ТЕРМОСТОЙКИЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ КОМПОЗИТ
THERMOSTABLE CERAMIC COMPOSITE

Изобретение относится к области составов огнеупорных материалов, в частности к производству термостойких керамических композитов (огнеупорных масс) для использования в металлургической промышленности в качестве:
- материала для обработки рабочей поверхности изложниц для разливки стали и поддонов для изложниц;
- облицовочных защитных покрытий для литейных форм, в том числе металлических, в производстве чугунного и стального литья, а также для литейных форм в машиностроительном металлургическом производстве.
В технике известны композиции, обладающие защитными свойствами в металлургическом производстве от температурного воздействия жидкой стали, чугуна и цветных металлов (аналоги).
1. Огнеупорная защитная обмазка для керамических материалов, включающая красный шлам переработки бокситов и затворяющую жидкость, отличающаяся тем, что, с целью повышения адгезии защитной обмазки к поверхности керамических материалов и повышения стойкости к прочности керамических материалов путем снижения их пористости, она дополнительно содержит алюминий и флюсующую добавку при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: алюминий 8,4-15,6, флюсующая добавка 12,0-18,0, затворяющая жидкость 10,0-20,0, красный шлам переработки бокситов - остальное [1].
3
3
2. Термостойкая паста, включающая хромомагнезитовый порошок, жидкое стекло, едкий натр и воду, отличающаяся тем, что, с целью повышения стойкости форм и увеличения срока живучести пасты, она дополнительно содержит глину огнеупорную при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: хромомагнезитовый порошок 72-76, глина огнеупорная 8-10, жидкое стекло (М=2,61-3,0, γ=1,48-1,5 г/см) 7-10, едкий натр (γ=1,43-1,45 г/см) 2-3, вода - остальное [2].
3. Защитное покрытие, включающее огнеупорный наполнитель, жидкое стекло и бентонит, отличающееся тем, что, с целью повышения стойкости поддонов и изложниц, оно содержит в качестве огнеупорного наполнителя дистен-силлиманитовый концентрат при следующем соотношении ингредиентов, вес.%: дистен-силлиманитовый концентрат 32-37, жидкое стекло 43-58, бентонит 10-20 [3].
4. Огнеупорное покрытие преимущественно для поддонов и изложниц, содержащее огнеупорный наполнитель, связующую, стабилизирующую и углеродсодержащую добавку, оно содержит в качестве углеродсодержащей добавки лигнин при следующем соотношении компонентов, вес.%: огнеупорный наполнитель 5-20, связующая добавка 0,1-1,0, стабилизирующая добавка 8,1-1,0, лигнин 0,1-5,0, вода 68,0-94,7. [4].
Недостатком известных композиций является пониженная термическая стойкость при воздействии цикличной высокой температуры нагретого металла вследствие образования термически неустойчивых стеклообразных составов.
В качестве прототипа принят наиболее близкий к заявляемой керамической композиции по решаемой технической задаче и сущности принят огнеупорный материал.
5. Огнеупорное покрытие, содержащее в качестве огнеупорного наполнителя кварцедистеновый продукт при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: кварцедистеновый продукт 45-65, кремнезоль 35-55. При этом кварцедистеновый продукт содержит следующие ингредиенты, мас.%: двуокись кремния 85,6-89,8, окись алюминия 7,1-17,1, двуокись циркония 0,07-0,11, двуокись титана 0,42-0,51, окись железа 0,18-1,21 [5].
Недостатком прототипа является пониженная термическая стойкость огнеупорной массы, нанесенной на изложницу и поддон вследствие образования термически неустойчивых стеклообразных фазовых составляющих в результате воздействия цикличной, высокой температуры при разливке жидкого металла.
Задачей изобретения является создание термостойкой керамической композиции, обеспечивающей достижение цели изобретения - повышенная термическая стойкость огнеупорной массы при воздействии цикличной, высокой температуры в процессе разливки жидкого металла путем образования термически устойчивых составов.
Эта цель достигается тем, что термостойкий керамический композит, включающий огнеупорный наполнитель и связующий компонент, в качестве связующего компонента содержит золь-гель продукт, синтезированный с использованием силиката натрия, а в качестве огнеупорного компонента содержит смесь следующих порошкообразных компонентов: электрокорунда, двуокиси титана пигментной, двуокиси циркония, талька и каолина при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Электрокорунд
20-30
Двуокись титана
2-10
Двуокись циркония
2-10
Тальк
5-15
Каолин
20-30
Золь-гель продукт, синтезированный
с использованием силиката натрия
20-30
Вода
Остальное.
