ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОРДИЕРИТОВОЙ КЕРАМИКИ
MIXTURE FOR PRODUCING CORDIERITE CERAMICS

Изобретение относится к производству технической керамики, а именно к составам шихт для получения кордиеритовой керамики.
Известна сырьевая смесь для получения кордиеритовой керамики из природных материалов, содержащих соединения магния, кремния и алюминия, включающая серпентинитовую породу, в качестве которой используют отходы обогащения асбестовых руд и каолин в соотношении (1:1,5)-(1:5), а также дополнительно содержащая кордиерит при массовой доле до 50%, предварительно синтезированный из смеси серпентинитовой породы и каолина, взятых в соотношении 1:1. Обжиг изделий проводят при температуре 1250-1400°С (Патент РФ №2016878, С04В 35/18, 1994 г.).
Недостатком известного состава является высокая температура синтеза керамики, а также введение в шихту предварительно синтезированного кордиерита, что приводит к усложнению технологии и увеличению энергозатрат на производство керамики.
За прототип принят состав шихты для получения кордиеритовой керамики из природного сырья, включающий в качестве магнийсодержащего компонента тальк, а в качестве алюминий - и кремнийсодержащего компонентов - тугоплавкую глину кварц-каолинит-гидрослюдистого состава и гидроксид алюминия, а также дополнительно содержащий тонкомолотый, предварительно синтезированный кордиерит в количестве 10-15 мас.%. Помол сырьевой смеси проводят в виброцентробежной мельнице, в процессе чего осуществляется механохимическая активация шихты с получением высокоактивного порошка со средним размером частиц 10 мкм. Из полученного порошка формуют изделия способом полусухого прессования, а обжиг изделий проводят при 1200-1260°С. Известный состав и способ подготовки шихты позволяет снизить температуру обжига изделий (Хабас Т.А., Верещагин В.И., Вакалова Т.В., Кирчанов А.А., Куликовская И.А., Кожевникова И.Г. Низкотемпературный синтез кордиеритовой фазы в керамических массах из природного сырья. / Огнеупоры и техническая керамика. 2002. №10. С.42-46).
Недостатком является то, что полученная кордиеритовая керамика имеет высокое значение линейной усадки. Линейная усадка кордиеритовой керамики, полученной при 1200°С из шихт без добавки молотого кордиерита, составляет 17%, а с добавкой - 9%, что затрудняет производство керамических изделий сложной геометрической формы. Необходимость механоактивации шихты перед формованием, требующей специального оборудования, и введение в шихту предварительно синтезированного томкомолочного кордиерита для снижения линейной усадки делает технологический процесс трудоемким и энергозатратным.
В основу предлагаемого изобретения положена задача разработки состава шихты для получения кордиеритовой керамики без введения добавок предварительно синтезированного тонкомолотого кордиерита по упрощенной, энергосберегающей технологии с использованием природного сырья, позволяющего расширить сырьевую базу для ее получения.
Техническим результатом изобретения является снижение линейной усадки керамики.
Это достигается тем, что шихта для получения кордиеритовой керамики на основе природных сырьевых компонентов, включающих соединения магния, кремния, алюминия, согласно изобретению в качестве магнийсодержащего компонента содержит серпентинит, в качестве алюминий- и кремнийсодержащих компонентов содержит кианитовый концентрат, кварц-полевошпатовый концентрат и легкоплавкую глину гидрослюдистого типа при следующих соотношениях компонентов (мас.%): серпентинит - 28-31; кианитовый концентрат 43-46, кварц-полевошпатовый концентрат - 3-16, легкоплавкая глина гидрослюдистого типа 7-26.
Серпентинит является вмещающей породой Аганозерского хромитового месторождения и состоит из серпентина, с примесью (хлорита, карбонатов магния, талька, магнетиат.). Кианитовый концентрат является продуктом обогащения кианитовых руд месторождения Хизоваара (Карелия). Кварц-полевошпатовый концентрат является продуктом обогащения кварц-полевошпатовых гнейсов Чупинской свиты (Карелия) и состоит из кварца и полевого шпата. Легкоплавкая глина состоит из гидрослюд, кварца, полевых шпатов, оксидов и гидроксидов железа.
