ШИХТА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО КЕРАМИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА
MIXTURE FOR MANUFACTURING OF POROUS CERAMICS

Изобретение относится к керамическому материаловедению, в частности к получению пористой проницаемой керамики для изготовления керамических фильтрующих элементов.
Разработка установок для очистки горячих газов с температурой 900-1000°С потребовала создания фильтрующих элементов с повышенными требованиями к механической прочности, газопроницаемости, их эффективной работоспособности в условиях коррозионного воздействия кислотных или щелочных компонентов отходящих газов.
Реализация требований к фильтрующим элементам осуществляется путем использования шихты, содержащей наполнитель определенного фракционного размера, минеральные связки, формирующие макро- и микроструктуру, и органические связующие для придания механической прочности полуфабрикату, исключающие разрушение под действием деформационных усилий или собственного веса при транспортных перемещениях.
Соотношение размеров фракций наполнителя и керамической связки определяет объемное содержание и распределение пор, их гидравлический диаметр, компоненты керамического связующего формируют прочностные характеристики, а кристаллические структуры, образующиеся в процессе синтеза пористой проницаемой керамики, должны обеспечивать эффективную работоспособность в условиях воздействия коррозионных сред.
Мировая практика показывает, что амфотерный оксид алюминия в разных его модификациях эффективно работает в кислотных и щелочных средах и может быть использован в качестве наполнителя, формирующего каркас пористого проницаемого керамического материала. Известны шихты для получения пористого проницаемого керамического материала, содержащие электрокорундовые наполнители с использованием в качестве минеральной связки простых и сложных оксидных и силикатных соединений и органических связующих (US 4302502 А, 24.11.1981; SU 1036704 А, 23.08.1983; DE 3641057, 16.06.1988; US 5232598 А, 03.08.1993; RU 2204542 С1, 20.05.2003; RU 2182568 С2, 20.05.2002; RU 2288202 С1, 27.11.2006).
Недостатками пористой керамики из известных шихт являются невысокие значения проницаемой пористости и прочности, а образующиеся кристаллические фазы обладают низкой устойчивостью к кислотным и щелочным средам при высоких температурах эксплуатации.
Наиболее близким аналогом заявляемого объекта по решаемой технической задаче - прототипом - является масса для изготовления пористой фильтрующей керамики, включающая фракционированный электрокорунд или шамот, в качестве глинистого компонента - натриевый монтмориллонит и органическую связку в виде декстрина или поливинилацетатную связку при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный монофракционный электрокорунд или
шамот, или их смесь в соотношении 1:1
69-78
Натриевый монтмориллонит
21-30
Органическая связка
1-5
(SU 1654290 A1, кл. C04B 38/00, опубл. 07.06.1991).
Недостатком известной смеси является то, что она содержит повышенное количество глинистого компонента бентонита в форме натриевого монтмориллонита, что снижает общую пористость материала, температуру эксплуатации, а синтезированные фазы обладают низкой устойчивостью к кислотным и щелочным средам при высокой температуре эксплуатации.
Кроме того, вид и количество органической связки не обеспечивает транспортную прочность крупногабаритных трубчатых заготовок газовых фильтров размером L до 1500 мм и толщиной стенки порядка 3-3,5 мм, получаемых методом гидростатического прессования.
Задачей изобретения является разработка шихты для изготовления пористого проницаемого керамического материала, обеспечивающей достижение цели изобретения - повышение качества пористого керамического материала.
Поставленная цель достигается в отличие от известной шихты тем, что в качестве глинистого компонента содержит бентонит в форме магниевого или кальциевого монтмориллонита, в качестве органического связующего - палевый кислотный кукурузный декстрин, модифицированный препаратом ОРТАРiХ PAF 35, при следующем соотношении компонентов на сухой вес, мас.%:
Электрокорунд
84-89
Бентонит
5-7
Органическое связующее
6-9
причем соотношение декстрина и препарата ОРТАРiХ PAF 35 составляет от 1:1 до 1:2.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что введение наполнителя в виде монофракционного электрокорунда позволяет получить пористый каркас с равномерным размером пор в объеме, использование бентонита в форме магниевого или кальциевого монтмориллонита позволяет сформировать в процессе спекания керамическую связку с образованием высокотемпературных кристаллических фаз шпинельного ряда, обладающих повышенной огнеупорностью выше температур эксплуатации фильтрующего элемента, использование в связующем препарата ОРТАРiX PAF 35 обеспечивает равномерное распределение компонентов шихты за счет образования сил адгезии между частицами сырьевых материалов, улучшает прессуемость шихты за счет снижения сил трения, способствует повышению прочности сырца после формования и сушки, причем экспериментально установленные концентрационные пределы компонентов в шихте необходимы и достаточны для реализации цели изобретения.
Пример изготовления шихты.
Для изготовления шихты были использованы сырьевые компоненты:
Электрокорунд ТУ 3988-075-0022450-99 фракции 160-200 мкм;
Бентонит Болгарский ТУ - 3-94-08-658-86;
Декстрин кукурузный кислотный палевый ГОСТ 6034-74;
Препарат ОРТАРiХ PAF 35, представляющий собой поливиниловый спирт в виде 35% водного раствора германской фирмы Zschimmer und Schwarz, описанный в статье Benito J.M. et al. Preparation and characterization of tubular ceramic membranes for treatment of oil emulsions, Journal of the European Ceramic Society 25 (2005), p.1895-1903.
Сырьевые компоненты в состоянии коммерческой поставки смешивали в Z-образном смесителе. Монофракционный электрокорунд смачивали в расчетном количестве на сухой вес препаратом ОРТАРiX PAF 35 и при последующем постоянном перемешивании вводили порошки декстрина и бентонита.
После введения расчетных количеств сырьевых компонентов проводили гомогенизационное смешивание в течение 5-10 минут.
H
уд.
Из полученной шихты формуют фильтрующие элементы трубчатого типа, аналога пробирки, с размером по длине 1000÷1500 мм, при D=65 мм и толщиной стенки 3,5 мм. Формование осуществляют методом гидростатического прессования при Р=90÷110 МПа. После выемки полуфабриката из гидростата производят сушку на воздухе в течение 24÷28 часов. Обжиг производят в периодических или туннельных печах при температуре 1300±50°С в течение 4-х часов. Характеристики шихт и материалов представлены в табл.1, 2.
Представленные сравнительные характеристики материалов прототипа и по предложенному техническому решению подтверждают техническую полезность и достижение поставленной цели, а также конкурентоспособность шихты для изготовления керамических проницаемых фильтрующих элементов.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов, мас.%
шихты
Шихта 1
Шихта 2
Шихта 3
Прототип
Электрокорунд
84
86,5
89
69
(160-200 мкм)
Бентонит
7
6
5
30
Органическое
9
7,5
6
1
связующее
Соотношение
1:1
1:1,5
1:2
-
декстрина к OPTAPiX PAF35
Таблица 2
Характеристика
Предложенные технические решения
1
2
3
Прототип
Размер пор, мкм
80
97
ПО
75
Проницаемость, пм<sup>2</sup>
87
106
120
75
Прочность, МПа:
после сушки
37±2,5
40±2,5
47±2,5
-
после спекания
90±1,5
80±1,5
75≤1,5
52±2,5