способ обжига керамических изделий

Формула изобретения

Способ обжига керамических изделий в присутствии твердого углеродистого восстановителя, включающий укладку изделий и восстановителя в реакционном объеме с газонепроницаемым сводом, нагрев реакционной зоны и изотермическую выдержку изделий, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в атмосфере водорода, при этом образующиеся газообразные продукты отводят снизу реакционного объема.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области изготовления керамических изделий из природного минерального сырья и может быть использовано, например, для отбелки фарфора и переклазового огнеупора.

Известен способ отбелки керамических изделий без удаления соединений железа и титана из состава материала, согласно которому сформированные и высушенные или обожженные изделия насыщают водным раствором фосфорной кислоты с концентрацией 35-80% после чего их сушат и обжигают при температуре, которая на 123 K ниже температуры собственного обжига используемого материала [1]

Недостатком этого способа являются большие затраты на проведение процесса, связанные с использованием фосфорной кислоты.

Известен также способ обжига керамических изделий в неокислительной атмосфере, по которому обжигаемые изделия помещают в коксовую мелочь, уложенную на дне металлической емкости, которую сверху и сбоку можно закрывать крышкой и дверцей, загружают горючее вещество и осуществляют нагрев и изотермическую выдержку [2]

Обжин протекает в атмосфере окиси углерода, образовавшейся в результате взаимодействия продуктов сгорания углеводородных топлив с твердым углеродистым восстановителем.

Недостатком этого способа является то, что при обжиге керамических изделий, изготавливаемых из низкосортного сырья, содержащего большое количество окислов железа и титана, придающих изделиям темный цвет, не происходит достаточно полного восстановления этих окислов, в результате чего обожженные изделия не обладают высоким качеством: белизной и прочностью. Поэтому для повышения качества изделий требуется проведение дополнительных операций, в частности для придания белизны фарфоровым изделиям их покрывают цирконом, что усложняет и существенно удорожает процесс изготовления керамических изделий.

Наиболее близким к описываемому изобретению является способ обжига керамических изделий в восстановительной среде, включающий загрузку заготовок в газонепроницаемый капсель (реакционный объем), выполненный из нескольких слоев материала, причем наружный слой выполнен из газонепроницаемого огнеупорного материала, промежуточный из углеродсодержащего вещества (порошковая засыпка) и внутренний из пористого керамического материала, с последующим нагревом и изотермической выдержкой при максимальной температуре [3]

Недостатком указанного способа является сложность конструкции устройства для обжига, вызванная необходимостью создания замкнутого газонепроницаемого объема.

Задачей изобретения является разработка способа, позволяющего с наименьшими затратами получать качественные керамические изделия из низкосортного сырья.

Это достигается тем, что согласно заявленному способу обжига керамических изделий в присутствии твердого углеродистого восстановителя, размещенного на подине печи, включающему нагрев реакционной зоны и изотермическую выдержку изделий, обжиг осуществляют в реакционном объема с газонепроницаемым сводом, в атмосфере водорода, а газообразные продукты реакции выводят внизу реакционной зоны через подину.

В присутствии твердого углеродистого восстановителя при температуре выше 600^oC в реакционной зоне создается восстановительная атмосфера. При этом, помимо окиси углерода, из паров воды, химически связанной или поглощенной обжигаемыми изделиями, образуется атомарный водород, который является самым легким из газообразных продуктов реакции.

При проведении обжига по известному способу происходит вытеснение атомарного водорода более тяжелыми газами (окисью углерода и парами воды) через щели между съемными крышкой и дверцей емкости. Кроме того, и сама емкость, будучи металлической, не является для атомарного водорода непроницаемой.

В заявляемом же способе обжиг осуществляется в реакционном объеме с газонепроницаемым сводом, что исключает возможность вытеснения атомарного водорода из реакционной зоны, а обеспечение выхода газообразных продуктов реакции внизу реакционной зоны способствует тому, что из реакционной зоны будут выводиться более тяжелые, чем атомарный водород, газы, и восстановление окислов металлов будет осуществляться атомарным водородом.

При это в реакционной зоне протекают следующие реакции:

H₂O_(г) + C_(т) 2H_(г) + CO_(г) (1)

MeO_(т) + 2H_(г) Me_(т) + H₂O_(г) (2)

MeO_(г) + C_(т) Me + CO_(г) (3)

Удержание атомарного водорода в реакционной зоне будет способствовать более полному протеканию реакции 2, а постоянное удаление образовавшейся окиси углерода необратимости протекания суммарной реакции 3.

