Помощь студентам в учебе
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ФАРФОР НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАРШАЛЛИТА И ВОЛЛАСТОНИТА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ФАРФОР, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА,
СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ, СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ 10
1.1 Фарфоровые материалы электротехнического назначения 10
1.2 Традиционные виды минерального сырья в производстве электротехнического
фарфора 11
1.3 Составы шихт и технология получения электротехнического фарфора 23
1.4 Факторы, определяющие фазовый состав, структуру и свойства
электроизоляционных керамических материалов 25
1.5 Возможности создания производства электротехнического фарфора с повышенными свойствами на основе минерального сырья Республики Казахстан.
28
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 30
ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 32
2.1 Характеристика исходных сырьевых материалов 32
2.1.1 Глинистое пластичное минеральное сырье - каолины, беложгущиеся
тугоплавкие глины 32
2.1.2 Непластичное минеральное сырье - кварцевый песок, полевой шпат,
волластонит, маршаллит 33
2.2 Методы исследований 35
2.3 Определение физико-механических, термических и электротехнических
свойств 38
2.4 Методология работы 42
3 ИССЛЕДОВАНИЕ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 45
3.1 Каолин месторождения Союзное 45
3.2 Беложгущаяся глина месторождения Берлинское 51
3.3 Кварцевый песок месторождения Мугоджарское 54
3.4 Полевой шпат месторождения Сарыбулакское 57
3.5 Волластонит месторождения Верхне-Бадамское 59
3.6 Маршаллит месторождения Мансурата 61
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 64
4 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ, СПЕКАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН 66
4.1 Обоснование и выбор компонентных составов фарфоровых масс для
исследования 66
4.2 Исследование процессов спекания электротехнического фарфора с
использованием маршаллита и добавок волластонита 69
4.3 Кривые плавкости исследованных фарфоровых масс 78
4.4 Исследование спекания композиций полевого шпата с
кремнеземсодержащими компонентами 81
4.5 Процессы фазообразования при обжиге исследованных фарфоровых масс .... 84
4.6 Формирование структуры электротехнического фарфора 94
4.7 Структура и свойства электротехнического фарфора разработанных составов 105
4.8 Особенности формирования фаз, структуры и свойств при обжиге масс электротехнического фарфора с использованием маршаллита и добавок
волластонита 106
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 114
5 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ФАРФОРА НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ КАЗАХСТАНА 116
5.1 Технология подготовки массы для формования фарфоровых изделий 116
5.2 Формование образцов из пресс-порошков и пластичных масс 118
5.3 Сушка и глазурование изделий 119
5.4 Обжиг изделий 121
5.5 Свойства образцов фарфора из масс разработанных составов 122
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ А 146
ПРИЛОЖЕНИЕ В 158
1 ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ФАРФОР, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРА,
СВОЙСТВА И ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ, СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ 10
1.1 Фарфоровые материалы электротехнического назначения 10
1.2 Традиционные виды минерального сырья в производстве электротехнического
фарфора 11
1.3 Составы шихт и технология получения электротехнического фарфора 23
1.4 Факторы, определяющие фазовый состав, структуру и свойства
электроизоляционных керамических материалов 25
1.5 Возможности создания производства электротехнического фарфора с повышенными свойствами на основе минерального сырья Республики Казахстан.
