RU2637352C1 - Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof - Google Patents

Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2637352C1
RU2637352C1 RU2016142942A RU2016142942A RU2637352C1 RU 2637352 C1 RU2637352 C1 RU 2637352C1 RU 2016142942 A RU2016142942 A RU 2016142942A RU 2016142942 A RU2016142942 A RU 2016142942A RU 2637352 C1 RU2637352 C1 RU 2637352C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quartz
articles
slurry
density
quartz glass
Prior art date
Application number
RU2016142942A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Феодосий Яковлевич Бородай
Original Assignee
Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина" filed Critical Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г. Ромашина"
Priority to RU2016142942A priority Critical patent/RU2637352C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2637352C1 publication Critical patent/RU2637352C1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C41/00Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor
    • B29C41/02Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C41/16Slip casting, i.e. applying a slip or slurry on a perforated or porous or absorbent surface with the liquid being drained away
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3418Silicon oxide, silicic acids, or oxide forming salts thereof, e.g. silica sol, fused silica, silica fume, cristobalite, quartz or flint
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/36Glass starting materials for making ceramics, e.g. silica glass
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/54Particle size related information
    • C04B2235/5463Particle size distributions
    • C04B2235/5472Bimodal, multi-modal or multi-fraction
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/60Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
    • C04B2235/602Making the green bodies or pre-forms by moulding
    • C04B2235/6027Slip casting
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/14Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on silica
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/6261Milling
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62625Wet mixtures
    • C04B35/6263Wet mixtures characterised by their solids loadings, i.e. the percentage of solids

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: method of producing high density quartz ceramics and articles thereof includes the preparation of an aqueous silica glass slurry with a density of 1.85-1.90 g/cm3, forming of ceramic billets of articles by the method of aqueous slip casting in gypsum moulds, drying and roasting in electric furnaces with air atmosphere. The aqueous slurry of quartz glass has a polydisperse grain composition in the range of 0.1-300 mcm, of which particles of up to 5 mcm are 25-35%, particles of up to 63 mcm are 94-98%. Moulding the billets of articles is carried out in plaster forms, the working surface that is saturated with a finely dispersed sludge of silica slurry or gating draining, and calcination is carried out at a maximum temperature of 1260-1280°C for 6-8 hours with intermediate exposures in 1100±50°C for 1±0.5 hours on the rise for equalizing the temperature of the article during cooling for calcining and removing thermal and shrinkage stresses. For producing water slurry, quartz glass and grinding media made of transparent quartz glass without a trace cristobalite are used, and grinding and stabilisation of surrey are carried out in mills lined with quartz glass or quartz ceramic.
EFFECT: method allows to produce large-sized articles, including thin-walled, with a high degree of uniformity, high strength and stable dielectric characteristics over a wide range of temperatures.
2 cl, 1 tbl, 3 ex

Description

Изобретение относится к способам получения высокоплотных керамических материалов на основе кварцевого стекла - кварцевой керамики с открытой пористостью, близкой к нулю. Такой материал найдет широкое применение для изделий, работающих в сложных тепловых и климатических условиях.The invention relates to methods for producing high-density ceramic materials based on quartz glass - quartz ceramics with open porosity close to zero. Such material will find wide application for products operating in difficult thermal and climatic conditions.

В настоящее время хорошо известны способы получения кварцевой керамики и изделий из нее для изготовления сталеразливочных стаканов и дозаторов в металлургии (Р.С. Чуракова, Е.П. Федорова, Ю.А. Полонский, Е.И. Ермолаева, А.М. Поживанов, Н.Д. Карпов. Стаканы из кварцевой керамики для разливки стали на УНРС // Огнеупоры, 1972, №11, с. 20-23), антенных обтекателей и радиопрозрачных окон ракет (Ю.Е. Пивинский, Е.И. Суздальцев. Кварцевая керамика и огнеупоры, 2008, т. 1, гл. 16, 17, 18, с. 569-640), термостойких модельных форм, поддонов, валов для молирования, штамповки, прокатки металлов, сплавов, стекла (В.П. Марков, Л.Л. Чернина, А.М. Ахьян. Крупногабаритные изделия из кварцевой керамики // Стекло и керамика, 1981, №2, с. 27-28). Они включают в себя дробление, измельчение кварцевого стекла и приготовление водного шликера заданного гранулометрического состава, литье керамических заготовок методом водного шликерного литья в гипсовых формах за счет капиллярных свойств гипса, сушку и обжиг изделий в электрических печах.Currently, methods for producing quartz ceramics and articles from it for the manufacture of steel pouring glasses and dispensers in metallurgy are well known (R.S. Churakova, E.P. Fedorova, Yu.A. Polonsky, E.I. Ermolaeva, A.M. Pozhivanov, ND Karpov, Glasses from quartz ceramics for casting steel at the UNRS // Ogneupory, 1972, No. 11, pp. 20-23), antenna radomes and radio-transparent windows of rockets (Yu.E. Pivinsky, E.I. Suzdaltsev, Quartz ceramics and refractories, 2008, vol. 1, chap. 16, 17, 18, pp. 569-640), heat-resistant model forms, pallets, shafts for molding, stamping, rolling ki of metals, alloys, glass (V.P. Markov, L.L. Chernina, A.M. Akhyan. Oversized products from quartz ceramics // Glass and Ceramics, 1981, No. 2, pp. 27-28). They include crushing, grinding of quartz glass and preparation of a water slurry of a given particle size distribution, casting of ceramic billets by the method of water slip casting in gypsum molds due to the capillary properties of gypsum, drying and firing products in electric furnaces.

