СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF PRODUCING GLASSCERAMIC MATERIAL

Изобретение относится к способам получения стеклокристаллического материала, включающее просев золы, образующейся после сжигания твердых бытовых отходов, дозировку, смешение с щелоче- и кремнеземсодержащими компонентами, тепловую обработку до образования стекломассы, формование изделий и отжиг, отличающееся тем, что стекломассу получают из шихты, содержащей до 70% золы, кремнеземсодержащий компонент 20-40%, щелочесодержащий компонент до 20%. Полученные изделия подвергают кристаллизации в одну стадию при температуре 900-1100°С с выдержкой 60-120 минут или в две стадии при температуре 700-850°С с выдержкой 30-60 минут и 900-1100°С в течение 60-120 минут.
Известен способ утилизации золы, включающий смешивание 40-60% масс. золы, 10-20% масс. компонента на основе диоксида Si, формировании гранул на основе полученной смеси, опудривании их дисперсным огнеупорным материалом, термообработку гранул в две стадии: на первой стадии в течение 10-30 минут при Т=400-600°С, на второй в течение 1-20 минут при Т=870-950°С [1]. Недостатком служит, ограничение содержания золы в сырьевой смеси, введение в шихту 5 дополнительных компонентов, отсутствие данных об экологической чистоте полученного материала и его свойствах.
3
4
Известен также наиболее близкий к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату способ получения стеклокристаллического материала путем подготовки шихты, нагрева стекломассы с использованием плазменного теплоносителя, формования, кристаллизации и отжига, отличающийся тем, что с целью интенсификации процесса и расширении сырьевой базы нагрев до 1600-2000°С ведут со скоростью 10-10 град/час [2].
Недостатком является высокое водопоглощение полученного материала, что в дальнейшем приводит к ухудшению эксплуатационных свойств и отсутствие данных о его экологической чистоте. Техническим результатом изобретения является получение стеклокристаллического материала, обладающего высокой химической устойчивостью, износостойкостью, отсутствием водопоглощения и экологической безопасностью.
Поставленный результат достигается тем, что стеклокристаллический материал получают из золы, образующейся после сжигания твердых бытовых отходов с последующей просевом, дозировкой, смешением со щелоче- и кремнеземсодержащими компонентами. Экологическая чистота обеспечивается высокой химической устойчивостью и отсутствием водопоглощения полученного материала.
Формование изделий осуществляют прессованием, непрерывным прокатом или центробежным литьем. Кристаллизацию осуществляют в одну стадию при температуре 900-1100°С в течение 60-120 минут или в две стадии при температуре 700-850°С с выдержкой 30-60 минут и 900-1100°С в течение 60-120 минут. При необходимости в шихту вводят добавки-катализаторы в количестве 0,5-10,0 мас.%.
При выработке изделий методом проката стекломассу формуют на прокатных машинах в непрерывную ленту шириной 1200-1300 мм, толщиной 8-20 мм. Ленту подают в газовую или электрическую туннельную печь, где происходит кристаллизация. Затем лента подвергается отжигу, охлаждению и резке на листы заданных размеров.
Методом прессования на автоматических прессах изготавливают плитки размером 125×300×15 мм, которые затем подвергаются кристаллизации, отжигу и охлаждению.
При центробежном литье во вращающуюся форму заливают стекломассу, которая под действием центробежных сил прижимается к стенкам и, застывая, принимает желаемую форму.
Ситаллизация заключается в дополнительной тепловой обработке, в результате которой происходит переход стеклообразного состояния в стеклокристаллическое. По завершению процесса материал, состоящий из 60-70% кристаллической с размером кристаллов 0,1-1,5 мкм и 30-40 стекловидной.
2
3
Размеры выделяющихся кристаллов их состав и количество регулируются режимом термообработки и определяют основные свойства материала. Выбор режима кристаллизации осуществляется путем анализа ДТА исходных стекол. Наличие в составе золы нескольких катализаторов кристаллизации (сульфидов, оксидов хрома и фосфора) могут не только ускорить процесс разделения на фазы, но и менять очередность их выделения, качественного и количественного соотношения. Присутствие в золе от мусоросжигания оксидов CrO сульфидов, фосфатов, являющихся эффективными катализаторами процесса ситаллизации не требует в большинстве случаев введения каталитических добавок в состав шихт на основе золы мусоросжигания. Значительные колебания состава золы требует корректировки количества добавляемых в шихту кремнеземсодержащих и щелочесодержащих компонентов. Полученные в результате ситаллизации новые стеклокристаллические материалы - это монолитные композиты, состоящие из мелкозернистых кристаллов и равномерно распределенной между ними стеклофазы. Отличительная особенность стеклокристаллических материалов - мелкозернистая малодефектная структура, что предопределяет существенное улучшение их эксплуатационных свойств.
