ШАРОВАЯ МЕЛЬНИЦА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДНОГО ШЛИКЕРА КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА
BALL MILL FOR MAKING QUARTZ GLASS AQUEOUS SLIP

Изобретение относится к керамической промышленности, а именно к помольному оборудованию и технологии производства изделий из керамики на основе кварцевого стекла методом водного шликерного литья.
Известно, что с целью исключения загрязнения материала в процессе помола и приготовлении водного шликера в технологии производства изделий из кварцевой керамики применяют шаровые мельницы, футеровка которых выполнена из материалов на основе кварцевого стекла (Ю.Е.Ливийский, Е.И.Суздальцев. Кварцевая керамика и огнеупоры. Том I, с.290-294, 2008 г.). Для футеровки мельниц используют сосуды из непрозрачного кварцевого стекла ТУ 25.11.1004-75, плоскую или профильную плитку, пластины из прозрачного и непрозрачного кварцевого стекла.
Недостатком такой футеровки является большая хрупкость стекла и низкая трещиностойкость. Кроме того, изготовление футеровки из кварцевого стекла отличается сложностью и большой трудоемкостью. Другим недостатком является технологическая сложность. Так, футеровку в виде сосуда из кварцевого стекла получают по стекольной технологии путем наплава блока из кварцевого песка и его раздува в металлической форме с последующей обрезкой и обдиркой поверхности от песка и неровностей. Толщина стенки изделия не контролируется в процессе изготовления и не регламентируется; фактически согласно ТУ она изменяется от 5 до 25 мм. Средний срок службы футеровки составляет около 10 помолов. Увеличить толщину стенки, или хотя бы уменьшить разнотолщинность изделий по этой технологии пока не представляется возможным.
Изготовление футеровки из отдельных пластин, например, из кварцевого стеклобруса, сопряжено с большим объемом механической обработки (резки, шлифовки), а выход из строя одного элемента футеровки фактически требует замены всей футеровки.
Наиболее близким техническим решением является шаровая мельница для получения высокоплотных водных суспензий кварцевого стекла по патенту №2254168, кл. В02С 17/22 от 01.10.2003 г., Бюл, №17 от 20.06.2005 г., включающая металлический барабан и футеровку, отличающаяся тем, что цилиндрическая часть футеровки выполнена из одного или нескольких полых цилиндрических частей из непрозрачного кварцевого стекла или плотноспеченного диоксида кремния, а торцы футеровки - из нержавеющей стали или плотноспеченного диоксида кремния. В качестве плотноспеченного диоксида кремния рекомендуется материал ТСМ-107 с открытой пористостью, близкой к нулю, полученный на основе кварцевой керамики с введением в качестве активатора спекания 0,5-1,0% вес. нитрида бора (BN).
В связи с тем, что и непрозрачное кварцевое стекло и плотноспеченная кварцевая керамика с незначительной пористостью (менее 3%) являются хрупкими стеклообразными материалами с низкой ударной прочностью и трещиностойкостью, технические недостатки футеровки прототипа такие же, как и в аналогах.
Кроме того, получение плотного керамического материала на основе кварцевого стекла требует обжига при температурах выше 1250°С, что сопровождается значительными усадками (3% и более) и кристаллизацией кварцевого стекла, особенно в поверхностных слоях изделий. В крупногабаритных изделиях, какими являются футеровочные элементы мельниц, возникают значительные усадочные напряжения, которые вызывают образование трещин и брак, а наличие кристобалита в футеровке, его натир и попадание в шликер кварцевого стекла при помоле не допускаются. Ограничены и технологические возможности получения футеровки из уплотненной кварцевой керамики, прежде всего по толщине стенки (более 30 мм), что связано с высокой плотностью сырой заготовки и окислительным механизмом активации процесса спекания.
Кроме того, предложенное в прототипе техническое решение с применением для футеровки торцов нержавеющей стали допустимо только при строгом соответствии внутренней поверхности бокового футеровочного элемента цилиндру и при совпадении осей футеровки и барабана. При незначительных отклонениях измельчающийся материал и мелющие тела перемещаются к одному из торцов футеровки и сошлифовывают металл, загрязняя тем самым керамический шликер в процессе его приготовления.
Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции шаровой мельницы для получения водного шликера кварцевого стекла, улучшение качества и технологичности футеровки мельницы обеспечивающей получение водного шликера кварцевого стекла без загрязнения.
Поставленная цель достигается тем, что шаровая мельница для получения водного шликера кварцевого стекла, включающая металлический барабан и футеровку из материала на основе кварцевого стекла в виде целиковой или составной конструкции, отличающаяся тем, что футеровка мельницы выполнена из кварцевой керамики с пористостью 6-11%, толщиной стенки 20-40 мм, наружная поверхность которой герметизирована и упрочнена органополимером холодного отверждения. Для мельниц больших размеров футеровка из пористой кварцевой керамики с толщиной стенки более 30 мм содержит зернистый наполнитель из кварцевой керамики или кварцевого стекла в количестве 20-40% вес. с размерами зерен от 0,5 до 5,0 мм.
Авторами экспериментально установлено следующее.