Открытая пористость таких изделий и материалов находится в пределах 5-20%, прочность при изгибе 20-60 МПа. Недостатком материалов и изделий из них является значительная открытая пористость и связанное с этим поглощение влаги другой жидкой или воздушной фазы, что существенно ограничивает область применения материала.The open porosity of such products and materials is in the range of 5-20%, the bending strength is 20-60 MPa. The disadvantage of materials and products from them is significant open porosity and the associated absorption of moisture in another liquid or air phase, which significantly limits the scope of the material.

Известны работы по разработке технологии получения кварцевой керамики и изделий из нее с пористостью, близкой к нулю (Потк.≥0,5%) за счет введения в водный шликер небольшого количества борсодержащего активатора спекания - порошков оксида бора B2O3 (патент США №2973278, кл. CO3C 3/06, опубл. 28.02.1961 г.), нитрида бора BN (а. с. СССР №501052, кл. CO4B 35/14, бюл. №4, 1976 г.).There are known works on the development of a technology for producing quartz ceramics and products from it with porosity close to zero (P open. ≥ 0.5%) due to the introduction of a small amount of boron-containing sintering activator boron oxide powders B 2 O 3 into the water slip (US patent No. 2973278, class CO3C 3/06, publ. 02/28/1961), boron nitride BN (AS USSR No. 501052, class CO4B 35/14, bull. No. 4, 1976).

В частности, известен материал ОТМ-107 ТУ1-598-249-87, кварцевая керамика с добавкой 0,5-1,0% вес BN, которая имеет открытую пористость, близкую к нулю при температуре обжига 1250°C с выдержкой 2-3 часа, а пористые и достаточно прочные материалы получают при температуре 1150-1200°C (Ф.Я. Бородай, Е.И. Суздальцев. Кварцевая керамика, легированная нитридом бора - «ниасит - BN» // Сб. Новые неорганические материалы, 1976, вып. 3, с. 150-151).In particular, the material OTM-107 TU1-598-249-87, quartz ceramic with the addition of 0.5-1.0% weight BN, which has an open porosity close to zero at a firing temperature of 1250 ° C with a shutter speed of 2-3 hours, and porous and sufficiently strong materials are obtained at a temperature of 1150-1200 ° C (F.Ya. Borodai, EI Suzdaltsev. Quartz ceramics doped with boron nitride - “niasite - BN” // Sat. New inorganic materials, 1976 , issue 3, p. 150-151).

Недостатком таких материалов и способа получения их является внесение в структуру керамики вместе с активатором спекания примесей щелочных и щелочноземельных элементов, которые ускоряют кристаллизацию кварцевого стекла при температуре выше 1230°С, что неприемлемо для обеспечения высокой прочности, термостойкости и других ценных свойств.The disadvantage of such materials and the method for their preparation is the introduction of alkali and alkaline-earth impurities into the ceramic structure together with the sintering activator, which accelerate the crystallization of quartz glass at temperatures above 1230 ° C, which is unacceptable to ensure high strength, heat resistance, and other valuable properties.

