Способ изготовления тиглей

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству тиглей для плавки металлов и сплавов в печах с индукционным нагревом, применяемых в стоматологии, металлургической промышленности и др. Техническим результатом изобретения является повышение термостойкости, числа плавок в печах индукционного нагрева и снижение энергозатрат. Способ изготовления тиглей включает: получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла мокрым помолом, ее стабилизацию, смешивание с заполнителем, формование литьем в гипсовые пористые формы, сушку и упрочнение. При получении высококонцентрированной суспензии ее модифицируют добавкой аморфного кремнезема в количестве 3-5 мас.%. Затем производят смешивание с заполнителем из кварцевого стекла с размером частиц менее 200 мкм в количестве 25-35 мас.% в течение не менее 0,5 часа. Упрочнение осуществляют в растворе жидкого стекла в течение не менее 20 мин с дополнительной сушкой при температуре более 100°С в течение не менее 1 часа или термообработкой при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

 

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, а именно к производству тиглей для плавки металлов и сплавов в печах с индукционным нагревом, применяемых в стоматологии, металлургической промышленности и др.

Известен способ изготовления тиглей из кварцевой керамики путем шликерного литья, согласно которому в пористые формы заливают высококонцентрированные керамические вяжущие суспензии (ВКВС) кварцевого стекла, которые получают способом мокрого измельчения в шаровых мельницах. Способ шликерного литья из ВКВС характеризуется достаточно высокой продолжительностью (2-4 часа при толщине стенки 5 мм), отливки сушат, а после сушки отливки необходимо подвергать термообработке при температуре 1100-1200°С для достижения необходимой прочности [Пивинский Ю.Е., Ромашин А.Г. Кварцевая керамика. - М.: Металлургия, 1974, с.123-148].

К недостаткам способа следует отнести снижение термостойкости при термообработке и значительную продолжительность способа.

Известен также способ формования изделий на основе кварцевого стекла путем литья из керамобетонной массы на основе ВКВС кварцевого стекла с плотностью 1,88-1,92 г/см³, в который вводится зернистый заполнитель 50-400 мкм. Недостатком известного способа является то, что полученные по нему изделия обладают недостаточной механической прочностью в высушенном состоянии (предел прочности при изгибе - 3-5 МПа) [Пивинский Ю.Е. Керамические и огнеупорные материалы. Избранные труды. Том II. - Санкт-Петербург: Стройиздат, СПб, 2003, с.384-386].

Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является способ изготовления тиглей из кварцевой керамики, включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла мокрым измельчением, ее стабилизацию, введение зернистого заполнителя, формирование литьем в пористые формы, сушку, обжиг или гидротермальную обработку. Зернистый заполнитель из кварцевого стекла с размером 50-400 мкм вводят в исходную суспензию с плотностью 1,88-1,92 г/см³, с содержанием 30-45 мас.% частиц менее 5 мкм в количестве, обеспечивающем ее содержание в наполненной системе 25-35 мас.% при значении плотности линейной системы 1,94-1,98 г/см³, после чего осуществляют дополнительную стабилизацию посредством механического перемешивания на протяжение не менее 4 ч, литье в пористую форму, сушку и обжиг изделия при 1100-1200°С или гидротермальную обработку в паровом автоклаве при температурах 150-200°С на протяжении 4-12 ч.

В частных примерах исполнения способа по прототипу на стадии наполненной суспензии в нее вводят разжижающие добавки, на стадии заполнения осуществляют ее вибрирование, заполнение массой осуществляют при положении формы «днище сверху», а разборка формы и извлечение отливки - при положении «днище снизу», в процессе набора массы осуществляется подогрев формы до 30-40°С, а в качестве рабочей среды при гидротермальной обработке применяют смесь воды и аммиака при концентрации 10-20%. Способ позволяет получить крупногабаритные тигли. Способ позволяет достигнуть высокоплотного и равномерного по свойствам состояния материала на стадии формирования (пористость ниже 13%), понижение усадки отливки на стадии подвялки и сушки до значений, не превышающих 0,03%, требуемую механическую прочность после упрочнения (не ниже 20 МПа) при значениях усадки, не превышающих 0,1%, при этом материал после спекания (упрочнения) не должен содержать включений кристобалита на уровне не более 2-3% [Патент на изобретение №2264365, Бюл. №32, 20.11.2005].

