МИКРОСФЕРИЧЕСКИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области производства стеклокерамических изделий, а именно к производству полых стеклянных (керамических) микросфер, которые могут быть использованы для наполнения огнеупорных и износостойких изделий, таких, как абразивы, подшипники, пенометаллы.
Широко известен наполнитель для огнеупорных и износостойких (абразивных) изделий, представляющий собой порошкообразный карбид кремния по патенту РФ на изобретение №2361710 от 20.07.2009 г., С22С 21/00, патентообладатель Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН.
3
Однако, данный наполнитель имеет высокую плотность, более 3 кг/см, и введение его в материал значительно повышает вес изделия, что неприемлемо для многих отраслей (авиация, транспорт и др.)
Широко известен микросферический наполнитель, представляющий полые микросферы, выделенные из золы электростанций, работающих на каменном угле.
Наполнитель содержит сферическую оболочку (стенку) из алюмосиликатного материала, по фазовому составу состоящего из кристаллической фазы (кварц, муллит) и аморфной фазы (стекло). Данный наполнитель предназначен для наполнения огнеупорных и износостойких (абразивных) изделий (Статья «Следы угольной энергетики», журнал «Наука и жизнь», №5, 2008 г.)
2
Недостатком данного наполнителя, несмотря на его легкость (0,7 г/см), является его недостаточная огнеупорность и износостойкость, обусловленные материалом, из которого состоит оболочка, и который включает, как правило, около половины аморфной фазы (стекла) с температурой плавления 1200-1350°С и низкой износостойкостью.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение огнеупорности (до 1650°С) и износостойкости при незначительном повышении плотности.
Указанная задача решается за счет того, что в известном микросферическом наполнителе для огнеупорных и износостойких изделий, содержащем сферическую оболочку из алюмосиликатного материала, состоящего из кристаллической и аморфной фазы, согласно полезной модели, наполнитель дополнительно содержит внешнюю сферическую оболочку из карбида кремния и промежуточную оболочку из кристаллического муллита, расположенную между оболочкой из алюмосиликатного материала и оболочкой из карбида кремния.
Достижение указанного технического результата приводит к тому, что резко возрастает огнеупорность наполнителя, т.к. он представляет собой, по сути, алюмосиликатную микросферу, инкапсулированную в микросферу из карбида кремния с промежуточной оболочкой из муллита. Огнеупорность и износостойкость наполнителя определяется, по сути, внешней и промежуточной оболочками из карбида кремния и муллита. Если при высокой температуре (порядка 1650°С) внутренняя оболочка размягчится или даже расплавится, то наполнитель и изделие в целом не потеряют прочности и несущей способности.
Проведенные патентные исследования позволяют предположить, что заявляемое техническое решение обладает новизной.
Предложенное устройство является промышленно применимым существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным критериям полезной модели.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где в разрезе изображен предлагаемый наполнитель.
3
Наполнитель состоит из внутренней сферической оболочки 1, выполненной из алюмосиликатного материала. По химическому составу этот материал содержит 58% окиси кремния, 37% окиси алюминия и остальное - окислы железа, кальция, натрия и др. По сути, внутренняя оболочка является алюмосиликатной микросферой, выделенной из золы угольной электростанции; как правило, эти микросферы имеют следующие параметры: плотность частицы 0,7 г/см, размер частиц - 5-500 микрон (максимальное количество микросфер имеют размер 100-250 микрон, толщина стенки - 10% от диаметра.
Наполнитель также содержит внешнюю оболочку 2 из карбида кремния и промежуточную оболочку 3 из муллита, расположенную между оболочкой 1 из алюмосиликатного материала и оболочкой 2 из карбида кремния. Наличие промежуточной оболочки 3 из муллита необходимо для осуществления процесса нанесения слоя (оболочки) карбида кремния методом осаждения из газовой фазы - так называемого процесса CVD, который предполагает нанесение слоя карбида кремния в условиях повышенных температур 1100-1200°С. Так как оболочка 1 при такой температуре размягчается, то на ее поверхности необходимо создать слой (оболочку 3) из кристаллического муллита, который имеет высокую температуру плавления 1650°С и позволяет осуществить CVD процесс. Как известно, химический состав и физические параметры алюмосиликатных микросфер, выделенных из золы, зависят от вида используемого угля и режимов работы котла электростанции, так при использовании Экибастузского угля при сжигании его в котле мощностью 500 МВт, например, на Троицкой ГРЭС получаются микросферы с наличием на внешней поверхности слоя кристаллического муллита.
Таким образом, задача получения слоя муллита сводится к поиску и выбору микросфер от различных электростанций.
2
Диапазон размеров частиц наполнителя составляет 15-500 микрон при толщине оболочки 1 от 10 до 25 микрон; оболочка 2 из карбида кремния должна быть также порядка 10-25 микрон (10% от диаметра), оболочка 2 из карбида кремния должна быть также порядка 10-25 микрон, а толщина оболочки 3 из муллита может быть меньшей, порядка 3-10 микрон. При таких параметрах средняя истинная плотность частиц наполнителя будет 1,5-1,7 г/см. То есть, при значительно низкой плотности, чем порошкообразный карбид кремния, предполагаемый наполнитель по огнеупорности и износостойкости не уступает чистому карбиду кремния.
Для сравнения были проведены испытания предлагаемого наполнителя и известного (прототипа - чистые алюмосиликатные микросферы) по огнеупорности и износостойкости. Износостойкость определяли по уменьшению веса наполнителя после обработки в «кипящем слое» в течении 30 минут.
Результаты испытаний сведены в таблицу.
Предлагаемый наполнитель
Известный наполнитель
Температура плавления С°
1650
1350
Износостойкость % износа по весу
2
10
Наличие у частиц наполнителя сферической формы улучшает его текучесть и снижает трещинообразование при формовке изделий. Так, при замене магнезиальной футеровки сталеразливочного ковша на футеровку с предлагаемым наполнителем за счет снижения плотности, повышения текучести, снижения трещинообразования, повышения износостойкости общие энергозатраты снижаются на 15 КВт/час на 1 тонну выплавляемой стали.