ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕУПОРНОГО МАТЕРИАЛА С ПОНИЖЕННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ
CHARGE FOR RECEIVING OF REFRACTORY MATERIAL WITH REDUCED HEAD CONDUCTION

Изобретение относится к огнеупорной промышленности, может использоваться для изготовления высокотемпературных материалов с пониженной теплопроводностью, в частности при производстве шихты для получения пористого тугоплавкого огнеупорного материала на основе циркона.
Известно использование композиционных материалов, содержащих для обеспечения пористости полые микросферы. По а.с. №1169311, С04В 35/58, 1999 предложен пористый композиционный материал на основе борида циркония, содержащий полые микросферы оксида алюминия. Данный композиционный материал имеет теплопроводность и прочность, не позволяющие использовать его в качестве огнеупорного материала.
Известна шихта для получения пористого огнеупорного материала по патенту РФ на изобретение №2030369, С04В 38/08, 1995, включающая пустотелые корундовые микросферы, оксид алюминия и оксид ниобия. Недостатком является высокая теплопроводность получаемого материала.
Известен спеченный материал на основе двуокиси циркония по патенту РФ на изобретение №2201906, С04В 35/484, 2003. Данный огнеупорный материал получен из шихты, содержащей от 5 до 40% циркония, в состав материала входят оксиды гафния, кремния, титана, иттрия, алюминия. Однако для создания тугоплавкого, огнеупорного материала бывает необходим более низкий по сравнению с данным спеченным материалом коэффициент теплопроводности.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран сфероидизированный плазмой керамический порошок по патенту РФ на изобретение №2299926, С23С 4/10, 2007, из химически однородного стабилизированного диоксида циркония в тетрагональной кристаллической фазе. Диоксид циркония имеет вид сферических частиц размером меньше чем 200 мкм. Недостатком является то, что весь порошок состоит из сферических полых частиц, что вызывает повышенную его пористость и, как следствие, снижение прочности. Кроме того, присутствие в порошке моноклинного диоксида циркония может привести к разрушению материала, изготовленного из порошка, в процессе его эксплуатации.
Технической задачей заявляемого изобретения является снижение теплопроводности при обеспечении достаточной прочности огнеупорного материала, получаемого из шихты.
Технический результат достигается за счет того, что в шихте для получения огнеупорного материала с пониженной теплопроводностью, содержащей порошок циркона и полые микросферы, согласно изобретению полые микросферы размером 100-140 мкм изготовлены из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, соотношение компонентов шихты следующее, мас.%:
порошок на основе циркона
60-85
полые микросферы
5-30
связующее
остальное
Технический результат обеспечивается использованием в качестве материала для микросфер диоксида циркония, что обусловлено его низким коэффициентом теплопроводности λ=2-3 Вт/м·К. Стабилизирование диоксида циркония иттрием необходимо для повышения прочности материала, получаемого из шихты. Это вызвано полиморфизмом диоксида циркония и позволяет предотвратить переход его состояния из одной фазы в другую, вызывающий внутренние напряжения и разрушение материала. Использование микросфер с внутренними замкнутыми полостями обеспечивает дополнительную пористость материала, вызывающую снижение теплопроводности. Использование микросфер в пределах 5-30 мас.% от состава шихты является оптимальным для снижения теплопроводности и обеспечения необходимой прочности, т.к. при введении в шихту микросфер в количестве менее 5 мас.% сложно обеспечить их равномерное распределение в матрице, что сказывается на нестабильности характеристик получаемого материала. Введение микросфер в количестве более 30 мас.% существенно сказывается на снижении прочностных характеристик материала. Использование микросфер размером 100-140 мкм также позволяет снизить теплопроводность при сохранении достаточной прочности. Микроструктурный анализ фракции микросфер размером менее 100 мкм выявил, что они сплошные внутри. Применять их для увеличения пористости нецелесообразно. В материале микросфер размером более 140 мкм присутствует моноклинная фаза диоксида циркония, при нагреве она последовательно переходит в тетрагональную и кубическую фазы, а при охлаждении - в обратную моноклинную модификацию. Переход материала из одной формы кристаллической решетки в другую связан с его объемным изменением, что приводит к потере прочности и его разрушению.
2
Для приготовления шихты огнеупорного материала с пониженной теплопроводностью используют готовый порошок циркона марки Zeta Zircon Superfine с размером частиц 5,1 мкм и удельной поверхностью 5,4 м/г. Химический состав данного порошка следующий, мас.%:
ZrO<sub>2</sub>+НfO<sub>2</sub>
66,2
SiO<sub>2</sub> (общий)
32,6
SiO<sub>2</sub> (свободный), Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, TiO<sub>2</sub>, CaO, Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
остальное
3
Порошок циркона смешивают с полыми микросферами из диоксида циркония, стабилизированного иттрием, удельным весом 1,6 г/см, размером 100-140 мкм. Микросферы вводят в количестве 5-30 мас.% от состава шихты. В качестве временного связующего и целевой добавки в приготовляемую шихту добавляют 4%-ный водный раствор поливинилового спирта (ПВС) в количестве 10% от общей массы сухих компонентов шихты. Применение ПВС в качестве временного связующего традиционно для технологии получения огнеупорных материалов. Из приготовленной шихты прессуют заготовки при давлении 80 МПа, которые в дальнейшем спекают при температуре 1600°С в течение 2 часов.
Зависимость технических показателей образцов материала, полученного из данной шихты, от количества введенных полых микросфер из диоксида циркония приведена таблице.
Количество микросфер, мас.%
Теплопроводность, Вт/м·K (при комнатной температ.)
Прочность при сжатии, МПа
0
7,85
603
5
8,02
392
10
7,28
363
15
6,51
306
20
5,95
284
30
2,85
186
С увеличением в составе шихты содержания полых микросфер из оксида циркония снижается теплопроводность материалов, получаемых на ее основе. Теплопроводность материала, полученного из шихты с максимальным 30%-ным содержанием микросфер, ниже в 2,8 раза по сравнению с материалом, не содержащим данные микросферы. Прочность при сжатии этого же материала с 30%-ным содержанием полых микросфер из диоксида циркония в 2,3 раза больше регламентируемого ГОСТом показателя прочности на сжатие огнеупоров, применяемых в стекловаренных печах.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить теплопроводность огнеупорного материала, получаемого из шихты, при обеспечении его высокой прочности.