Недостатком способа по прототипу является то, что спекание отливок при указанной температуре, помимо повышения затрат, приводит к частичному образованию кристобалита и, как следствие, к снижению термостойкости и, соответственно, снижению числа плавок в печах индукционного нагрева. В связи с этим полученные по этому способу изделия не выдерживают более 5-7 плавок в печах индукционного нагрева. Гидротермальная обработка также требует дополнительных затрат и достаточно дорогостоящего оборудования, а смесь паров воды и аммиака является экологически небезопасной.

Задачей изобретения является разработка экономичного способа получения термостойких тиглей для печей индукционного нагрева, имеющих повышенные эксплуатационные характеристики.

Техническими результатами, которые могут быть получены при реализации изобретения, являются:

- повышение термостойкости;

- повышение числа плавок в печах индукционного нагрева;

- снижение энергозатрат.

Решение указанной задачи и достижение вышеперечисленных технических результатов стало возможным благодаря тому, что в известном способе изготовления тиглей, включающем получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла мокрым измельчением, ее стабилизацию, смешивание с зернистым заполнителем из кварцевого стекла, формование литьем в гипсовые пористые формы, сушку, упрочнение, высококонцентрированную суспензию при получении модифицируют добавкой аморфного кремнезема в количестве 3-5 мас.%, затем производят смешивание с заполнителем из кварцевого стекла с размером менее 200 мкм в количестве 25-35 мас.% в течение не менее 0,5 часа, упрочнение осуществляют в растворе жидкого стекла в течение не менее 20 мин с дополнительной сушкой при температуре более 100°С в течение 1 часа или термообработкой при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Изобретательским шагом, позволяющим получить термостойкие изделия (не менее 15 плавок в печах индукционного нагрева) с достаточной механической прочностью (σ_изг. не ниже 10 МПа) без дополнительных затрат на высокотемпературную термообработку (автоклавирование) или путем термообработки при более низкой температуре, является введение при получении ВКВС модифицирующей добавки, содержащей аморфный кремнезем. Добавка позволяет повысить удельную концентрацию кремниевой кислоты в дисперсионной среде литейной формовочной системы, состоящей из модифицированной ВКВС кварцевого стекла и заполнителя, что приводит к значительному росту прочности отливок после сушки и упрочнения. Упрочнение (достижение требуемой механической прочности) полученных отливок достигается термообработкой при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа или химическим активированием контактных связей (УХАКС-механизм) в растворе натриевого жидкого стекла за счет эффекта "холодного спекания". В поровой структуре отливки в процессе выдержки в щелочном растворе за счет повышенного содержания аморфного SiO₂ образуется перенасыщенный раствор кремниевой кислоты, твердая фаза которой на поверхности матрицы переосаждается по механизму поликонденсации, т.е не требуется дополнительное энергозатратное упрочнение для достижения требуемой механической прочности.

Полученные по предлагаемому способу изделия за счет наличия модифицирующей добавки имеют достаточную прочность после сушки и упрочнения для их использования в центробежных литьевых машинах, а также более высокие эксплуатационные характеристики (в 3-6 раз).

Заявляемый способ осуществляют следующим образом. Высококонцентрированную суспензию получают методом мокрого помола с постадийной загрузкой материала в шаровую мельницу. На первой стадии помола вводят модифицирующую добавку в виде кремнекислоты, кремнегеля или трепела (содержание SiO₂ не менее 85%) в количестве 3-5 мас.%. Конечная плотность суспензии 1,88-1,89 г/см³. При этом содержание тонкодисперсных частиц (менее 0,1 мкм) составляет 5-10%, а крупных (более 63 мкм) не более 1-2%. Мокрый помол в шаровой мельнице объемом 0,2 м³ продолжают 16-18 часов. Полученную суспензию транспортируют в шаровую мельницу без мелющих тел и подвергают стабилизации перемешиванием в течение не менее 4 часов.