Вторым направлением работ по получению высокоплотной кварцевой керамики были работы, связанные с разработкой скоростных высокотемпературных режимов спекания с целью исключения или хотя бы замедления образования кристобалита в материале при обжиге. Предложена область оптимальных режимов спекания (Ф.Т. Горобец, Р.В. Браиловская. Получение высокоплотной кварцевой керамики в газовых печах» // Огнеупоры, 1972, №5, с. 36-39) для получения высокоплотной кварцевой керамики в газовой печи, работающей на природном газе. Она составляет: по температуре 1350-1550°С, по времени выдержки 6-60 мин. Открытая пористость керамических образцов не превысила 1,5%.The second area of work on obtaining high-density quartz ceramics was the work related to the development of high-speed high-temperature sintering modes in order to eliminate or at least slow down the formation of cristobalite in the material during firing. The region of optimal sintering modes (FT Gorobets, RV Brailovskaya. Obtaining high-density quartz ceramics in gas furnaces "// Ogneupory, 1972, No. 5, p. 36-39) for obtaining high-density quartz ceramics in a gas furnace, is proposed working on natural gas. It is: at a temperature of 1350-1550 ° C, at a holding time of 6-60 minutes. The open porosity of ceramic samples did not exceed 1.5%.

Недостатком способа является нестабильность процесса и, как следствие, значительные колебания прочностных свойств и увеличение ТКЛР материала до 10×10-7/°C и выше, что связывается авторами с кристаллизацией образцов.The disadvantage of this method is the instability of the process and, as a result, significant fluctuations in the strength properties and an increase in the thermal expansion coefficient of the material to 10 × 10 -7 / ° C and higher, which is associated with the crystallization of the samples.

Более стабильные результаты по спеканию кварцевой керамики до открытой пористости, близкой к нулю, получены в вакуумных печах при температурах 1300-1350°C (Н.В. Соломин, Г.М. Томилов. Влагонепроницаемая керамика «В-ниасит» // Сб. Новые неорганические материалы, 1976, вып. 3, с. 135-136). Отсутствие кристобалита в составе материала обеспечивается кратковременностью режима спекания: время нагрева вакуумной печи до tmax составляло 15-30 мин, время выдержки τ=10-30 мин. По этому способу разработана влагонепроницаемая кварцевая керамика «В-ниасит» (материал ТСМ - 991). Она имеет открытую пористость, близкую к нулю, и все свойства, за исключением оптических, близки к свойствам кварцевого стекла.More stable results on the sintering of quartz ceramics to open porosity close to zero were obtained in vacuum furnaces at temperatures of 1300–1350 ° C (N.V. Solomin, G.M. Tomilov. Moisture-proof ceramics "V-niasit" // Sat. New Inorganic Materials, 1976, issue 3, pp. 135-136). The absence of cristobalite in the composition of the material is ensured by the short duration of the sintering regime: the heating time of the vacuum furnace to t max was 15-30 minutes, the exposure time τ = 10-30 minutes. According to this method, moisture-proof quartz ceramics "V-niasit" (material TCM - 991) was developed. It has an open porosity close to zero, and all properties, with the exception of optical ones, are close to the properties of quartz glass.

Недостатком такого технического решения является сложность получения профильных, крупногабаритных изделий, отсутствие необходимого вакуумного печного оборудования.The disadvantage of this technical solution is the difficulty of obtaining specialized, large-sized products, the lack of the necessary vacuum furnace equipment.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ получения кварцевой керамики с нулевой открытой пористостью, без активаторов спекания при сравнительно низких температурах обжига в обычных электрических печах с воздушной атмосферой за счет подбора соотношения мелкозернистой и крупнозернистой фракции полидисперсного шликера, оптимизации технологии приготовления шликера, формования и обжига изделий (Ф.Я. Бородай, Е.И. Суздальцев. Влияние технологических параметров на свойства кварцевой керамики // Огнеупоры, 1975, №10, с. 50-54).The closest technical solution (prototype) is a method for producing quartz ceramics with zero open porosity, without sintering activators at relatively low firing temperatures in conventional electric furnaces with an air atmosphere due to the selection of the ratio of the fine-grained and coarse-grained fractions of the polydisperse slip, optimization of the slip preparation technology, molding and firing products (F.Ya. Borodai, EI Suzdaltsev. The influence of technological parameters on the properties of quartz ceramics // Refractories, 1975, No. 10, s . 50-54).

Недостатком прототипа является то, что установленные технологические параметры по плотности шликера, зерновому составу, режиму спекания являются оптимальными только при получении малогабаритных образцов.The disadvantage of the prototype is that the set technological parameters for the density of the slip, grain composition, sintering mode are optimal only when obtaining small-sized samples.

Задача изобретения состоит в нахождении технологических параметров для получения высокоплотной кварцевой керамики методом водного шликерного литья в гипсовых формах и последующего обжига в электрических печах при изготовлении крупногабаритных изделий сложного профиля с открытой пористостью, близкой к нулю, одновременно обеспечивающих целостность и высокое качество изделий.The objective of the invention is to find the technological parameters for producing high-density quartz ceramics by water slip casting in gypsum molds and subsequent firing in electric furnaces in the manufacture of large-sized products of complex profile with open porosity close to zero, while ensuring integrity and high quality of products.

