RU2791757C1 - Method for producing self-shaped high-temperature fiber heat-shielding material and products from it - Google Patents

Method for producing self-shaped high-temperature fiber heat-shielding material and products from it Download PDF

Info

Publication number
RU2791757C1
RU2791757C1 RU2022110403A RU2022110403A RU2791757C1 RU 2791757 C1 RU2791757 C1 RU 2791757C1 RU 2022110403 A RU2022110403 A RU 2022110403A RU 2022110403 A RU2022110403 A RU 2022110403A RU 2791757 C1 RU2791757 C1 RU 2791757C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
binder
workpiece
shielding material
fiber
Prior art date
Application number
RU2022110403A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Денис Анатольевич Филиппов
Олег Сергеевич Неяглов
Юрий Алексеевич Абузин
Иван Константинович Игнаткин
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Термоком"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Термоком" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Термоком"
Application granted granted Critical
Publication of RU2791757C1 publication Critical patent/RU2791757C1/en

Links

Abstract

FIELD: high-temperature ceramic materials.
SUBSTANCE: technology for producing high-temperature ceramic materials for heat-shielding and heat-insulating purposes. Method for obtaining a fibrous high-temperature heat-shielding material includes dispersing a refractory fibre in two stages to obtain a homogeneous aqueous semi-finished paste, obtaining a raw workpiece by filling a mould, drying and baking the resulting workpiece. At the second stage of dispersion with a binder, a heat-releasing component is simultaneously introduced. At the same time, the billet baking is carried out using out-of-furnace self-heating of a dry primary billet by thermal initiation of the exothermic reaction of the fuel component in any part of the billet volume due to its local heating to a temperature of 450-650°C with subsequent sintering of the fibres with a binder component and formation of a fibrous high-temperature heat-shielding material in form of a final product.
EFFECT: invention makes it possible to reduce manufacturing costs, improve the manufacturability of the formation and increase the thermal energy efficiency of the final product.
5 cl, 1 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения волокнистых керамических материалов теплозащитного и теплоизоляционного назначения, в частности для изготовления изделий в виде единого монолитного защитного покрытия, промежуточного слоя или фасонного теплозащитного элемента конструкции на отдельном производственном предприятии или «по месту применения» в горячих металлургических цехах цветной и черной металлургии, изделиях и конструкциях аэрокосмической, оборонной и ювелирной промышленности, энергетики, биотехнологии, строительства, при производстве композиционных материалов и др.The invention relates to a technology for producing fibrous ceramic materials for heat-shielding and heat-insulating purposes, in particular for the manufacture of products in the form of a single monolithic protective coating, an intermediate layer or a shaped heat-shielding structural element at a separate production plant or "at the place of use" in hot metallurgical shops of non-ferrous and ferrous metallurgy , products and structures of the aerospace, defense and jewelry industries, energy, biotechnology, construction, in the production of composite materials, etc.

Керамические волокнистые материалы, сформированные оксидными, кварцевыми или стеклокерамическими волокнами, являются хорошей недорогой теплоизоляцией для горячих частей различных видов промышленных установок с рабочими температурами до 1600°С благодаря низкому удельному весу, низкому коэффициенту теплопроводности, высокой стойкости к термоудару и высокой химической стойкости к окислению. Одним из основных требований, предъявляемых к изделиям данного класса, является равномерность их тепловых свойств, которая обеспечивается равномерностью распределения волокна в керамической матрице и однородным распределением введенного связующего. Основным способом их получения является получение суспензии волокон и связующего, формование исходной заготовки, ее сушка и обжиг.Ceramic fibrous materials formed by oxide, quartz or glass-ceramic fibers are good inexpensive thermal insulation for hot parts of various types of industrial installations with operating temperatures up to 1600°C due to low specific gravity, low thermal conductivity, high resistance to thermal shock and high chemical resistance to oxidation. One of the main requirements for products of this class is the uniformity of their thermal properties, which is ensured by the uniform distribution of the fiber in the ceramic matrix and the uniform distribution of the introduced binder. The main way to obtain them is to obtain a suspension of fibers and a binder, molding the original workpiece, drying and firing.

Известен (RU 2213074 C1, опубл. 27.09.2003) способ получения волокнистого материала на основе кварцевого волокна, по которому для получения изделия производят измельчение волокна при приготовлении водоволокнистой формовочной массы путем мокрого помола в шаровой мельнице до получения частиц волокна размером 0,1-500 мкм при концентрации волокна 20-60 вес. %, формование заготовки с последующей сушкой и обжигом. Способ применим к изготовлению стойких к сжатию изделий высокой плотности, от которых не требуется обеспечения высоких теплоизоляционных свойств в сочетании с малым весом и высокой стойкостью к вибрационным нагрузкам.Known (RU 2213074 C1, publ. 27.09.2003) is a method for producing a fibrous material based on quartz fiber, according to which, to obtain a product, the fiber is crushed in the preparation of a water-fiber molding mass by wet grinding in a ball mill to obtain fiber particles with a size of 0.1-500 microns at a fiber concentration of 20-60 wt. %, blank molding followed by drying and firing. The method is applicable to the manufacture of high-density compressive-resistant articles that are not required to provide high thermal insulation properties in combination with low weight and high resistance to vibration loads.