Порошкообразные компоненты это соли и оксиды химических элементов, различного зернового состава. Используются после помола в бисерных мельницах, а также в виде готовых химических соединений.
Термостойкий керамический композит получают смешиванием порошкообразных компонентов в приведенном соотношении с жидким золь-гель продуктом. Термостойкий керамический композит представляет собой многокомпонентную однородную массу светло-бежевого цвета.
Взаимодействие компонентов в приведенном соотношении определяет свойства термостойкого керамического композита.
2
2
2
5
2
3
2
2
3
4
10
2
Первичный каолин - глина белого цвета разных оттенков, состоящая преимущественно из каолинита. Каолинит - основной силикат алюминия. Химическая формула каолинита - Al[OH]SiO, огнеупорность 1730°C. Цвет отмученного каолина - белый. Электрокорунд имеет формулу AlO, Двуокись титана пигментная (диоксид титана - TiO), двуокись циркония (ZrO). Тальк минерал подкласса слоистых силикатов, Mg[SiO](OH). Обеспечивает высокую укрывистость композита при нанесении на изделие.
4
В дисперсном состоянии твердые компоненты в композите образуют структуру в виде каркаса. При взаимодействии всех компонентов коллоидная система переходит в гель. Золь-гель продукт синтезированный с использованием силиката натрия NaSiO образуют предельно высокодисперсные коллоидные растворы (гидрозоли).
В золь-гель процессе получают материал со структурой, обладающий высокой гомогенностью (вплоть до молекулярного уровня), что характеризует термостойкий керамический композит как материал, полученный по золь-гель технологии.
Термостойкий керамический композит, нанесенный на поверхность металлургической разливочной посуды, в процессе нагревания (сушка) при относительно низкой температуре превращается в монолитный композит. Температура плавления монолитного композита в заявленном соотношении компонентов составляет 1800°C.
Термостойкий керамический композит в виде минерализованного раствора является самотвердеющей композицией. В процессе формования и сушки усадка материала практически отсутствует. В растворе при увеличении концентрации твердых частиц образуется неразрушающийся, деформируемый под действием теплосмен каркас.
Композиционный материал, состоит из нескольких фаз с четкой межфазной границей. Система содержат усиливающие элементы (твердые частицы) с различным отношением длины к сечению (что и создает упрочняющий эффект), погруженные в полимерную матрицу. Удельные механические характеристики композита (нормированные на плотность) заметно выше, чем у исходных компонентов. Именно благодаря усиливающему эффекту композит отличаются высокой механической пластичностью и термостойкостью.
Термостойкий керамический композит характеризуется высокими механическими свойствами, термической и химической стабильностью. Алюмосиликат значительно улучшает механические свойства полимера.
При диспергировании резко возрастает поверхностная активность вещества в твердом состоянии и скорость физико-химического взаимодействия компонентов. Скорость такого взаимодействия пропорциональна величине поверхности. Чем тоньше структура вещества, тем быстрее оно растворяется или тем быстрее протекают твердотельные реакции.
Термостойкий керамический композит как самотвердеющее связующее обеспечивает тонкие клеевые швы между склеиваемыми деталями конструкций того же фазового состава, что и детали или изделия, превращая их в единый монолит, что важно в большинстве технологических процессов, в том числе при ремонте футеровок термических печей, изготовлении большемерных изделий или изделий сложной конфигурации.
Использование покрытий и обмазок, изготовленных с использованием термостойкого керамического композита, увеличивает срок службы металлургической технологической разливочной посуды, графитированных электродов, графитсодержащих материалов. Покрытие можно наносить методом окунания, распыления или намазывания. Обжиг покрытия производится в процессе эксплуатации металлургического оборудования.
При обезвоживании в процессе сушки и обжига термостойкий керамический композит образует устойчивую огнеупорную пластичную, термостойкую, монолитную массу с блестящей поверхностью, которая защищает металлическую поверхность или другое изделие от воздействия высокой температуры жидкого металла, газовой и воздушной среды.
Пример осуществления термостойкого керамического композита.
В условиях производственного участка ООО «Синтез-Плюс» получен термостойкий керамический композит из следующих материалов, взятых в следующем соотношении, мас.%:
Электрокорунд нормальный (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) марки 14А,
ГОСТ 28818-90
20-30
Двуокись титана пигментная (TiO<sub>2</sub>) ГОСТ 9808-84
2-10
Двуокись циркония (ZrO<sub>2</sub>) по ГОСТ 21907-76
2-10
Тальк марки ТМК-28, ГОСТ 21234-75
5-15
Каолин КЖФ-2 по ТУ 5729-090-00284530-00
20-30
Золь-гель продукт, синтезированный
с использованием силиката натрия
20-30
Вода по ГОСТ23 732-79
Остальное.
