Способ получения -сиалона

 

Изобретение относится к разработке способа получения сиалоновых фаз, в частности -сиалона, которые могут быть использованы в качестве керамических материалов в различных областях науки и техники. Предлагается способ получения -сиалона путем карботермического восстановления минерального сырья в атмосфере азота, в котором в качестве минерального сырья используют золу - отходы ТЭС - и восстановление ведут при температуре 1450 - 1500^oС в течение 3 - 3,5 ч. Предлагаемый способ получения -сиалона позволяет не только утилизировать отходы и получить керамический материал, сочетающий в себе основные высокие физико-химические показатели оксидов и бескислородных соединений, но и получить сиалон простым технологическим способом, исключающим необходимость в проведении дополнительных операций.

Изобретение относится к разработке способа получения сиалоновых фаз, в частности -сиалона, которые могут быть использованы в качестве керамических материалов в различных областях науки и техники.

Известен способ получения сиалона с использованием в качестве исходной шихты смеси углистого аргиллита и предварительно обожженного углистого аргиллита или золы угля при следующем соотношении компонентов, мас.%: углистый аргиллит 75-85, обожженный углистый аргиллит или зола угля 15-25, причем в качестве аргиллита применяются отходы добычи или обогащения угля, содержащие 60-80% метаморфизованных глинистых минералов, 5-10% кварца и 20-35% тонкодисперсного органического вещества (а.с. СССР N 823356, Мкл. C 04 B 35/58, 1981 год). Способ включает дробление углистого аргиллита до крупности менее 0,5 мм и дробление обожженного углистого аргиллита до крупности менее 0,2 мм, дозирование компонентов, тщательное перемешивание и грануляцию. Полученные гранулы помещают в печь и подвергают термообработке в газообразной среде при 1450^oC в течение 1,5 часов.

Недостатком способа является сложность технологического процесса, обусловленная наличием операций предварительного дробления и гранулирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ получения -сиалона из минерального сырья, в частности из муллитообразующей породы, путем карботермического восстановления при температуре 1300-1500^oC в течение 0,5-6 часов в восстановительной атмосфере азота (патент США N 5110773, Мкл. C 04 B 35/58, 1992 год). Способ предполагает предварительную обработку сильной щелочью исходной муллитообразующей породы для снижения содержания оксида кремния с последующим дроблением материала с получением частиц менее 10 мм, а также гранулирование смеси муллитообразующей породы и углерода.

Таким образом, недостатком известного способа является также сложность технологического процесса, обусловленная наличием дополнительных операций.

Перед авторами была поставлена задача разработать простой способ получения сиалона с использованием при этом в качестве исходного материала техногенных отходов промышленного производства.

Поставленная задача решена в способе получения -сиалона путем карботермического восстановления минерального сырья в атмосфере азота при температуре 1450-1500^oC в течение 3-3,5 часов, отличающийся тем, что в качестве минерального сырья используют золу - отходы ТЭС с содержанием Fe₂O₃ в количестве 2-12 мас.%.

В настоящее время из патентной и научно-технической информации не известен способ получения материала типа -сиалона с использованием в качестве исходного золы - отходов ТЭС с содержанием оксида железа в указанном выше количестве.

Предлагаемый способ заключается в следующем. Исходным продуктом для получения сиалонов служит зола следующего состава (%): SiO₂ - 57,0-65,0; Al₂O₃ - 22,0-30,0; Fe₂O₃ - 2,0-13,0; остальное - примеси оксидов (MgO; CaO; K₂O; Na₂O и др. ). Общее содержание примесей в исходной золе составляет 15-17%. Усредненный по составу зольный порошок перемешивают с углеродом в твердосплавной мельнице в течение 30-40 мин. В качестве углерода используют ламповую ацетиленовую сажу или каменный уголь, количество которых составляет 24-40 вес%. Затем смесь в графитовом тигле помещают в графитовую печь ТВВ-4 в температурную зону. Печь вакуумируют до форвакуума, печное пространство заполняют азотом и проводят нагрев до температуры 1450-1500^oC со скоростью 120-130^o/мин, а затем отжигают при заданной температуре в течение 3-3,5 часов в атмосфере или токе азота. Охлаждение проводят вместе с печью до комнатной температуры или в случае проведения процесса в токе азота перемещают тигель в холодную зону печи. Спеченный продукт извлекают из графитового тигля, тщательно перетирают и проводят аттестацию продукта с использованием рентгенофазового и химического анализов.