2
2
1. Кварцевая керамика с пористостью 6-11% по прочности на изгиб, ударной стойкости, трещиностойкости на 20-50% выше, чем керамика ТСМ-107 с пористостью 0-3%. Так, например, среднестатистическая прочность на изгиб для керамики с Пк=6-11% при производстве крупногабаритных изделий составляет 62 МПа с разбросом 37-81 МПа, в то время как для плотноспеченной керамики с Пк=0-3% она составляет 49 МПа с разбросом 24-74 МПа. Работа разрушения при многократном ударе шара на копре КИ-1 с уменьшением пористости снижается от 4-6 кГс см/см до 2-3 кГс см/см. Герметизация наружной поверхности органополимером, например эпоксидной смолой, повышает прочностные свойства пористой кварцевой керамики не менее чем на 10%.
2
2. Степень уноса непрозрачного кварцевого стекла, высокоплотной и пористой кварцевой керамики, оцененной по истираемости образцов шлифованием в одинаковых условиях практически одинакова и составила 0,075-0,085 г/см мин. Положительное влияние здесь оказывает вода, которая в процессе мокрого помола заполняет открытые поры керамики через рабочую поверхность футеровки, препятствует разрушению поровой структуры материала и повышает стойкость материала футеровки на истирание.
3. Технология изготовления крупногабаритных изделий из пористой кварцевой керамики хорошо отработана в нашей стране и не вызывает отмеченных выше недостатков при обжиге футеровки. Для изготовления футеровки с толщиной стенки более 30 мм целесообразно применять шликерное литье с зернистым наполнителем. В качестве наполнителя можно использовать порошки кварцевого стекла или кварцевой керамики. Для формования толстостенной и крупногабаритной футеровки водный шликер должен содержать до 20-40% вес. наполнителя с размером зерен от 0,5 до 5,0 мм.
4. Уход свободной воды в пористую футеровку можно компенсировать добавками дистиллированной воды в процессе помола или стабилизации.
5. Оптимальной с точки зрения технологичности и эксплуатационных свойств будет футеровка из кварцевой керамики с пористостью 6-11% и толщиной стенки 20-40 мм. Изменение толщины стенки футеровки регулируется литьевой формой, количеством зернистого наполнителя, размером зерна в формовочной массе (шликере).
Технология получения футеровки из пористой кварцевой керамики и изготовление мельницы включает следующие этапы:
- приготовление первичного водного шликера кварцевого стекла с параметрами:
3
плотность 1,86-1,91 г/см,
влажность 13-15%,
вязкость 20-40 с по ВЗ-1,
тонина (частиц >63 мкм) 4-10%;
введение и перемешивание зернистого наполнителя из обожженной кварцевой керамики или кварцевого стекла с размером частиц от 0,5 до 5,0 мм в количестве 20-40% к твердой фазе шликера;
- формование керамической заготовки (заготовок для составной конструкции) способом водного шликерного литья или другим методом;
- подвялка и сушка заготовок при температурах 20-100°С на воздухе и в сушильных шкафах;
- обжиг изделий в электрических печах при Тmах 1220+20°С, 1-4 часа;
- подгонка элементов футеровки, склейка элементов, например, эпоксидной смолой, сверловка загрузочного люка;
- герметизация и упрочнение футеровки путем нанесения на наружную поверхность органополимера, а для больших размеров и органопласта. В качестве органополимера можно использовать любые, например, эпоксидные смолы, эмали, лаки холодного отверждения, в качетсве наполнителя в органопласт можно использовать стеклоткань, мешковину и др.
В дальнейшем футеровку устанавливают в металлический барабан мельницы, центруют, а в промежуток между футеровкой и металлическим барабаном заливают гипсовый раствор. Загрузочный люк, слегка конической формы, формируют пастой на основе эпоксидной смолы и порошка кварцевого стекла. Возможный зазор между загрузочным люком и пробкой герметизируют резиной.
Загрузка мельницы кварцевым стеклом (бой стекла), мелющими телами из кварцевого стекла и дистиллированной водой осуществляется через загрузочный люк, как в любой шаровой мельнице. При необходимости осуществляется добавка стекла или воды. Скорость вращения и время помола подбирают экспериментально для каждого вида материала и требований по параметрам шликера. Слив готового шликера производят через люк с предварительно установленной сетчатой крышкой для задержки мелющих тел.
Преимуществом предложенной мельницы является упрощение конструкции и технологии изготовления мельницы и футеровки, возможность изготовления футеровки непосредственно на керамическом производстве. Для изготовления футеровки используется существующее при производстве кварцевой керамики технологическое оборудование и отработанные технологические процессы по получению водного шликера кварцевого стекла, формованию, обжигу. В отличие от прототипа отпадает опасность кристаллизации материала кварцевой футеровки в связи со снижением температуры обжига (спекания) и загрязнения им шликера. В качестве сырья могут быть применены различные отходы производства изделий из кварцевой керамики (шликер, сырец, обожженный материал). По предложенному техническому решению существенно упрощается технология изготовления толстостенной (30 мм и более) футеровки на основе кварцевого стекла, что удлиняет срок службы футеровки и мельницы.
Источники информации
1. Ю.Е.Пивинский, Е.И.Суздальцев. Кварцевая керамика и огнеупоры. Том 1, с.290-294, 2008 г.
2. Патент РФ №2254168, кл. В02С 17/22 от 01.10.2003., Бюлл. №17 от 20.06.2005 г.