Литьевую смесь готовят путем введения в ВКВС заполнителя с размером частиц до 200 мкм в герметичном смесителе грушевидного типа при скорости вращения не более 10-15 об/мин в течение не менее 0,5 часа. Содержание заполнителя должно находиться в пределах 25-35%.

Формование методом литья осуществляют в гипсовой пористой форме сливным способом. Время набора массы, в зависимости от конструкции тигля, составляет 15-20 мин. Отлитое изделие после выемки из формы подвергают сушке при температуре более 100°С до достижения остаточной влажности не более 0,3%. После сушки при необходимости осуществляют устранение возможных поверхностных дефектов отливки.

Упрочнение изделий осуществляют в растворе натриевого жидкого стекла в течение 20 мин с последующим удалением остатков раствора жидкого стекла на сетчатом поддоне и сушкой при температуре более 100°С в течение 1 часа или изделия после первой сушки подвергают термообработке в электрической муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Практическая применимость заявляемого способа показана на примерах его конкретного применения.

Пример 1

Кварцевое стекло подвергают мокрому помолу в шаровой мельнице объемом 0,2 м³. Помол осуществляют с постадийной загрузкой материала. При первой загрузке вводят все количество дисперсионной среды (вода) и 60 мас.% материала, также при первой загрузке материала вводят 4 мас.% аморфного кремнезема в виде кремнегеля, что соответствует средним значениям содержания аморфного кремнезема в заявляемых пределах.

Последующие догрузки материала осуществляют при достижении при помоле остатка на сите 0063 не более 2%. Общая продолжительность помола составляет 18 часов. Полученную суспензию транспортируют в шаровую мельницу объемом 0,05 м³ без мелющих тел и подвергают стабилизации перемешиванием в течение не менее 4 часов. Готовая ВКВС характеризуется следующими свойствами: плотность - 1,89 г/см³; остаток на сите 0063 - 1%, содержание частиц диаметром 5 мкм - 50 мас.%, более 50 мкм - 5%, 5-50 мкм - 45%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 30 мас.% заполнителя из кварцевого стекла с размером частиц до 200 мкм (что соответствует средним значениям содержания зернистого заполнителя в заявляемых пределах) в герметичном смесителе грушевидного типа при скорости вращения 10 об/мин в течение 0,5 часа. Формование тиглей осуществляют в гипсовой пористой форме сливным способом. Время набора массы составляет 15 мин. Отлитое изделие после выемки из формы подвергают сушке при температуре более 100°С до достижения остаточной влажности не более 0,3%. После сушки при необходимости осуществляют устранение возможных поверхностных дефектов отливки. Упрочнение осуществляют в растворе натриевого жидкого стекла плотностью 1,06 г/см³ в течение 20 мин. Затем изделия помещают на сетчатый поддон для удаления остатков раствора жидкого стекла, а затем сушат при температуре более 100°С в течение 1 часа.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 45;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 32.

Пример 2

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 3% мас. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 35 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществлют в растворе натриевого жидкого стекла плотностью 1,05 г/см³ в течение 20 мин.

Техническая характеристика получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 40;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 24.

Пример иллюстрирует минимальное значение содержания аморфного кремнезема и максимальное значение количества зернистого заполнителя в заявляемых пределах.

Пример 3

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют трепел (с содержанием SiO₂ не менее 85%) 5 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 25 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют в растворе натриевого жидкого стекла плотностью 1,05 г/см³ в течение 15 мин.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 38;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 23.

Пример соответствует максимальному значению содержания аморфного кремнезема и минимальному значению количества зернистого заполнителя в заявляемых пределах.

Пример 4

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 2,5 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 40 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют в растворе натриевого жидкого стекла плотностью 1,05 г/см³ в течение 20 мин.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 32;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 17.

Пример соответствует значению содержанию аморфного кремнезема ниже минимального и значению количества зернистого заполнителя выше максимального в заявляемых пределах.

Пример 5

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 5,5 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 20 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют в растворе натриевого жидкого стекла плотностью 1,05 г/см³ в течение 20 мин.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 26;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 14.

Пример соответствует значению содержанию аморфного кремнезема выше максимального и значению количества зернистого заполнителя ниже минимального в заявляемых пределах.

