Реферат
Вспененный углеродосодержащий компо-
зиционный материал
Изобретение относится к производству легких пористых теплоизоляционных и огнеупорных материалов.
Предлагаемые материалы могут найти широкое применение в металлургии, теплоэнергетике, строительной промышленности для теплозащиты различных агрегатов, установок и конструкций в широком диапазоне температур, вплоть до 1400-1600 оС.
Для улучшения эксплуатационных характеристик (механические и теплофизические свойства) в состав материала, включающего минеральный наполнитель (кварцевый песок, глина, алюмосиликаты и др.), жидкое стекло с плотностью 1,45 г/см3 и модулем 2,8 и порошок кристаллического кремния с размером частиц < 63 мкм, дополнительно вводят углеродсодержащее вещество природного происхождения – шунгит и антиоксидант - восстановитель - высокодисперсный порошок алюминия марки АСД-1 в соотношении по массе шунгит:алюминий = 1,3¸1,5. Материал получают сначала по технологии «холодного» вспучивания при комнатной температуре, а затем отжигают в режиме СВС-горения при температурах 1400-1600 оС, придавая ему свойства легких огнеупоров с уровнем теплопроводности 0,07-0,16 Вт/м×К для материалов плотностью 250-600 кг/м3 и механической прочности на сжатие в пределах 6,4¸25,3 Мпа.
Изобретение относится к производству легких пористых теплоизоляционных и огнеупорных материалов, способных удовлетворить требования эффективной теплозащиты различных тепловых установок и агрегатов в энергетике, металлургии, стройиндустрии и многих других отраслях промышленности, а также обеспечить надежную теплоизоляцию конструкций или их узлов в авиационно-космической технике, авто- и судостроении.
Повышение стойкости, то есть увеличение ресурса службы любых огнеупоров в различных условиях их эксплуатации является главным требованием, которое предъявляется сегодня к разработчикам новых материалов этого класса.
Одним из наиболее распространенных в мировой практике технологических приемов, позволяющих существенно повысить термостойкость, износостойкость, коррозионную стойкость и механические характеристики огнеупоров является введение в исходные шихтовые композиции углеродных ингредиентов в виде углеродсодержащих связок, сажи, кокса, графита и др. (см. Кашеев И.Д. Оксидно-углеродистые огнеупоры, М, Интернет Инжиниринг, 2000).
Наряду с указанными положительными факторами введение углерода в состав огнеупоров влечет за собой появление проблемы выгорания углерода из поверхностных рабочих слоев огнеупорных материалов (футеровки, обмазки, покрытия) в окислительной среде при высоких температурах (свыше 500оС).
Как показал опыт, наиболее эффективным средством борьбы с этим негативным явлением служит одновременное с углеродом введение в состав огнеупоров функциональных добавок – антиоксидантов, в роли которых могут выступать металлы, имеющие максимальное химическое сродство к кислороду. К разряду особо эффективных антиоксидантов относятся Al, Mg, Si и некоторые другие элементы.
Введение таких добавок в состав огнеупорного материала резко уменьшает выгорание углерода при высоких температурах вследствие более активного их взаимодействия с кислородом окружающей среды в интервале температур выгорания углерода с образованием тугоплавких оксидов (Al2O3, MgO, SiO2 и т.д.), способствующих при дальнейшем повышением температуры дополнительному уплотнению структуры огнеупоров.
Все эти технологические разработки проведены главным образом, для повышения износостойкости высокоплавких огнеупоров.
Однако, аналогичные проблемы стоят и перед разработчиками легких пористых теплоизоляционных и теплозащитных материалов.
Известен способ получения пористых теплоизоляционных материалов на основе углерода за счет введения в состав исходных компонентов порообразующих веществ, в частности из клшасса хлоридов металлов (Заявка Японии №59141410, кл. С01В 31/02, 1984).
Согласно этому способу порошкообразный графит смешивают со связующим (синтетической смолой или нефтяным пеком) и порошком NaCl. Полученную смесь формуют и после коксования при высокой температуре подвергают выщелачиванию, при котором соль растворяется, освобождая поры.
Недостатком способа является изотропность материала, обладающего довольно высокой теплопроводностью из-за переизлучения тепла в порах, а также из-за хорошей теплопроводности графита. Как известно, интенсивность теплового потока за счет переизлучения (стефановский поток) пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Тр
I=sТр4
и, следовательно, с увеличением температуры резко возрастает. Чтобы избежать этого эффекта, необходимо в углеродную матрицу вводить экранирующие элементы в виде поперечных тепловому потоку волокон.
