ТЕХНОЛОГИЯ ОГНЕУПОРОВ

ОГНЕУПОРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЛЛОИДНОГО КРЕМНЕЗЕМА И КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Из всех используемых огнеупорных оксидов только кремнезем способен образовывать расплав с весьма вы­сокой вязкостью при высоких температурах. Благодаря этой способности кремнезем в расплавленном состоянии практически является условно твердым и огнеупорным телом вплоть до 2000—2500° С.

В самом деле, как было показано в гл. II, склонение пироскопа происходит при вязкости 103—Ю2 Па-с. Та­кую вязкость кварцевое стекло имеет при 2000—2500° С:

Температура, °С. 1450 1720 1880 2000 2500* Вязкость, Па-с. 9,7-Ю8 2,9-10» 1,5-Ю4 2,8-Ю3 1 - 10а

Кислорода и связанных ими преимущественно ковалент­ними связями.

Кварцевое стекло играет исключительную роль для научно-технического прогресса в космической и ракетной технике. Из особо чистого кварцевого стекла выполнены наружные панели иллюминаторов всех кораблей «Апол­лон». Кварцевое стекло применяют при изучении солнеч­ной короны, «черных дыр», при изготовлении основных деталей управляемых снарядов, генераторов инфракрас­ных лучей и т. п.

Кварцевое стекло получается путем плавки особо чи­стого сырья (типа горного хрусталя; прозрачных гранул Si02, получаемых из структурной разновидности жиль­ного кварца, называемой гранулированным жильным кварцем) при температуре 1800° С. При очень быстром нагреве а-кварц переходит в расплав, согласно диаграм­ме Феннера, при 1610° С.

Из коллоидного состояния диоксида кремния квар­цевое стекло может быть получено и при более низких температурах.

Коллоидный кремнезем[22] представляет собой золь кремнезема в водно-щелочной среде. Размер частиц

О

Кремнезема лежит в коллоидной области, т. е. 80—180 А.

Процесс получения кремнезолей идет через стадию образования кремниевых кислот xSi02-J/H20. Кремниевые кислоты склонны к поликонденсации с образованием си - локсановых связей ( = Si—О—Si = ) и таким образом к появлению коллоидных частиц. Этот процесс регулирует­ся рН среды. Известно несколько способов получения кремнезоля: растворение кремнезема в воде при высоких температурах и давлениях; электролиз растворов силика­та натрия; гидролиз раствора четыреххлористого крем­ния; SiCU + 2 H20->-Si02 + 4 НС1; обработка силиката натрия газообразным фтором; диспергация суспензий силикагеля; разложение этилсиликата (C2H50)4Si и т. п.-

Наиболее простым и экономически выгодным спосо­бом является ионообменный способ. Разбавленный вод­ный раствор жидкого стекла (Na20-Si02) пропускают через катионный фильтр (смола марки КУ-2). В резуль­тате обмена катионов натрия в жидком стекле на катион водорода из катионита получается поликонденсированная

Смесь кремниевых кислот xSi02-yH20, которая выпари­вается до нужной концентрации по Si02. Условиями вы­парки регулируют в определенных пределах и размер коллоидных частиц кремнезоля.

Характеристика коллоидного кремнезема: концентра­ция Si02 200—350 г/л (20—35%); рН среды 10—10,2. Устойчивость против коагуляции—-за год хранения оса­док 10%. Кремнезоль нельзя охлаждать до температуры ниже 0° С.

Из коллоидного кремнезема объемных огнеупорных изделий, конечно, не делают, его применяют в качестве связущего при производстве различных огнеупорных из­делий и покрытий.

При производстве покрытий на поверхность металла (изложницы) в качестве заполнителя используют огне­упорные материалы с минимальным температурным ко­эффициентом линейного расширения, например плавле­ный кварц. Кварц в зернах размером ниже 0,063 мм сме­шивают с примерно равным количеством кремнезоля до получения сметанообразной массы плотностью 1,6— 1,9 г/см3; в таком виде смесь готова к употреблению.

Коллоидный кремнезем используют для получения композиционных материалов, в том числе работающих в. условиях абляции.

Из кварцевого стекла получают широкий ассортимент огнеупорных изделий специального назначения, напри­мер стаканов «под уровень», применяемых при непрерыв­ном литье стали. Основное преимущество огнеупоров из кварцевого стекла — исключительно высокая термостой­кость. Температура длительной службы изделий из квар­цевого стекла, однако, невысока (1200—1300° С), крат­ковременно (несколько Часов) изделия служат при 1600—1700° С.

Причина низкой температуры применения заключает­ся в кристаллизации стекла (образовании кристобалита) и, как следствие, потере прочности. Причиной же крис - тобалитизации являются различные примеси, поэто­му основное требование к кварцевым огнеупорам — чис­тота.

Изделия из кварцевого стекла готовят методом шли - керного литья и последующего обжига. Сырьем для про­изводства является прозрачное и непрозрачное кварце­вое стекло с содержанием 99,6—99,9% Si02. Сырье из­мельчают в шаровой мельнице с кварцевой футеровкой

И кварцевыми мелющими телами при отношении мате­риал : шары : вода= 1 : 1,6 : 0,3 продолжительностью 24 ч. После помола шликер подвергают стабилизации, т. е. не­прерывному перемешиванию в течение 1—4 сут в специ­альной мешалке.

Изделия отливают в гипсовые формы через при­быльную надставку. Поскольку шликер расслаивается, каждые 10—20 мин отбирают из прибыльной надставки осветленный верхний слой и доливают свежий шликер. При влажности шликера 24% продолжительность набо­ра стакана 10 ч. Изделия сушат 3—5 сут при 22—25° С до влажности 1,0—1,5%. Обжигают в туннельной печи до 1200° С с выдержкой при этой температуре 2 ч 40 мин.

Кроме формования изделий из шликера в гипсовые формы, применяют электрофоретический метод, заключа­ющийся в осаждении твердого материала из суспензий на формующий электрод под действием постоянного электрического поля (электрофорез). При электрофоре - тическом формовании скорость набора толщины значи­тельно выше, чем при шликерном литье в гипсовые фор­мы, несколько выше и кажущаяся плотность.

Кварцевые стаканы имеют прочность 35—60 МПа и пористость 13—18%, колебание пористости в этих пре­делах несущественно влияет на износ стаканов в службе; термостойкость (1300—20° С) 35 воздушных теплосмен. Структура до службы характеризуется зернами кварце­вого стекла размерами от 0,001 до 0,13 мм, встречаются единичные мелкие зерна кварца и кристобалита, поры мелкие изолированные.

Если термостойкость оценивать по величине первого показателя Я — о/Еа и принять термостойкость кварцево­го стекла за 100%, то термостойкость других огнеупоров будет: циркона 7,0%; муллита 3,6%; шамота 1,8%; ко­рунда 1,6%.

Наиболее разнообразно применение огнеупоров из кварцевого стекла (кварцевой керамики) в, ракетной, космической и ядерной технике. Кварцевая керамика вы­сокой чистоты при 2200° С в аэродинамических условиях даже при вертикальном расположении не стекает капля­ми подобно другим материалам в расплавленном состоя­нии, а испаряется и при этом значительного уноса не наблюдается. Высокая радиационная устойчивость квар­цевой керамики обусловливает ее применение в ядерной технике.