28
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 30
ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2 ХАРАКТЕРИСТИКА ИСХОДНЫХ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ, МЕТОДОЛОГИЯ РАБОТЫ 32
2.1 Характеристика исходных сырьевых материалов 32
2.1.1 Глинистое пластичное минеральное сырье - каолины, беложгущиеся
тугоплавкие глины 32
2.1.2 Непластичное минеральное сырье - кварцевый песок, полевой шпат,
волластонит, маршаллит 33
2.2 Методы исследований 35
2.3 Определение физико-механических, термических и электротехнических
свойств 38
2.4 Методология работы 42
3 ИССЛЕДОВАНИЕ СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ 45
3.1 Каолин месторождения Союзное 45
3.2 Беложгущаяся глина месторождения Берлинское 51
3.3 Кварцевый песок месторождения Мугоджарское 54
3.4 Полевой шпат месторождения Сарыбулакское 57
3.5 Волластонит месторождения Верхне-Бадамское 59
3.6 Маршаллит месторождения Мансурата 61
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 64
4 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ФАЗООБРАЗОВАНИЯ, СПЕКАНИЯ, ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ НА ОСНОВЕ СЫРЬЯ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН 66
4.1 Обоснование и выбор компонентных составов фарфоровых масс для
исследования 66
4.2 Исследование процессов спекания электротехнического фарфора с
использованием маршаллита и добавок волластонита 69
4.3 Кривые плавкости исследованных фарфоровых масс 78
4.4 Исследование спекания композиций полевого шпата с
кремнеземсодержащими компонентами 81
4.5 Процессы фазообразования при обжиге исследованных фарфоровых масс .... 84
4.6 Формирование структуры электротехнического фарфора 94
4.7 Структура и свойства электротехнического фарфора разработанных составов 105
4.8 Особенности формирования фаз, структуры и свойств при обжиге масс электротехнического фарфора с использованием маршаллита и добавок
волластонита 106
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 114
5 ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ФАРФОРА НА ОСНОВЕ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ КАЗАХСТАНА 116
5.1 Технология подготовки массы для формования фарфоровых изделий 116
5.2 Формование образцов из пресс-порошков и пластичных масс 118
5.3 Сушка и глазурование изделий 119
5.4 Обжиг изделий 121
5.5 Свойства образцов фарфора из масс разработанных составов 122
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 128
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
ПРИЛОЖЕНИЕ А 146
ПРИЛОЖЕНИЕ В 158
Актуальность темы. Экономическое развитие Казахстана и других стран Центральной Азии способствует росту производства и потребления электроэнергии в данном регионе. Одним из основных факторов развития электроэнергетической отрасли является обеспечение ее качественными электроизоляционными материалами, возможность организации производства которых диктуется наличием в данном регионе необходимых видов сырья.
Республика Казахстан располагает перспективными сырьевыми
материалами для изготовления изделий из электротехнического фарфора. Разработка составов и технологии изготовления фарфора электротехнического назначения с улучшенными свойствами и их производство для центральноазиатского региона востребовано. Исследование процессов фазообразования и формирования структуры высоковольтного
электротехнического фарфора повышенной прочности является актуальным.
Работа выполнена в Южно-Казахстанском университете им. М.Ауэзова на кафедре технологии цемента, керамики и стекла по плану госбюджетной НИР Б- 16-03-14 «Разработка инновационных и усовершенствованных технологий силикатных и строительных материалов на основе минерально-сырьевой базы и отходов промышленности Республики Казахстан».
Разработанность темы
В решение вопросов разработки технологии электротехнического фарфора внесли свой вклад известные ученые в области проблем создания керамических материалов Масленникова Г.Н., Будников П.П., Харитонов Ф.Я., Верещагин В.И., Костюков Н.С., Пирогов К.С., Французова И.Г., Солодкий Н.Ф., Бридли Д.В., Накахиро М., Уоррел У. и др. Разработанные ими электротехнические материалы на основе фарфора нашли широкое применение в промышленности, технике и быту. Исследования российских ученых в этом плане реализованы в основном на сырьевых материалах России, Украины и Узбекистана. В целом минеральносырьевая база Казахстана для нужд фарфоровой промышленности по причине отсутствия в прошлом тонкокерамических производств в регионе целенаправленно не изучалась. Комплексные исследования керамического сырья из наиболее благоприятных месторождений Казахстана и разработка современной технологии изготовления электротехнического фарфора с улучшенными физикомеханическими и электрическими характеристиками в свете последних программ индустриально-инновационного развития страны являются своевременными и востребованными. Ранее исследования по использованию маршаллита и волластонита для получения электротехнического фарфора не проводились.
Объекты исследования: электротехнический фарфор и сырьевые
компоненты для его изготовления.
Предметом исследования являются физико-химические процессы спекания, фазообразования, формирования структуры и свойств электротехнического фарфора с использованием маршаллита и волластонита.