Таким образом, происходит более полное восстановление окислов металлов по сравнению с прототипом, за счет чего повышается качество обжигаемых керамических изделий.

Для осуществления заявляемого способа в промышленных условиях можно использовать обычную туннельную печь. В настоящее время для обжига керамических изделий их помещают в капсели, которые размещают в туннельной печи рядами друг на друге. Для проведения обжига по заявляемому способу обжигаемые изделия ставят на подину, а сверху накрывают капселем из газонепроницаемого материала, который и служит газонепроницаемым сводом для реакционного объема.

Пример 1 (по прототипу).

Фарфоровые изделия, сформованные из массы, содержащей, SiO₂ - 65,84; Al₂O₃ 23,07; TiO₂ 0,30; Fe₂O₃ - 0,50; CaO 0,34; MgO 0,36; K₂O + Na₂O 2,93; п.п.п. 6,28 подвергли обжигу при 1200^oC в течение двух часов. Обжиг проводили в металлической емкости, на дно которой укладывали коксовую мелочь, сверху ставили обжигаемые изделия, затем загружали и закрывали емкость дверцей и крышкой.

После обжига определили белизну обожженных изделий по ГОСТ 24768-81, которая в данном случае составила 61%

Пример 2 (по заявляемому способу).

Фарфоровые изделия, сформованные из массы, содержащей, SiO₂ - 65,84; Al₂O₃ 23,07; TiO₂ 0,30; Fe₂O₃ 0,50; CaO 0,34; MgO 0,36; K₂O + Na₂O 2,93; п. п.п. 6,28, подвергли обжигу в туннельной печи. На подине укладывали нефтяной кокс (углеродистый восстановитель), на него ставили обжигаемые изделия, а сверху накрывали глазурованным изнутри капселем для создания газонепроницаемого свода над реакционной зоной. Затем осуществляли нагрев реакционной зоны до 1300^oC и выдержку обжигаемых изделий при этой температуре в течение двух часов. В реакционной зоне происходило образование паров воды, окиси углерода и атомарного водорода. При этом пары воды и окись углерода, являясь более тяжелыми газами, чем атомарный водород, концентрируются в нижней части реакционной зоны и, просачиваясь через газопроницаемую подину выходят наружу. Атомарный водород, являясь самым легким из газов, присутствующих в реакционной зоне, находится над окисью углерода и парами воды, и при наличии газонепроницаемого свода он удерживается в реакционной зоне и восстанавливает окислы железа и титана, придавая белизну обжигаемым изделиям.

После обжига определяли белизну обожженных изделий по ГОСТ 24768-81, которая в данном случае составила 80%

Пример 3 (по прототипу).

Периклазовый огнеупор, содержащий, MgO 96,5-97,2; CaO 1,0-1,5; SiO₂ 0,8-1,3; Fe₂O₃ 0,2-0,4; Al₂O₃ - 0,56, обжигали при 1500^oC в течение 70 ч. Обжиг осуществляли аналогично примеру 1.

После обжига были проведены испытания на прочность на гидравлическом прессе П-10. Предел прочности на сжатие составил 104,3 МПа.

Пример 4 (по заявляемому способу).

Периклазовый огнеупор, содержащий, MgO 96,5-97,2; CaO 1,0 -1,5; SiO₂ 0,8-1,3; Fe₂O₃ 0,2-0,4; Al₂O₃ - 0,56, обжигали при 1300^oC в течение 24 ч в присутствии твердого углеродистого восстановителя нефтяного кокса. Обжиг осуществляли аналогично примеру 2. После обжига огнеупор изменил цвет с коричневого на белый.

После обжига были проведены испытания на прочность на гидравлическом прессе П-10. Предел прочности на сжатие составил 150,2 МПа.

Таким образом, заявляемый способ позволяет достаточно просто и эффективно получать качественные изделия из низкосортного сырья. Так, белизна фарфоровых изделий при обжиге по заявляемому способу по сравнению с прототипом повышается с 61 до 80% что соответствует лучшим мировым достижениям, а прочность периклазового огнеупора повышается почти в полтора раза. Большим преимуществом является и то, что его внедрение не потребует особых капитальных вложений, т.к. его можно осуществить на существующем оборудовании.

Заявляемый способ был опробован на Хайтинском фарфоровом заводе Иркутской области. Проведенные опытные испытания подтвердили его промышленную применимость.