Известен (RU 2127712 C1, опубл. 20.03.1999) способ получения теплоизоляционного материала отливом и обезвоживанием суспензии муллитокремнеземистого волокна, 5-25%-ного золя кремниевой кислоты с размером частиц 2-8 мкм. Двухстадийное формование теплоизоляционного огнеупорного изделия осуществляют отливом суспензии на основе минерального волокна в сетчатой форме, внутренние боковые и нижняя поверхности которой имеют профиль внешних поверхностей изделия, обезвоживанием, вакуумированием и последующей механической и термической обработкой. На первой стадии формуют оболочку изделия, а на второй - менее плотную внутреннюю объемную часть изделия.Known (RU 2127712 C1, publ. 20.03.1999) method for producing heat-insulating material by casting and dehydration of a suspension of mullite-silica fiber, 5-25% silicic acid sol with a particle size of 2-8 microns. Two-stage molding of a heat-insulating refractory product is carried out by casting a suspension based on mineral fiber in a mesh form, the inner side and bottom surfaces of which have a profile of the outer surfaces of the product, dehydration, evacuation and subsequent mechanical and heat treatment. At the first stage, the shell of the product is formed, and at the second stage, a less dense inner bulk part of the product.

Известен (US 3952083 А, опубл. 20.04.1976) способ получения волокнистого теплоизоляционного материала на основе волокон оксида кремния, включающий получение шликера из волокон оксида кремния и связующего, содержащего коллоидный оксид кремния, крахмал и аммиачную воду, перемешивание шликера в течение 30 мин в U-образном блендере, формование плитки из шликера под давлением 0,7-1,4 атм, сушку полученной плитки в течение 18 часов при 150°С и ее обжиг при температуре до 1315°С. Усадка при обжиге составляла 25-45 об. %.Known (US 3952083 A, publ. 20.04.1976) a method of obtaining a fibrous heat-insulating material based on silicon oxide fibers, including obtaining a slurry from silicon oxide fibers and a binder containing colloidal silicon oxide, starch and ammonia water, mixing the slurry for 30 minutes in U-shaped blender, molding tiles from slip under pressure of 0.7-1.4 atm, drying the resulting tiles for 18 hours at 150°C and firing at temperatures up to 1315°C. Shrinkage during firing was 25–45 vol. %.

Известен (US 4828774 А, опубл. 09.05.1989) способ получения волокнистого керамического материала, включающий приготовление керамического полимерного раствора, содержащего спиртовой раствор стеклообразующих оксидов (оксиды Si, Al, Ti или Zr) с добавлением Mg или В, смешивание высокопрочных волокон (углеродных, оксида кремния, карбида кремния, бороалюмосиликатных и др.) со спиртовым раствором в количестве 0,25-2,5 г на 100 г спиртового раствора, свойлачивание смеси методом вакуумного фильтрования, сушку и обжиг полученной заготовки.Known (US 4828774 A, publ. 09.05.1989) a method of obtaining a fibrous ceramic material, including the preparation of a ceramic polymer solution containing an alcohol solution of glass-forming oxides (oxides of Si, Al, Ti or Zr) with the addition of Mg or B, mixing high-strength fibers (carbon , silicon oxide, silicon carbide, boron aluminosilicate, etc.) with an alcohol solution in the amount of 0.25-2.5 g per 100 g of alcohol solution, felting the mixture by vacuum filtration, drying and firing the resulting workpiece.

Известен (RU 2726800 C1, опубл. 15.07.2020) способ получения теплозащитного и теплоизоляционного волокнистого керамического материала, включающей получение геля тугоплавкого нановолокна при его диспергировании в жидкой среде со связующим при концентрации нановолокна 1-8 мас. %, последующее получение заготовки путем обезвоживания полученного геля тугоплавкого нановолокна до его остаточной концентрации в геле 10-20 мас. %, сушка и обжиг полученной заготовки. В качестве тугоплавкого волокна применяют нановолокна из муллитокремнезема или оксида алюминия, а в качестве связующего - борную кислоту или глину в количестве 3-30 мас. % от массы сухого тугоплавкого волокна.Known (RU 2726800 C1, publ. 15.07.2020) is a method for obtaining a heat-shielding and heat-insulating fibrous ceramic material, including the preparation of a refractory nanofiber gel when it is dispersed in a liquid medium with a binder at a nanofiber concentration of 1-8 wt. %, subsequent preparation of the workpiece by dehydration of the obtained gel of refractory nanofibers to its residual concentration in the gel of 10-20 wt. %, drying and firing the resulting workpiece. As a refractory fiber, mullite-silica or aluminum oxide nanofibers are used, and boric acid or clay is used as a binder in an amount of 3-30 wt. % by weight of dry refractory fiber.

В качестве прототипа принят раскрытый в RU 2358954 C1 (опубл. 20.06.2009) способ получения волокнистого керамического материала. Способ включает диспергирование тугоплавкого волокна со связующим, получение сырой заготовки методом вакуумного фильтрования, сушку и обжиг полученной заготовки. Диспергирование тугоплавкого волокна проводят в две стадии: на первой стадии тугоплавкое волокно диспергируют в воде при концентрации волокна 0,5-1,0 мас. % до получения аспектного отношения длины волокна к диаметру l/d=50-130, затем часть воды удаляют до получения концентрации суспензии 4-8 мас. % и проводят вторую стадию диспергирования без изменения аспектного отношения длины волокна к диаметру с одновременным введением связующего. Полученную суспензию равномерно по объему укладывают в форму с вакуумным отсосом, где тщательно перемешивают и удаляют воду. Равномерная укладка волокнистой массы с одновременным ее перемешиванием перед вакуумным отсосом способствует получению равноплотной изотропной структуры материала, в которой волокна расположены не слоями, параллельными плоскости фильтра, а перемешаны во всех плоскостях. Равномерная изотропная структура полученного материала обеспечивает необходимые прочностные свойства и способствует снижению теплопроводности, сохраняя низкий удельный вес материала. В качестве тугоплавкого волокна используют базальтовые, кварцевые, кремнеземные, муллитокремнеземные, алюмосиликатные, алюмооксидные и другие волокна на основе оксидов. В качестве связующего используют бор, кремнезоль, растворы солей, образующих при разложении тугоплавкие оксиды, вводимые в виде спиртовых или водных эмульсий или в виде порошка.The method disclosed in RU 2358954 C1 (publ. 20.06.2009) for producing fibrous ceramic material was adopted as a prototype. The method includes dispersing a refractory fiber with a binder, obtaining a raw billet by vacuum filtration, drying and firing the resulting billet. The dispersion of the refractory fiber is carried out in two stages: at the first stage, the refractory fiber is dispersed in water at a fiber concentration of 0.5-1.0 wt. % to obtain an aspect ratio of fiber length to diameter l/d=50-130, then part of the water is removed to obtain a suspension concentration of 4-8 wt. % and carry out the second stage of dispersion without changing the aspect ratio of fiber length to diameter with the simultaneous introduction of a binder. The resulting suspension is placed evenly by volume in a mold with vacuum suction, where it is thoroughly mixed and water is removed. Uniform stacking of the fibrous mass with its simultaneous mixing before vacuum suction contributes to obtaining an evenly dense isotropic material structure in which the fibers are not arranged in layers parallel to the filter plane, but are mixed in all planes. The uniform isotropic structure of the resulting material provides the necessary strength properties and helps reduce thermal conductivity, while maintaining a low specific gravity of the material. Basalt, quartz, silica, mullite-silica, aluminosilicate, alumina and other oxide-based fibers are used as refractory fibers. As a binder, boron, silica sol, salt solutions are used, which form refractory oxides during decomposition, introduced in the form of alcohol or water emulsions or in the form of a powder.

Недостатком всех представленных выше способов является принципиальная необходимость проведения формования изделия, его сушки и обжига на специализированном оборудовании, не связанном с конкретным местом конечного использования. При этом, при изготовлении окончательной теплоизоляционной теплозащитной конструкции, возникает принципиальная необходимость проведения дополнительных работ по механической обработке каждого отдельного элемента, а также по сочленению и скреплению их между собой для достижения герметичности и требуемой геометрии конечного изделия «по месту использования», что приводит к формированию стыков и локальных неоднородностей материала, снижает его интегральные теплофизические характеристики и общую энергоэффективность при эксплуатации.The disadvantage of all the methods presented above is the fundamental need to carry out the molding of the product, its drying and firing on specialized equipment that is not associated with a specific place of end use. At the same time, in the manufacture of the final heat-insulating heat-shielding structure, there is a fundamental need for additional work on the machining of each individual element, as well as on articulating and fastening them together to achieve tightness and the required geometry of the final product “at the place of use”, which leads to the formation joints and local inhomogeneities of the material, reduces its integral thermal characteristics and overall energy efficiency during operation.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE INVENTION

Задачей заявленного изобретения является разработка простого и недорогого способа получения волокнистого керамического материала с требуемыми геометрическими характеристиками, низкой теплопроводностью, низким удельным весом, высокой степенью равноплотности, обеспечивающей изотропные тепловые и механические свойства волокнистого керамического материала непосредственно «по месту использования».The objective of the claimed invention is to develop a simple and inexpensive method for obtaining a fibrous ceramic material with the required geometric characteristics, low thermal conductivity, low specific gravity, a high degree of uniformity, providing isotropic thermal and mechanical properties of the fibrous ceramic material directly "at the place of use".

Техническим результатом изобретения является повышение тепловых и физико-механических характеристик волокнистого керамического материала за сет формирования единого теплозащитного теплоизоляционного слоя в соответствии с конструктивными геометрическими требованиями конечного изделия без стыков и сочленений.The technical result of the invention is to increase the thermal and physical-mechanical characteristics of the fibrous ceramic material for the set of forming a single heat-shielding heat-insulating layer in accordance with the design geometric requirements of the final product without joints and joints.

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ получения теплозащитного и теплоизоляционного волокнистого керамического материала включает изготовление пасты-полуфабриката из тугоплавкого волокна (нановолокна) путем диспергирования волокна в воде при концентрации волокна 1-15 масс. % на высокооборотной мешалке для снижения индекса вытянутости волокон и получения однородной первичной пульпы, обезвоживания первичной пульпы волокон для повышения концентрации волокна до уровня 15-22 масс. %, добавления во вторичную пульпу связующего и тепловыделяющего компонента и перемешивание вторичной пульпы с добавками на низкооборотной мешалке без изменения индекса вытянутости волокна для получения однородного распределения волокон, связующего и тепловыделяющего компонента. Из полученной пасты-полуфабриката формируют сырую первичную заготовку путем заполнения формы, фильтрации на нутч-фильтре или нанесения на защищаемые поверхности методом оштукатуривания. Далее сырую первичную заготовку сушат до получения сухой первичной заготовки. На сухой первичной заготовке производят локальную термическую инициацию экзотермической реакции тепловыделяющего компонента. Экзотермическая реакция тепловыделяющего компонента приводит к саморазогреву сухой первичной заготовки в объеме, ограниченном областью локальной термической инициации и обеспечивает в этом объеме начальное спекание волокон связующим компонентом с формированием теплозащитного материала, обладающего первичным комплексом теплофизических характеристик на уровне 95-100 %, а механических - на уровне 50 - 90 % от конечного. Энергетический эффект саморазогрева сухой первичной заготовки достаточен для осуществления самопроизвольной термической инициации экзотермической реакции в примыкающих объемах заготовки и формирования незатухающего фронта экзотермической реакции, распространяющегося наружу от области локальной термической инициации в режиме цепной реакции. Незатухающий фронт экзотермической реакции со временем обходит весь объем сухой первичной заготовки, формируя в нем первичный теплозащитный материал. Далее, в ходе использования материала по его прямому назначению, в процессе высокотемпературных нагревов, материал достигает своих максимальных характеристик. При использовании материала в качестве футеровки нагревательного оборудования, при необходимости, проводят штатный разогрев и работу оборудования со вновь сформированным первичным теплозащитным слоем на термических режимах с разогревом до 900°С. После определенного времени работы, зависящего от объема и массы первичного теплозащитного материала, характеристики последнего достигают конечных значений, и оборудование с этого момента может работать на всех запланированных режимах с высокой энергоэффективностью. Основой материала являются такие керамические тугоплавкие волокна, нитевидные кристаллы или нановолокона, как борные, углеродные, карбидокремниевые, базальтовые, кварцевые, кремнеземные, муллитокремнеземные, алюмосиликатные, алюмооксидные, на основе оксидов гафния и циркония. В качестве связующего компонента используют бор, борсодержащие материалы или глину в количестве 3-30 масс. % от массы сухого тугоплавкого волокна, а в качестве тепловыделяющего компонента используют такие материалы, как титан, магний, цирконий, углерод, бор, в количестве 3-30 масс. % от массы сухого тугоплавкого волокна.The specified technical result is achieved due to the fact that the method of obtaining a heat-shielding and heat-insulating fibrous ceramic material includes the manufacture of a semi-finished paste from a refractory fiber (nanofiber) by dispersing the fiber in water at a fiber concentration of 1-15 wt. % on a high-speed mixer to reduce the fiber elongation index and obtain a homogeneous primary pulp, dehydration of the primary fiber pulp to increase the fiber concentration to a level of 15-22 wt. %, adding a binder and a fuel component to the secondary pulp and mixing the secondary pulp with additives on a low-speed mixer without changing the fiber elongation index to obtain a uniform distribution of fibers, a binder and a fuel component. From the obtained paste-semi-finished product, a raw primary billet is formed by filling a mold, filtering on a suction filter, or applying to protected surfaces by plastering. Next, the raw primary workpiece is dried to obtain a dry primary workpiece. On a dry primary billet, a local thermal initiation of the exothermic reaction of the fuel component is performed. The exothermic reaction of the heat-releasing component leads to self-heating of the dry primary billet in a volume limited by the region of local thermal initiation and provides in this volume the initial sintering of the fibers by the binder component with the formation of a heat-shielding material with a primary complex of thermophysical characteristics at the level of 95-100%, and mechanical - at the level 50 - 90% of the final. The energy effect of self-heating of a dry primary workpiece is sufficient to carry out spontaneous thermal initiation of an exothermic reaction in the adjacent volumes of the workpiece and the formation of an undamped exothermic reaction front propagating outward from the area of local thermal initiation in a chain reaction mode. The undamped front of the exothermic reaction over time bypasses the entire volume of the dry primary billet, forming in it the primary heat-shielding material. Further, during the use of the material for its intended purpose, in the process of high-temperature heating, the material reaches its maximum characteristics. When using the material as a lining for heating equipment, if necessary, regular heating and operation of equipment with a newly formed primary heat-shielding layer in thermal modes with heating up to 900°C are carried out. After a certain operating time, depending on the volume and mass of the primary heat-shielding material, the characteristics of the latter reach their final values, and the equipment from that moment can operate in all planned modes with high energy efficiency. The basis of the material is ceramic refractory fibers, whiskers or nanofibers, such as boron, carbon, silicon carbide, basalt, quartz, silica, mullite-silica, aluminosilicate, alumina, based on hafnium and zirconium oxides. As a binder, boron, boron-containing materials or clay are used in the amount of 3-30 wt. % by weight of dry refractory fiber, and materials such as titanium, magnesium, zirconium, carbon, boron are used as a heat-releasing component, in an amount of 3-30 wt. % by weight of dry refractory fiber.

Пример 1Example 1

Для изготовления прямоугольной плиты из высокотемпературного теплозащитного материала размером 30×30×4 см, берут 1500 г муллитокремнеземного волокна, диспергируют его в воде при концентрации 9 масс. % в течение 30 мин с помощью лопастной мешалки со скоростью 600 об/мин, затем отфильтровывают воду на сите до достижения концентрации волокна в пульпе 17 масс. %, добавляют в пульпу 60 г порошка аморфного бора (связующий компонент) и 150 г порошка магния (тепловыделяющий компонент) и перемешивают со скоростью 100 об/мин в течение 5 мин. Полученную однородную массу формуют методом вакуумного фильтрования на лабораторном нутч-фильтре с фильтрующим элементом квадратного сечения 30×30 см до получения влажной прямоугольной заготовки. Полученную заготовку сушат при температуре 200°С до прекращения убыли массы. Сухую заготовку локально разогревают газовой горелкой до температуры 450-650°С для инициации окисления тепловыделяющего компонента, после чего фронт экзотермической реакции расходится от области локальной термической инициации во все стороны по объему сухой заготовки, вызывая ее саморазогрев, обжиг и формирование керамической связки из связующего элемента. После остывания, плита из теплозащитного материала готова к использованию.For the manufacture of a rectangular slab of high-temperature heat-shielding material with a size of 30×30×4 cm, take 1500 g of mullite-silica fiber, disperse it in water at a concentration of 9 wt. % for 30 min using a paddle mixer at a speed of 600 rpm, then filter the water on a sieve to achieve a fiber concentration in the pulp of 17 wt. %, 60 g of amorphous boron powder (binder component) and 150 g of magnesium powder (heat-releasing component) are added to the pulp and mixed at a speed of 100 rpm for 5 minutes. The resulting homogeneous mass is formed by vacuum filtration on a laboratory suction filter with a filter element of square section 30×30 cm to obtain a wet rectangular billet. The resulting workpiece is dried at a temperature of 200°C until the weight loss stops. The dry billet is locally heated by a gas burner to a temperature of 450-650°C to initiate the oxidation of the fuel component, after which the front of the exothermic reaction diverges from the area of local thermal initiation in all directions over the volume of the dry billet, causing its self-heating, firing and the formation of a ceramic bond from the binder element . After cooling down, the plate made of heat-shielding material is ready for use.

Пример 2Example 2

Для изготовления круглой пластины из высокотемпературного теплозащитного материала диаметром 22 см и толщиной 2 см, берут 450 г алюмооксидного волокна, диспергируют его в воде при концентрации 12 масс. % в течение 20 мин с помощью лопастной мешалки со скоростью 600 об/мин, затем отфильтровывают воду на сите до достижения концентрации волокна в пульпе 21 масс. %, добавляют в пульпу 90 г порошка глины (связующий компонент) и 60 г порошка титана (тепловыделяющий компонент) и перемешивают со скоростью 100 об/мин в течение 5 мин. Полученную однородную массу заливают в форму диаметром 22 см и сушат при температуре 200°С до прекращения убыли массы. Сухую заготовку извлекают из формы и локально разогревают газовой горелкой до температуры 450-650°С для инициации экзотермической реакции окисления тепловыделяющего компонента. Фронт экзотермической реакции расходится по объему сухой заготовки от области локальной термической инициации во все стороны, вызывая ее саморазогрев, обжиг и формирование керамической связки из связующего элемента. После остывания, цилиндрическая пластина из теплозащитного материала готова к использованию.For the manufacture of a round plate of high-temperature heat-shielding material with a diameter of 22 cm and a thickness of 2 cm, take 450 g of alumina fiber, disperse it in water at a concentration of 12 wt. % for 20 min using a paddle mixer at a speed of 600 rpm, then the water is filtered on a sieve until the fiber concentration in the pulp is 21 wt. %, 90 g of clay powder (binding component) and 60 g of titanium powder (heat-releasing component) are added to the pulp and mixed at a speed of 100 rpm for 5 minutes. The resulting homogeneous mass is poured into a mold with a diameter of 22 cm and dried at a temperature of 200°C until the weight loss stops. The dry billet is removed from the mold and locally heated by a gas burner to a temperature of 450-650°C to initiate an exothermic oxidation reaction of the fuel component. The front of the exothermic reaction diverges over the volume of the dry workpiece from the area of local thermal initiation in all directions, causing its self-heating, firing and the formation of a ceramic bond from the binder. After cooling, the cylindrical plate of heat-shielding material is ready for use.

Пример 3Example 3

Для изготовления теплозащитного покрытия непосредственно «по месту применения» на бетонном ложе желоба для протекания расплава алюминия (толщина покрытия 3 см, площадь - 2 м2), берут 24000 г муллитокремнеземного волокна, диспергируют его в воде при концентрации 9 масс. % в течение 60 мин с помощью лопастной мешалки со скоростью 600 об/мин, затем отфильтровывают воду на сите до достижения концентрации волокна в пульпе 17 масс. %, добавляют в пульпу 2400 г порошка аморфного бора (связующий и тепловыделяющий компонент) и перемешивают со скоростью 100 об/мин в течение 10 наносят шпателем на бетонное ложе желоба. Полученную заготовку сушат в естественных условиях в течение двух суток. Сухую заготовку локально разогревают газовой горелкой до температуры 450-650°С для инициации экзотермической реакции окисления тепловыделяющего компонента, после чего фронт экзотермической реакции окисления тепловыделяющего компонента расходится от области локальной термической инициации по объему сухой заготовки, вызывая ее саморазогрев, обжиг и формирование керамической связки из связующего элемента. После остывания, покрытие из теплозащитного материала в виде желоба для протекания расплава алюминия, готово к использованию.For the manufacture of a heat-shielding coating directly "at the place of application" on the concrete bed of the trough for the flow of aluminum melt (coating thickness 3 cm, area - 2 m 2 ), 24000 g of mullite-silica fiber is taken, it is dispersed in water at a concentration of 9 wt. % for 60 min using a paddle mixer at a speed of 600 rpm, then filter the water on a sieve to achieve a fiber concentration in the pulp of 17 wt. %, 2400 g of amorphous boron powder (a binder and heat-releasing component) is added to the pulp and mixed at a speed of 100 rpm for 10, applied with a spatula on the concrete bed of the gutter. The resulting workpiece is dried in natural conditions for two days. The dry billet is locally heated by a gas burner to a temperature of 450-650°C to initiate an exothermic oxidation reaction of the fuel component, after which the front of the exothermic oxidation reaction of the fuel component diverges from the region of local thermal initiation over the volume of the dry billet, causing its self-heating, firing and formation of a ceramic bond from connecting element. After cooling, the coating of heat-shielding material in the form of a trough for the flow of aluminum melt is ready for use.

Пример 4 (по прототипу).Example 4 (prototype).

По прототипу невозможно осуществить процесс самоформирования высокотемпературного теплозащитного материала.According to the prototype, it is impossible to carry out the process of self-formation of high-temperature heat-shielding material.

Из полученных изделий из самоформирующегося высокотемпературного теплозащитного материала были вырезаны образцы для испытания на растяжение как в состоянии после саморазогрева, так и после дополнительного отжига. Механические свойства приведены в таблице.Samples for tensile testing were cut from the obtained products from self-forming high-temperature heat-shielding material both in the state after self-heating and after additional annealing. Mechanical properties are given in the table.

Таблица Механические свойства образцов теплозащитного материалаTable Mechanical properties of samples of heat-shielding material ПримерExample Плотность, г/см3 Density, g / cm 3 Прочность, кгс/см2 Strength, kgf / cm 2 После саморазогреваAfter self-heating После доп. отжигаAfter additional annealing 11 0,410.41 2,12.1 2,62.6 22 0,550.55 1,41.4 1,51.5 33 0,420.42 3,83.8 4,14.1 44 -- --

Из таблицы видно, что материалы, полученные предлагаемым способом, обладают достаточной технологической прочностью для использования в качестве теплозащитного материала. При дополнительном нагреве прочность растет.The table shows that the materials obtained by the proposed method have sufficient technological strength to be used as a heat-shielding material. With additional heating, the strength increases.

Таким образом, волокнистый керамический материал, изготовленный согласно предложенному способу, обладает низким удельным весом, низкой теплопроводностью и высокой механической прочностью. Способ, являясь внепечным, не требует сложного оборудования и длительного технологического цикла. Материал недорогой, удовлетворяющий требованиям для его использования в качестве теплозащитного и теплоизоляционного материала многократного использования с рабочей температурой до 1300°С, в частности для изготовления облицовочных плиток печей, стаканов-кристаллизаторов и желобов в горячих цехах по разливу алюминия.Thus, the fibrous ceramic material made according to the proposed method has a low specific gravity, low thermal conductivity and high mechanical strength. The method, being out-of-furnace, does not require complex equipment and a long technological cycle. The material is inexpensive, meeting the requirements for its use as a reusable heat-shielding and heat-insulating material with a working temperature of up to 1300 ° C, in particular for the manufacture of facing tiles for furnaces, mold glasses and chutes in hot aluminum casting shops.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании.The invention has been described above with reference to a specific embodiment. For specialists, other embodiments of the invention may be obvious, without changing its essence, as it is disclosed in the present description.

Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.Accordingly, the invention is to be considered limited in scope by the following claims only.

Claims (5)

1. Способ получения волокнистого высокотемпературного теплозащитного материала, включающий диспергирование тугоплавкого волокна в две стадии: на первой стадии тугоплавкое волокно диспергируют в воде на высокооборотной мешалке для снижения индекса вытянутости волокон и получения однородной первичной пульпы, затем часть воды удаляют и проводят вторую стадию диспергирования без изменения индекса вытянутости волокон с введением связующего до получения однородной водной пасты-полуфабриката, получение сырой заготовки путем заполнения формы, сушку и обжиг полученной заготовки, отличающийся тем, что концентрация волокна на первой стадии диспергирования составляет 1-9 масс. %, после удаления воды концентрацию волокна повышают до уровня 15-18 масс. %, на второй стадии диспергирования со связующим одновременно вводят тепловыделяющий компонент, полученную однородную пасту-полуфабрикат формуют фильтрацией на нутч-фильтре или наносят на защищаемые поверхности, при этом обжиг заготовки осуществляют внепечным саморазогревом сухой первичной заготовки путем термической инициации экзотермической реакции тепловыделяющего компонента в любой части объема заготовки за счет локального ее разогрева до температуры 450-650°С с последующим спеканием волокон связующим компонентом и формированием волокнистого высокотемпературного теплозащитного материала в виде конечного изделия.1. A method for obtaining a fibrous high-temperature heat-shielding material, including dispersion of a refractory fiber in two stages: at the first stage, the refractory fiber is dispersed in water on a high-speed mixer to reduce the elongation index of the fibers and obtain a homogeneous primary pulp, then part of the water is removed and the second stage of dispersion is carried out without change elongation index of the fibers with the introduction of a binder to obtain a homogeneous aqueous semi-finished paste, obtaining a raw workpiece by filling the mold, drying and firing the resulting workpiece, characterized in that the concentration of the fiber in the first stage of dispersion is 1-9 wt. %, after removing water, the fiber concentration is increased to the level of 15-18 wt. %, at the second stage of dispersion with a binder, a heat-releasing component is simultaneously introduced, the resulting homogeneous semi-finished paste is formed by filtration on a suction filter or applied to the protected surfaces, while the workpiece is fired by out-of-furnace self-heating of a dry primary workpiece by thermal initiation of the exothermic reaction of the heat-releasing component in any part workpiece volume due to its local heating to a temperature of 450-650°C, followed by sintering of the fibers with a binder component and the formation of a fibrous high-temperature heat-shielding material in the form of a final product. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве основы волокнистого высокотемпературного теплозащитного материала используют, по меньшей мере, один из следующих типов керамических тугоплавких волокон, нитевидных кристаллов или нановолокон: борные, углеродные, карбидокремниевые, базальтовые, кварцевые, кремнеземные, муллитокремнеземные, алюмосиликатные, алюмооксидные, на основе оксидов гафния и циркония.2. The method according to claim 1, characterized in that at least one of the following types of ceramic refractory fibers, whiskers or nanofibers is used as the basis of a fibrous high-temperature heat-shielding material: boron, carbon, silicon carbide, basalt, quartz, silica, mullite-silica, aluminosilicate, alumina, based on hafnium and zirconium oxides. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего компонента используют, по меньшей мере, один из следующих материалов: бор, борсодержащие материалы, глина в количестве 3-30 масс. % от массы сухого тугоплавкого волокна.3. The method according to p. 1, characterized in that at least one of the following materials is used as a binder: boron, boron-containing materials, clay in an amount of 3-30 wt. % by weight of dry refractory fiber. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве тепловыделяющего компонента используют, по меньшей мере, один из следующих материалов: титан, магний, цирконий, углерод, бор в количестве 3-30 масс. % от массы сухого тугоплавкого волокна.4. The method according to p. 1, characterized in that at least one of the following materials is used as a fuel component: titanium, magnesium, zirconium, carbon, boron in an amount of 3-30 wt. % by weight of dry refractory fiber. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конечное изделие формируют на отдельном производственном предприятии или по месту применения в виде единого монолитного покрытия, промежуточного слоя или фасонного изделия из пасты-полуфабриката путем прямого нанесения на подложку, фильтрации на нутч-фильтре или заполнения соответствующей формы.5. The method according to claim 1, characterized in that the final product is formed at a separate manufacturing plant or at the place of use in the form of a single monolithic coating, intermediate layer or shaped product from a semi-finished paste by direct application to a substrate, filtration on a suction filter or filling out the appropriate form.
RU2022110403A 2022-04-18 Method for producing self-shaped high-temperature fiber heat-shielding material and products from it RU2791757C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2791757C1 true RU2791757C1 (en) 2023-03-13

