СЛЮДОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФТОРФЛОГОПИТА И СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА
FLUOROFLOGOPITE-BASED MICA CRYSTAL MATERIAL AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к составу и технологии производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита, который может быть использован в качестве электроизоляционного материала, а также в качестве футеровочного и конструкционного материала для быстроизнашивающихся деталей и узлов тепловых металлургических агрегатов, работающих в условиях воздействия высоких температур (не более 1200°C), агрессивных сред (хлор, хлористый водород, расплавов хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов) и расплавов легких и цветных металлов (алюминия, цинка, меди, магния, титана и др.) и сплавов на их основе.
Известен состав материала на основе каменного литья (авт. свид. СССР №649669, опубл. 28.02.1979, бюл. 8), содержащий оксид кремния, оксид титана, оксид алюминия, оксиды железа, оксид кальция, оксид магния, оксид натрия и оксид калия, кроме того он дополнительно содержит фтор при следующем соотношении ингредиентов, вес. %:
оксид кремния - 41,4 - 44,0,
оксид титана - 0,5 1,0,
оксид алюминия - 6,0 - 9,0,
оксид железа - 0,1 - 0,5,
закись железа - 0,4 -1,0,
оксид кальция - 0,5 - 4,5,
оксид магния - 28,0-30,0,
оксид натрия - 0,1-1,0,
оксид калия- 4,0-7,0,
фтор - 5,0- 9,0.
Известен способ производства указанного материала на основе каменного литья, включающий приготовление шихты на основе песка, глины, глинозема, магнезита, фторсодержащего технического сырья. Шихту плавят при температуре 1500-1550°C в газовой либо в электрической плавильных печах. Полученные отливки кристаллизуют при 850-900°C, а затем подвергают отжигу. При кристаллизации расплава формируется материал однородного полнокристаллического строения, содержащий не более 5% свободной стеклообразной фазы. Минеральный состав литья представлен энстатитом, пироксеном сложного состава и фтористыми минералами. Это обеспечивает материалу высокую химическую стойкость.
Недостатком указанного состава и способа его производства является то, что каменное литье содержит повышенное содержание кремния, что неблагоприятно сказывается на свойствах материала. Известно, что повышенное содержание кварцевого песка связано с появлением в отливках посторонних минеральных фаз, что приводит к ухудшению свойств материала. Возрастание содержания кварцевого песка выше 34,5 мас. % вызывает появление кристаллобалита и энстатита. Кроме того, использование для производства каменного литья влажной порошкообразной шихты приводит к потерям фторсодержащего сырья из-за взаимодействия сырья с водой (реакция пирогидролиза). При этом образуются фтористые соединения новых кристаллических форм, что приводит к интенсивному разрушению отливок и к снижению прочностных свойств материала.
Известен состав материала на основе каменного литья (авт. свид. СССР №992446, опубл. 30.01.1983, бюл. 4), содержащий оксид кремния, оксид алюминия, оксид магния, оксид калия, карбид кремния и фтор при следующем соотношении ингредиентов, вес. %:
оксид кремния - 41,4 - 44,0,
оксид алюминия - 8,3 - 9,8,
оксид магния - 25,0 - 26,3,
оксид калия - 7,9 - 8,7,
фтор - 9,0-9,5,
карбид кремния - 3,0 - 7,0 в виде порошка фракции 10-50 мкм.
Известен способ производства указанного выше материала на основе каменного литья (авт. свид. СССР №992446, опубл. 30.01.1983, бюл. 4), включающий приготовление шихты на основе песка, глинозема, периклаза, кремнефторида калия и карбида кремния, плавление шихты в электродуговых печах, заливку полученного расплава в формы и кристаллизацию расплава при его одновременном затвердевании. В результате получают отливки заданной формы для использования в промышленности в качестве футеровочных и конструкционных элементов в тепловых агрегатах. Это позволяет в 1,5-2,0 раза увеличить срок службы агрегатов и снизить затраты, связанные с их ремонтом.
Недостатком данного состава материала на основе каменного литья и способа его производства является то, что в качестве добавки к заявленному составу применяют карбид кремния, который не растворяется при расплавлении в силикатном расплаве. Частицы карбида кремния в твердом виде являются центрами, вокруг которых растут кристаллы фторфлогопита. Твердые частицы под собственным весом оседают вниз, и однородность массы нарушается. В результате возникают зоны материала, обогащенные карбидом с большей прочностью, и зоны, содержащие меньшее количество частиц, с низкой прочностью. Это приводит к неоднородности материала и к ухудшению прочностных свойств отливок, снижает коррозионную стойкость и приводит к снижению срока службы тепловых металлургических агрегатов.