Поставленная задача решается тем, что способ получения высокоплотной кварцевой керамики и изделий из нее, включающий приготовление водного шликера кварцевого стекла с плотностью 1,85-1,90 г/см3, формование керамических заготовок, изделий методом водного шликерного литья в гипсовых формах, сушку и обжиг в электрических печах с воздушной атмосферой, отличающийся тем, что водный шликер кварцевого стекла имеет полидисперсный зерновой состав в пределах 0,1-300 мкм, из которых частиц до 5 мкм 25-35%, частиц до 63 мкм 94-98%, формование заготовок, изделий осуществляется в гипсовых формах, рабочая поверхность которых пропитана тонкодисперсным отстоем кварцевого шликера или литниковым сливом, а обжиг осуществляется при максимальной температуре 1260-1280°C в течение 6-8 часов с промежуточными выдержками при 1100±50°C в течение 1±0,5 ч на подъеме для выравнивания температуры по изделию и при охлаждении для отжига и снятия термических и усадочных напряжений.The problem is solved in that the method of producing high-density quartz ceramics and products from it, including the preparation of an aqueous slip of silica glass with a density of 1.85-1.90 g / cm 3 , the molding of ceramic blanks, products by the method of aqueous slip casting in gypsum molds, drying and firing in electric furnaces with an air atmosphere, characterized in that the aqueous silica glass slurry has a polydisperse grain composition in the range of 0.1-300 μm, of which particles are up to 5 μm 25-35%, particles up to 63 μm 94-98%, forming blanks, wasp products It is available in gypsum forms, the working surface of which is impregnated with finely dispersed quartz slurry sludge or sprue drain, and firing is carried out at a maximum temperature of 1260-1280 ° C for 6-8 hours with intermediate exposure times at 1100 ± 50 ° C for 1 ± 0.5 h on the rise to equalize the temperature of the product and during cooling to anneal and relieve thermal and shrink stresses.

Способ получения высокоплотной кварцевой керамики и изделий из нее отличается тем, что для приготовления водного шликера используется кварцевое стекло и мелющие тела из прозрачного кварцевого стекла без следов кристобалита, а помол и стабилизация шликера осуществляются в мельницах футерованных кварцевым стеклом или кварцевой керамикой.The method for producing high-density quartz ceramics and articles made of it is characterized in that quartz glass and grinding bodies made of transparent quartz glass without traces of cristobalite are used to prepare a water slurry, and grinding and stabilization of the slip are carried out in mills lined with quartz glass or quartz ceramics.

Наши исследования по получению изделий из кварцевой керамики диаметром до 450 мм, высотой до 1000 мм и толщиной стенки 15-25 мм методом водного шликерного литья в гипсовых формах и последующего обжига в электрических печах с воздушной атмосферой показали, что из полидисперсных шликеров с зерновым составом от 0,1 до 300 мкм путем подбора соотношения тонкой (до 5 мкм) и крупной (более 63 мкм) фракции в количестве 25-35% тонкой и 2-6% крупной, режима обжига с изотермическим спеканием в области температур 1260-1280°C с выдержкой 6-8 часов можно получить качественные изделия без трещин и короблений при пористости 0,02-0,3% по ГОСТ 2409-2014.Our studies on obtaining products from quartz ceramics with a diameter of up to 450 mm, a height of up to 1000 mm and a wall thickness of 15-25 mm by water slip casting in gypsum molds and subsequent firing in electric furnaces with an air atmosphere showed that from polydisperse slips with a grain composition of 0.1 to 300 microns by selecting the ratio of fine (up to 5 microns) and coarse (more than 63 microns) fractions in the amount of 25-35% fine and 2-6% coarse, firing mode with isothermal sintering in the temperature range 1260-1280 ° C with an exposure of 6-8 hours, you can get high-quality products without cracks and warping at a porosity of 0.02-0.3% according to GOST 2409-2014.