Цель работы- разработка составов и технологии изготовления
электротехнического фарфора с использованием маршаллита и волластонита
Для достижения цели решались следующие задачи:
- анализ керамического сырья Республики Казахстан и выбор глинистых и отощающих сырьевых материалов;
- исследования химического и минерального состава, физико-химических и технологических свойств, фазовых и структурных превращений в сырьевых материалах при термической обработке;
- выбор компонентов и составление шихт;
- исследования физико-химических и структурных превращений в многокомпонентных смесях при обжиге и разработка электротехнического фарфора с физико-механическими и электротехническими свойствами, соответствующими современным требованиям;
- исследование процесса формирования фарфора при обжиге и его керамо- технологических и диэлектрических свойств;
- определение наиболее оптимального варианта технологии синтеза;
- практическое опробование технологии, получение опытных образцов и их испытания.
Научная новизна
1. Установлено, что уменьшение размеров частиц кварца в фарфоровой
массе от 25 - 30 мкм (кварцевый песок) до 6 ± 1 мкм (маршаллит) обеспечивает снижение температуры спекания керамики на 50 оС до температуры 1290 ± 10 оС за счет активации процессов образования расплава бинарных эвтектик систем K2O-S1O2 (767 оС) и Na2O-SiO2 (793 оС) с последующим образованием бинарных эвтектик кварц - ортоклаз (990 оС) и кварц - альбит (1062 оС), обеспечивающих растворение кварца при температурах 1070 - 1280 оС с образованием
необходимого количества расплава. Образование тройных эвтектик при температурах 985 оС, 1050 оС не наблюдается.
2. Установлено, что присутствие в фарфоровой массе волластонита в
количестве 2 % мас. способствует кристаллизации из расплава игольчатого муллита за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, увеличение количества волластонита в массе более 2 % мас. приводит к снижению плотности и
прочности керамики, связанное с дальнейшим снижением вязкости расплава и появлением закрытой пористости, при этом сужается интервал спекшегося состояния до 10 оС.
3. Установлено, что совместное присутствие маршаллита и волластонита (2
%) в фарфоровой массе обеспечивает снижение температуры обжига, расширение интервала спекшегося состояния до 70 - 80 оС. Увеличение количества и длины игл муллита от 2-3 до 7-10 мкм достигается снижением температуры появления и уменьшением вязкости расплава, что приводит к увеличению термической прочности (22,4 %), прочности при изгибе (29,1 %) и электрической прочности (29,0 %). При этом наблюдается увеличение количества расплава, что
предполагает возможность дополнительного введения глинозема в массу для увеличения содержания муллита в фарфоре.
Теоретическая значимость работы. Получены новые данные о процессах образования игольчатого муллита из расплава в части снижения температуры образования расплава с маршаллитом и снижения вязкости за счет оксида кальция волластонита.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны составы масс электротехнического фарфора с использованием маршаллита в качестве кварцсодержащего компонента. Полученные образцы керамики отличаются высокой термической стойкостью - 191 К, водопоглощение 0,0 %, механическая прочность при изгибе 72,8 МПа, плотность 2,48 г/см3, электрическая прочность 28,2 кВ/мм.
2. Разработаны составы масс фарфора с добавками волластонита.
Технические характеристики образцов керамики: водопоглощение 0,0 %,
механическая прочность при изгибе 75,9 МПа, плотность 2,45 г/см3, электрическая прочность 31,8 кВ/мм, термическая стойкость 173 К.
3. Разработаны составы масс фарфора с использованием маршаллита и
добавками волластонита. Фарфоровые образцы обладают высокими физикомеханическими и электрическими свойствами: водопоглощение 0,0 %,
механическая прочность при изгибе 81,7 МПа, плотность 2,53 г/см3, электрическая прочность 34,2 кВ/мм, термическая стойкость 202 К.
