close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15063

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 04B 35/66 (2006.01)
C 04B 41/87 (2006.01)
ЭКЗОТЕРМИЧЕСКАЯ СМЕСЬ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ
МЕРТЕЛЕЙ ИЛИ ОГНЕУПОРНОГО МАТЕРИАЛА
ДЛЯ ПОКРЫТИЙ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ ИЗДЕЛИЙ
(21) Номер заявки: a 20091829
(22) 2009.12.21
(43) 2011.08.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Волочко Александр Тихонович; Жукова Анна Анатольевна;
Шипко Алексей Алексеевич; Волосюк Василий Васильевич (BY)
BY 15063 C1 2011.12.30
BY (11) 15063
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) RU 2213073 C2, 2003.
BY a 20081342, 2009.
BY a 20090137, 2009.
RU 2182569 C1, 2002.
RU 2101263 C1, 1998.
RU 2228310 C2, 2004.
SU 588211, 1978.
ПОДБОЛОТОВ К.Б. и др. Известия
Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наук. 2009. - № 3. - С. 42-53.
(57)
Экзотермическая смесь для получения мертелей или огнеупорного материала для покрытий алюмосиликатных изделий, содержащая наполнитель, включающий алюминий и
диоксид кремния, и связующее, включающее жидкое натриевое стекло, отличающаяся
тем, что содержит наполнитель, дополнительно включающий оксид магния при следующем соотношении компонентов, мас. %:
алюминий
20-30
оксид магния
30-40
диоксид кремния
остальное,
содержит связующее, дополнительно включающее триполифосфат натрия при следующем
соотношении компонентов, мас. %:
жидкое натриевое стекло
95-97
триполифосфат натрия
3-5,
и дополнительно содержит диоксид титана в качестве активной добавки при следующем
соотношении компонентов экзотермической смеси, мас. %:
наполнитель
70-75
связующее
15-20
активная добавка
5-15.
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для получения защитных термостойких покрытий и обмазок на алюмосиликатных изделиях, а также в качестве мертелей для соединения штучных огнеупоров.
BY 15063 C1 2011.12.30
Известен экзотермический огнеупорный мертель, который содержит, мас. %:
оксид железа
22-40
алюминий
17-29
огнеупорную глину
15-23
глинозем
5-22
гипс
4-15
триполифосфат натрия
1-3.
Этот мертель [1] получают простым смешиванием и увлажнением компонентов до получения однородной смеси. Нагревание смеси приводит к химическому взаимодействию
компонентов с выделением большого количества тепла. Алюминий является сильным
восстановителем и взаимодействует с оксидами железа, кремния, а также гипсом с образованием оксида алюминия, кремния, сульфида железа, силикатов и алюминатов железа.
Большое количество выделяющегося тепла приводит к протеканию самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС).
Недостатком данного экзотермического мертеля является сравнительно низкая температура применения (1600 °С) из-за присутствия соединений железа и кальция, которые
образуют легкоплавкие эвтектики.
СВС-процессы широко используются при получении различных огнеупорных материалов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, его прототипом является СВС-материал [2], включающий золу-унос, алюминий, глину и 20 %-ный
раствор жидкого стекла при следующем составе исходной смеси, мас. %:
зола-унос
74-85
алюминий
12-18
глина
3-5
20 %-ный раствор жидкого стекла, % от массы шихты
10-15.
Однако данный СВС-материал характеризуется рядом недостатков, а именно низкими
прочностными свойствами и температурой применения. Зола-унос взаимодействует с
алюминием, образуя муллит, выход которого составляет 65-68 %. Однако, вследствие того
что зола-унос, полученная при сжигании каменного угля, представляет смесь алюмосиликатного стекла, кварца, оксидов железа и небольшого количества несгоревшего углерода,
продуктами СВС-реакции являются силикаты и алюминаты железа, характеризующиеся
низкой температурой плавления, что снижает температуру применения предлагаемого
мертеля.
Уменьшение прочностных свойств происходит вследствие образования пор в СВСматериале при выгорании примесей углерода, входящего в состав золы-уноса.
Задачей заявляемого изобретения является повышение прочностных свойств и температуры применения экзотермического огнеупорного материала для покрытий и мертелей
алюмосиликатных изделий.
