огнеупорный керамический материал

Формула изобретения

1. Огнеупорный керамический материал, включающий непрерывную мелкодисперсную матрицу с керамическими включениями, отличающийся тем, что керамические включения выполнены в виде пластичных гранул фракции 2,5 - 10 мм из материала, имеющего после обжига огнеупорность и коэффициент термического расширения меньше, а усадку больше, чем соответствующие параметры матрицы при весовом соотношении гранул и матрицы от 4 : 1 до 3 : 2.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что гранулы из пластичной массы и мелкодисперсная матрица после оформления изделий методом прессования, их сушки и обжига образуют различные цветовую гамму и рисунок.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике производства керамический изделий, применяемых в качестве огнеприпаса в печах периодического или непрерывного действия в керамической, огнеупорной, абразивной, фарфоро-фаянсовой и других отраслях промышленности или же в качестве облицовочных камней при замене натуральных мрамора и гранита в производстве строительных материалов.

Известен керамический материал, включающий непрерывную мелкодисперсную матрицу с керамическими включениями, содержащими в составе шихты гранулы диаметром 2,5-10 мм /1/. Однако известный материала не является огнеупорным и стойким к деформации при температурах эксплуатации, например, огнеприпаса для политого обжига фарфора по следующим основным причинам:

- В процессе обжига известного керамического материала образуется более огнеупорная дисперсная (локальная) фаза керамических включений и менее огнеупорная легкоплавкая фаза непрерывной мелкодисперсной матрицы. Последняя внедряется в керамические включения, снижая тем самым огнеупорность и деформационную стойкость материала в целом в процессе эксплуатации при высокой температуре.

- В известном техническом решении не оговорены требования к усадке и коэффициентам термического расширения материалов керамических включений и матрицы. При отсутствии таких требований нет гарантии обеспечения повышенной сплошности, плотности, прочности и термической стойкости известного композиционного материала.

- При легкоплавкой непрерывной мелкодисперсной матрице аналога нет гарантии, что вещество матрицы полностью пропитает и спечет при обжиге до минимальной пористости вещество керамических включений. Это обстоятельство, а также отсутствие требований к коэффициентам термического расширения и усадке матрицы и керамических включений не позволяет использовать известный материал для изготовления декоративной керамики, имитирующей природные мрамор и гранит с однородной и неоднородной дисперсными фазами. При использовании известного материала для данной цели последний будет неоднородным по объему, т.е. будет иметь пустоты или трещины.

Целью предлагаемого изобретения является повышение плотности и огнеупорности известного материала.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемый огнеупорный керамический материала, включающий непрерывную мелкодисперсную матрицу с керамическими включениями, отличается тем, что керамические включения выполнены в виде пластичных гранул фракции 2,5-10 мм из материала, имеющего после обжига огнеупорность и коэффициент термического расширения меньше, а усадку больше, чем соответствующие параметры матрицы при весовом соотношении гранул и матрицы от 4:1 до 3:2.

Кроме того, предлагаемый материал отличается еще и тем, что гранулы из пластичной массы и мелкодисперсная матрица после оформления изделий методом прессования, их сушки и обжига образуют различные цветовую гамму и рисунок.

Сущность предлагаемого огнеупорного материала демонстрируется на чертеже, где изображена схематично конструкция образца предлагаемого материала в трех взаимно перпендикулярных плоскостях a, b и c.

Как видно из чертежа, материал состоит из совокупности керамических включений 1 и непрерывной мелкодисперсной матрицы 2. Указанные керамические включения могут быть выполнены разной формы или конфигурации и из однородной или неоднородной по фазовому и химическому составам керамики, а потом могут иметь одинаковый или разный цвет, создавая определенные цветовую гамму или рисунок.

Между керамическими включениями находится непрерывная мелкодисперсная матрица, которая в сечениях также может иметь разные форму и толщину и, будучи выполненной из керамики, отличающейся по фазовому или химическому составам от керамических включений, цвет, отличный от цвета керамических включений.

Предлагаемый огнеупорный материал имеет следующие преимущества над прототипом:

1. Ввиду того, что огнеупорность непрерывной мелкодисперсной матрицы материала, несущей основную огневую нагрузку при эксплуатации, значительно выше, чем огнеупорность материалов керамических включений, предлагаемый композиционный материал обеспечивает в целом значительную огнеупорность и повышенное сопротивление деформации при высокой температуре в процессе эксплуатации. При этом эти параметры материала в целом могут варьироваться в весьма широких пределах за счет выбора материалов матрицы и керамических включений.

2. Сформулированные выше требования к огнеупорности, коэффициентам термического расширения и усадкам непрерывной мелкодисперсной матрицы и включений, а также применение пластичных гранул керамических включений позволяет в целом обеспечить повышенные значения плотности и сплошности огнеупорного материала, т.к. при выполнении этих условий тепловые расширения и сужения локальных участков материалов при первоначальном обжиге компенсируют друг друга.

Обеспечению повышенных плотности и сплошности способствует также и то, что вследствие пластичности гранул в первоначальном состоянии их материал при оформлении огнеупорных изделий методом прессования частично внедряется в матрицы, а в процессе предварительного обжига вследствие пониженной огнеупорности жидкая фаза гранул внедряется в поры матрицы на ее граничных участках.