Для обеспечения целостности, однородности изделий и снижения тепловых, усадочных напряжений предусмотрены промежуточные выдержки при температурах 1100±50°C в течение 1±0,5 часа на участках подъема температуры и студки печи. Эллипсность изделий составляла 2-4 мм, а разноплотность по высоте и окружности находилась в пределах ± 0,002 г/см3, что существенно ниже, чем для аналогичных изделий из пористой кварцевой керамики.To ensure the integrity, uniformity of the products and reduce heat and shrink stresses, intermediate shutter speeds are provided at temperatures of 1100 ± 50 ° C for 1 ± 0.5 hours in the areas of temperature rise and in the furnace. The ellipse of the products was 2–4 mm, and the difference in height and circumference was within ± 0.002 g / cm 3 , which is significantly lower than for similar products from porous quartz ceramics.

Одной из основных причин, усложняющих получение высокоплотной кварцевой керамики, является кристобалитизация кварцевого стекла, а значит, и керамической заготовки при обжиге ее в области температур выше 1250°C. Этот процесс усиливается примесями исходного кварцевого стекла, посторонним загрязнением при дроблении, помоле стекла, при формовании керамических заготовок и др. С целью снижения этого явления для приготовления водного шликера необходимо использовать кварцевое стекло и мелющие тела из прозрачного кварцевого стекла без следов кристобалита, помол и стабилизацию шликера осуществлять в мельницах, футерованных кварцевым стеклом или кварцевой керамикой, а формование керамических заготовок, изделий осуществлять в гипсовых формах, рабочая поверхность которых пропитана тонкодисперсным отстоем кварцевого шликера или литниковым сливом.One of the main reasons complicating the production of high-density quartz ceramics is the cristobalitization of quartz glass, and hence the ceramic preform, when it is fired in the temperature range above 1250 ° C. This process is enhanced by impurities of the original silica glass, extraneous pollution during crushing, grinding of glass, molding ceramic blanks, etc. To reduce this phenomenon, it is necessary to use silica glass and grinding bodies made of transparent silica glass without traces of cristobalite, grinding and stabilization slip should be carried out in mills lined with quartz glass or quartz ceramics, and the molding of ceramic preforms, products should be carried out in gypsum forms, working the surface of which is impregnated with finely divided silica slurry or sludge draining sprue.

В таблице 1 приведены основные свойства разработанной по предлагаемому способу высокоплотной кварцевой керамики в сравнении с широкоизвестной керамикой «ниасит» ТУ 1-596-195-2009.Table 1 shows the main properties of the high-density quartz ceramics developed by the proposed method in comparison with the well-known Niasit ceramics TU 1-596-195-2009.

Figure 00000001
Figure 00000001

Примеры выполнения способаExamples of the method

Дробленую и промытую дистиллированной водой кварцевую трубку из прозрачного кварцевого стекла ТУ 11-87 ЩЛО.027.252, мелющие тела из прозрачных кварцевых стержней ТУ 21-РСФСР-587-82 вместе с дистиллированной водой в пропорции 1:(0,5-0,7):(0,20-0,23) загружали в шаровую мельницу ТС А 115, футерованную кварцевой керамикой, и путем помола получали водный шликер с плотностью 1,85-1,90 г/см3. Шликер отделяли от шаров, переливали в другую мельницу с кварцевой футеровкой и производили его стабилизацию во вращающейся мельнице в течение 2-10 суток для улучшения литейных свойств и дополнительного гидратирования зерен кварцевого стекла.Crushed and washed with distilled water quartz tube made of transparent quartz glass TU 11-87 SCHLO.027.252, grinding bodies made of transparent quartz rods TU 21-RSFSR-587-82 together with distilled water in a ratio of 1: (0.5-0.7) : (0.20-0.23) was loaded into a TC A 115 ball mill lined with quartz ceramics, and an aqueous slip with a density of 1.85-1.90 g / cm 3 was obtained by grinding. The slip was separated from the balls, poured into another mill with a quartz lining and it was stabilized in a rotating mill for 2-10 days to improve the casting properties and additional hydration of quartz glass grains.

Формование изделий производилось в гипсовых формах с перфорированным металлическим каркасом наливным способом. Перед заливкой шликера внутренняя (рабочая) поверхность формы покрывалась кистью или пульверизатором низкоплотным отстоем кварцевого шликера или литниковым сливом. После сушки керамические заготовки зашкуривали наждачной шкуркой для снятия наплывов, неровностей и загрязнений.Products were molded in plaster molds with a perforated metal frame in bulk. Before pouring the slip, the inner (working) surface of the mold was covered with a brush or spray gun with low-density sludge from a quartz slip or with a gate discharge. After drying, ceramic billets were sanded with an emery cloth to remove sagging, bumps and dirt.