Поставленная задача решается тем, что экзотермическая смесь для получения мертелей или огнеупорного материала для покрытий алюмосиликатных изделий, содержащая
наполнитель, включающий алюминий и диоксид кремния, и связующее, включающее
жидкое натриевое стекло, содержит наполнитель, дополнительно включающий оксид
магния при следующим соотношении компонентов, мас. %:
алюминий
20-30
оксид магния
30-40
диоксид кремния
остальное,
содержит связующее, дополнительно включающее триполифосфат натрия при следующим соотношении компонентов, мас. %:
жидкое натриевое стекло
95-97
триполифосфат натрия
3-5,
2
BY 15063 C1 2011.12.30
и дополнительно содержит диоксид титана в качестве активной добавки при следующем
соотношении компонентов экзотермической смеси, мас. %:
наполнитель
70-75
связующее
15-20
активная добавка
5-15.
Сущность заявляемого технического решения заключается в образовании шпинели,
которая характеризуется более высокой температурой плавления, а также в образовании
фосфатов, которые увеличивают прочностные свойства.
При нагревании экзотермической смеси до температуры плавления алюминия
(Тm(Al) = 660 °С) начинается экзотермический СВС-процесс за счет взаимодействия алюминия и диоксида кремния, что приводит к восстановлению его до кремния и выделению
из расплава твердых частиц оксида алюминия, который взаимодействует с MgO с образованием шпинели MgAl2O4.
Хорошую адгезию покрытиям и мертелям с подложкой обеспечивает беспрепятственное проникновение исходной экзотермической смеси в поры изделия.
Заявляемое техническое решение поясняется следующими уравнениями химических
реакций:
3SiO2 + 4Al = 2Al2O3 + 3Si,
(1)
(2)
MgO + Al2O3 = MgAl2O4,
2MgO + SiO2 = Mg2SiO4.
(3)
Металлический алюминий (Al) является сильным восстановителем и основным компонентом экзотермической смеси. Его наличие обуславливает протекание процесса СВС,
а также образование шпинели, являющейся основной фазой в синтезируемом материале.
При содержании алюминия менее 20 % СВС-процесс затухает, а образующийся материал
имеет низкие прочностные свойства; при содержании алюминия более 30 % на поверхности материала образуются трещины из-за высокой скорости разогрева.
Оксид магния (MgO) является одним из компонентов, участвующих в образовании
шпинели. Кроме того, оксид магния способен образовывать с диоксидом кремния соединения, которые образуют расплав в ходе СВС и способствуют повышению адгезии материала за счет проникновения расплава в поры основы. Введение оксида магния в
количестве менее 30 % не обеспечивает повышение температуры применения материала
ввиду нехватки его для образования шпинели, а содержание его более 40 % разрыхляет
структуру материала в результате объемных изменений при образовании большого количества силикатов магния, в результате чего снижаются прочностные свойства.
Диоксид кремния в составе экзотермического материала является основным компонентом СВС-системы, участвующим в химических процессах с выделением тепла, необходимого для поддержания процессов горения, а также для образования силикатов.
Введение триполифосфата натрия (Na5P3O10) в качестве связующего активирует процесс спекания и способствует повышению прочности материала за счет образования
сложных фосфатов, а также силикатофосфатов, образующихся в результате взаимодействия фосфатов с материалом шихты. Экспериментально установлено, что при введении
триполифосфата в количестве менее 3 % на поверхности материала образуются трещины
и поры, а при количестве триполифосфата более 5 % материал неравномерно наносится на
поверхности изделия из-за нарушения реологических свойств системы.
Жидкое стекло представляет собой соединение Na2O⋅nSiO2⋅mH2O. При недостатке
жидкого стекла в материале (менее 95 %) наблюдается снижение сырой адгезионной
прочности. Добавление связующего в количестве более 97 % приводит к ухудшению
прочностных свойств материала, а именно на поверхности появляются трещины в результате испарения воды из жидкого стекла при сушке, а также снижения температуры применения материала.
3
BY 15063 C1 2011.12.30
Диоксид титана (TiO2) является катализатором СВС-процесса. В процессе химических
реакций, протекающих между компонентами экзотермического материала, он взаимодействует с кремнием, образуя силицид титана (TiSi), что подтверждается рентгенофазовым
анализом и термодинамическим моделированием. TiSi обладает высокой твердостью,
вследствие чего прочностные свойства материала повышаются. При введении оксида титана в смесь в количестве менее 5 % (например, 2 %) СВС-реакция протекать не будет.
Содержание активной добавки в смеси в количестве более 15 % увеличивает скорость
протекания СВС-процесса, что приводит к неравномерному распределению волны горения по всей длине материала. В результате СВС-материал имеет неудовлетворительные
прочностные свойства и характеризуется низкой температурой применения.
Соотношение компонентов наполнителя и активной добавки к связующему в соответствии с заявляемым составом материала должно обеспечивать приемлемую вязкость смеси, с тем чтобы получившийся конечный материал имел требуемые толщину и свойства.
