ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИАЛОНА
FUSION MIXTURE FOR SIALON PRODUCTION

3
4
Изобретение относится к получению кремнийалюминийоксинитридов, получивших общее наименование сиалона, и может быть использовано в керамической, химической и металлургической промышленности для производства материалов, устойчивых к тепловому удару и воздействию агрессивных сред при высоких температурах. Известны шихты для получения сиалона, состоящие из чистых нитрида кремния β=SiN 40 мас.% и окиси алюминия 60 мас.% (Tsuge A., Inone В., Komeya K. "Japanese Ceramic Soc.", 1972, №28), каолина (Wild S. J. of Materials Sci., 1976, №11) и смеси каолиновой глины 80 мас.%, углерода или сажи 19 мас.% и катализатора 1 мас.% (Lee G. 'Industrial Hearting". 1975, V.43, №4, p.50-53).
Недостатком известных шихт для получения сиалона является применение дорогих компонентов шихты (чистые нитрид кремния, окись алюминия (Tsuge A., Inone H., Komeya K. "Japanese Ceramic Soc.", 1972, №28), катализатор (Lee G. "Industrial Hearting". 1975, V.43, №4, p.50-53) и необходимость длительной термической обработки компонентов в специальных условиях (22 ч в аммиачно-водородной среде при 1400°C (Lee G. "Industrial Hearting". 1975, V.43, №4, p.50-53)).
Из области техники известна шихта для получения сиалона, состоящая из глинистого и углеродсодержащего компонентов, в качестве которых она содержит углистый аргиллит и предварительно обожженный углистый аргиллит при заданном процентном соотношении компонентов (Авторское свидетельство СССР №823356, кл. С04В 35/58, опубл. 23.04.81).
Недостатком этой шихты является достаточно высокая стоимость применяемых компонентов при недостаточной интенсивности процесса получения сиалона.
2
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является шихта для получения сиалона, содержащая углеродсодержащий компонент и каолинит в количестве, обеспечивающем заданное соотношение C:SiO в шихте (Патент США №4360506, Кл. С01В 33/26, опубл. 23.11.1982).
Недостатком прототипа является непрогнозируемость состава и свойств получаемых сиалонов.
В основу изобретения поставлена задача получить сиалон заранее заданного состава при повышении интенсификации процесса его получения за счет включения в состав шихты для получения сиалона каолинитсодержащего углистого аргиллита и предварительно обожженного каолинитсодержащего углистого аргиллита, за счет чего повышается газопроницаемость шихты и обеспечивается заданное соотношение углерода и двуокиси кремния.
2
2
Задача решается тем, что шихта для получения сиалона, включающая углеродсодержащий компонент и каолинит, в количестве, обеспечивающем заданное соотношение C:SiO в шихте, согласно изобретению в качестве углеродсодержащего компонента и каолинита содержит каолинитсодержащий углистый аргиллит и предварительно обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит, а соотношение C:SiO, моль, в шихте равно 2,25:3,0.
В качестве аргиллита шихта может содержать отходы добычи или обогащения углей, в минеральной части которых содержится 60-80% каолинита, 5-10% кварца, гидрослюды и, кроме того, 20-35% тонкодисперсного органического вещества.
2
Шихта для получения сиалона состоит в основном из каолинита как минерального компонента, а также угля как углеродсодержащего компонента и содержит 70-85 мас.% каолинитсодержащего углистого аргиллита и 15-25 мас.% предварительно обожженного углистого аргиллита. При этом для получения сиалона требуемого состава соотношение C:SiO, моль, должно составлять 2,25:3,0. Превышение этого соотношения приводит к преимущественному образованию карбидов кремния, а снижение - оксидов алюминия.
Шихта может состоять из отходов добычи или обогащения углей, в минеральной части которых содержится 60-80 мас.% каолинита, 5-10% кварца, небольшие количества гидрослюд и, кроме того, 20-35% равномерно распределенного тонкодисперсного органического вещества угля.
Высокая дисперсность и особенности генетической связи реагирующих компонентов шихты обеспечивают интенсификацию процесса азотирования по сравнению с искусственно приготовленными смесями каолинитсодержащего и углеродсодержащего компонентов.
Введение в состав шихты предварительно обожженного каолинитсодержащего углистого аргиллита, либо золы, или твердых парафинов, опилок и пр. позволяет повысить количество транспортных пор и, следовательно, газопроницаемость гранул шихты (приблизительно в 10 раз), что приводит к интенсивной диффузии азота внутрь гранул шихты и активному удалению газообразных продуктов реакции CO и SiO, что способствует интенсификации процесса азотирования.
