СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРИКЛАЗОШПИНЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ
METHOD OF PRODUCING PERICLASE-SPINEL CERAMICS

Изобретение относится к способам получения керамических материалов на основе смеси карбоната магния и оксида алюминия и может быть использовано для получения обожженных термостойких периклазошпинельных огнеупорных изделий.
Известен способ получения материалов тугоплавких оксидных систем, включающий в себя смешивание исходных компонентов, загрузку их в печь, слив в изложницу и охлаждение на воздухе [Попов О.Н., Рыбалкин П.Т., Соколов В.А., Иванов С.Д. - М.: Металлургия, 1985, с. 63]. Недостатком этого является низкое нестабильное качество получаемого продукта ввиду неоднородности химического состава и структуры, нарушение стехиометрии расплава, обусловленное повышенной дефектностью материала (усадочные раковины, пористость, горячие трещины и др.), формирующейся при охлаждении.
Также известен способ получения тугоплавких оксидных систем, в котором смешивают исходные компоненты, загружают в печь, плавят на «блок» под слоем шихты, удаляют «блок» из печи и охлаждают на воздухе под слоем шихты [Попов О.Н., Рыбалкин П.Т., Соколов В.А., Иванов С.Д. - М.: Металлургия, 1985, с. 61.]. Повышение качества получаемых материалов обусловлено более равновесными условиями по сравнению с указанным выше аналогом. Недостатком этого способа являются повышенные трудо- и энергозатраты.
Известен способ изготовления периклазошпинельных изделий, включающий приготовление алюмомагниевой композиции путем совместного помола периклаза и глинозема, увлажнения молотой смеси временным связующим, окускования ее, термообработки окускованной смеси, последующего ее дробления, смешивания полученной зернистой алюмомагниевой композиции с дисперсным и зернистым периклазом, увлажнения этой смеси временным связующим, прессования полученной увлажненной массы, сушки и обжига изделий. При этом алюмомагниевую композицию изготавливают из смеси, содержащей 28-40 мас. % периклаза и 60-72 мас. % глинозема. Термообработку молотой смеси после ее окускования осуществляют сушкой или кратковременным обжигом при 1450-1650°С. Изделия прессуют из массы, содержащей 45-70 мас. % зернистого периклаза, 5-20 мас. % зернистой алюмомагниевой композиции и 25-35 мас. % дисперсного периклаза. Алюмомагниевая композиция может содержать 4-72 мас. % свободного оксида алюминия. Ее линейная усадка при обжиге в составе изделий не более 5,5% [патент РФ №2116276 Способ изготовления периклазошпинельных огнеупорных изделий. МПК С04В 35/04, опубл. 27.07.1998.]. Недостатком этого способа является спекание алюмомагниевой композиции из смеси порошков периклаза и глинозема с размером частиц менее 0.2 мм при кратковременном обжиге в интервале температур 1450-1650°С.
2
3
В литературе представлены сведения [заявка на изобретение №2016150506, опубл. 22.06.2018] о способе, являющимся прототипом, включающем смесь карбоната магния и оксида алюминия при объемном соотношении компонентов 90:10 соответственно с использованием в качестве реагента для синтеза карбонат магния, где указано, что обжиг производится при использовании диапазона температур 1550-1650°С. Однако согласно описанной формуле предлагаемого изобретения способ предусматривает только обжиг смеси карбоната магния и гамма-AlO. При отсутствии операции формования возникает сомнение в возможности получения таким способом керамического изделия.
2
3
Аналогом по достигаемому результату является способ получения керамики на основе алюмомагнезиальной шпинели [Патент RU №2486160, МПК С04В 35/443, опубл. 27.06.2013], при котором смешивают порошки оксида алюминия (AlO) и оксида магния (MgO) в стехиометрическом соотношении, сушат, формуют и обжигают при режимах, обеспечивающих шпинелеобразование. Причем после образования шпинели проводят ее измельчение, добавляют порошок наноразмерных фракций оксида магния и порошок оксида галлия. Затем полученную массу сушат и гранулируют в потоке газа, после чего осуществляют повторное формование и отжиг, который проводят при температуре не более 1500°С. Недостатком указанного способа является образование прочных конгломератов, которые сохраняются в процессе последующего измельчения, не обеспечивая гомогенного распределения шпинели в алюмооксидной матрице.