Известен состав материала на основе каменного литья (авт. свид. СССР №759472, опубл. 30.08.80, бюлл. №32), содержащий оксид кремния, оксид алюминия, оксид кальция, оксид магния, оксид калия, оксид бария и фтор при следующем соотношении ингредиентов, вес. %:
оксид кремния - 32,5-38,5,
оксид алюминия - 12,5 - 15,0,
оксид кальция - 0,8 -1,6,
оксид магния - 24,0 - 25,7,
оксид калия - 4,8 - 7,0,
фтор - 8,0-9,0,
оксид бария - 7,0 - 13,5.
2
Материал имеет прочность на сжатие 730-900 кгс/см, увеличенное число теплосмен, которое выдерживают образцы без разрушения при воздействии высоких температур 900 и 1050°C. Количество свободной стеклообразной фазы колеблется в пределах 5-10%.
Известен способ производства указанного материала на основе каменного литья (авт. свид. СССР №759472, опубл. 30.08.80, бюлл. №32), включающий плавление шихты на основе песка, глины, глинозема, магнезита, периклаза, кремнефторида калия, фторида магния с добавками баритового концентрата. Плавление осуществляют при температуре 1600-1700°C. Расплав заливают в формы, где при одновременном затвердевании происходит его кристаллизация. Полученные отливки подвергают отжигу (медленному охлаждению). Минеральная фаза представлена кристаллами твердых растворов фторфлогопита калий-бариевого состава.
Недостатком данного материала на основе каменного литья и способа его производства является то, что для получения отливок из материала на основе каменного литья используют неорганические фториды, которые при загрузке в плавильную печь влажной шихты в результате реакции пирогидролиза фторидов становятся летучими:
В результате образования газообразного фторида водорода получаются фтористые соединения в связанной форме, что приводит к потерям фтористых соединений и к образованию в отливках посторонних минеральных фаз. Камнелитые отливки, полученные из указанного материала, получаются с ухудшенными свойствами и разрушаются под воздействием агрессивных расплавленных и газовых сред. Как показали промышленные испытания, скорость разрушения каменного литья составляет 0,35 -0,6 мм в сутки и приводит к изменению формы отливки на 3-5 мм в сутки. Это ухудшает прочностные свойства отливки, снижает коррозионную стойкость и приводит к снижению срока службы тепловых агрегатов для получения легких и цветных металлов.
Известен состав стеклокерамического материала на основе фторфлогопита (патент США №4777151 от 11.10.1988, приоритет Японии №60-144555 от 03.07.1985), включающий компоненты при следующем соотношении ингредиентов, вес. %:
оксид кремния - 35-60,
оксид алюминия -10-20,
оксид магния -12-25,
оксид калия - 5-15,
фтор - 4-15.
Содержание микрокристаллического фторфлогопита в стеклокерамическом материале составляет 40-70 вес. %.
2
Известен способ производства указанного стеклокерамического материала на основе фторфлогопита (патент США №4777151 от 11.10.1988, приоритет Японии №60-144555 от 03.07.1985), включающий стадии обезвоживания и сушки шихты при температуре 25-130°C и стадии тепловой обработки сначала при температуре 500-800°C в течение 1-15 час, затем при температуре 800-1100°C в течение 1-15 час, стадию заливки в форму с охлаждением. Стадию окончательного нагрева отливки при температуре 1100-1300°C в течение 1-15 час, удаление окалины с отливки и увеличение роста микроструктуры фторфлогопита. Полученный стеклокерамический материал имеет предел прочности на изгиб не менее чем 1500 кгс/см, теплостойкость около 1800°С, высокую диэлектрическую способность и хорошую обрабатываемость. Материал обладает высокими литейными качествами на растяжение.
Недостатком данного стеклокерамического материала на основе фторфлогопита и способа его производства является низкое содержание фторфлогопита (40-70 вес. %) в стеклокерамическом материале. Это приводит к хрупкости материала и к повышенной пористости, и не позволяет его использовать в условиях воздействия высоких температур и агрессивных сред, а именно в тепловых металлургических агрегатах для получения легких и цветных металлов. Кроме того, процесс получения фторфлогопита является длительным процессом, каждая операция длится по 1-15 часов, что снижает производительность процесса получения фторфлогопита.
