СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ВОЛЛАСТОНИТА
METHOD OF OBTAINING WOLLASTONITE-BASED CERAMIC PRODUCTS

Изобретение относится к технологии производства конструкционных керамических элементов оснастки литейных агрегатов алюминиевой промышленности, в которой в последнее время происходит активная замена асбестосодержащих огнеупорных материалов, обладающих канцерогенными свойствами, на более экологически чистые волластонитовые материалы, отличающиеся высокой химической инертностью к расплаву алюминия.
2
3
Известен способ изготовления формованных изделий из легкого гидратированного силиката кальция ксонотлитового типа [Патент Японии №JP 2757877 В 23141172 А, опубл. 26.10.89 г.], сущность которого заключается в том, что исходный порошковый кремнеземистый материал смешивают с известняковым материалом при молярном соотношении CaO/SiO, составляющем 0,7-1,1, добавляют порошок металлического алюминия, полученное тесто заливают в рамочную форму, вспенивают и выдерживают. Формованный продукт обрабатывают в автоклаве паром высокого давления при температуре 190-240°С до тех пор, пока количество образовавшегося ксонотлита не достигнет ~35% от общей массы композиции, затем обжигают при температуре 750°С. Полученное изделие обладает объемной плотностью 0,3-0,8 г/см и прочностью при сжатии ~20 МПа и может использоваться длительное время при температуре поверхности около 750°С.
Недостатками данного способа являются сложность технологического процесса, потребность в сложном дорогостоящем оборудовании, каким являются автоклавы высокого давления, и проблематичность изготовления сложнопрофильных изделий.
3
Известна технология получения изделий для алюминиевой промышленности из концентрата природного волластонита с добавками каолина 25-30 мас.% и активатора спекания, включающая подготовку шихты, формование заготовки методом полусухого прессования с последующей сушкой, обжигом при температуре 950-1000°С и механической обработкой [Алексеев М.К. и др. Керамические материалы для металлургии. «Наука - производству», 1999, №9, с.25-26]. Материал изделий имеет плотность 1,66-1,70 г/см, прочность при статическом изгибе 15-20 МПа, химически устойчив к расплаву алюминия.
Основными недостатками описанного способа являются запыленность рабочих мест при подготовке формовочных масс и заполнении пресс-форм и невозможность получения сложнопрофильных и габаритных изделий.
Известен способ получения листового теплоизоляционного материала на основе волластонита, описанный в патенте РФ №2132829 С04В 28/18, опубл. 10.07.99 г. Способ включает:
- совместное сухое измельчение 6-12 мас.% негашеной извести и 24-38 мас.% кварцевого песка;
- увлажнение смеси после измельчения до влажности 40% с целью гашения извести;
- перемешивание 50-70 мас.% волластонита с водной суспензией алюминиевой пудры (~0,3 мас.%);
- перемешивание смеси гашеной извести, кварцевого песка, волластонита и алюминиевой пудры при увлажнении смеси до влажности 35-40%;
- формование листового материала виброспособом;
- запаривание влажного отформованного материала в автоклаве при давлении насыщенного пара 1,0-2,6 МПа и температуре 180-250°С в течение 12-24 ч;
- сушку при 250-350°С в течение 1,5-3,0 ч;
- обжиг при 850-900° в течение 4-6 ч.
3
Данный способ позволяет получать листовой теплоизоляционный материал с плотностью 0,75-1,15 г/см и пределом прочности при сжатии 4-6 МПа. Материал может использоваться при контакте с алюминиевым сплавом при температуре до 1000°С.
Недостатками данного технического решения являются:
- необходимость использования сложного, дорогостоящего оборудования - автоклавов высокого давления;
- невозможность изготовления сложнопрофильных изделий;
- низкая прочность материала;
- сложность подготовки исходного волластонита;
- образование значительных щелочных стоков и необходимость в дорогостоящей очистке этих стоков от щелочи.