Известен теплоизоляционный вспененный углеродный композиционный материал УКМ (патент US, №4442165, кл. 428-3077, 1984), включающий пиролизованную матрицу из смеси термореактивной смеси и углеродных волокон, покрытых пиролитическим графитом. Существенным недостатком данного материала является сложность технологического процесса и высокая трудоемкость изготовления теплоизоляционного вспененного УКМ, а также недостаточно высокая механическая прочность.
В настоящее время перед разработчиками углеродсодержащих теплоизоляционных материалов стоит задача создания простых технологических приемов, позволяющих при минимальном уровне энерго и трудозатрат получать легкие пористые материалы с низкой теплопроводностью и достаточно высокими механическими характеристиками.
Наиболее близким (прототип)техническим решением к заявленному изобретению является способ получения высокопористых гранул для выплавки кремния (патент RU №2042721, кл С22В5/02, С01В 33/02, 1992), в котором используется шихта, состава, мас.%
| кристаллический кремний | 1-6 |
| жидкое стекло | 12-20 |
| стехиометрическая смесь кремнеземсодержащего материала и углеродистого восстановителя | 74-87 |
В качестве кремнеземсодержащего материала использовался кварцевый песок с содержанием SiO2 98% по массе, а углеродистый восстановитель представлял собой смесь древесного угля с нефтяным коксом в массовом соотношении 1:1 с содержанием твердого углерода 78,5% масс.
Физико-химическую основу этого способа составляют гетерогенные реакции взаимодействия кристаллического кремния со щелочной средой, в роли которой выступает жидкое стекло. Химические реакции взаимодействия могут развиваться по различным схемам:
Si(тв)+2NaOH(р-р)+H2O(ж)=Na2O×SiO2(тв)+2H2(г) (1)
Si(тв)+Na2O×SiO2(р-р)+2H2O(ж)=Na2O×SiO2(тв)+2H2(г) (2)
Эти реакции имеют ярко выраженный экзотермический характер и поэтому идут с самоускорением и с экспоненциальным подъемом температуры реакционной системы вплоть до 100оС. Эта температура соответствует точке кипения воды, содержащейся в жидком стекле. При достижении температуры кипения воды происходит выделение пара, который в сочетании с водородом (реакции 1 или 2) вспенивает всю реагирующую массу с одновременным порообразованием и отверждением вспененной массы. Поскольку процесс кипения является эндотермическим, то повышение температуры реагирующей системы сверх 100оС не может произойти до полного выкипания воды и полного отверждения вспененной массы.
В предлагаемом изобретении заслуживает внимания лишь сама идея использовать экзотермический характер взаимодействия газообразователя – кристаллического кремния с водным щелочным раствором – жидким стеклом для получения вспененной углеродсодержащей массы. Однако оно имеет целый ряд принципиальных недостатков. Во-первых, вспучивание реакционной системы осуществляется при темпе6ратурах 50-200оС, а не при комнатной, что существенно усложняет технологический цикл образования легких пористых материалов. Во-вторых, нельзя считать удачным выбор компонентного состава шихты, особенно углеродных ингридиентов, который принципиально не может обеспечить низкую теплопроводность и высокие механические характеристики. Это связано с тем, что целью изобретения было не создание теплоизоляционного материала, а мелких пористых гранул для выплавки кремния. Представленные в описании значения механической прочности (0,6-1,2Мпа) завышены в силу влияния масштабного эффекта. Мелкие гранулы (масса гранул 5-20г) разрушатся при более высоких давлениях, чем стандартных размеров образцы из этого же материала.
И, наконец, предлагаемый углеродсодержащий материал обладает довольно низким электрическим сопротивлением (120-240 Ом·см при 1400оС), т.е.относится к классу электропроводящих за счет высокого массового содержания углеродной фазы. Задачей предлагаемого изобретения является разработка легкого пористого углеродсодержащего композиционного материала путем вспенивания и отверждения при комнатной температуре, сокращение технологического процесса получения пористого материала низкой объемной массы с повышенными физико-механическими и эксплуатационными характеристиками в широком диапазоне температур.
Поставленная задача решается тем, что для получения экзотермической, способной в вспучиванию при комнатной температуре, смеси первоначально приготовляют по отдельности сухую и жидкую составляющие смеси в соотношении Тв/ж=1-1,5, затем в жидкое связующее - жидкое стекло (ЖС) плотностью 1,45 г/см3 и модулем 2,8 вводят газообразователь - кристаллический кремний - с размером частиц менее 100 мкм в соотношении ЖС/Si=(3-6):1 и вслед за этим производят окончательное смешение жидкого связующего и сухих компонентов, в состав которых входит углеродсодержащее природное вещество – шунгит с массовым содержанием углерода около 30%.