Известен способ кристаллосинтеза фторфлогопита (авт. свид. СССР №168261, опубл. 18.11.1965, бюл. №4), включающий сушку компонентов шихты при температуре 600-800°C, их смешивание, прессование в гранулы и загрузку полученных гранул в тигель. Плавление и гомогенизацию расплава проводят при температуре 1400°C в течение 6-8 часов, кристаллизацию расплава в форме с получением отливок и с постепенным их охлаждением в платиновых тиглях в интервале температур 1360-1325°C с понижением температуры со скоростью 1 град/час при температурном градиенте 1-2 град/см. Весь процесс кристаллосинтеза продолжается от 4 до 6 суток. В качестве шихты используют природный калиевый полевой шпат, содержащий примеси оксида натрия до 3,5%, оксида кальция до 0,4%, оксида железа до 0,3% с добавками оксида магния и фторида магния. С целью улучшения кристаллизационной способности расплава и возмещения потерь летучих в основную шихту вводят 2,5% кремнефторида калия. В результате получают слюдокристаллический материал с крупными кристаллами длиной 70-45 мм и толщиной 3-4 мм.
Недостатком известного способа является то, что слюдокристаллический материал получают с крупными кристаллами, длиной 70-45 мм и толщиной 3-4 мм. Увеличение размера кристаллов в микроструктуре фторфлогопита приводит к повышению пористости, что не позволяет применять полученный фторфлогопит в агрессивных средах из-за проникновения в поры фторфлогопита расплавленных хлоридов металлов и снижения срока службы футеровочного материала. Кроме того, в процессе получения слюдокристаллического материала происходит образование побочных соединений за счет реакции пирогидролиза взаимодействия кремнефторида калия с водой. В результате реакции пирогидролиза образующийся фторид водорода реагирует с компонентами шихты с образованием фторидов и оксифторидов, что приводит к потерям фтористых соединений и к образованию побочных нежелательных соединений и к появлению в отливках посторонних минеральных фаз с ухудшением их свойств. Все это приводит к снижению прочностных свойств материала. Кроме того, процесс приготовления фторфлогопита является длительным от 4 до 6 суток, что снижает производительность процесса получения слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита.
Известен электроизоляционный материл (авт. свид. СССР №883979, опубл. 23.11.1981, бюл. №43), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий оксиды кремния, алюминия, магния, калия и фтор при следующем соотношении ингредиентов, вес. %:
оксид кремния - 43,8-44,8,
оксид алюминия - 6,8 -8,0,
оксид магния - 25,0 - 27,0,
оксид калия - 9,5 - 10,5,
фтор - 12,0-13,0.
3
Указанный материал обладает повышенными физико-механическими свойствами в сочетании с пониженным водопоглощением (0,5-1,3%), плотностью (2,7-2,8 г/см) и пористостью (0,5-1,5%), при этом значение водопоглощения снижется в 2-3 раза.
Недостатком данного состава является то, что высокое содержание фтора в заявленном составе (12,0-13,0 вес. %) приводит к получению материала крупнокристаллического строения, а увеличение роста кристаллов в микроструктуре фторфлогопита ведет к повышению пористости, что не позволяет применять полученный фторфлогопит в агрессивных средах из-за проникновения в поры фторфлогопита расплавленных хлоридов металлов.
Известен способ получения плавленнолитого материала для футеровки тепловых агрегатов цветной металлургии (патент РФ №2410349, опубл. 27.01.2011), по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип и включающий подготовку компонентов шихты, состоящей из кварцевого песка, металлургического магнезита, глиноземсодержащего и фторсодержащего компонентов, плавление полученной шихты, заливку расплава в формы, выдержку, извлечение отливки из формы, отжиг и охлаждение. В качестве глиноземсодержащего компонента используют огнеупорную глину, в качестве фторсодержащего компонента - фторид алюминия или фторид магния и дополнительно поташ при следующем соотношении компонентов, масс. %:
кварцевый песок 23,8-38,9,
металлургический магнезит 15,2-29,4,
огнеупорная глина 4,3-31,5,
фторсодержащий компонент 17,1-18,
поташ -15,2-16,8.