Техническая задача заявленного изобретения состоит в получении плотного керамического периклазошпинельного огнеупорного материала.
Технический результат заключается в повышении качества периклазошпинельных огнеупорных изделий - плотного керамического материала, обладающего высокими механическими характеристиками, снижении трудо- и энергозатрат.
3
2
3
3
2
3
3
Технический результат достигается тем, что в способе получения периклазошпинельной керамики, включающем обжиг керамообразующей смеси карбоната магния (MgCO) и оксида алюминия (γ-AlO) с использованием в качестве реагента для синтеза шпинели - карбонат магния, согласно изобретению, получение смеси карбоната магния и оксида алюминия осуществляют весовым способом в соотношении, мас. %: 90 - MgCO, 10 - γ-AlO с использованием магнезиального концентрата с содержанием MgCO не менее 92%, измельчение проводят в шаровой мельнице при 250 об. мин в течение 15 мин., смешивают смесь в вибрационной дисковой мельнице в течение 20 мин., последующее прессование образцов осуществляют методом двустороннего прессования без связующего агента при давлении 40 кН, обжиг образцов ведут при температуре 1550°С в течение 1 часа со ступенчатым нагреванием при промежуточных температурах 800°С, 900°С, 1000°С, 1200°С, 1400°С в течение 0.5 часа.
Реакция шпинелеобразования идет в 2 этапа. На первом этапе происходит разложение карбоната магния и образование оксида магния. При этом в процессе реакции выделяется углекислый газ, способствующий формированию пористой структуры промежуточного продукта. Образующийся в процессе разложения оксид магния обладает высокой реакционной способностью, что обеспечивает полное протекание реакции шпинелеообразования при температуре 1500°С.
3
2
3
2
2
3
MgCO + AlO → MgO + CO↑ + AlO
2
3
Реакция разложения карбоната инициирует взаимодействие оксида магния и AlO (второй этап реакции) с образованием алюмомагниевой шпинели.
2
3
2
4
MgO + AlO → MgAlO
Пример 1
3
3
2
3
Магнезиальный концентрат получали методом магнитной сепарации аморфного магнезита. Содержание MgCO в полученном концентрате не менее 92%. Полученный магнезитовый концентрат измельчали в шаровой мельнице при 250 об. мин в течение 15 мин. Далее получали смесь карбоната магния и оксида алюминия весовым способом в соотношении, мас. %: 90 - MgCO,10 - γ-AlO, смешивали ее в вибрационной дисковой мельнице в течение 20 мин. Последующее прессование образцов осуществляли методом двустороннего прессования без связующего агента при давлении 40 кН. Получены экспериментальные образцы диаметром 21 мм и высотой 10 мм. Образцы обжигали при температуре 1550 в течение 3 часов.
Пример 2
3
3
2
3
Магнезиальный концентрат был получен методом магнитной сепарации аморфного магнезита. Содержание MgCO в полученном концентрате не менее 92%. Полученный магнезитовый концентрат измельчали в шаровой мельнице при 250 об. мин в течение 15 мин. Далее получали смесь карбоната магния и оксида алюминия весовым способом в соотношении, мас. %: 90 - MgCO, 10 - γ-AlO, смешивали ее в вибрационной дисковой мельнице в течение 20 мин. Последующее прессование образцов осуществляли методом двустороннего прессования без связующего агента при давлении 40 кН. Получены экспериментальные образцы диаметром 21 мм и высотой 10 мм. Образцы обжигали при температуре 1550°С в течение 1 часа со ступенчатым нагреванием при промежуточных температурах 800°С, 900°С, 1000°С, 1200°С, 1400°С в течение 0.5 часа.
Подготовленные в соответствии с предложенными режимами материалы обладают показателями физических и механических свойств, приведенными на Фиг. 1.
Предложенный способ позволяет получать плотный керамический материал, который обладает высокими физико-механическими характеристиками.