Обжиг изделий осуществляли в отечественных силитовых печах с вращающимся подом типа ЦБ-71 или в печах с проволочными нагревателями фирмы Nabertherm при tmax=1260-1280°C с программным ведением режима обжига.Products were fired in domestic rotary hearth type CB-71 type rotary hearth furnaces or in Nabertherm wire-heated furnaces at t max = 1260-1280 ° C with programmed firing mode.

Пример 1. Изделия формовали из шликера со свойствами: плотность ρ=1,90 г/см3, полидисперсный зерновой состав по измерению на установке LA-950 «Horiba» находился в пределах 0,1-300 мкм, из которых до 5 мкм 35%, частиц более 63 мкм - 4%. Высушенные и зашкуренные по наружной поверхности изделия обжигали в печи ЦБ-71 при tmax=1260°C с выдержкой при максимальной температуре τ=7 ч и выдержками для выравнивания температуры при нагреве и снятии напряжений при 1100°C в течение 1 часа. Усадки при обжиге по вертикали 3,9-3,5%, по горизонтали 3,5-3,1%. Изделия имели плотность ρ=2,14-2,15 г/см3, открытую пористость Потк.=0,04-0,30%, прочность при изгибе 71-75 МПа, диэлектрическую проницаемость ε на f=1010 Гц 3,70 (при t=20°C) и 3,80 (при t=1200°C), tgδ на/ f=1010 Гц соответственно (10-30)×10-4 и (70-90)×10-4.Example 1. Products were molded from a slip with the following properties: density ρ = 1.90 g / cm 3 , the polydisperse grain composition as measured by the LA-950 Horiba installation was in the range 0.1-300 μm, of which up to 5 μm 35 %, particles over 63 microns - 4%. Dried and sanded on the outer surface of the product was fired in a CB-71 furnace at t max = 1260 ° C with holding at a maximum temperature of τ = 7 h and holdings to equalize the temperature during heating and stress relief at 1100 ° C for 1 hour. Shrinkage during firing vertically 3.9-3.5%, horizontally 3.5-3.1%. The products had a density ρ = 2.14-2.15 g / cm 3 , open porosity P open . = 0.04-0.30%, bending strength 71-75 MPa, dielectric constant ε at f = 10 10 Hz 3.70 (at t = 20 ° C) and 3.80 (at t = 1200 ° C) , tgδ at / f = 10 10 Hz, respectively (10-30) × 10 -4 and (70-90) × 10 -4 .

Пример 2. Изделия получали по аналогичной технологии приготовления шликера и формования. Водный шликер кварцевого стекла имел плотность ρ=1,88 г/см3, содержание тонкой фракции (до 5 мкм) - 25%, крупной (более 63 мкм) - 6%. После сушки и зашкуревания поверхности изделия обжигали в печах с силитовыми нагревателями ЦБ-71 при tmax=1280°C с выдержкой при максимальной температуре τ=6 ч и промежуточными выдержками на подъеме температуры и охлаждении при 1150°C в течение 0,5 часа. Усадки при обжиге находились в пределах: по вертикали 3,9-3,2%, по горизонтали - 3,6-3,4%. Изделия имели плотность ρ=2,15-2,17 г/см3, открытую пористость Потк.=0,02-0,20%, прочность при изгибе 75-90 МПа, диэлектрическую проницаемость ε на f=1010 Гц составляла 3,72 (при t=20°C) и 3,85 (при t=1200°C), tgδ на f=1010 Гц соответственно (20-30)×10-4 и (70-100)×10-4.Example 2. Products were obtained by a similar technology for the preparation of slip and molding. An aqueous silica glass slip had a density ρ = 1.88 g / cm 3 , the fine fraction content (up to 5 μm) was 25%, and the large fraction (more than 63 μm) was 6%. After drying and sanding, the surface of the product was fired in furnaces with CB-71 silicon heaters at t max = 1280 ° C with holding at a maximum temperature of τ = 6 hours and intermediate holdings at temperature rise and cooling at 1150 ° C for 0.5 hours. Shrinkage during firing was in the range: vertically 3.9-3.2%, horizontally - 3.6-3.4%. The products had a density ρ = 2.15-2.17 g / cm 3 , open porosity P open . = 0.02-0.20%, bending strength 75-90 MPa, dielectric constant ε at f = 10 10 Hz was 3.72 (at t = 20 ° C) and 3.85 (at t = 1200 ° C ), tgδ at f = 10 10 Hz, respectively (20-30) × 10 -4 and (70-100) × 10 -4 .