Приготовление шихты включает следующие операции: взвешивание, смешивание порошкообразных компонентов шихты при строгом дозировании компонентов, увлажнение смешанной шихты водой с получением пластической массы, формирование окомкованной шихты в виде гранул диаметром 5-20 мм, их сушку. Гранулы плавят в течение 1 часа при температуре 1450-1550°C. С получением расплава фторфлогопита. Затем производят разливку полученного расплава непрерывной струей при достижении температуры расплава 1430-1450°C в формы, подогретые до температуры 200-500°C. Отжиг отливок проводят при температуре 800-900°C с последующим охлаждением их в печи со скоростью 35-45°C/ч. Плавленнолитой материал обладает улучшенными прочностными свойствами и содержит кристаллы в виде сферолитов диаметром 5-10 мм.
Недостатком данного способа производства плавленнолитого материала является то, что в качестве шихты используют поташ с содержанием оксида калия 15,2-16,8 масс. %. Повышенное содержание оксидов щелочных металлов, в частности оксида калия, более 10 мас. % влияет на количество и состав свободной стеклообразной фазы в отливках, а также на состав основного кристаллического сростка материала, так как остаточная калийсодержащая стеклообразная фаза становится более легкоплавкой. Как показали опытно-промышленные испытания отливок, приготовленных из плавленнолитого материала указанного состава, при температуре выше 900°C происходит испарение стеклообразной фазы из основной массы кристаллического материала. Соответственно в образовавшиеся поры начинает поступать агрессивный расплав хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, что приводит к интенсивному разрушению отливок и к снижению прочностных свойств материала. Кроме того, в указанном патенте получают плавленнолитой материал с кристаллами в виде сферолитов диаметром 5-10 мм. Крупный размер кристаллов приводит к понижению коррозионных свойств материала на 40%. Это не позволяет применять полученный фторфлогопит в агрессивных средах тепловых аппаратов из-за проникновения в поры фторфлогопита расплавленных хлоридов металлов. Все это приводит к снижению прочностных свойств материала и соответственно к снижению срока службы футеровочного материала.
Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет получить отливки с гладкой, ровной поверхностью. Наружная литейная поверхность, образованная очень мелкими различно ориентированными кристаллами фторфлогопита, скрепленными стеклофазой, является наиболее плотной и прочной частью отливок, определяющей их коррозионную стойкость в условиях воздействия высокотемпературной агрессивной среды. Для получения слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита использован оптимально подобранный состав и соотношение шихтовых материалов и оптимальные условия проведения процесса его производства. Это позволяет при последующей операции плавления и получения расплава слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита избежать потерь фтористых соединений за счет снижения образования газообразного фторида водорода, фторидных и оксифторидных соединений и исключить образование побочных нежелательных кристаллических фаз. На поверхности (верхний слой) отливок отсутствуют трещины, раковины, механические повреждения. Содержание основной минеральной фазы - фторфлогопита - колеблется от 75 до 92% масс., а содержание стеклофазы не превышает 2-3%. Величина кристаллов в поверхностной зоне отливки не превышает 0,2-0,3 мм, пористость материала - 0,5-1%.
Задачей, на которую направлено изобретение, является получение слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита с улучшенными тепло- и коррозионностойкими свойствами, что позволяет повысить срок службы оборудования, в которых используются отливки, в 2-4 раза. Кроме того, предложенная технология производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита позволяет повысить производительность процесса его получения.
Поставленная задача решается тем, что предложен слюдокристаллический материал на основе фторфлогопита, включающий оксиды кремния, алюминия, магния, калия и фтор, при этом он содержит указанные ингредиенты при следующем соотношении, масс. %:
оксид кремния - 39,0 - 43,0,
оксид алюминия - 9,0 -12,0,
оксид магния - 27,1 - 30,0,
оксид калия - 7,1 - 9,0,
фтор - 8,0 - 12,0.
