжига керамики при температурах до 1400°С, работают в циклических режимах "нагрев - охлаждение" в электрических и газовых печах не менее 1 года.

Состав и свойства обожженных при 1450°С отливок из предлагаемой высокоглиноземистой суспензии приведены в таблице.

Отливки из суспензии по прототипу обжигались при максимальной температуре 1300°С, а прочность и термостойкость определялись экспериментальным путем.

Из данных таблицы следует, что керамический материал из предлагаемой суспензии имеет повышенную прочность и термостойкость, чем по прототипу.

Таблица
Компоненты и свойства	Состав, мас.%
	1	2	3	4	Прототип
Электроплавленый корунд	78,49	67,67	56,95	51,95	50-70
Плавленый кварц	20	30	40	45	30-50
Графит	1,0	1,5	2,0	2,0	-
Этилсиликат	0,01	0,03	0,05	0,05	-
Ортофосфорная кислота	0,5	0,8	1,0	1,0	-
Плотность (ρкаж), г/см3	2,70	2,53	2,42	2,4	-
Пористость (Поткр), %	11,2	8,0	10,9	22,26	15
Показатель трещиностойкости, Кс, МПа·м1/2	-	2,15	-	-	-
Прочность на изгиб, σизг, МПа	128	140	132	75	40-70
Прочность на сжатие σсж, МПа	440	500	450	200	80
Количество теплосмен 1000°С - вода	11	13	12	8	7

Высокоглиноземистая вяжущая суспензия для получения керамического материала, содержащая смесь суспензий электроплавленого корунда и плавленого кварца, получаемых раздельным мокрым помолом, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит графит, этилсиликат и ортофосфорную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.% на сухое вещество:

Электроплавленый корунд	56,95-78,49
Плавленый кварц	20-40
Графит	1,0-2,0
Этилсиликат	0,01-0,05
Ортофосфорная кислота	0,5-1,0