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3952083A (en) * 1973-12-26 1976-04-20 Nasa Silica reusable surface insulation
RU2358954C1 (en) * 2007-11-08 2009-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Method of producing fibered ceramic material
RU2679774C1 (en) * 2018-03-01 2019-02-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method of producing heat-resistant glass-ceramic coating
RU2726800C1 (en) * 2019-06-28 2020-07-15 Общество с Ограниченной Ответственностью «НАНОКОМ» Nanoxylene heat-protective and heat insulating fibrous ceramic material and method of production thereof

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3952083A (en) * 1973-12-26 1976-04-20 Nasa Silica reusable surface insulation
RU2358954C1 (en) * 2007-11-08 2009-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") Method of producing fibered ceramic material
RU2679774C1 (en) * 2018-03-01 2019-02-12 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)" Method of producing heat-resistant glass-ceramic coating
RU2726800C1 (en) * 2019-06-28 2020-07-15 Общество с Ограниченной Ответственностью «НАНОКОМ» Nanoxylene heat-protective and heat insulating fibrous ceramic material and method of production thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7947355B2 (en) High porosity thermally shock resistant ceramic structures
FR2574071A1 (en) PROCESS FOR MANUFACTURING FIRE-RESISTANT AND / OR REFRACTORY MOLDED PIECES OF CERAMIC FIBROUS MATERIAL, MOLDED PIECES PRODUCED ACCORDING TO THE PROCESS AND THEIR USE
CN105130468B (en) A kind of flame-proof thermal insulation material and preparation method thereof
CN101765570A (en) A fiber-based ceramic substrate and method of fabricating the same
CN107382346B (en) refractory wear-resistant pouring material and preparation method thereof
JPS6117468A (en) Ceramic products
US7858554B2 (en) Cordierite fiber substrate and method for forming the same
CN104086201A (en) High-purity alumina fiber and preparation method thereof
EP0395203B1 (en) Refractory supports
CN102249710A (en) Method for making low-creepage and high-strength high temperature resisting ceramic roller
JP2014228035A (en) Fireproof heat insulation material and manufacturing method
US8038759B2 (en) Fibrous cordierite materials
CN101374784B (en) Moulding mixture for the production of a refractory lining
JP6768236B2 (en) Insulation material and its manufacturing method
RU2791757C1 (en) Method for producing self-shaped high-temperature fiber heat-shielding material and products from it
CN114163224A (en) Fiber-reinforced silicon module and preparation method thereof
Alves et al. Microstructural characterization and mechanical properties on Al2O3–TiO2 materials obtained by uniaxial pressing and extrusion
JP6598961B1 (en) Inorganic fiber molded body
CN112624776B (en) Zirconia-alumina fiber composite wet module and preparation method thereof
RU2358954C1 (en) Method of producing fibered ceramic material
RU2726800C1 (en) Nanoxylene heat-protective and heat insulating fibrous ceramic material and method of production thereof
CN108455993A (en) Build refractory material and preparation method thereof
JPH0647481B2 (en) Composite material having a reinforced glassy matrix and method of making the same
Colomban et al. The ideal ceramic fiber/oxide matrix composite: How to conciliate antagonist physical and chemical requirements
US5652188A (en) Fiber-reinforced composite with sheet silicate interlayer