Поставленная задача решается также тем, что предложен способ производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита по п. 1, включающий приготовление компонентов шихты, смешивание, добавку в шихту воды с получением пластичной массы, ее формирование, сушку, плавление с получением расплавленного слюдокристаллического материала, заливку его в литейные формы, выдержку с получением отливок, извлечение отливок из литейных форм и их отжиг с постепенным охлаждением, в котором новым является то, что шихту готовят из кварцевого песка, глинозема, периклазового порошка и кремнефторида калия, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
кварцевый песок - 33,5 - 34,5,
глинозем - 9,5 -10,5,
периклазовый порошок - 29,5 - 30,5,
кремнефторид калия - 25,5 - 26,5,
для получения пластической массы в качестве связующего компонента используют подогретый раствор лигносульфонатов, который подают одновременно с водой в шихту при непрерывном перемешивании в течение 15-20 минут до массового содержания влаги 3-8%, пластическую массу формируют в виде брикетов и сушат ступенчато сначала при температуре 100-200°C, затем при температуре 200-300°C в течение 2-3 часов, брикеты плавят при температуре 1600-1750°C в течение 1,5-3,5 часов, а отливки отжигают при температуре 910-950°C с проведением при этой температуре изотермической выдержки в течение 1-3 часов и с последующей скоростью их охлаждения 30-60°C/час. Кроме того, шихту смешивают в течение 15-30 минут. Кроме того, раствор лигносульфонатов подогревают до температуры 60-80°C.
Кроме того, брикеты формируют размером 20×50 мм.
Кроме того, расплавленный слюдокристаллический материал выдерживают в литейных формах в течение 15-30 минут.
Кроме того, литейные формы перед заливкой расплавленного слюдокристаллического материала подогревают до температуры 150-200°C.
Кроме того, отливки отжигают в течение 22-24 часа.
Кроме того, отливки охлаждают до температуры 50-80°C.
Подобранный экспериментальным путем качественный и количественный состав слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита в строго дозированном соотношении ингредиентов позволяет получить слюдокристаллический материал на основе фторфлогопита с высокими прочностными свойствами, с плотным мелкозернистым строением и незначительной пористостью, что позволяет использовать отливки в качестве футеровки и в качестве деталей в агрегатах с агрессивной средой, увеличивая срок службы агрегата. Выбранные опытным путем интервалы ингредиентов слюдокристаллического материала позволяют регулировать состав свободной стеклообразной фазы в отливке и состав основного кристаллического сростка материала. При повышении содержания оксида калия выше 9 мас. % стеклообразная фаза материала становится более легкоплавкой, и при высоких температурах происходит ее испарение из материала, что приводит к интенсивному разрушению отливок и снижению срока их использования. При понижении содержания оксида калия ниже 7% происходит образование новых кристаллов, например цельзиана, что приводит к интенсивному разрушению отливок и снижению срока их использования. Изменение количества оксидов кремния, магния и алюминия выше или ниже указанных пределов связано с появлением в отливках посторонних минеральных фаз и ухудшением их свойств. При увеличении количества оксида алюминия выше 12 мас. % и оксида магния более 30 мас. % в материале появляется примесь в виде шпинели, возрастание содержания оксида кремния выше 43 мас. % вызывает появление кристаллобалита и энстатита. Уменьшение содержания оксидов кремния, алюминия и магния ниже заявленных предельных значений приводит к образованию кристаллов крупного размера и к повышению пористости. Материал крупнокристаллического строения и высокой пористости образуется также и при содержании фтора выше 12 мас. %. При снижении содержания фтора менее 8 мас. % в материале образуется большое количество посторонних соединений в виде кристаллов типа шпинели, энстатита, форстериата, снижающих содержание фторфлогопита в слюдокристаллическом материале и ухудшающих прочностные свойства слюдокристаллического материала.
Подобранный экспериментальным путем качественный и количественный состав шихты для получения слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита позволяет получить материал с высокими прочностными свойствами. Брикеты, приготовленные из указанных шихтовых материалов, обладают незначительной пористостью, не пропитываются расплавом хлоридов металлов и являются наиболее стойкими при воздействии агрессивных сред. Изменение количества кварцевого песка, глинозема, периклазового порошка выше или ниже указанных пределов связано с появлением в брикетах посторонних минеральных фаз и ухудшением их свойств. При увеличении количества глинозема выше 10,5 мас. % и периклазового порошка более 30,5 мас. % в материале появляется примесь в виде шпинели, возрастание содержания кварцевого песка выше 34,5 мас. % вызывает появление кристаллобалита и энстатита. Уменьшение содержания ниже заявленных предельных значений приводит к образованию кристаллов крупного размера и повышению пористости.
Применение в качестве связующего компонента подогретого до температуры 60-80°C раствора лигносульфонатов и режимы подготовки пластичной массы при перемешивании позволяют получить брикеты более укрупненной формы и прочного состава. Это позволяет при последующей операции плавления и получения расплава слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита избежать потерь фтористых соединений за счет снижения образования газообразного фторида водорода, фторидных и оксифторидных соединений, и исключить образование побочных нежелательных кристаллических фаз.