Методология работы. Исходя из рабочей гипотезы, которая заключается в том, что для повышения прочности необходимо обеспечение снижения вязкости расплава для создания условий кристаллизации игольчатого муллита, методология работы включала следующие этапы:
- исследование влияния замены кварцевого песка на тонкодисперсное кремнеземистое природное сырье - маршаллит;
- исследование влияния добавок в виде мономинеральных волластонитов на формирование структуры и свойства электротехнического фарфора;
- разработка оптимального состава шихты и исследование свойств.
Методы исследования. Для исследования состава и свойств исходных компонентов, полученного материала, а также процессов, протекающих при спекании, применялись современные методы: химический, рентгенофазовый, дифференциально-термический анализы, растровая электронная микроскопия. Основные физико-химические свойства керамики (усадка, водопоглощение, плотность, прочность при изгибе и др.) определялись согласно требованиям соответствующих ГОСТов.
Положения, выносимые на защиту
1. Положение об активирующей роли кварцевого компонента при дисперсности меньше 7 мкм, заключающееся в снижении температуры спекания фарфоровой массы на 50 оС, расширении интервала спекшегося состояния на 70 оС за счет снижения температуры взаимодействия кварца с ортоклазом и альбитом на 100 оС с 1100 оС до 1000 оС.
2. Положение о минерализирующем эффекте волластонита в количестве 2±0,2 % мас. на формирование игольчатого муллита из расплава за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, что обеспечивает повышение прочности и плотности фарфора.
3. Положение о совместном влиянии маршаллита и добавок волластонита на увеличение количества игольчатого муллита и длину игольчатых кристаллов за счет снижения температуры появления расплава и расширения интервала спекшегося состояния при обжиге фарфора, что увеличивает временной интервал кристаллизации муллита и снижение вязкости расплава.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов работы основывается на значительном объеме экспериментов, проведенных на сертифицированном оборудовании, с использованием современных стандартных методик, приборов и технических средств; количеством полученных образцов и проведенных измерений; согласованием полученных результатов с литературными данными, статистической обработкой результатов.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (г. Зыряновск, 2006г.); на международной научнопрактической конференции «Высокотемпературные материалы и технологии в XXI веке» (г. Москва, 2008г.); на Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова (г. Томск, 2014-2015гг.); на Международной конференции промышленных технологий и инжиниринга (г. Шымкент, 2014г.).
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований - в выборе и обосновании методов экспериментов; в выполнении, анализе и обобщении результатов лабораторных физико-механических, физико
химических, технологических исследований; в разработке технологии получения электротехнического фарфора. Подготовке публикаций по теме диссертации. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии.
Публикации по работе
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 публикации в журналах из списка, рекомендованного ВАК, две из которых индексированы в базе Scopus, и инновационный патент Республики Казахстан.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц и 49 рисунков, приложения на 16 страницах.
Республика Казахстан располагает перспективными сырьевыми
материалами для изготовления изделий из электротехнического фарфора. Разработка составов и технологии изготовления фарфора электротехнического назначения с улучшенными свойствами и их производство для центральноазиатского региона востребовано. Исследование процессов фазообразования и формирования структуры высоковольтного
электротехнического фарфора повышенной прочности является актуальным.
Работа выполнена в Южно-Казахстанском университете им. М.Ауэзова на кафедре технологии цемента, керамики и стекла по плану госбюджетной НИР Б- 16-03-14 «Разработка инновационных и усовершенствованных технологий силикатных и строительных материалов на основе минерально-сырьевой базы и отходов промышленности Республики Казахстан».
Разработанность темы
В решение вопросов разработки технологии электротехнического фарфора внесли свой вклад известные ученые в области проблем создания керамических материалов Масленникова Г.Н., Будников П.П., Харитонов Ф.Я., Верещагин В.И., Костюков Н.С., Пирогов К.С., Французова И.Г., Солодкий Н.Ф., Бридли Д.В., Накахиро М., Уоррел У. и др. Разработанные ими электротехнические материалы на основе фарфора нашли широкое применение в промышленности, технике и быту. Исследования российских ученых в этом плане реализованы в основном на сырьевых материалах России, Украины и Узбекистана. В целом минеральносырьевая база Казахстана для нужд фарфоровой промышленности по причине отсутствия в прошлом тонкокерамических производств в регионе целенаправленно не изучалась. Комплексные исследования керамического сырья из наиболее благоприятных месторождений Казахстана и разработка современной технологии изготовления электротехнического фарфора с улучшенными физикомеханическими и электрическими характеристиками в свете последних программ индустриально-инновационного развития страны являются своевременными и востребованными. Ранее исследования по использованию маршаллита и волластонита для получения электротехнического фарфора не проводились.