Наиболее близким к заявляемому решению является способ получения керамических изделий на основе волластонита [Патент РФ №2298537, С1 С04В 33/28, опубл. 10.05.2007 г.] (прототип), включающий:
- одновременный мокрый помол следующих компонентов в соотношении,  мас.%: природный волластонит 70-80, каолин 10-20, глина 5-10 с добавлением воды в количестве 27-32% от массы сухих компонентов, жидкого стекла и кальцинированной соды в качестве стабилизаторов;
- формование изделий шликерным литьем в пористые формы;
- обжиг при 950-1000°С в течение 1-3 ч.
Недостатками данного технического решения являются:
- недостаточная термостойкость материала, ограничивающая его применение во многих конструкционных элементах керамической оснастки литейных агрегатов;
- относительно низкий ресурс работы изделий в условиях эксплуатации;
- склонность материала к катастрофическому разрушению в процессе эксплуатации изделий и, как следствие, засорение металла керамическими включениями.
Задачей изобретения является повышение термостойкости материала на основе природного волластонита, увеличение ресурса работы изделий с сохранением их целостности в процессе эксплуатации и расширение номенклатуры конструкционных волластонитовых элементов для литейных агрегатов алюминиевой промышленности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе получения керамических изделий на основе волластонита, включающем приготовление водного шликера путем одновременного помола природного волластонита, каолина, глины с добавлением воды, жидкого стекла и кальцинированной соды, формование изделий в пористые формы, сушку и обжиг, в шликер дополнительно вводят алюмосиликатное волокно в количестве 5,0-10,0% от массы шликера.
Преимуществами указанного способа являются:
- возможность получения материала на основе природного волластонита с повышенной термостойкостью с сохранением химической устойчивости к алюминиевым расплавам до температуры 1000°С, позволяющая расширить области применения волластонитовой керамики как конструкционного материала для оснастки литейных агрегатов;
- увеличение ресурса работы изделий в условиях эксплуатации в 2,5-3 раза;
- существенное снижение засорения металла керамическими включениями вследствие сохранения целостности изделий в процессе эксплуатации.
Материал, описанный в прототипе, характеризуется высокой химической устойчивостью к алюминиевым расплавам до 1000°С. Введение в волластонитовую керамику волокна алюмосиликатного состава, например муллитокремнеземистого, каолинового и др., в заявляемом количестве не влияет на химическую устойчивость материала в расплаве алюминия.
В предлагаемом способе применяют волокна, рубленные на отрезки длиной до 15 мм, с диаметром элементарного волокна 5-50 мкм. Использование волокна, нарезанного на более длинные отрезки, затрудняет перемешивание наполненного шликера и не обеспечивает равномерность распределения в нем волокна.
Введение в шликер волокна в количестве более 10,0 мас.% приводит к потере его технологичности - увеличению вязкости и, следовательно, ухудшению реологических свойств и литейной способности. Содержание в шликере волокна в количестве менее 5,0 мас.% не обеспечивает заданного технического эффекта.
Волокно, равномерно распределенное в объеме материала, играет роль арматуры, обусловливающей существенное повышение его трещиностойкости и термостойкости. Кроме того, волокна препятствуют разрушению и раскрошиванию изделий даже при возникновении трещин в материале вследствие резких термоперепадов в процессе эксплуатации. В итоге обеспечивается целостность изделий и, следовательно, увеличение ресурса их работы, при этом существенно снижается вероятность засорения металла керамическими включениями (в сравнении с материалом прототипа).
3
Полученный по предлагаемому способу материал химически устойчив к расплавам алюминия до температуры 1000°С, имеет плотность 1,30-1,45 г/см, прочность при статическом изгибе 8-22 МПа, высокую термостойкость (выдерживает до 35 теплосмен от 850 до 20°С на воздухе) и повышенный ресурс работы изделий в условиях эксплуатации - 30-35 циклов литья алюминиевых слитков на литейном агрегате.
Указанная совокупность признаков способа позволяет получать конструкционные изделия на основе природного волластонита с термостойкостью и ресурсом работы, превосходящими в 2,5-3 раза эти характеристики у материала-прототипа.
Примеры осуществления способа
Пример 1.
Природный волластонит 79 мас.%, каолин 14 мас.% и глину 7 мас.% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 29% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.