Химический состав указанных сырьевых компонентов шихты приведен в таблице 1. Используемые в заявляемой шихте природные компоненты указанного химического состава в предлагаемых количественных пределах позволяют при температуре обжига 1200-1250°С получить керамику с содержанием кордиерита 50-60%, синтез которого начинает осуществляться при 1150°С без введения в состав шихты предварительно синтезированного кордиерита и обеспечить, по сравнению с прототипом, снижение линейной усадки керамики при температуре обжига 1200-1250°С в 2,6-8 раз.
Использование заявляемой шихты позволяет расширить сырьевую базу для получения кордиеритовой керамики и повысить технологичность процесса за счет его упрощения и удешевления.
Изобретение реализуют следующим образом. Отдельные компоненты шихты измельчают и подвергают гомогенизации в любом смесителе в соотношениях, приведенных в таблице 2. Керамические изделия получают методом полусухого прессования, обжигают в воздушной среде при температуре 1200-1250°С в течение двух часов и охлаждают. Термический коэффициент линейного расширения (ТКЛР) определяли на дилатометре ДКВ-5АМ-01.
Содержание кордиерита в керамике определяли методом рентгеновского фазового анализа. Линейную усадку определяли по общепринятой методике путем измерения диаметра образцов до и после термообработки. Термостойкость, плотность и открытую пористость определяли по ГОСТ 24409-80 «Материалы керамические электротехнические. Методы испытаний».
В таблице 2 представлены составы предлагаемой шихты и свойства полученных керамических изделий (составы 1-3).
В таблице 2 приведены составы 4 и 5 с запредельными значениями компонентов шихты для доказательства того, что предлагаемый состав шихты является наилучшим для достижения заявляемого технического результата. Составы 4 и 5 показывают нецелесообразность выхода за пределы заявляемого соотношения природных компонентов шихты, так как это приводит к оплавлению керамической массы при 1200°С или к повышению температуры обжига.
Рентгенографическим методом определено, что полученная из заявленной шихты керамика содержит 50-60% кордиерита.
Из таблицы 2 следует, что заявленная шихта позволяет снизить линейную усадку кордиеритовой керамики, полученной при температуре обжига 1200-1250°С в 2,6-8 раз по сравнению с прототипом, в котором линейная усадка составляет 9% при условии введения в шихту добавки предварительно синтезированного кордиерита.
Снижение линейной усадки позволяет получать кордиеритовые керамические изделия сложной геометрической формы, что способствует расширению области их практического использования. Технологичность и экономическая эффективность заявляемой шихты обусловлены снижением энергозатрат и упрощением технологического процесса за счет исключения механоактивации исходного сырья и предварительного синтеза кордиеритовой добавки. Кроме того, практическое использование заявляемой шихты позволит расширить сырьевую базу для получения кордиеритовой керамики.
Таблица 1
Химический состав природных материалов
Вид сырья
Серпентинит
Кианитовый концентрат
Кварц-полевошпатовый концентрат
Глина гидрослюдистого типа
SiO<sub>2</sub>
32,44
38,64
76,02
62,9
ТiO<sub>2</sub>
0,05
0,42
0,26
0,81
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,28
60,02
14,81
17,18
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
4,88
0,07
0,07
3,63
FeO
1,72
-
0,86
1,18
МnО
0,03
0,004
0,01
0,08
MgO
37,49
0,20
0,36
2,09
СаО
<0,01
0,20
3,05
1,60
Na<sub>2</sub>O
0,12
0,03
4,08
2,0
К<sub>2</sub>О
0,1
0,02
0,19
2,63
Р<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,05
0,30
0,16
0,23
ппп
18,02
0,19
0,08
5,40
Таблица 2
Состав
Содержание компонентов, мас.%
Свойства кордиеритовой керамики
Серпентинит
Кианитовый концентрат
Кварц-полевошпатовый концентрат
Легкоплавкая глина
Линейная усадка, %
Термостойкость при 1000°С, теплосмены
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Пористость открытая, %
ТКЛР, 10<sup>-6</sup>1/°С (20-800°C)
№ п/п
1200°С
1250°С
1
28
43
3
26
1,1
1,2
>5
2,17
8,8
2,44
2
29,5
44,5
9
17
2
2,4
>5
2,24
5,1
2,46
3
31
46
16
7
2,2
3,5
>5
2,26
11,2
2,59
4
26
41
2
31
Оплавляется при 1200°С
-
-
-
-
5
32
47
18
3
Температура синтеза 1300-1400°С
-
-
-
-