При превышении количества связующего более 20 % (например, 30 %), что равносильно
уменьшению количества наполнителя по отношению к оптимальному составу, исходная
смесь характеризуется высокой текучестью, что не позволяет получить материал требуемой толщины, а также приводит к образованию большого числа силикатов, что снижает
температуру применения конечного материала. Уменьшение количества связующего до
10 % приводит к образованию комков в смеси, что влияет на характеристики СВСматериала.
Заявляемый материал используют для изготовления покрытий и мертелей на алюмосиликатных изделиях. Для изготовления экзотермического огнеупорного материала в смеситель загружают сухие порошки, которые предварительно просеивают через сито 0,315:
оксид магния, диоксид титана, алюминий, диоксид кремния. Компоненты перемешивают
в течение 5-7 мин, затем к шихте добавляют при постоянном перемешивании жидкое
натриевое стекло (ρ = 1400-1600 кг/см3) и триполифосфат натрия до получения сметанообразной консистенции, после чего наносят слоем 2-5 мм на алюмосиликатные изделия и
проводят термообработку (сушка при 100 °С для удаления влаги; постепенный нагрев со
скоростью 12 °С/мин до температуры 1100 °С, с последующей выдержкой при максимальной температуре - 1 ч). После охлаждения проводят испытания полученных СВСматериалов. Определение предела прочности на сжатие при комнатной температуре осуществляют по ГОСТ 4071.1-94 [3]. Температуру применения определяют по стандартной
методике: нагрев материала в печи до 1800 °С с выдержкой при этой температуре 1 ч. Результаты испытаний приведены в табл. 1, 2 и 3.
Таблица 1
Влияние состава смеси на характеристики экзотермического
огнеупорного материала
Состав смеси
Свойства материала
№
Предел прочТемпература
Связующее, Активная доп/п Наполнитель, мас. %
ности на сжаприменения, °С
мас. %
бавка, мас. %
тие, МПа
1
60
18
22
7
1200
2
70
18
12
10
1400
3
73
18
9
13
1650
4
75
18
7
18
1800
5
80
18
2
СВС-реакция не протекает
7
73
10
17
16
1000
8
73
15
12
18
1900
9
73
18
9
18
1800
10
73
20
7
15
1800
4
BY 15063 C1 2011.12.30
Состав смеси
№
п/п
11
12
13
14
Наполнитель, мас. %
73
75
70
Связующее,
мас. %
25
20
15
прототип
Продолжение таблицы 1
Свойства материала
Предел прочТемпература
Активная доности на сжаприменения, °С
бавка, мас. %
тие, МПа
2
СВС-реакция не протекает
5
18
1800
15
18
1800
4-15
1300-1600
Таблица 2
Влияние состава наполнителя на характеристики экзотермического
огнеупорного материала
Наполнитель
Tприм,
Диоксид
№ п/п
Характеристики
Алюминий,
Оксид магкремния,
°С
мас. %
ния, мас. %
мас. %
затухание СВС1100
1
15
35
процесса
2
20
35
1600
3
25
35
1730
4
30
35
1800
образование трещин на
5
40
35
1200
поверхности материала
остальное отсутствие в материале
6
25
20
достаточного количе- 1370
ства шпинели
7
25
30
1680
8
25
35
1700
9
25
40
1800
разрыхление структу10
25
60
1230
ры материала
Таблица 3
Влияние состава связующего на характеристики экзотермического
огнеупорного материала
Связующее
Жидкое
№ п/п
Характеристики
натриевое Триполифосфат
Tприм, °С
стекло,
натрия, мас. %
мас. %
низкая сырая адгезионная проч1
90
10
ность, смесь плохо наносится на
1200
поверхность изделия
2
95
5
1690
3
96
4
1700
4
97
3
1800
образование трещин на поверхно5
100
1250
сти материала
5
BY 15063 C1 2011.12.30
Из приведенных данных видно, что экзотермический огнеупорный материал для покрытий и мертелей, изготовленный в соответствии с заявляемым составом материала, характеризуется, по сравнению с прототипом, более высокими прочностными свойствами
(10-18 МПа против 4-15 МПа) и температурой применения (1600-1800 °С против 13001600 °С).
Источники информации:
1. Патент RU 2163579 C2, МПК C 04B 35/65, C 04B 35/66, 2001.
2. Патент RU 2213073 C2, МПК C 04B 35/185, C 04B 35/65, C 04B 41/87, 2003 (прототип).
3. ГОСТ 4071.1-94. Изделия огнеупорные с общей пористостью менее 45 %. Метод
определения предела прочности при сжатии при комнатной температуре.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
102 Кб
Теги
by15063, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа