RU2763647C1

RU2763647C1 - Method for forming blanks of refractory ceramic products

Info

Publication number: RU2763647C1
Application number: RU2021116432A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Викторович Харитонов; Антонина Александровна Анашкина; Михаил Юрьевич Русин; Дмитрий Андреевич Михалевский; Галина Ивановна Куликова; Семен Васильевич Баранов; Николай Ефимович Шер; Анатолий Степанович Хамицаев
Original assignee: Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина"
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2021-12-30

Abstract

FIELD: ceramic industry.

SUBSTANCE: invention relates to the ceramic industry and can be used in the manufacture of refractory ceramic products. The method for molding blanks of refractory ceramic products includes preparing a molding mixture based on corundum and mullite of different fractions, molding the blank by pouring the mixture into a gypsum mold when exposed to vibration, holding it in the mold until the molding mixture is completely solidified, removing the blank from the mold and drying it. Before pouring the molding mixture, the plaster mold is passivated by dipping into distilled water with exposure in water for 0.5-4.0 min and then in air for 2.0-8.0 min.

EFFECT: improving the surface quality of blanks of refractory ceramic products, equal density of the material along the thickness of their walls, eliminating cracks and cracks on the surface of products and reducing rejects of finished products.

1 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области производства огнеупоров и может быть использовано для изготовления керамических узлов высокотемпературных агрегатов, огнеприпасов, тиглей, коробов, охранных стаканов, литейных форм, работающих при температурах до 1750 °С.The invention relates to the production of refractories and can be used for the manufacture of ceramic units of high-temperature aggregates, fire supplies, crucibles, boxes, protective cups, molds operating at temperatures up to 1750 °C.

Известен способ формования заготовок огнеупорных керамических изделий, описанный в патенте РФ № 2267469, МПК C04B35/101, C04B35/185, 10.01.2006 г., который включает приготовление формовочной смеси на основе корунда и муллита, формование заготовки путем заливки смеси в активную (гипсовую) форму, выдержку в форме до полного затвердевания формовочной смеси, извлечение заготовки из формы и ее сушку. A known method of molding blanks of refractory ceramic products, described in the patent of the Russian Federation No. 2267469, IPC C04B35 / 101, C04B35 / 185, 01/10/2006, which includes the preparation of a molding mixture based on corundum and mullite, molding the workpiece by pouring the mixture into an active (gypsum ) a mold, holding in the mold until the molding sand is completely hardened, removing the workpiece from the mold and drying it.

Недостатком изобретения является разноплотность сырца по высоте заготовки, сформованной из заявленной смеси, что обусловлено относительно низкой вязкостью и высокой влажностью шликера, приводящей к расслоению формовочной массы, оседанию частиц зернистого наполнителя на дно формы, а также образованию поверхностных дефектов вследствие активного капиллярного всасывания влаги гипсом.The disadvantage of the invention is the difference in density of the raw material along the height of the workpiece, molded from the claimed mixture, which is due to the relatively low viscosity and high humidity of the slip, leading to delamination of the molding mass, settling of particles of granular filler to the bottom of the mold, and also the formation of surface defects due to active capillary absorption of moisture by gypsum.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ формования заготовок огнеупорных керамических изделий, описанный в патенте РФ № 2742265, МПК C04B35/185, C04B35/101, 29.07.2020 г., который включает приготовление формовочной смеси на основе корунда и муллита, формование заготовки путем заливки смеси в активную (гипсовую) форму, находящуюся под вибрационным воздействием, выдержку в форме до полного затвердевания формовочной смеси, извлечение заготовки из формы и ее сушку. Closest to the claimed invention is a method for molding workpieces of refractory ceramic products, described in the patent of the Russian Federation No. 2742265, IPC C04B35/185, C04B35/101, 07/29/2020, which includes the preparation of a molding mixture based on corundum and mullite, molding the workpiece by pouring mixture into an active (gypsum) mold under vibration, holding in the mold until the molding sand is completely hardened, removing the workpiece from the mold and drying it.

К недостаткам известного способа следует отнести разноплотность заготовки по толщине стенки, возникающую вследствие перемещения мелких твердых частиц смеси вместе с водой в направлении формы, что обусловлено капиллярным всасыванием воды гипсом. Активная миграция тонких фракций в начальный период формообразования приводит к их концентрированию в приповерхностном слое заготовки, к его увеличению, уплотнению и возникновению корки на поверхности заготовки, состоящей преимущественно из частиц размером до десяти микрон. The disadvantages of the known method include the uneven density of the workpiece along the wall thickness, which occurs as a result of the movement of small solid particles of the mixture together with water in the direction of the mold, which is due to the capillary absorption of water by gypsum. Active migration of fine fractions in the initial period of shaping leads to their concentration in the near-surface layer of the workpiece, to its increase, compaction and the appearance of a crust on the surface of the workpiece, consisting mainly of particles up to ten microns in size.

Одновременно с этим мелкие частицы проникают в поры гипса, образуя единую структуру с поверхностью заготовки, что приводит к механическому сцеплению ее с формой и, зачастую, отрыву корки от поверхности заготовки при разборке формовой оснастки. Наличие корки приводит к неравномерной усадке заготовки и образованию на её поверхности трещин и цека в процессе сушки и обжига.At the same time, small particles penetrate into the pores of the gypsum, forming a single structure with the surface of the workpiece, which leads to its mechanical adhesion to the mold and, often, the separation of the crust from the surface of the workpiece when disassembling the mold equipment. The presence of a crust leads to uneven shrinkage of the workpiece and the formation of cracks and cake on its surface during drying and firing.

При формовании заготовок тиглей по способу–прототипу отмечается, что поверхность отливки гладкая, но под ней не просматриваются крупные частицы наполнителя. В некоторых местах на поверхности тиглей могут иметь место отслоения, обусловленные их прилипанием к форме, а также неравноплотность материала по толщине стенки и ступенька на ее изломе размером до 2 мм. When molding crucible blanks according to the prototype method, it is noted that the surface of the casting is smooth, but large filler particles are not visible under it. In some places on the surface of the crucibles, delaminations can occur due to their sticking to the mold, as well as uneven density of the material over the wall thickness and a step at its break up to 2 mm in size.

Такое качество заготовок при обжиге может приводить к отслоению плотного слоя–корки, к растрескиванию изделий и образованию цека на их поверхности. В результате, процент брака готовых тиглей, изготовленных по способу-прототипу может составлять до 30 %.This quality of workpieces during firing can lead to delamination of a dense layer-crust, to cracking of products and the formation of a cake on their surface. As a result, the percentage of rejects of finished crucibles made according to the prototype method can be up to 30%.

Задачей настоящего изобретения является повышение качества поверхности заготовок огнеупорных керамических изделий, равноплотности материала по толщине их стенок, а в конечном результате, исключение трещин и цека на поверхности изделий и снижение брака готовой продукции за счет уменьшения интенсивности массопереноса и разделения частиц твердой фазы разного размера по толщине стенки заготовки изделия в процессе формования.The objective of the present invention is to improve the quality of the surface of the blanks of refractory ceramic products, the uniform density of the material over the thickness of their walls, and as a result, the elimination of cracks and cake on the surface of the products and the reduction of finished product defects by reducing the intensity of mass transfer and separation of solid phase particles of different sizes in thickness walls of the product blank in the molding process.

Технический результат достигается тем, что в способе формования заготовок огнеупорных керамических изделий, включающем приготовление формовочной смеси на основе корунда и муллита разных фракций, формование заготовки путем заливки смеси в гипсовую форму при воздействии на нее вибрации, выдержку в форме до полного затвердевания формовочной смеси, извлечение заготовки из формы и ее сушку, гипсовую форму перед заливкой формовочной смеси пассивируют путем окунания в дистиллированную воду с выдержкой в воде в течение (0,5–4,0) мин. и затем на воздухе в течение 2,0–8,0 мин. The technical result is achieved by the fact that in the method of molding blanks of refractory ceramic products, including the preparation of a molding mixture based on corundum and mullite of different fractions, molding the blank by pouring the mixture into a plaster mold under vibration, holding in the mold until the molding sand is completely solidified, extracting workpieces from the mold and its drying, the gypsum mold is passivated before pouring the molding sand by dipping into distilled water with soaking in water for (0.5–4.0) min. and then in air for 2.0–8.0 min.

При окунании и выдержке гипсовой формы в дистиллированной воде происходит насыщение водой каналов и пор гипса, что значительно снижает скорость капиллярного всасывания формой влаги из смеси и, как следствие, миграцию мелких твердых частиц к стенке гипсовой формы. При малой интенсивности массопереноса частиц твердой фазы в формовочной смеси не происходит значительного разделения тонких и более крупных твердых фракций, поэтому по всей толщине заготовки формируется равномерная структура без образования поверхностной корки, обеспечивающая равноплотность материала в изделии по толщине стенки. В свою очередь, это существенно снижает вероятность прилипания поверхностного слоя заготовки к гипсу, обеспечивает равномерность ее усадки и исключает образование дефектов в виде отслоений, трещин и цека в процессе формования и обжига When dipping and holding the gypsum mold in distilled water, the channels and pores of the gypsum are saturated with water, which significantly reduces the rate of capillary absorption of moisture from the mixture by the mold and, as a result, the migration of fine solid particles to the wall of the gypsum mold. At a low intensity of mass transfer of particles of the solid phase in the molding sand, there is no significant separation of fine and larger solid fractions, therefore, a uniform structure is formed throughout the entire thickness of the workpiece without the formation of a surface crust, which ensures the uniform density of the material in the product along the wall thickness. In turn, this significantly reduces the likelihood of the surface layer of the workpiece sticking to gypsum, ensures its uniform shrinkage and eliminates the formation of defects in the form of delaminations, cracks and caking during molding and firing.

Использование дистиллированной воды обусловлено тем, что в технической воде содержатся нерастворимые соединения, которые при окунании формы проникают в поровую структуру гипса и откладываются там, что приводит к уменьшению эффективного радиуса пор и неконтролируемому снижению активности гипсовой формы. Вследствие этого, удаление влаги из формовочной смеси происходит неравномерно, и формируется неоднородная, с локально уплотненными участками структура заготовки, которая при сушке и обжиге образует области повышенной концентрации напряжений, приводящих к возникновению трещин. Кроме того, данные отложения в поровой структуре гипса снижают срок службы формы, увеличивая экономические затраты на изготовление заготовок.The use of distilled water is due to the fact that industrial water contains insoluble compounds that, when the mold is dipped, penetrate into the gypsum pore structure and are deposited there, which leads to a decrease in the effective pore radius and an uncontrolled decrease in the activity of the gypsum mold. As a result, the removal of moisture from the molding sand occurs unevenly, and an inhomogeneous workpiece structure with locally compacted areas is formed, which, during drying and firing, forms areas of increased stress concentration leading to cracks. In addition, these deposits in the pore structure of gypsum reduce the service life of the mold, increasing the economic costs for the manufacture of blanks.

Экспериментально установлено, что выдержка гипсовой формы методом окунания в дистиллированную воду в течение менее 0,5 минут не приводит к достаточному насыщению влагой поровой структуры гипса, вследствие чего происходит активное капиллярное всасывание воды из формовочной массы гипсовой стенкой. В свою очередь, это приводит к миграции мелких частиц в направлении гипса и образованию корки на поверхности заготовки, на которой при обжиге возникают трещины и цек. It has been experimentally established that holding a gypsum mold by dipping in distilled water for less than 0.5 minutes does not lead to sufficient saturation of the gypsum pore structure with moisture, as a result of which active capillary absorption of water from the molding mass by the gypsum wall occurs. In turn, this leads to the migration of small particles in the direction of gypsum and the formation of a crust on the surface of the workpiece, on which cracks and cracks appear during firing.

Выдержка гипсовой формы в воде более 4 минут приводит к ее перенасыщению влагой, вследствие чего массоперенос воды из формовочной смеси в гипс заметно уменьшается. По этой причине время формообразования заготовки при вибрационном воздействии увеличивается, при этом в смеси происходит оседание и концентрирование крупных частиц в нижней части заготовки, что обусловливает разноплотность отливки по высоте и появление в ней трещин при сушке и обжиге из-за разных значений усадки в объеме материала.Exposure of the gypsum mold in water for more than 4 minutes leads to its supersaturation with moisture, as a result of which the mass transfer of water from the molding sand to the gypsum is noticeably reduced. For this reason, the time of forming the workpiece during vibration exposure increases, while in the mixture there is a settling and concentration of large particles in the lower part of the workpiece, which causes the casting to be of different density in height and the appearance of cracks in it during drying and firing due to different values of shrinkage in the volume of the material. .

Выдержка формы на воздухе после окунания в воду менее 2 минут приводит к неравномерному распределению влаги в поровой структуре гипса между приповерхностным слоем и объемом. Вследствие этого, массоперенос воды из формовочной смеси в гипсовую форму существенно снижается, что приводит к оседанию крупных частиц в нижней части заготовки и, соответственно, к ее разноплотности по высоте. Указанные процессы являются причиной возникновения дефектов при сушке заготовки по механизму, указанному выше. Holding the mold in air after immersion in water for less than 2 minutes leads to an uneven distribution of moisture in the pore structure of gypsum between the surface layer and the volume. As a result, the mass transfer of water from the molding sand into the gypsum mold is significantly reduced, which leads to the settling of large particles in the lower part of the workpiece and, accordingly, to its height difference. These processes are the cause of defects during the drying of the workpiece according to the mechanism indicated above.

Выдержка формы на воздухе больше 8 минут приводит к перераспредению воды из объема макро- и мезопор гипса в объем микропор, а также ее частичному испарению. В связи с этим, имеет место активное капиллярное всасывание воды из формовочной массы гипсом, что приводит к миграции мелких частиц в направлении формы и образованию на поверхности заготовки корки с цеком и трещинами, которые возникают в процессе сушки и обжига.Holding the mold in air for more than 8 minutes leads to the redistribution of water from the volume of macro- and mesopores of gypsum to the volume of micropores, as well as its partial evaporation. In this regard, there is an active capillary absorption of water from the molding mass by gypsum, which leads to the migration of small particles in the direction of the mold and the formation of a crust on the surface of the workpiece with a cake and cracks that occur during drying and firing.

Технология формования заготовок керамических изделий по предложенному техническому решению состоит из следующих операций. Вначале мокрым помолом в шаровых мельницах в присутствии ортофосфорной кислоты проводят помол электрокорунда до получения шликера плотностью 2,7–2,9 г/см³; pH 10,2–11,2; вязкостью 20–30 °Е, остатком на сите 005 – (0,1–1,0) % и влажностью 13-15 % мас. Затем приготовленный шликер в количестве 35–40 % мас. смешивают с зернистым наполнителем, состоящим из электрокорунда фракций 0,1 мм (11–14 % мас.) и 0,5–0,8 мм (8–10 % мас.), а также плавленого муллита фракции 0,4–2,5 мм в количестве 34–41 % мас. Полученная таким образом формовочная смесь имеет влажность 5–6 % и достаточно высокую текучесть при вибрационном воздействии на нее, обеспечивающую хорошее заполнение литьевой формы.The technology of molding blanks of ceramic products according to the proposed technical solution consists of the following operations. Initially, wet ball milling in the presence of orthophosphoric acid corundum grinding is carried out to obtain a slurry density of 2.7-2.9 g / cm ^3; pH 10.2–11.2; viscosity 20-30 °E, sieve residue 005 - (0.1-1.0)% and moisture content 13-15% wt. Then the prepared slip in the amount of 35–40% wt. mixed with a granular filler consisting of electrocorundum fractions 0.1 mm (11–14% wt.) and 0.5–0.8 mm (8–10% wt.), as well as fused mullite fraction 0.4–2, 5 mm in the amount of 34–41% wt. The molding sand obtained in this way has a moisture content of 5–6% and a sufficiently high fluidity when exposed to vibration, which ensures good filling of the injection mold.

Перед формованием гипсовую форму опускают в емкость с дистиллированной водой и выдерживают в ней в течение 0,5–4,0 минут. Затем ее извлекают из воды, устанавливают на вибростол, выдерживают на нем от 2,0 до 8,0 минут, после чего включают вибростол и вливают формовочную смесь в форму. Смесь выдерживают в форме 1–2 часа до затвердевания, затем заготовку извлекают из формы, подвяливают на воздухе 2–3 часа и сушат при температуре 80–120 °С в сушильном шкафу. После сушки заготовка передается на окончательный обжиг в высокотемпературной печи. Before molding, the plaster mold is lowered into a container with distilled water and kept in it for 0.5–4.0 minutes. Then it is removed from the water, placed on a vibrating table, kept on it from 2.0 to 8.0 minutes, after which the vibrating table is turned on and the molding sand is poured into the mold. The mixture is kept in the mold for 1–2 hours until hardening, then the workpiece is removed from the mold, dried in air for 2–3 hours, and dried at a temperature of 80–120 °C in an oven. After drying, the billet is transferred to the final firing in a high-temperature furnace.

Описанный способ был реализован при формовании заготовок огнеупорных корундомуллитовых тиглей, имеющих диаметр основания 180 мм, высоту 300 мм, толщину стенки 15 мм и продемонстрирован на примерах, приведенных в таблице в сравнении с прототипом. Во всех примерах осуществления способа использовалась формовочная смесь, полученная на основе шликера плотностью 2,8 г/см³; pH 10,5; вязкостью 25 °Е, остатком на сите 005 – 0,5 % и влажностью 14 % мас. в количестве 38 % мас. с добавлением зернистого наполнителя, состоящего из электрокорунда фракций 0,1 мм (12 % мас.) и 0,5–0,8 мм (8 % мас.), а также плавленого муллита фракции 0,4–2,5 мм в количестве 35 % мас.The described method was implemented in the molding of blanks of refractory corundum-mullite crucibles having a base diameter of 180 mm, a height of 300 mm, a wall thickness of 15 mm and is demonstrated using the examples given in the table in comparison with the prototype. In all examples of the implementation of the method, a molding sand was used, obtained on the basis of slip with a density of 2.8 g/cm ³ ; pH 10.5; viscosity 25 °E, sieve residue 005 - 0.5% and moisture content 14% wt. in the amount of 38% wt. with the addition of a granular filler consisting of electrocorundum fractions 0.1 mm (12% wt.) and 0.5–0.8 mm (8% wt.), as well as fused mullite fraction 0.4–2.5 mm in the amount 35% wt.

Таблица table

Технологические факторы, параметры и свойстваTechnological factors, parameters and properties

заготовок огнеупорных корундомуллитовых тиглейblanks of refractory corundum-mullite crucibles

Наименование факторов,
параметров и свойствThe name of the factors,
parameters and properties Пример
1Example
one Пример
2Example
2 Пример
3Example
3 ПрототипPrototype 1. Время выдержки гипсовой формы в воде, мин.1. The exposure time of the plaster mold in water, min. 1,01.0 0,50.5 3,53.5 –- 2. Время выдержки гипсовой формы на воздухе после окунания в воду перед формованием, мин.2. Exposure time of the gypsum mold in air after dipping into water before molding, min. 3,03.0 2,02.0 6,06.0 –- 3. Качество поверхности заготовки3. Workpiece surface quality Отсутствует уплотненный приповерхностный слой; просматриваются крупные частицы заполнителяThere is no compacted near-surface layer; large aggregate particles are visible Отсутствует уплотненный приповерхностный слой; просматриваются крупные частицы заполнителяThere is no compacted near-surface layer; large aggregate particles are visible Отсутствует уплотненный приповерхностный слой; просматриваются крупные частицы заполнителяThere is no compacted near-surface layer; large aggregate particles are visible Присутствует уплотненный приповерхностный слой; крупные частицы заполнителя не просматриваютсяThere is a compacted near-surface layer; coarse aggregate particles are not visible 4. Количество заготовок с трещинами и отслоениями, %4. The number of blanks with cracks and delaminations,%
0
0 00 00
20–25
20–25 5. Количество заготовок с приповерхностным уплотненным слоем в стенке заготовки, %5. The number of workpieces with a near-surface compacted layer in the wall of the workpiece, % 00 00 00 100 one hundred

Следует отметить, что по сравнению с прототипом все заготовки тиглей, полученные при заявленных технологических параметрах, имеют высокое качество: поверхность отливки гладкая, без отслоений, и под ней просматриваются крупные частицы наполнителя. Последнее свидетельствует об отсутствии плотного приповерхностного слоя, образующегося в случае активного капиллярного всасывания сухой гипсовой формой влаги из смеси, которое сопровождается миграцией тонких твердых частиц к стенке формы и концентрированием их у поверхности заготовки. Отсутствие уплотненного слоя подтверждается характером излома заготовки: стенка равноплотная по толщине и без ступеньки, которая образуется при разломе только в случае наличия плотного приповерхностного слоя. При таком качестве заготовок в процессе последующего обжига в изделиях не возникает ни трещин, ни цека, и, в итоге, процент брака готовых тиглей, изготовленных с использованием заявляемого способа формования не превышает 5 %.It should be noted that, in comparison with the prototype, all crucible blanks obtained with the declared technological parameters are of high quality: the surface of the casting is smooth, without delamination, and large filler particles are visible under it. The latter indicates the absence of a dense near-surface layer, which is formed in the case of active capillary absorption of moisture from the mixture by a dry gypsum mold, which is accompanied by the migration of fine solid particles to the mold wall and their concentration near the surface of the workpiece. The absence of a compacted layer is confirmed by the nature of the fracture of the workpiece: the wall is of equal density in thickness and without a step, which is formed during a fracture only in the presence of a dense near-surface layer. With this quality of workpieces during the subsequent firing, neither cracks nor cake appear in the products, and, as a result, the percentage of rejects of finished crucibles made using the proposed molding method does not exceed 5%.

Claims

A method for molding blanks of refractory ceramic products, including preparing a molding sand based on corundum and mullite of different fractions, molding the blank by pouring the mixture into a plaster mold under vibration, holding it in the mold until the molding sand is completely solidified, removing the blank from the mold and drying it, characterized in that the gypsum mold is passivated before pouring the molding sand by dipping into distilled water with soaking in water for 0.5–4.0 min and then in air for 2.0–8.0 min.