Объекты исследования: электротехнический фарфор и сырьевые
компоненты для его изготовления.
Предметом исследования являются физико-химические процессы спекания, фазообразования, формирования структуры и свойств электротехнического фарфора с использованием маршаллита и волластонита.
Цель работы- разработка составов и технологии изготовления
электротехнического фарфора с использованием маршаллита и волластонита
Для достижения цели решались следующие задачи:
- анализ керамического сырья Республики Казахстан и выбор глинистых и отощающих сырьевых материалов;
- исследования химического и минерального состава, физико-химических и технологических свойств, фазовых и структурных превращений в сырьевых материалах при термической обработке;
- выбор компонентов и составление шихт;
- исследования физико-химических и структурных превращений в многокомпонентных смесях при обжиге и разработка электротехнического фарфора с физико-механическими и электротехническими свойствами, соответствующими современным требованиям;
- исследование процесса формирования фарфора при обжиге и его керамо- технологических и диэлектрических свойств;
- определение наиболее оптимального варианта технологии синтеза;
- практическое опробование технологии, получение опытных образцов и их испытания.
Научная новизна
1. Установлено, что уменьшение размеров частиц кварца в фарфоровой
массе от 25 - 30 мкм (кварцевый песок) до 6 ± 1 мкм (маршаллит) обеспечивает снижение температуры спекания керамики на 50 оС до температуры 1290 ± 10 оС за счет активации процессов образования расплава бинарных эвтектик систем K2O-S1O2 (767 оС) и Na2O-SiO2 (793 оС) с последующим образованием бинарных эвтектик кварц - ортоклаз (990 оС) и кварц - альбит (1062 оС), обеспечивающих растворение кварца при температурах 1070 - 1280 оС с образованием
необходимого количества расплава. Образование тройных эвтектик при температурах 985 оС, 1050 оС не наблюдается.
2. Установлено, что присутствие в фарфоровой массе волластонита в
количестве 2 % мас. способствует кристаллизации из расплава игольчатого муллита за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, увеличение количества волластонита в массе более 2 % мас. приводит к снижению плотности и
прочности керамики, связанное с дальнейшим снижением вязкости расплава и появлением закрытой пористости, при этом сужается интервал спекшегося состояния до 10 оС.
3. Установлено, что совместное присутствие маршаллита и волластонита (2
%) в фарфоровой массе обеспечивает снижение температуры обжига, расширение интервала спекшегося состояния до 70 - 80 оС. Увеличение количества и длины игл муллита от 2-3 до 7-10 мкм достигается снижением температуры появления и уменьшением вязкости расплава, что приводит к увеличению термической прочности (22,4 %), прочности при изгибе (29,1 %) и электрической прочности (29,0 %). При этом наблюдается увеличение количества расплава, что
предполагает возможность дополнительного введения глинозема в массу для увеличения содержания муллита в фарфоре.
Теоретическая значимость работы. Получены новые данные о процессах образования игольчатого муллита из расплава в части снижения температуры образования расплава с маршаллитом и снижения вязкости за счет оксида кальция волластонита.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны составы масс электротехнического фарфора с использованием маршаллита в качестве кварцсодержащего компонента. Полученные образцы керамики отличаются высокой термической стойкостью - 191 К, водопоглощение 0,0 %, механическая прочность при изгибе 72,8 МПа, плотность 2,48 г/см3, электрическая прочность 28,2 кВ/мм.
2. Разработаны составы масс фарфора с добавками волластонита.
Технические характеристики образцов керамики: водопоглощение 0,0 %,
механическая прочность при изгибе 75,9 МПа, плотность 2,45 г/см3, электрическая прочность 31,8 кВ/мм, термическая стойкость 173 К.
