Способ получения кордиеритовой массы для технической керамики

Способ получения кордиеритовой массы для технической керамики

Реферат

Изобретение относится к производству технической керамики кордиеритового состава, обладающей высокой термостойкостью, прочностью и хорошими диэлектрическими свойствами. Получаемую согласно способу кордиеритовую массу можно использовать для получения изоляторов, носителей катализаторов для очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, в фильтрах для очистки воды, керамических изделий для обжиговых печей и др.

В промышленности кордиерит, обычно, получают обжигом смесей, состоящих из талька (3MgO·4SiO₂·H₂O), каолина (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O) и глинозема Al₂O₃, при температурах 1400-1500°C в течение 20-60 ч. Данный способ обладает существенным недостатками прежде всего из-за высокой температуры обжига синтеза и большой длительности обжига, что ведет к высоким энергетическим затратам. Кроме того, сырьевая смесь состоит из достаточно дефицитных природных материалов талька, высококачественного каолина и третьего наиболее дорогого и дефицитного компонента технического глинозема или электроплавленного корунда. В процессе нагрева быстро нарастает масса жидкой стекловидной фазы кордиерита и резко снижается термостойкость керамики. Синтезированные таким способом продукты содержат кордиерит и до 20% других фаз, включающих шпинель, муллит, клиноэнстатит, которые ухудшают эксплуатационные свойства керамики [1. Балкевич В.Л. Техническая керамика. М.: Стройиздат, 1984, с.177-178].

По этой причине разрабатываются и совершенствуются методы, обеспечивающие снижение энергозатрат и улучшающие качество конечных продуктов. В качестве исходных продуктов иногда используются дорогие реактивы, такие как глинозем, периклаз (2. Патент РФ №2359943, кл. C04B 35/195, опубл. 27.06.09 г.), синтетический цеолит (3. Патент США N 4814303, кл. C04B 35/18, 1989 г.) и другие.

С целью снижения себестоимости производства кордиерита идет поиск более доступных природных соединений. Известен способ его получения путем обжига сырьевой смеси, состоящей из каолина (Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O) и серпентина Mg₃Si₂O₅(OH)₄ или хризотила [4. Amer. Ceram. Soc. Bull, v.55, N 7, 1976, p.671, 672.J. Недостатком этого способа является отсутствие технического решения по достижению достаточно широкого интервала спекания при обжиге изделий и использование очень узкого соотношения серпентина и каолина, равного 1:(2,5-2,8).

Известен способ получения кордиеритовой керамики, включающий измельчение, смешивание компонентов сырьевой смеси, формование и обжиг изделий, сырьевую смесь готовят из каолина и серпентина при их соотношении (1:1,5)-(1:5), обжиг проводят при температуре 1250-1400°C. В качестве серпентина используют отходы обогащения асбестовых руд при их соотношении с каолином (1:1,5)-(1:5) [5. Патент РФ №2016878, кл. C04B 35/18, 1994 г.]. Использование в составе сырьевой смеси природных материалов каолина и серпентина улучшает процесс твердофазного спекания керамической массы, что обеспечивает расширение температурного интервала обжига керамики до 70-100°C и повышает ее термостойкость с сохранением необходимых значений пористости и прочности изделий, без введения дополнительных специальных добавок. Недостатком способа является достаточно узкий интерал обжига керамической массы и использование дефицитного каолина.

Известен способ получения кордиеритовой массы, отличающийся тем, что шихта, состоящая из тугоплавкой глины, периклаза и оксида алюминия подвергается совместной механоактивации в планетарной мельнице периодического действия в течение 90 с при соотношении масс активируемого материала и мелющих тел 1:15 [6. Патент РФ №2359943, кл. C04B 35/195, 2009]. Недостатком способа является необходимость предварительной активации периклаза до удельной поверхноси 18,2 м/г, неполная степень взаимодействия компонентов, использование дефицитных материалов и отсутствие возможности организовать промышленный процесс в проточном режиме.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения кордиеритовой массы, в котором с целью расширения сырьевой базы в качестве исходных используются концентрат кианита (Al₂SiO₅), содержащий 15% кварца, и магнийсодержащие минералы: магнезита, талька, форстерита, серпентина и др. Для достижения полного превращения их в кордиерит процесс проводят при температуре 1350°C в течение 4 часов (7. Лебедева Г.А., Инина И.С. Огнеупоры и техническая керамика, 2005, №9, с.40-42). В соответствии с уравнением реакции получения кордиерита из кианита и талька

6 ( A l 2 O 3 ⋅ S i O 2 ) + S i O 2 + 2 ( 3 M g O ⋅ 4 S i O 2 ⋅ H 2 O ) = 3 ( 2 M g O ⋅ 2 A l 2 O 3 ⋅ 5 S i O 2 ) + 2 H 2 O .

кварц является необходимым компонентом, поэтому не требуется глубокого обогащения кианитовых руд. Недостатками метода являются высокая температура синтеза и его длительность.