Пример 3. Изделия формовали из полидисперсного шликера с зерновым составом 0,1-300 мкм плотностью ρ=1,85 г/см3, содержание тонкой фракции (до 5 мкм) - 30%, крупной (более 63 мкм) - 2%. После сушки и зашкуревания поверхности изделия обжигали в печах Nabertherm при tmax=1270°C с выдержкой при максимальной температуре τ=8 ч с промежуточными выдержками на подъеме температуры и охлаждении при 1050°C в течение 1,5 часа. Усадки при обжиге находились в пределах: по вертикали 3,50±0,5%, по горизонтали - 3,0±0,3%. Свойства материала в оболочках: плотность ρ=2,14-2,15 г/см3, открытая пористость Потк.=0,02-0,30%, прочность при изгибе 70-80 МПа, средний коэффициент линейного термического расширения в интервале температур 20-1200°C находится в пределах (4-7)×10-7K-1.Example 3. Products were molded from a polydisperse slip with a grain composition of 0.1-300 μm with a density ρ = 1.85 g / cm 3 , the content of the fine fraction (up to 5 μm) - 30%, coarse (more than 63 μm) - 2%. After drying and sanding, the surfaces of the product were fired in Nabertherm furnaces at t max = 1270 ° C with holding at a maximum temperature of τ = 8 hours with intermediate holdings at temperature rise and cooling at 1050 ° C for 1.5 hours. Shrinkage during firing was within: vertical 3.50 ± 0.5%, horizontal - 3.0 ± 0.3%. Material properties in the shells: density ρ = 2.14-2.15 g / cm 3 , open porosity P open . = 0.02-0.30%, bending strength 70-80 MPa, the average coefficient of linear thermal expansion in the temperature range 20-1200 ° C is in the range (4-7) × 10 -7 K -1 .

Достоинством представленного способа является возможность получения высокоплотного керамического материала на основе кварцевого стекла с открытой пористостью, близкой к нулю, имеющего высокую прочность и стабильные диэлектрические характеристики в широком интервале температур. Способ позволяет получать крупногабаритные изделия, в том числе и тонкостенные, с высокой степенью однородности по плотности, физико-техническим свойствам.The advantage of the presented method is the possibility of obtaining a high-density ceramic material based on quartz glass with open porosity close to zero, having high strength and stable dielectric characteristics in a wide temperature range. The method allows to obtain large-sized products, including thin-walled, with a high degree of uniformity in density, physical and technical properties.

Claims (2)

1. Способ получения высокоплотной кварцевой керамики и изделий из нее, включающий приготовление водного шликера кварцевого стекла с плотностью 1,85-1,90 г/см3, формование керамических заготовок изделий методом водного шликерного литья в гипсовых формах, сушку и обжиг в электрических печах с воздушной атмосферой, отличающийся тем, что водный шликер кварцевого стекла имеет полидисперсный зерновой состав в пределах 0,1-300 мкм, из которых частиц до 5 мкм 25-35%, частиц до 63 мкм 94-98%, формование заготовок изделий осуществляют в гипсовых формах, рабочая поверхность которых пропитана тонкодисперсным отстоем кварцевого шликера или литниковым сливом, а обжиг осуществляют при максимальной температуре 1260-1280°C в течение 6-8 часов с промежуточными выдержками при 1100±50°C в течение 1±0,5 ч на подъеме для выравнивания температуры по изделию и при охлаждении для отжига и снятия термических и усадочных напряжений.1. A method of obtaining high-density quartz ceramics and articles made of it, including the preparation of an aqueous slurry of silica glass with a density of 1.85-1.90 g / cm 3 , the molding of ceramic workpieces by water slip casting in gypsum molds, drying and firing in electric furnaces with an air atmosphere, characterized in that the aqueous silica glass slurry has a polydisperse grain composition in the range of 0.1-300 μm, of which particles are up to 5 μm 25-35%, particles up to 63 μm 94-98%, the molding of product blanks is carried out in plaster molds, working the surface of which is impregnated with finely dispersed quartz slurry sludge or sprue drain, and firing is carried out at a maximum temperature of 1260-1280 ° C for 6-8 hours with intermediate shutter speeds at 1100 ± 50 ° C for 1 ± 0.5 h on rise to equalize the temperature on the product and during cooling for annealing and relieving thermal and shrink stresses. 2. Способ получения высокоплотной кварцевой керамики и изделий из нее по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления водного шликера используют кварцевое стекло и мелющие тела из прозрачного кварцевого стекла без следов кристобалита, а помол и стабилизацию шликера осуществляют в мельницах, футерованных кварцевым стеклом или кварцевой керамикой.2. The method of producing high-density quartz ceramics and articles thereof according to claim 1, characterized in that quartz glass and grinding bodies made of transparent quartz glass without traces of cristobalite are used for the preparation of an aqueous slurry, and grinding and stabilization of the slip are carried out in mills lined with quartz glass or quartz ceramics.
RU2016142942A 2016-10-31 2016-10-31 Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof RU2637352C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142942A RU2637352C1 (en) 2016-10-31 2016-10-31 Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016142942A RU2637352C1 (en) 2016-10-31 2016-10-31 Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2637352C1 true RU2637352C1 (en) 2017-12-04