Поскольку сиалоны по сути дела являются оксинитридами кремния и алюминия, получение сиалонов главным образом ведут из Al₂O₃, Si₃N₄ и AlN, при этом используют природные алюмосиликатные материалы. Разработка условий получения -сиалона из золы-отходов ТЭС, содержащих оксид железа, позволяет достичь двух целей: не только утилизировать отходы и получить керамический материал, сочетающий в себе основные высокие физико-химические показатели оксидов и бескислородных соединений, но и получить сиалон простым технологическим способом, исключающим необходимость в проведении дополнительных операций.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 1,9 г (76 вес.%) золы-отходов ТЭС, следующего химического состава (вес. %): SiO₂ - 57,0; Al₂O₃ - 30,0; Fe₂O₃ - 12; остальное - примеси оксидов титана, магния, кальция и др., 0,6 г (24 вес.%) углерода в виде сажи. Компоненты тщательно перемешивают и в графитовом тигле помещают в графитовую печь. Печь предварительно вакуумируют до форвакуума. Нагрев осуществляют со скоростью 120^oС/мин в атмосфере азота (P_N2=1,1 атм) до 1450^oC и выдерживают при этой температуре 3 часа в токе азота. С целью охлаждения тигель постепенно выводят из горячей зоны печи. По данным химического и рентгенофазового анализов полученный продукт является -сиалоном общей формулы Si₃Al₃O₃N₂, примеси - SiC, -Si₃N₄. Выход - 85%.

Пример 2. Берут 1,9 г (76 вес.%) золы-отходов ТЭС, следующего химического состава (вес. %): SiO₂ - 65,0; Al₂O₃ - 22,0; Fe₂O₃ - 2,0; остальное - примеси оксидов титана, магния, кальция и др., 0,6 г (24 вес.%) углерода в виде сажи. Компоненты тщательно перемешивают и в графитовом тигле помещают в графитовую печь. Печь предварительно вакуумируют до форвакуума. Нагрев осуществляют со скоростью 130^oС/мин в атмосфере азота (P_N2=1,1 атм) до 1500^oC и выдерживают при этой температуре 3,5 часа в токе азота. С целью охлаждения тигель постепенно выводят из горячей зоны печи. По данным химического и рентгенофазового анализов полученный продукт является -сиалоном общей формулы Si₃Al₃O₃N₂, примеси - SiC, -Si₃N₄. Выход - 80%.

Пример 3. Берут 117 г (61 вес.%) золы-отходов ТЭС, следующего химического состава (вес. %): SiO₂ - 65,0; Al₂O₃ - 22,0; Fe₂O₃ - 2,0; остальное - примеси оксидов титана, магния, кальция и др., 75 г (40 вес.%) углерода в виде каменного угля. Компоненты тщательно перемешивают и в графитовом тигле помещают в графитовую печь. Печь предварительно вакуумируют до форвакуума. Нагрев осуществляют со скоростью 130^oС/мин в атмосфере азота (P_N2=1,1 атм) до 1500^oC и выдерживают при этой температуре 3,5 часа в токе азота. С целью охлаждения тигель постепенно выводят из горячей зоны печи. По данным химического и рентгенофазового анализов полученный продукт является -сиалоном общей формулы Si₃Al₃O₃N₂, примеси - SiC, -Si₃N₄. Выход - 83%.

Таким образом, предлагаемый способ получения -сиалона позволяет не только расширить сырьевую базу его получения за счет использования минерального сырья - отходов теплоэлектростанций, но и получать сиалон простым технологическим способом, исключающим ряд дополнительных операций.

Формула изобретения

Способ получения -сиалона путем карботермического восстановления минерального сырья в атмосфере азота при температуре 1450 - 1500^oC в течение 3 - 3,5 ч, отличающийся тем, что в качестве минерального сырья используют золу - отходы ТЭС - с содержанием Fe₂O₃ в количестве 2 - 12 мас.%.