3. Разработаны составы масс фарфора с использованием маршаллита и
добавками волластонита. Фарфоровые образцы обладают высокими физикомеханическими и электрическими свойствами: водопоглощение 0,0 %,
механическая прочность при изгибе 81,7 МПа, плотность 2,53 г/см3, электрическая прочность 34,2 кВ/мм, термическая стойкость 202 К.
Методология работы. Исходя из рабочей гипотезы, которая заключается в том, что для повышения прочности необходимо обеспечение снижения вязкости расплава для создания условий кристаллизации игольчатого муллита, методология работы включала следующие этапы:
- исследование влияния замены кварцевого песка на тонкодисперсное кремнеземистое природное сырье - маршаллит;
- исследование влияния добавок в виде мономинеральных волластонитов на формирование структуры и свойства электротехнического фарфора;
- разработка оптимального состава шихты и исследование свойств.
Методы исследования. Для исследования состава и свойств исходных компонентов, полученного материала, а также процессов, протекающих при спекании, применялись современные методы: химический, рентгенофазовый, дифференциально-термический анализы, растровая электронная микроскопия. Основные физико-химические свойства керамики (усадка, водопоглощение, плотность, прочность при изгибе и др.) определялись согласно требованиям соответствующих ГОСТов.
Положения, выносимые на защиту
1. Положение об активирующей роли кварцевого компонента при дисперсности меньше 7 мкм, заключающееся в снижении температуры спекания фарфоровой массы на 50 оС, расширении интервала спекшегося состояния на 70 оС за счет снижения температуры взаимодействия кварца с ортоклазом и альбитом на 100 оС с 1100 оС до 1000 оС.
2. Положение о минерализирующем эффекте волластонита в количестве 2±0,2 % мас. на формирование игольчатого муллита из расплава за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, что обеспечивает повышение прочности и плотности фарфора.
3. Положение о совместном влиянии маршаллита и добавок волластонита на увеличение количества игольчатого муллита и длину игольчатых кристаллов за счет снижения температуры появления расплава и расширения интервала спекшегося состояния при обжиге фарфора, что увеличивает временной интервал кристаллизации муллита и снижение вязкости расплава.
Степень достоверности результатов
Достоверность результатов работы основывается на значительном объеме экспериментов, проведенных на сертифицированном оборудовании, с использованием современных стандартных методик, приборов и технических средств; количеством полученных образцов и проведенных измерений; согласованием полученных результатов с литературными данными, статистической обработкой результатов.
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-методической конференции «Инновационные технологии в образовании и науке» (г. Зыряновск, 2006г.); на международной научнопрактической конференции «Высокотемпературные материалы и технологии в XXI веке» (г. Москва, 2008г.); на Международном научном симпозиуме имени академика М.А. Усова (г. Томск, 2014-2015гг.); на Международной конференции промышленных технологий и инжиниринга (г. Шымкент, 2014г.).
Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследований - в выборе и обосновании методов экспериментов; в выполнении, анализе и обобщении результатов лабораторных физико-механических, физико
химических, технологических исследований; в разработке технологии получения электротехнического фарфора. Подготовке публикаций по теме диссертации. Экспериментальные результаты, приведенные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии.
Публикации по работе
По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 публикации в журналах из списка, рекомендованного ВАК, две из которых индексированы в базе Scopus, и инновационный патент Республики Казахстан.
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка использованной литературы, приложений. Работа изложена на 161 страницах машинописного текста, содержит 29 таблиц и 49 рисунков, приложения на 16 страницах.
1. Замена кварцевого песка на маршаллит и добавка 2±0,2 мас. % волластонита - CaSiOs в фарфоровую массу обеспечивает снижение температуры спекания с 1340±10 оС до 127О±10 оС, расширение интервала спекшегося состояния с 30 оС до 70 оС, увеличение прочности при изгибе до 81,7 МПа и электрической прочности с 26,5 до 34,2 кВ/мм.