Пример 6

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 4 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 30 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют термообработкой в электрической муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 42;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 25.

Пример соответствует средним значениям содержания аморфного кремнезема и зернистого заполнителя в заявляемых пределах.

Пример 7

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 3 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 35 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют термообработкой в электрической муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 37;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 22.

Пример соответствует минимальному значению содержанию аморфного кремнезема и максимальному значению количества зернистого заполнителя в заявляемых пределах.

Пример 8

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют трепел (с содержанием SiO₂ не менее 85%) 5 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 25 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют термообработкой в электрической муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 35;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 19.

Пример соответствует максимальному значению содержания аморфного кремнезема и минимальному значению количества зернистого заполнителя в заявляемых пределах.

Пример 9

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 2,5 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 40 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют термообработкой в электрической муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 22;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 14.

Пример соответствует значению содержанию аморфного кремнезема ниже минимального и значению количества зернистого заполнителя выше максимального в заявляемых пределах.

Пример 10

По примеру 1, только в качестве добавки аморфного кремнезема используют кремнекислоту в количестве 5,5 мас.%. Литьевую смесь готовят смешиванием ВКВС и 20 мас.% заполнителя с размером частиц до 200 мкм, упрочнение осуществляют термообработкой в электрической муфельной печи при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 часа.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 20;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 12.

Пример соответствует значению содержанию аморфного кремнезема выше максимального и значению количества зернистого заполнителя ниже минимального в заявляемых пределах.

Пример 11

Изделия изготавливают способом, соответствующим прототипу, включающим получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла мокрым измельчением, ее стабилизацию, смешивание с зернистым заполнителем из кварцевого стекла с размером 50-400 мкм, формование литьем в гипсовые пористые формы, сушку и термообработку при температуре 1100°С.

Технические характеристики получаемых тиглей:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 15;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 7.

Пример 12

По примеру 11, только температура термообработки равна 1150°С.

Технические характеристики получаемых:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 14

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 6.

Пример 13

По примеру 11, только температура термообработки равна 1200°С.

Технические характеристики получаемых:

- термостойкость (количество циклов 1000°С - вода)- 12;

- количество плавок в печи индукционного нагрева

(при использовании стали 03Х25Р21С4)- 5.

Как видно из приведенных выше примеров 1-3, заявляемая совокупность существенных признаков, включая упрочнение в растворе жидкого стекла, позволяет повысить термостойкость получаемых тиглей по сравнению с прототипом (пример 11) в 2,5-3 раза и повысить количество плавок в печах индукционного нагрева в 3-5 раз. Аналогичные технические результаты достигнуты при упрочнении термообработкой при температуре 950°С при использовании добавки аморфного кремнезема и заполнителя в заявляемом пределе (примеры 6-8). Превышение и более низкое значение содержания аморфного кремнезема и заполнителя относительно заявляемых пределов влечет за собой снижение эксплуатационных характеристик изделий или перерасход материала (примеры 4, 5, 9, 10). Изменение типа добавки аморфного кремнезема существенно не влияет на достигаемые технические результаты.

Таким образом, заявляемая совокупность существенных признаков позволяет решить поставленную задачу и увеличить термостойкость в 2,5-3 раза, а количество плавок в печах индукционного нагрева в 3-5 раз. Снижение энергозатрат достигнуто на счет снижения температуры обработки и времени ее проведения.

Способ изготовления тиглей, включающий получение высококонцентрированной суспензии кварцевого стекла мокрым помолом, ее стабилизацию, смешивание с заполнителем, формование литьем в гипсовые пористые формы, сушку, упрочнение, отличающийся тем, что высококонцентрированную суспензию при получении модифицируют добавкой аморфного кремнезема в количестве 3-5 мас.%, затем производят смешивание с заполнителем из кварцевого стекла с размером частиц менее 200 мкм в количестве 25-35 мас.% в течение не менее 0,5 ч, а упрочнение осуществляют в растворе жидкого стекла в течение не менее 20 мин с дополнительной сушкой при температуре более 100°С в течение не менее 1 ч или термообработкой при температуре 950°С с выдержкой при максимальной температуре не более 1 ч.