Проведение операции сушки полученных брикетов ступенчато: сначала при температуре 100-200°C, затем при температуре 200-300°C в течение 2-2,5 часов до массового содержания влаги 0,11-0,2% позволяет при последующей операции плавления и получения расплава слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита избежать потерь фтористых соединений за счет снижения образования газообразного фторида водорода, фторидных и оксифторидных соединений и исключить образование побочных нежелательных кристаллических фаз.
Подобранный режим проведения операции плавления брикетов шихты (температура 1600-1750°C и время плавления 1,5 -3,5 час.) позволяет также избежать образования побочных реакций, загрязняющих слюдокристаллический материал соединениями, отличными по составу от фторфлогопита. Силикатная система для получения слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита содержит неорганические фториды, которые при плавлении шихты в интервале температуре 1300-1500°C становятся летучими. Летучесть их усиливается в случае плавления влажной шихты в результате реакции пирогидролиза фторидов.
Подобранные экспериментальным путем режимы проведения операций для производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита, например время проведения процесса плавки 1,5-3,5 часа, выдержка в формах в течение 15-30 минут, позволяют увеличить производительность процесса и уменьшить образование вредных примесей в материале, устранить дефекты послойных наплывов и образование неслитин на поверхности отливок и тем самым повысить стойкость отливок к воздействию агрессивных сред.
Подобранный режим отжига отливок в печи при температуре 910-950°C и проведение при этой температуре изотермической выдержки в течение 1,5-3,0 часа позволяет повысить плотность материала в отливке за счет усадки, уплотнения и структурообразования, что значительно повышает прочностные свойства материала.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном слюдокристаллическом материале на основе фторфлогопита и способе его производства, изложенных в пунктах формулы изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. В заявленном изобретении имеется новая совокупность признаков, выразившаяся в новой последовательности действий во времени, новых дополнительных стадиях процесса и в новых условиях осуществления действий. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".
3
3
10
2
Промышленную применимость предлагаемого изобретения подтверждает следующий пример осуществления способа производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита. Слюдокристаллический материал на основе фторфлогопита, структурной формулы [KMg(AlSiO)F] является продуктом высокотемпературной переплавки безжелезистого минерального сырья с добавлением в состав шихты кремнефторида калия и состоит из трех структурных составляющих: фторфлогопита (75-92%), акцессорных элементов (5-10%) и стеклофазы (2-3%). В качестве сырья для приготовления шихты для производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита используют следующие компоненты:
кварцевый песок марки ВС-050-1 (ГОСТ 22551-77) в количестве 340 кг (34,0 мас. %),
глинозем марки ГО (ГОСТ 30558) в количестве 100 кг (10,0 мас. %),
периклазовый порошок марки ППИ-91 или ППТИ-92 (ГОСТ 10360-85) в количестве 300 кг (30.0 мас. %),
кремнефторид калия технический (ТУ 2621-017- 69886968-2013) в количестве 260 кг (26,0 мас. %).
Фторфлогопит по своей природе является комплексным соединением переменного состава, и синтез его осуществляется через образование ряда промежуточных соединений. Компоненты шихты загружают в бункеры с вибродозаторами и через узел загрузки подают в кюбель, перемещаемый на тележке с электроприводом под бункерами. Тележка оснащена электронными весами 4D-P-3-2000-A.W/4D, с помощью которых осуществляют дополнительный (к объемному дозированию) весовой контроль компонентов шихты. Кюбель с шихтой устанавливают на приемную воронку смесительной машины типа МС-400М с вращающейся мешалкой с частотой вращения лопастей, равной 55 об/мин. В качестве связки для шихты используют раствор лигносульфонатов (ТУ 2455-028-00279580) в количестве 3,5% масс.