Задача, решаемая заявляемым техническим решением, заключается в расширении сырьевой базы для получения кордиеритовой массы и уменьшении материальных и энергетических затрат и возможности выпуска кордиеритовой массы для получения технической керамики в промышленном масштабе за счет использования в качестве исходного компонента не кианита, а силлиманита.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения кордиеритовой массы для технической керамики, включающем измельчение, смешивание компонентов сырьевой смеси, состоящей из минерала силлиманитовой группы и магнийсодержащего минерала, в качестве минерала силлиманитовой группы используют обогащенный силлиманитовый концентрат, содержащий 10-15 масс.% кварца, в качестве магнийсодержащего минерала используют тальк, смешивают обогащенный кварцем силлиманитовый концентрат и тальк в соотношении 1: (0,7-0,9) масс.%, соответственно, измельчение и активацию полученной сырьевой смеси проводят в проточной центробежной дисковой мельнице, обеспечивающей механическое воздействие на смесь с центробежной силой, соответствующей ускорению 50-60 g, и времени пребывания смеси в зоне обработки 2-5 мин, обжиг обработанной в мельнице сырьевой смеси проводят при температуре 1200-1300°C в течение 1-2 часов.

Предпочтительно, измельчение и активацию сырьевой смеси проводят в центробежной дисковой проточной мельнице по патенту на полезную модель РФ №55644 со скоростью пропускания 95-100 кг/час.

Проведенный патентный поиск показал, что совокупность существенных отличительных признаков, позволяющая решить поставленную задачу, не известна из существующего уровня техники. Следовательно, данное техническое решение соответствует критерию «новизна».

Месторождения силлиманита, которые могут быть использованы в заявляемом способе, находятся преимущественно в Сибири: Кяхтинское (республика Бурятия), Китайское (Иркутская область), Тымбинское (Читинская область) и другие. Из них наиболее предпочтительное положение занимает Кяхтинское, которое находится в 15 км от железной дороги. Руды имеют предельно простой минералогический состав, кварц с силлиманитом составляют 90-95%. Технология обогащения руд разработана. Поскольку одним из исходных компонентов в смеси должен быть кварц, то для синтеза кордиерита пригоден силлиманитовый концентрат третьего-второго сорта. Данный фактор может существенно повлиять в лучшую сторону на себестоимость получения кордиеритовой керамики.

Изобретение является промышленно применимым и может быть использовано в производстве технической керамики.

Использование механической активации исходной смеси на основе силлиманита по изобретению обеспечивает снижение температуры синтеза на 100-150°C и ускорение процесса практически в 1,5-3 раза по сравнению с синтезом из смеси с кианитом.

Примеры реализации изобретения представлены в таблице 1.

Таблица №1
Состав, обработанный в проточной мельнице	Температура, °C	Время отжига, часы	Выход кордиерита, %	Фазовый состав
Кианит+кварц+тальк (прототип) (соответствует уравнению реакции)Силлиманит+кварц+тальк (по уравнениюреакции)«««Силлиманитовый концентрат, содержащий кварц(10%): тальк (1:0,7)Силлиманитовыйконцентрат,содержащийкварц(15%): тальк(1:0,9)	11001300130013001100120013001300130013001300	5,01,03.05.05,05,01,02.03.02.02.0	032;578265;809496999593	Кианит, тальк, кварцКордиерит, кианит, муллит, тальк,««Кордиерит, силлиманит,талькКордиерит«««««

Измельчение и активацию полученной сырьевой смеси проводят в проточной центробежной дисковой мельнице, обеспечивающей механическое воздействие на смесь с центробежной силой, соответствующей ускорению 50-60 g, и времени пребывания смеси в зоне обработки 2-5 мин. При ускорениях ниже 50 g и времени пребывания смеси в рабочей зоне мельницы ниже 2 мин результаты не достигают желаемых величин, а при ускорении выше 60 g и времени пребывания выше 5 мин возрастают затраты энергии, а система охлаждения не обеспечивает усиленного теплоотвода тепла.

Техническим результатом заявляемого технического решения является получение кордиеритовой массы для изготовления керамики из более доступного исходного сырья и более экономичным, чем в прототипе, способом.

Способ получения кордиеритовой массы для технической керамики, включающий измельчение, смешивание и обжиг сырьевой смеси, состоящей из минерала силлиманитовой группы и магнийсодержащего минерала, отличающийся тем, что в качестве минерала силлиманитовой группы используют обогащенный силлиманитовый концентрат, содержащий 10-15 мас.% кварца, который смешивают с тальком в соотношении 1:(0,7-0,9) мас.%, измельчение и активацию полученной сырьевой смеси проводят в проточной центробежной дисковой мельнице, обеспечивающей механическое воздействие на смесь с центробежной силой, соответствующей ускорению 50-60 g, и времени пребывания смеси в зоне обработки 2-5 мин, обжиг сырьевой смеси, обработанной в мельнице, проводят при температуре 1200-1300°C в течение 1-2 часов.