Готовый шликер имел:
- влажность - 29 мас.%;
- тонину помола (остаток на сите 0063) - 22%;
- условную вязкость - 86 с;
- рН 10,5.
К полученному шликеру добавляли 5,0 мас.% муллитокремнеземистого волокна, рубленного на отрезки длиной 5-10 мм, и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 8 минут. Из наполненного шликера формовали в гипсовой форме изделие «тепловая насадка» для кристаллизатора литейного агрегата (размеры изделия: диаметр внешний - 160 мм; диаметр внутренний - 100 мм; высота - 115 мм).
Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 3 ч и обжигали при 950°С в течение 2 ч.
3
Материал «тепловой насадки» имел плотность 1,45 г/см, прочность при статическом изгибе 22 МПа; разноплотность материала по объему изделия не превышала 1%; термостойкость - 31 теплосмена при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 теплосмен). Коэффициент теплопроводности материала - 0,39 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа 0,5 - 0,6 Вт/м·К). Ресурс работы изделия - 30 циклов литья алюминиевых слитков (ресурс работы изделия из материала-прототипа - до 10 циклов). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.
Пример 2.
Природный волластонит 75 мас.%, каолин 15 мас.% и глину 10 мас.% измельчали в шаровой мельнице с добавлением воды в количестве 30% от массы компонентов. В качестве стабилизаторов использовали жидкое стекло 0,3% и кальцинированную соду 0,2% от массы твердой фазы шликера.
Готовый шликер имел:
- влажность 30 мас.%;
- тонину помола (остаток на сите 0063) - 20%;
- условную вязкость - 70 с;
- рН 11,0.
К полученному шликеру добавляли 10,0 мас.% алюмосиликатного волокна (содержание окиси кремния - 80 мас.%), рубленного на отрезки длиной 12-15 мм, и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 10 минут. Из наполненного шликера формовали в гипсовой форме изделие «втулка» для перелива расплава алюминия из желоба в изложницу (размеры изделия: диаметр внешний - 60 мм; диаметр внутренний - 55 мм; высота - 160 мм).
Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 2 ч и обжигали при 950°С в течение 1 ч.
3
Материал «втулки» имел плотность 1,30 г/см, прочность при статическом изгибе 10 МПа; разноплотность материала по объему изделия не превышала 1%; термостойкость - 35 теплосмен при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 теплосмен). Коэффициент теплопроводности материала - 0,30 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа - 0,5-0,6 Вт/м·К). Ресурс работы изделия - 35 циклов литья алюминиевых слитков (ресурс работы изделия из материала-прототипа - до 10 циклов). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 100°С.
Пример 3.
К шликеру, полученному по примеру 2, добавляли 7,0 мас.% каолинового волокна, рубленного на отрезки длиной 3-6 мм, и перемешивали на механической лопастной мешалке в течение 10 минут. Из наполненного шликера формовали в гипсовой форме изделие «труба» для подачи расплава алюминия в форму (размеры изделия: диаметр внешний - 70 мм; диаметр внутренний - 50 мм; высота - 300 мм).
Отформованное изделие сушили при 100-150°С в течение 2 ч и обжигали при 950°С в течение 2 ч.
3
Материал «трубы» имел плотность 1,36 г/см, прочность при статическом изгибе 16 МПа; разноплотность материала по объему изделия не превышала 1,5%; термостойкость - 33 теплосмены при перепаде температур от 850 до 20°С на воздухе (термостойкость материала-прототипа - 12 теплосмен). Коэффициент теплопроводности материала - 0,35 Вт/м·К (коэффициент теплопроводности материала-прототипа - 0,5-0,6 Вт/м·К). Ресурс работы изделия - 32 цикла литья алюминиевых слитков (ресурс работы изделия из материала-прототипа - до 10 циклов). Материал инертен к расплаву алюминия и может использоваться до температуры 1000°С.
Как видно из представленных примеров, предлагаемый способ решает задачу получения материала из природного волластонита и конструкционных изделий на его основе, характеризующихся повышенной термостойкостью, химической устойчивостью в расплаве алюминия и высоким ресурсом работы в условиях эксплуатации.