Для приготовления термостойкого керамического композита исходные материалы измельчают в бисерных мельницах или используют в виде готовых химических соединений. Термостойкий керамический композит получен по золь-гель технологии путем смешивания диспергированных порошкообразных компонентов, воды и жидкого связующего (золь-гель продукта, полученного с использованием силиката натрия растворимого). Процесс провели в автоклаве с быстроходным импеллером под давлением 5 атм.
Термостойкий керамический композит представляет собой многокомпонентную, однородную массу (суспензию), терракотового цвета. Обобщенные технические показатели термостойкого керамического композита.
Наименование показателя
Показатель
Укрывистость, г/м<sup>2</sup>
не более 2000
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1,6…1,8
Термостойкость, RTC, вод., 1300
20
Огнеупорность, t°C
1800
Составы термостойкого керамического композита (мас.%), принятые для испытания, и результат испытания в условиях разливки мартеновской стали в изложницы приводятся в таблице.
Таблица
Составы термостойкого керамического композита (мас.%), принятые для испытания
Компонент
Содержание компонента, мас.%
Вариант
1
2
3
Электрокорунд
20
25
30
Диоксид титана
2
6
10
Диоксид циркония
2
6
10
Тальк
15
10
5
Каолин
30
25
20
Золь-гель продукт синтезированный с использованием силиката натрия
30
25
20
Вода
1
3
5
Снижение расхода изложниц, %
20
55
30
Термостойкость, RTC, вод., 1300
10
20
15
Минимальный расход изложниц получен при использовании термостойкого керамического композита по варианту №2. Оптимальный состав термостойкого керамического композита соответствует второму варианту. Как показало опробование, при количестве компонентов меньше или больше, чем в приведенном составе термостойкого керамического композита расход изложниц существенно не снижается.
При использовании запредельных составов с минимальными и максимальными значениями содержания компонентов износ изложниц соответствовал значениям при обычной работе.
Применение термостойкого керамического композита в промышленных условиях обеспечивает снижение расхода изложниц и поддонов для разливки стали в 1,6 раза.
В условиях ООО «Синтез-Плюс» в процессе опытно-промышленного опробования обозначение термостойкого керамического композита в технической документации состоит из наименования материала (ТКК), максимальной рабочей температуры и номера технических условий: ТКК-1800 ТУ 1526-003-53847363.
Термостойкий керамический композит обеспечивает получение качественной поверхности слитков, защиту разливочной посуды от образования трещин, раковин и увеличивает срок их эксплуатации.
Термостойкий керамический композит может использоваться в металлургической промышленности в качестве компонента огнеупорных смесей для металлургических агрегатов, керамического клея для периклазохромитовых, шамотных и других огнеупоров при укладке футеровок металлургических агрегатов, а также для защиты металлических конструкций от высокотемпературной коррозии.
Испытание термостойкого керамического композита, проведенные на металлургических предприятиях, показали на значительный экономический эффект за счет повышения стойкости металлургической технологической посуды по сравнению с известными керамическими огнеупорами.
Использование термостойкого керамического композита позволяет:
- снизить затраты на производство стальных слитков;
- сократить эксплуатационные затраты;
- увеличить срок службы металлургической литейной посуды, графитированных электродов и т.д.;
- увеличить стойкость изделий и архитектурных памятников в неблагоприятных атмосферных условиях.
Термостойкий керамический композит обеспечивает:
- снижение затрат в основном металлургическом производстве;
- увеличение сроков эксплуатации металлургической технологической посуды и сокращение затрат на ее ремонт и изготовление.
Испытание термостойкого керамического композита, проведенные на металлургических предприятиях, показали на значительный экономический эффект за счет повышения стойкости металлургической посуды по сравнению с известными огнеупорными защитными композитами.
Аналоги изобретения
1. А.с. №937107, 18.06.80, B22D 41/02. Огнеупорная защитная обмазка.
2. А.с. 937098, 09.04.80, В22С 3/00. Термостойкая паста.
3. А.с. №850208, 09.08.79, В22С 3/00. Защитное покрытие.
4. А.с. №763033, 21.10.78, B22D 7/0. Огнеупорное покрытие.
5. А.с. №944731, 13.10.80, В22С 3/00. Защитное покрытие.