Способ получения керамических изделий

Изобретение относится к технологии керамики на основе оксида магния и может быть использовано при изготовлении изоляторов магнитных гидродинамических (МГД) генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов, тиглей для плавления высокочистых черных, цветных и редких металлов, а также в технологии магнезитовых огнеупоров. Согласно предложенному способу получения керамических изделий для приготовления формовочной массы в порошок оксида магния вводят связующее, ингредиенты (5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% оксида магния) перемешивают при комнатной температуре до однородного состояния, к смеси также при перемешивании добавляют 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего и выдерживают 5-10 часов. Из полученной формовочной массы проводят формование изделий и их термообработку при температуре 150-300°С. В качестве связующего используют безводный дигидроортофосфат магния Mg(H₂PO₄)₂. Формование изделий осуществляют прессованием с усилием 700-1200 кг/см². Предложенный способ позволяет упростить стадию приготовления формовочной массы и существенно снизить энергозатраты за счет проведения процесса термообработки изделий при значительно более низких температурах. 1 з.п ф-лы.

 

Изобретение относится к технологии технической керамики на основе оксида магния и может быть использовано при изготовлении изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов, тиглей для плавления высокочистых черных, цветных и редких металлов, а также в технологии магнезитовых огнеупоров.

Предлагаемая технология основана на использовании в процессе приготовления керамической формовочной массы дигидроортофосфата магния в качестве связующего.

Известен способ получения керамической массы [RU 2233816, 2004] на основе ультрадисперсных плазмохимических порошков оксидов металлов, в том числе плазмохимического порошка оксида магния, а также его композиций с плазмохимическими порошками оксидов алюминия, циркония, иттрия, кальция и церия путем смешивания порошков и органической связки.

Перед смешиванием плазмохимические порошки предварительно подвергают отжигу на воздухе при температуре 800-1400°С в течение 0.5-1.0 часа, а затем проводят механическую активацию в шаровой мельнице с добавлением поверхностно-активного вещества в течение 50-100 час. В качестве органической связки используют парафин в количестве 16-20 вес.%, содержащий 4-5 вес.% пчелиного воска. В качестве поверхностно-активного вещества при активации используют олеиновую кислоту в количестве 1-2 вес.%.

Описанный способ имеет ряд существенных недостатков: использование в качестве исходного сырья достаточно дорогих порошков оксидов плазмохимического производства; энергоемкие операции отжига при 800-1400°С и механической активации в шаровой мельнице в течение 2-4 суток; использование в качестве органической связки парафина, обладающего низкой адгезией по отношению к оксиду магния и высоким коэффициентом термического расширения, превышающим таковой для оксида магния в 1000 раз, что может вызвать разрушение отформованных изделий в процессе их термообработки.

Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления массы для формования основных огнеупоров [RU 2136630, 1999] (прототип).

Согласно прототипу, масса для формования основных огнеупоров содержит оксиды кальция и магния и гидрофобное связующее, состоящее из таллового масла и гидроксида кальция в качестве пластификатора.

В соответствии с независимым п.2 формулы и примером 2 прототипа способ изготовления массы состоит в том, что в исходный порошок, содержащий СаО и MgO, нагретый до температуры не более чем 150°С, вводится 0.11 мас.% таллового масла, которое перемешивается не менее 2 часов с исходным порошком при охлаждении до температуры не менее 117°С. Затем в массу вводится 3.05 мас.% гидроксида кальция и перемешивание продолжается при остывании массы до комнатной температуры. После вылеживания массы до 10 часов в условиях атмосферной влажности 72-81% из нее прессовали в виде кубиков 50×50×50 мм (давление прессования в патенте не указано) изделия, а также кирпичи по ГОСТ 390-83. Обожженные при 1600°С изделия и кирпичи имели плотность 2990 и 2830 кг/м³ соответственно.

Недостатками этого способа является сложность и многостадийность процесса приготовления формовочной массы, использование горючего таллового масла с температурой вспышки 221°С, обладающего резким запахом, высокая температура отжига изделий, что требует больших энергозатрат.

Изобретение направлено на упрощение стадии приготовления формовочной массы и создание энергосберегающей технологии получения технической керамики на основе оксида магния.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения керамических изделий, заключающийся в том, что для приготовления формовочной массы в порошок оксида магния вводят связующее, ингредиенты перемешивают при комнатной температуре до однородного состояния и выдерживают 5-10 часов, затем из полученной формовочной массы проводят формование изделий и их термообработку, отличающийся тем, что в качестве связующего используют безводный дигидроортофосфат магния Mg(H₂PO₄)₂, приготовление формовочной массы осуществляется смешением 5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% оксида магния, перед выдерживанием к смеси также при перемешивании добавляют 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего, а термообработку отформованных изделий проводят при температуре 150-300°С.

Целесообразно, что формование изделий осуществляют прессованием с усилием 700-1200 кг/см².

Дисперсность MgO в качестве наполнителя определяется исходным сырьем и способом получения оксида магния. Для получения керамических изделий рекомендуется дисперсность наполнителя 0,05-0,1 мкм [Химическая технология керамики и огнеупоров под ред. П.П.Будникова и Д.Н.Полубояринова. М., Стройиздат, 1972, стр.55].