Термостойкость, износостойкость, кислото- и щелочестойкость, отсутствие водопоглощения, все эти показатели обеспечивают высокую устойчивость стеклокристаллического материала в условиях эксплуатации, предотвращая попадание продуктов токсичных соединений в окружающую среду. Изделия нетоксичны и не подвержены разрушению под воздействием атмосферы.
Повышенная экологическая чистота стеклокристаллических материалов на основе золы МСЗ обеспечивается высокими координационными числами ионов тяжелых металлов, определяющими их расположение в трехмерной тетраэдной кремнекислородной сетке.
2
При проведении испытаний использовали сульфат натрия, песок кварцевый с содержанием SiO до 99% масс. и золу МСЗ трех составов, представленных в таблице.
Ниже приведены конкретные примеры стеклокристаллического материала, полученные предложенным способом.
Пример 1.
Золу состава 1 (см. таблицу) просеивают через сито 0,7, дозируют по массе в количестве 55% шихты, смешивают с кремнеземсоставляющей и щелочесоставляющей в количестве 40 и 5% соответственно, уплотняют и нагревают до температуры 1550°С, выдерживают 1,5-2 часа до получения однородной стекломассы охлаждают до 1000°С. Формуют прессованием и подвергают кристаллизации по одностадийному режиму с выдержкой при температуре 900°С в течение 120 минут и отжигают. Полученные изделия характеризуются следующими показателями:
- прочность на растяжения - 85 МПа;
- термостойкость - 180°С;
7
-7
- КТЛР, α·10 град - 90;
н. разм
- Т - 850°С;
2
- истираемость г/см - 0,025;
2
4
- кислотостойкость (HSO)% - 95;
- щелочесткойкость NaOH % - 80;
- водопоглощение - 0.
Пример 2.
Золу состава 2 просеивают через сито 0,7, дозируют по массе в количестве 65% шихты, смешивают с кремнеземсоставляющей в количестве 30% и щелочесоставляющей в количестве 5%, уплотняют в виде брикетов и нагревают до температуры 1560°С, выдерживают 1,5 часа до получения однородной стекломассы, охлаждают до температуры 1050°С и формуют в виде непрерывной ленты и подвергают ситаллизации в печи-кристаллизаторе по двухстадийному режиму с выдержкой 60 минут при 800°С и при температуре 920°С в течение 90 минут, затем отжигают. Полученные изделия характеризуются следующими показателями:
- прочность на растяжение - 95 МПа;
- термостойкость - 25°С;
-7
-7
- КТЛР, α·10град - 80;
н.разм
- Т - 800°С;
2
- истираемость г/см - 0,020;
2
4
- кислотостойкость % (HSO) - 98;
- щелочестойкость % (NaOH) - 85;
- водопоглощение - 0.
Пример 3.
Золу состава 3 просеивают через сито размером 0,7, дозируют по массе в количестве 72% шихты, смешивают с кремнеземсоставляющей в количестве 24% и щелочесоставляющей в количестве 4%, уплотняют в виде брикетов, нагревают до Т=1560°C, выдерживают 90-120 минут, охлаждают до температуры 1000°С и формуют в виде непрерывной ленты, затем подвергают термообработке в печи - кристаллизаторе по двухступенчатому режиму с выдержкой при Т=820°С в течение 60 минут и при Т=900°С в течение 60-90 минут. После отжига полученные изделия обладают следующими свойствами:
- прочность на растяжение - 87 МПа;
- термостойкость - 250°С;
-1
- КТЛР, α·град- 85;
н.раз
- Т - 900°С;
2
- истираемость г/см - 0,022;
2
4
- кислотостойкость % (HSO) - 96;
- щелочестойкость % (NaOH) - 87;
- водопоглощение - 0.
Состав золы МСЗ
содержание оксидов, % по массе
SiO<sub>2</sub>
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
CaO
MgO
Na<sub>2</sub>O К<sub>2</sub>О
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
SO<sub>2</sub>
MnO
TiO<sub>2</sub>
C1<sup>-</sup>
Σ проч.
1
35,65
10,80
6,20
20,65
3,16
8,27
2,46
2,58
2,84
0,75
1,61
4,03
2
37,65
11,68
7,20
22,24
3,22
10,46
1,70
3,8
3,75
0,8
2,4
3,41
3
41,31
7,30
5,42
17,96
2,8
9,2
2,9
2,7
3,91
1,2
0,8
4,5
Список литературы
1. Патент России №2123989. Способ утилизации золы.
2. Патент России №2026834. Способ получения стеклокристаллического материала.