3. Материал из-за неоднородной локальной цветности может быть применен в качестве декоративного, например, при замене природных мрамора и гранита. Варьируя конфигурацию формы пластичных гранул, их соотношение с материалом матрицы и другие возможности технологии, могут быть получены материалы, имеющие ценные потребительские свойства, в т.ч. повышенные показатели плотности и сплошности при нормальной температуре. Этому способствует то, что гранулы пластичны и что изделия оформляются методом прессования.

Реализация предлагаемого изобретения иллюстрируется следующим конкретным примером.

Изготавливаются любым известным способом (литьем, экструзией или в распылительной сушилке) пластичные гранулы фракции 2,5-10 мм, обеспечивающие после обжига фазовый и химический составы керамических включений. Эти гранулы при смешении всухую и последующем увлажнении обволакивают высокоогнеупорными мелкодисперсными компонентами, обеспечивающими после обжига фазовый и химический составы керамики непрерывной мелкодисперсной матрицы. Затем тщательно увлажняют смесь при постоянном перемешивании до образования пластичной однородной прессовочной крупки, состоящей из гранул с налипшими к ним сырьевыми компонентами материала матрицы. Из указанной крупки прессуют изделия, например плиты. В процессе прессования пластичные гранулы изменяют форму, а на границе их пластичный компонент внедряется в формируемый слой матрицы.

В результате формируется определенный рисунок керамических включений и непрерывной матрицы огнеупорного материала, проявляющий себя после его предварительного обжига.

Для обеспечения указанных выше огнеупорности, плотности, сплошности и определенных цветовой гаммы и рисунка керамики выбирают состав сырьевых компонентов гранул и матрицы огнеупора. Например, для получения пластичных гранул используют сырьевой состав пластичной массы кордиеритовой, а для матрицы - достаточно огнеупорные мелкодисперсные компоненты высокоглиноземистой керамики.

Известно, что коэффициент термического расширения кордиеритовой керамики составляет (2-4) 10^-7 град^-1, а высокоглиноземистой керамики матрицы -(5-6) 10^-7 град^-1. Обжиг огнеупора после оформления методом прессования и сушки производят при температуре 1350-1380^oC, при которой осуществляется только контактное спекание выбранной высокоглиноземистой керамики, и твердожидкофазовое - кордиеритовой. При этом огневая усадка последней значительно превосходит огневую усадку первой. Однако, образующая жидкая фаза кордиеритовой керамики внедряется в образовавшийся огневой зазор между граничными участками включений и матрицы и в поры керамических включений, обеспечивая общую сплошность и плотность композиционного материала.

Известно, что огнеупорность кордиеритовой керамики не выше 1400^oC, высокоглиноземистой - выше 1600^oC. Поэтому в результате получается кордиеритсодержащий огнеупор, армированный высокоогнеупорной высокоглиноземистой керамикой.

Выбранное соотношение весовых количеств пластичных гранул и матрицы обосновывается следующим образом.

При соотношении, превышающем величину 4 : 1, гранулы при прессовании не обеспечивают локальность керамических включений в материале после обжига, т. к. пластичные гранулы спрессовываются друг с другом.

При соотношении, меньшем 3:2, количества гранул становится явно недостаточно, чтобы качественно спрессовать непрерывную матрицу за счет проникновения в нее пластичного материала гранул. При этом при смешении гранул с мелкодисперсными компонентами избыток последних не позволяет создать однородную крупку гранул. Избыточные мелкодисперсные компоненты вследствие своей высокой огнеупорности разрыхляют материал и снижают его плотность и прочность.

Предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна", т.к. в техническом решении впервые использованы для образования керамических включений пластичные гранулы при их определенном соотношении с матрицей и сформулированы технические требования к материалам керамических включений и матрицы. Все это позволяет обеспечить не только повышенные свойства материала, но и его потребительские свойства.

Анализ известных технических решений в области конструкции композиционных материалов в исследуемых областях применения, а также смежных сферах и сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод об отсутствии в нем сходных признаков.

Технические возможности предлагаемого огнеупорного материала проверены на практике в условиях Корниловского фарфорового завода (г. С.Петербург). В качестве базового объекта выбран огнеупорный материал, применяемый для изготовления карбидкремнийсодержащих плит, используемых для монтажа этажерок печей политого обжига фарфоровых изделий.

Показано, что изготовленные из предлагаемого в данной заявке материала плиты имеют после обжига сопротивление к деформации, не уступающее карбидкремнийсодержащим плитам, и не деформируются при длительной службе в условиях эксплуатации в высокотемпературной камерной печи фирмы "Вистра" (Италия), предназначенной для обжига фарфоровых изоляторов при температуре 1350-1380^oC в течение 96 часов.

Известно, что карбидкремнийсодержащий огнеупор является весьма дорогостоящим, и для изготовления его используется карбид кремния, производство которого в настоящее время резко сокращено из-за значительных затрат электроэнергии.

Предлагаемый материал при использовании его для изготовления огнеприпаса позволит значительно снизить себестоимость последнего.

Это позволяет сделать вывод, что новый огнеупорный материал будет экономичнее карбидкремнийсодержащего, применяемого для изготовления огнеприпаса для фарфоро-фаянсовой промышленности.

Литература:

1. Патент 2005702 C2 (51) 5 C 04 B 33/00. Заявлено 25.06.91. Опубл. 15.01.94. Бюлл. N1. "Способ изготовления керамических изделий".