Количество связующего Mg(H₂PO₄)₂ 5-15 мас.% определяется получением изделий с требуемыми потребительскими свойствами.

Способность оксида магния взаимодействовать с водой определяет последовательность приготовления формовочной массы, а именно: сначала готовят сухую смесь наполнителя MgO и связующего Mg(H₂PO₄)₂, а затем добавляют воду. В этом случае добавление воды в количестве 2-7 мас.% по отношению к массе связующего не вызывает гидратации оксида магния, т.к. в первую очередь вода взаимодействует с безводным гидрофильным дигидроортофосфатом магния с образованием кристаллогидратов с 2, 3 или 4 молекулами.

Выдерживание формовочной смеси в течение 5-10 часов перед процессом формования необходимо для протекания химического активирования контактных связей в системе MgO-Mg(H₂PO₄)₂·nH₂O, где n=2, 3 или 4.

Температура термообработки 150-300°С определяется необходимостью упрочнения химически активированных контактных связей путем удаления гидратированной воды [Теоретические аспекты технологии керамики и огнеупоров. Ю.Е.Пивинский. СПб., Стройиздат, 2003, т.1, стр.215]. При температуре свыше 300°С значительно возрастает доля энергозатрат в себестоимости керамических изделий.

Время термообработки определяется геометрическими размерами изделий и их назначением и может составлять от 3 до 24 часов.

Усилие формования 700-1200 кг/см² определяется требованиями, предъявляемыми к потребительским свойствам получаемой керамики.

Заявленный способ реализуется следующим образом: исходный оксид магния подвергают измельчению до получения порошка с размером частиц 0,05-0,1 мкм; к порошку оксида магния добавляют безводный дигидроортофосфат магния в качестве связующего в соотношении 5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% MgO; смесь перемешивают до однородного состояния, добавляют также при перемешивании 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего; приготовленную таким образом формовочную массу выдерживают при температуре 10-30°С в течение 5-10 часов; полученную формовочную массу отформовывают и подвергают термообработке при температуре 150-300°С в течение 3-24 часов. При необходимости формование осуществляют путем прессования с усилием 700-1200 кг/см³.

Ниже приведены примеры осуществления заявленного способа, которые иллюстрируют способ, но не ограничивают его.

Пример 1

85 мас.% оксида магния в качестве наполнителя смешивали с 15 мас.% безводного дигидроортофосфата магния, затем к этой смеси добавляли 7 мас.% воды по отношению к связующему и перемешивали в шнековой мешалке. Смесь выдерживали в течение 10 часов при 20°С. После этого из смеси формовали изделия, которые подвергали термообработке при 300°С в течение 12-ти часов. Плотность полученных изделий составляла не менее 2300 кг/м³. При формовании с усилием 1000 кг/см² плотность изделий составляла не менее 2680 кг/м³.

Пример 2

90 мас.% оксида магния в качестве наполнителя смешивали с 10 мас.% безводного дигидроортофосфата магния, затем к этой смеси добавляли 5 мас.% воды по отношению к связующему и перемешивали в шнековой мешалке. Смесь выдерживали в течение 8 часов при 20°С. После этого из смеси формовали изделия, которые подвергали термообработке при 250°С в течение 12-ти часов. Плотность полученных изделий составляла не менее 2400 кг/м³. При формовании с усилием 1000 кг/см² плотность изделий составляла не менее 2800 кг/м³.

Пример 3

95 мас.% оксида магния в качестве наполнителя смешивали с 5 мас.% безводного дигидроортофосфата магния, затем к этой смеси добавляли 2 мас.% воды по отношению к связующему и перемешивали в шнековой мешалке. Смесь выдерживали в течение 3 часов при 20°С. После этого из смеси формовали изделия, которые подвергали термообработке при 150°С в течение 12-ти часов. Плотность полученных изделий составляла не менее 2180 кг/м³. При формовании с усилием 1000 кг/см² плотность изделий составляла не менее 2520 кг/м³.

Предложенный способ получения керамических изделий на основе оксида магния позволяет упростить стадию приготовления формовочной массы и существенно снизить энергозатраты за счет проведения процесса термообработки изделий при значительно более низких температурах.

1. Способ получения керамических изделий, заключающийся в том, что для приготовления формовочной массы в порошок оксида магния вводят связующее, ингредиенты перемешивают при комнатной температуре до однородного состояния и выдерживают 5-10 ч, затем из полученной формовочной массы проводят формование изделий и их термообработку, отличающийся тем, что в качестве связующего используют безводный дигидроортофосфат магния Mg(H₂PO₄)₂, приготовление формовочной массы осуществляется смешением 5-15 мас.% связующего и 85-95 мас.% оксида магния, перед выдерживанием к смеси также при перемешивании добавляют 2-7 мас.% воды по отношению к массе связующего, а термообработку отформованных изделий проводят при температуре 150-300°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формование изделий осуществляют прессованием с усилием 700-1200 кг/см².