2. Замена кварцевого песка (дисперсность 25-30 мкм) на маршаллит (5-7 мкм) в фарфоровой массе обеспечивает снижение температуры спекания керамики на 50 оС до 1290±10 оС за счет образования расплава бинарных эвтектик при температурах 767 оС и 793 оС с постепенным образованием расплавов эвтектик кварц - ортоклаз (990 оС) и кварц - альбит (1062 оС) при температурах, приближающихся к равновесным. При этом образования тройных эвтектик при температурах 985 оС, 1050 оС не фиксируется.
3. Температура взаимодействия маршаллита (6±1мкм) с полевым шпатом снижается на 100 оС с 1100 оС до 1000 оС, что способствует интенсификации процессов спекания фарфора.
4. Введение в фарфоровую массу волластонита в количестве 2 %
способствует образованию кристаллизацией из расплава игольчатого муллита за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, увеличение количества волластонита в массе более 2 % мас. приводит к снижению плотности и
прочности керамики, связанное с дальнейшим снижением вязкости расплава и появлением закрытой пористости, при этом сужается интервал спекшегося состояния до 10 оС.
5. Совместное использование маршаллита и добавок волластонита в массах
электротехнического фарфора обеспечивает снижение температуры обжига, расширение интервала спекшегося состояния до 70 - 80 оС. Увеличение
количества и длины игл муллита достигается снижением температуры появления и уменьшением вязкости расплава, что приводит к увеличению термической прочности (22,4 %), прочности при изгибе (29,1 %) и электрической прочности
(29,0 %). При этом наблюдается увеличение количества расплава, что
предполагает возможность дополнительного введения глинозема в массу для увеличения содержания муллита в фарфоре.
6. Каолин месторождения Союзное по вещественному составу
каолинитовый, с низким содержанием красящих оксидов. Благодаря высокодисперсности в естественном виде он легко обогатим и после обогащения за счет роста объемной доли каолинита содержание глинозема в сырье составляет 36,52 %. По основным физико-химическим показателям этот каолин
соответствует требованиям ГОСТ 21286-82 для марок КЭ-1, КЭ-2, КЭ-3. Глина месторождения Берлинское по минеральному составу каолинит-монтмориллонит- гидрослюдистая, с низким содержанием красящих оксидов: Бе2Оз- 1,17 %; TiO- 0,52 %. Глина является огнеупорной, с низким содержанием свободного
кремнезема и может использоваться в составах масс электротехнического фарфора в качестве пластичного компонента (число пластичности 15-22) в зависимости от содержания монтмориллонита и гидрослюды.
7. Полевой шпат месторождения Сарыбулакское по некоторым параметрам не соответствуют требованиям ГОСТ 7030-75 (K2O - 5,97 %; Na2O - 4,01 %; калиевый модуль K2O/Na2O = 1,49). В технологии электротехнического фарфора эти параметры не имеют определяющего значения, в связи с чем данное полевошпатовое сырье может быть использовано в данной технологии.
8. Микроструктура керамики с маршаллитом и волластонитом представлена более совершенными по длине и форме кристаллами муллита, количество их увеличилось. Длина игольчатых кристаллов муллита достигает 7 - 10 мкм. В массах без добавок (М1) размеры кристаллов муллита большей частью составляют 2 - 3 мкм, тогда как микроструктуры массы с маршаллитом (М2) и массы с волластонитом (М3) представлены практически идентичными по длине кристаллами муллита, с небольшим преобладанием длины игл муллита в массе с волластонитом (5 - 7 мкм).
9. Увеличение количества и длины игольчатых кристаллов муллита в кристаллической фазе фарфоровых массах с маршаллитом и волластонитом обеспечивает улучшение их физико-механических и электрических свойств: водопоглощение 0,0 %; плотность 2,53 г/см3; прочность при изгибе 81,7 МПа; термическая стойкость 202 К; электрическая прочность 34,2 кВ/мм.
