1.2.2 Получение кордиерита из минерального сырья по керамической технологии

Для промышленного изготовления кордиеритовой керамики используют природные материалы − тальк, высококачественные огнеупорные глины и искусственный технический глинозем или электроплавленный корунд. При синтезе кордиерита из природных материалов основными поставщиками MgO − выступает тальк; Al₂O₃ − каолинит и глинозем; SiO₂ − тальк и каолинит. Использование природных минералов способствует попаданию значительного количества примесей щелочных металлов. Полностью исключить, например, каолинит невозможно, так как при его разложении образуются дисперсные фазы с высокой реакционной способностью, кроме того, каолинит является хорошей пластифицирующей добавкой [6].

Известен состав для изготовления кордиеритовой керамики [7], включающий тальк, каолинит, глинозем, дополнительно содержащий кварцевый песок и полевой шпат при следующем соотношении компонентов: тальк 39–41 %, каолинит 19–20 %, глинозем 23–25 %, кварцевый песок 8–12 %, полевой шпат 4–6 %. Состав обладает высокими эксплуатационными характеристиками за счет повышения прочности спеченного материала на основе кордиерита. Состав, включающий кварцевый песок и полевой шпат, позволяет добиться удовлетворительного соотношения основных оксидов, и регулировать содержание примесей, снизив содержание Fe₂O₃ и изменив содержание и соотношение K₂O и Na₂O в соответствии с имеющимися в литературе рекомендациями. Введение в состав полевого шпата позволяет, незначительно меняя содержание оксидов кремния и алюминия, варьировать количество оксидов щелочных металлов. Введение кварцевого песка позволяет снизить содержание в шихте каолинита и, как следствие, нежелательных примесей. Варьирование содержания полевого шпата нельзя осуществлять в широких пределах из-за большого количества щелочных оксидов в его составе. При содержании полевого шпата менее 4 % материал хрупкий, очевидно, за счет малого количества стеклофазы между зернами кордиерита, при содержании полевого шпата более 8 % прочность материала также начинает падать, стеклофаза перестает играть упрочняющую роль и начинает определять свойства материала. Содержание кварцевого песка в составе определяется количеством SiO₂, которое необходимо добавить до стехиометрического и варьируется от 8 до 12 %. Содержание талька почти соответствует номинальному [8], а количества каолина и глинозема изменены за счет введения полевого шпата и кварца. Таким образом, введение в состав шихты, содержащей тальк, каолин и глинозем, таких природных соединений, как полевой шпат и кварц, позволяет добиться удовлетворительного соотношения основных оксидов, близкого к стехиометрическому, и изменить соотношение таких важных примесей, как щелочные оксиды, в соответствии с имеющимися в литературе рекомендациями.

Известен способ получения кордиеритовой керамики [9], включающий измельчение, смешивание компонентов сырьевой смеси, формование и обжиг изделий. Сырьевую смесь готовят из серпентинитовой породы и каолина при их соотношении (1:1,5)–(1:5), обжиг проводят при температуре 1250–1400 ^оС с температурным интервалом обжига 70–100 ^оС. В качестве серпентинитовой породы используют отходы обогащения асбестовых руд при их соотношении с каолином (1:1,5)–(1:5). Получают кордиеритовую керамику с термостойкостью 850–1000 °С, открытой пористостью 1,2–38 %, содержание кордиерита от 50 до 80 %.

При синтезе кордиерита из природного сырья в материале всегда содержится некоторое количество примесей в виде оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, титана, железа и т.д. Эти примеси оказывают существенное влияние на синтез кордиерита, спекание кордиеритовых изделий, а также свойства полученных изделий. Количество и состав примесей должны быть строго регламентированы, так как примеси, особенно оксидов щелочных и щелочноземельных металлов, в процессе спекания образуют стеклофазу, незначительное количество которой повышает прочность материала за счет заполнения пустот между кристаллами кордиерита, а увеличение количества стеклофазы вызывает деформацию изделий, снижение прочности и ухудшение термостойкости и коррозионной стойкости. Присутствие стеклофазы влияет также и на интервал спекания, который у кордиеритовой керамики очень узок и составляет всего 10 ^оС. По данным П.П.Будникова [10] наличие щелочных оксидов в количестве до 2 % не ухудшает свойства кордиеритовой керамики, но позволяет расширить интервал спекания до 40 ^оС. Следует отметить, что существенную роль может играть не только общее содержание оксидов щелочных металлов, но и их соотношение. Оксид калия, как известно, способствует расширению интервала спекания, в то время как оксид натрия, напротив, вызывает сокращение интервала спекания. В частности, для фарфоровых масс рекомендуется соотношение K₂O/Na₂O около 2 [11].

Известен способ получения кордиеритовой керамики, в состав которой входят: тальк – 40 %, коалинит – 45 % и глинозем – 15 % [12]. С другой стороны, материалы, используемые в этой работе, по своему минеральному химическому составу подобны применяемым, в мировой огнеупорной и керамической промышленности [13, 14].

Оптимизация состава позволит улучшить фазовый состав и пористость спеченного материала для дальнейшего использования в качестве фильтрующих подложек. Использование природного сырья без дополнительной очистки позволяет сделать кордиеритовые изделия более дешевыми и доступными.