(35 кг на 1 тонну шихты), подогретый до температуры 70°C в баке печи сопротивления. В смесительную машину МС-400М загружают сухую шихту и на ее поверхность подают воду и раствор лигносульфонатов, перемешивают в течение 20 минут и получают пластичную массу влажностью 8%. Пластичную массу выгружают в кюбель, который устанавливают на приемную воронку вальцового пресса, который представляет собой два вращающихся навстречу друг другу барабана. В вальцовом прессе производительностью 5 т/час получают брикеты размером 20×50 мм. Брикеты направляют на ступенчатую сушку. Сначала брикеты высыпают на пластинчатый конвейер и загружают в конвейерную печь типа СКОП-9,5.1, 15.31, 7/1,5, где брикеты подсушивают при температуре 150°C. Затем брикеты высыпают в кюбель, который устанавливают в шахтную печь СШО-13.11/5-И2. Брикеты спекают при температуре 250°C в течение 2 часов. Полученные брикеты из шихты подают в расходный бункер плавильной печи. Печь для приготовления фторфлогопита выполнена поворотной, футерованной графитом для защиты расплава от загрязнений примесями, с одним сводовым электродом. Сводовый электрод опускают до подины, и при соприкосновении его с коксом зажигается электрическая дуга. В печь подгружают брикеты порционно по 350 кг. Под воздействием тепла электрической дуги начинается расплавление брикетированной шихты. Расплав, накапливаясь на подине печи, формирует ванну, и при достижении глубины ее 10-15 мм дуговой разряд гаснет, и ток, проходя через образовавшийся расплав, нагревает его за счет сопротивления расплава. По мере проплавления производят подгрузку брикетов, не допуская в печи открытого зеркала расплава. Плавку брикетированной шихты проводят при температуре 1650°C в течение 3 часов при первой плавке и 1,5 часа при последующих плавках. При выпуске расплава из печи производят последующую загрузку брикетов в количестве 300 кг. Плавление брикетированной шихты в печи является циклическим процессом, включающим основные операции: старт, периодическую загрузку брикетированной шихты, ее расплавление и слив расплава в ковш для разливки. С увеличением количества (объема расплава в печи) и повышения его температуры электрод постепенно поднимают вверх, регулируя межэлектродным расстоянием процесс плавления. При этом увеличивают силу тока. В течение всего периода плавки электрод должен быть погружен в расплав. Длительность плавки при полезной мощности 300-310 кВт составит 3 часа. В результате получают расплавленный слюдокристаллический материал на основе фторфлогопита получают следующего состава, масс. %.: 41 оксид кремния, 11 оксид алюминия, 30 оксид магния, 9 оксид калия, 9 фтор. Расплавленный слюдокристаллический материал на основе фторфлогопита выпускают из печи в металлический ковш чайникового типа вместимостью 500 кг и заливают в литейные формы, например в кокили, выполненные из конструкционного графита марки 30ПГ (ТУ 48-20-86-81), или в песчано-глинистые формы. Для устранения послойных наплывов литейные формы перед заливкой расплава подогревают до температуры 200°C. Заливку проводят ровной непрерывной струей при температуре расплава 1450°C. Отливки выдерживают в литейных формах в течение 20 минут, затем извлекают из литейных форм и транспортируют подъемно-транспортным механизмом на отжиг в печь камерную с подвижным подом типа СДО-15.12.19/9-5. Температуру отжига поддерживают 920°C и при этой температуре проводят изотермическую выдержку в течение 2 часов, затем печь отключают и при скорости 50°C/час начинают охлаждение отливок. Отжиг в печи производят в течение 24 часов до температуры отливок 50°C. Затем отливки очищают от наплывов и заусениц и отправляют потребителю в соответствии с техническими условиями на отливки.
Таким образом, опытно-промышленные исследования и производственные испытания показали, что при оптимальном варианте состава слюдокристаллического материала благодаря физико-химическим свойствам основного минерала фторфлогопита, плотному мелкозернистому строению (особенно поверхностных слоев) основной минеральной фазы изделия из фторфлогопита получают с гладкой и ровной поверхностью. Наружная литейная поверхность, образованная очень мелкими различно ориентированными кристаллами фторфлогопита, скрепленными стеклофазой, является наиболее плотной и прочной частью изделия, определяющей коррозионную стойкость ее в условиях воздействия высокотемпературной агрессивной среды. На рабочей поверхности отливки отсутствуют трещины, раковины, механические повреждения. Содержание основной минеральной фазы - фторфлогопита - колеблется от 75 до 92%, а содержание стеклофазы не превышает 2-3%. Величина кристаллов не превышает 5 мм, пористость - 0,5-1%.
Изобретение позволяет получить слюдокристаллический материал на основе фторфлогопита с улучшенными тепло- и коррозионностойкими свойствами, что позволяет повысить срок службы оборудования с использованием отливок из слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита в 2-4 раза. Кроме того, предложенный способ производства слюдокристаллического материала на основе фторфлогопита позволяет повысить производительность работы установки.