10. Для дальнейшего улучшения свойств разработанных составов масс фарфора можно рекомендовать использование маршаллитов и волластонитов в керамических массах с повышенным содержанием глинозема
2. Замена кварцевого песка (дисперсность 25-30 мкм) на маршаллит (5-7 мкм) в фарфоровой массе обеспечивает снижение температуры спекания керамики на 50 оС до 1290±10 оС за счет образования расплава бинарных эвтектик при температурах 767 оС и 793 оС с постепенным образованием расплавов эвтектик кварц - ортоклаз (990 оС) и кварц - альбит (1062 оС) при температурах, приближающихся к равновесным. При этом образования тройных эвтектик при температурах 985 оС, 1050 оС не фиксируется.
3. Температура взаимодействия маршаллита (6±1мкм) с полевым шпатом снижается на 100 оС с 1100 оС до 1000 оС, что способствует интенсификации процессов спекания фарфора.
4. Введение в фарфоровую массу волластонита в количестве 2 %
способствует образованию кристаллизацией из расплава игольчатого муллита за счет снижения вязкости расплава ионами Са2+, увеличение количества волластонита в массе более 2 % мас. приводит к снижению плотности и
прочности керамики, связанное с дальнейшим снижением вязкости расплава и появлением закрытой пористости, при этом сужается интервал спекшегося состояния до 10 оС.
5. Совместное использование маршаллита и добавок волластонита в массах
электротехнического фарфора обеспечивает снижение температуры обжига, расширение интервала спекшегося состояния до 70 - 80 оС. Увеличение
количества и длины игл муллита достигается снижением температуры появления и уменьшением вязкости расплава, что приводит к увеличению термической прочности (22,4 %), прочности при изгибе (29,1 %) и электрической прочности
(29,0 %). При этом наблюдается увеличение количества расплава, что
предполагает возможность дополнительного введения глинозема в массу для увеличения содержания муллита в фарфоре.
6. Каолин месторождения Союзное по вещественному составу
каолинитовый, с низким содержанием красящих оксидов. Благодаря высокодисперсности в естественном виде он легко обогатим и после обогащения за счет роста объемной доли каолинита содержание глинозема в сырье составляет 36,52 %. По основным физико-химическим показателям этот каолин
соответствует требованиям ГОСТ 21286-82 для марок КЭ-1, КЭ-2, КЭ-3. Глина месторождения Берлинское по минеральному составу каолинит-монтмориллонит- гидрослюдистая, с низким содержанием красящих оксидов: Бе2Оз- 1,17 %; TiO- 0,52 %. Глина является огнеупорной, с низким содержанием свободного
кремнезема и может использоваться в составах масс электротехнического фарфора в качестве пластичного компонента (число пластичности 15-22) в зависимости от содержания монтмориллонита и гидрослюды.
7. Полевой шпат месторождения Сарыбулакское по некоторым параметрам не соответствуют требованиям ГОСТ 7030-75 (K2O - 5,97 %; Na2O - 4,01 %; калиевый модуль K2O/Na2O = 1,49). В технологии электротехнического фарфора эти параметры не имеют определяющего значения, в связи с чем данное полевошпатовое сырье может быть использовано в данной технологии.
8. Микроструктура керамики с маршаллитом и волластонитом представлена более совершенными по длине и форме кристаллами муллита, количество их увеличилось. Длина игольчатых кристаллов муллита достигает 7 - 10 мкм. В массах без добавок (М1) размеры кристаллов муллита большей частью составляют 2 - 3 мкм, тогда как микроструктуры массы с маршаллитом (М2) и массы с волластонитом (М3) представлены практически идентичными по длине кристаллами муллита, с небольшим преобладанием длины игл муллита в массе с волластонитом (5 - 7 мкм).
9. Увеличение количества и длины игольчатых кристаллов муллита в кристаллической фазе фарфоровых массах с маршаллитом и волластонитом обеспечивает улучшение их физико-механических и электрических свойств: водопоглощение 0,0 %; плотность 2,53 г/см3; прочность при изгибе 81,7 МПа; термическая стойкость 202 К; электрическая прочность 34,2 кВ/мм.
10. Для дальнейшего улучшения свойств разработанных составов масс фарфора можно рекомендовать использование маршаллитов и волластонитов в керамических массах с повышенным содержанием глинозема