Family

ID=60581437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016142942A RU2637352C1 (en) 2016-10-31 2016-10-31 Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2637352C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4072489A (en) * 1971-04-19 1978-02-07 Sherwood Refractories, Inc. Vacuum process for avoiding devitrification damage to transparent slip-cast silica crucibles
WO1991012216A1 (en) * 1990-02-13 1991-08-22 Ferro Corporation High density fused silica process and product
RU2153481C2 (en) * 1998-06-18 2000-07-27 Пивинский Юрий Ефимович Method of preparing expanded clay light-weight concrete quartz steel-smelting refractories
US20120098169A1 (en) * 2010-05-31 2012-04-26 Council Of Scientific & Industrial Research Process for manufacturing high density slip-cast fused silica bodies
RU2466965C1 (en) * 2011-03-29 2012-11-20 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method to produce items from quartz ceramics

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4072489A (en) * 1971-04-19 1978-02-07 Sherwood Refractories, Inc. Vacuum process for avoiding devitrification damage to transparent slip-cast silica crucibles
WO1991012216A1 (en) * 1990-02-13 1991-08-22 Ferro Corporation High density fused silica process and product
RU2153481C2 (en) * 1998-06-18 2000-07-27 Пивинский Юрий Ефимович Method of preparing expanded clay light-weight concrete quartz steel-smelting refractories
US20120098169A1 (en) * 2010-05-31 2012-04-26 Council Of Scientific & Industrial Research Process for manufacturing high density slip-cast fused silica bodies
RU2466965C1 (en) * 2011-03-29 2012-11-20 Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" Method to produce items from quartz ceramics

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
БОРОДАЙ Ф.Я. и др. "Влияние технологических параметров на свойства кварцевой керамики", Огнеупоры, 1975, N 10, с.50-54. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4072489A (en) Vacuum process for avoiding devitrification damage to transparent slip-cast silica crucibles
CN108367993B (en) Sintered refractory zircon composite material, method for the production thereof and use thereof
Yang et al. Fabrication and properties of porous silicon nitride wave-transparent ceramics via gel-casting and pressureless sintering
US5866062A (en) Process for producing shaped bodies of silicon dioxide
US8863552B2 (en) Sintering of fused silica to produce shaped bodies comprising crystalline SiO2
Shan et al. Highly infrared transparent spark plasma sintered AlON ceramics
RU2637352C1 (en) Method of producing high density quartz ceramics and articles thereof
JP5108803B2 (en) Method for producing silica container
RU2513745C2 (en) Method of producing quartz ceramics with lower annealing temperature
CN108610029A (en) A kind of production method of glass horizontal annealing furnace Quartz Ceramic Roller
Zou et al. Improved properties and microstructure of porous silicon nitride/silicon oxide composites prepared by sol–gel route
KR101325509B1 (en) Manufacturing method of ceramic ware with high plasticity and high strength
RU2341493C1 (en) Method of items production from nano-structured alumina ceramics
Zou et al. Gel-Casting Prepared Porous Si 3 N 4 Ceramics with Different Contents of Y 2 O 3 and Al 2 O 3 Additives
RU2222505C1 (en) Method of production of articles from sintered glass crystalline material of lithium-alumo- silicate composition
KR101343808B1 (en) Composite for low temperature sinterable porcelain and manufacturing method of low temperature sinterable porcelain
JP2012211082A (en) Silica vessel
RU2619570C1 (en) Method for cordierite glass ceramic material production
TWI659005B (en) Method for manufacturing solidified slag, solidified slag, method for manufacturing coarse aggregate for concrete, and coarse aggregate for concrete
RU2811141C1 (en) Method for producing quartz crucibles
JP4993812B2 (en) Heat treatment member made of zirconia sintered body
Nag et al. Development of Mullite Based Refractory Pot for High Lead Containing Glass Melting
CN106336208B (en) A kind of preparation method of homogeneous fused silica crucible
RU2170715C2 (en) Method of preparing products from sintered glass crystalline lithium alumosilicate material
RU2640326C1 (en) Method of producing quartz ceramics and articles thereof