Каолинитсодержащий углистый аргиллит является отходом добычи или обогащения углей, введения углеродного восстановителя не требуется, поэтому применение углеотходов, как компонента шихты, повышает технико-экономическую эффективность производства и, кроме того, расширяет сырьевую базу производства сиалонов.
Шихту для получения сиалонов готовят следующим образом.
2
2
Каолинитсодержащий углистый аргиллит дробят до крупности менее 0,5 мм. Обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит получают в любом обжиговом аппарате, например в топке с цепной решеткой, при температуре более высокой, чем температура воспламенения входящего в состав аргиллита топлива. Вместо углистого аргиллита можно использовать золу угля, твердые парафины или древесные опилки. Обожженный каолинитсодержащий углистый аргиллит дробят до крупности - 0,2 мм. Компоненты дозируют, тщательно смешивают и гранулируют. Соотношение C:SiO, моль, в шихте должно составлять 2,25:3,0. Для каолинитсодержащего углистого аргиллита, в котором соотношение C:SiO, моль, составляет 2,0:3,0, можно добавлять твердый парафин или опилки.
Получение сиалона из шихты ведут при 1400°С в течение 1,5 ч при скорости подачи азота 2-2,5 л/мин на 1 кг шихты.
Выполняя данные условия, можно получить β'-сиалон следующего состава
3,60
2,40
2,40
5,60
SiAlON, обладающего удовлетворительной спекаемостью.
Осуществление изобретения можно продемонстрировать на следующих примерах.
a
d
2
2
3
2
3
2
Пример 1. Каолинитсодержащий углистый аргиллит, являющийся отходом добычи углей, может содержать 12-14 мас.% летучих, углерода - C 25-28 мас.%, зольность А - 60-65 мас.%, состав золы, мас.%: SiO - 60-65; AlО - 28-38; СаО+МgO+FeO≤5 (при CaO≤2), подвергают дроблению до крупности частиц не более 0,5 мм. Обоженный каолинитсодержащий углистый аргиллит получают его сжиганием в топочном устройстве с цепной решеткой с последующим дроблением до крупности частиц менее 0,2 мм. Из каолинитсодержащего аргиллита и обожженного каолинитсодержащего аргиллита состава составляют шихту, в которой соотношение C:SiO, моль, должно составлять 2,25:3,0. При недостаточном количестве углерода можно добавлять обогащенный уголь, при избытке - обожженный углистый аргиллит или золу. После перемешивания шихту гранулируют на тарельчатом грануляторе до образования гранул диаметром 3-7 мм. Гранулы помещают в проточную электрическую печь и подвергают термообработке в токе газообразного азота при 1400°С в течение 1,5 ч. Содержание связанного азота в полученном сиалоне составляет 24,0-25,5 мас.% Карбид кремния обнаружен в следовых количествах.
2
Пример 2. Сиалон получают аналогично примеру 1, для получения материалов заданного состава в каолинитсодержащий углистый аргиллит (С:SiO, моль 2,0:3,0) перед гранулированием вводят 10-15% твердых парафинов. Гранулы нагревают в течение полутора часов в токе азота, очищенного от кислорода. Содержание связанного азота составляет 25,5-27,0 мас.%.
2
2
Пример 3. Опыт проводят аналогично примерам 1 и 2, но содержание С в соотношении C:SiO, моль, каолинитсодержащего углистого аргиллита в шихте составляет менее 2,0. В шихту добавляют каолинитсодержащий углистый аргиллит и обогащенный уголь таким образом, чтобы соотношение С:SiO, моль, находилось в пределах 2,25:3,0. Содержание связанного азота в сиалоне 23,0-26,0 мас.%
Установлено, что при содержании связанного азота 23-27 мас.%  в продукте образуются β'-сиалоны, обладающие удовлетворительной способностью к спеканию, при содержании азота свыше 27% образуются сиалоны, которые плохо поддаются спеканию.
Полученный из β'-сиалона керамический материал стоек к воздействию расплавленных металлов: Al, Zn, Fe, горячих концентрированных растворов кислот (соляной, серной, азотной) и 30%-ного раствора едкого натра, а также сохраняет прочность при изгибе при нагревании до 1500°С, стоек к тепловому удару до 2000°С.